黃義隆林道譚孫 哲

(1.中國(guó)南方電網(wǎng)超高壓輸電公司檢修試驗(yàn)中心，廣東 廣州 510670；2.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 511370)

電力系統(tǒng)由各種類(lèi)型的電子物料組成，電子物料的固有可靠性和使用可靠性共同決定了電力系統(tǒng)的整體可靠性[1]。繼電器作為一種自動(dòng)電氣開(kāi)關(guān)[2-3]，被廣泛應(yīng)用在電力系統(tǒng)中，是電力系統(tǒng)的關(guān)鍵物料之一。近年來(lái)，繼電器的可靠性問(wèn)題已成為人們的關(guān)注熱點(diǎn)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，繼電器的故障主要表現(xiàn)為觸點(diǎn)失效，其失效占比高達(dá)90%[4]，觸點(diǎn)接觸電阻增大為觸點(diǎn)失效的主要失效模式。繼電器觸點(diǎn)由靜觸點(diǎn)和動(dòng)觸點(diǎn)組成，觸點(diǎn)的質(zhì)量?jī)?yōu)劣直接會(huì)影響接觸電阻的可靠性[5]，而觸點(diǎn)接觸電阻作為繼電器的關(guān)鍵參數(shù)，如圖1 所示，接觸電阻增大的主要原因有觸點(diǎn)磨損[6]、行程不足[7]、多余物[8]等幾個(gè)方面[3]。

觸點(diǎn)材料一般選擇為導(dǎo)電性較好的金屬材料，正常情況下，繼電器的觸點(diǎn)之間能保持良好的金屬接觸。在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中，繼電器觸點(diǎn)表面會(huì)吸附一些可動(dòng)的多余物，而這些多余物的導(dǎo)電性一般比較差，這類(lèi)物質(zhì)若正好處于觸點(diǎn)接觸有效區(qū)域，會(huì)引起繼電器接觸電阻的不穩(wěn)定增大。近年來(lái)，多余物引起繼電器觸點(diǎn)接觸電阻增大的故障時(shí)有發(fā)生[9-10]，但是針對(duì)含磷物質(zhì)導(dǎo)致繼電器失效的機(jī)理研究則比較少。趙正元[11]研究發(fā)現(xiàn)繼電器觸點(diǎn)表面存在大量的磷元素，但未對(duì)含磷物質(zhì)的來(lái)源進(jìn)行分析。伍景希等人[12]提到塑料結(jié)構(gòu)件中的含磷物質(zhì)在長(zhǎng)時(shí)間放置后可能會(huì)析出，未對(duì)相關(guān)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

本文基于一起繼電器接觸電阻增大的故障事件，通過(guò)形貌分析、成分分析、結(jié)構(gòu)分析等各種試驗(yàn)技術(shù)與手段，對(duì)失效樣品進(jìn)行失效機(jī)理分析工作，確定導(dǎo)致繼電器失效的失效機(jī)理，研究觸點(diǎn)表面含磷異物對(duì)繼電器接觸電阻的影響。基于繼電器的失效機(jī)理開(kāi)展影響因素分析，獲取繼電器失效的敏感應(yīng)力，并開(kāi)展故障復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)，明確有機(jī)材料內(nèi)部含磷物質(zhì)在高溫高濕環(huán)境中對(duì)繼電器的影響規(guī)律，為繼電器的制造、使用提供了借鑒意義。

1 實(shí)驗(yàn)

某型號(hào)繼電器用于控制另外一組繼電器線(xiàn)圈的通斷，觸點(diǎn)導(dǎo)通電流小于10 mA。裝機(jī)使用大約3個(gè)月后觸點(diǎn)存在異常增大的現(xiàn)象。

(1)參數(shù)測(cè)試及形貌分析:選取1 只失效繼電器、2 只全新繼電器進(jìn)行分析，編號(hào)分別為F1＃、G1＃和G2＃，通過(guò)電參數(shù)測(cè)試確認(rèn)繼電器的性能狀態(tài)。機(jī)械法開(kāi)封去除繼電器外殼，結(jié)合體視顯微鏡對(duì)觸點(diǎn)進(jìn)行觀察。

(2)成分分析:通過(guò)S-4300 場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡對(duì)繼電器觸點(diǎn)表面進(jìn)行形貌分析和成分分析；通過(guò)Nicolet 顯微紅外分析儀、TOF.SIMS 5-100 飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜儀測(cè)試觸點(diǎn)表面異物的組成，繼而對(duì)繼電器的失效機(jī)理進(jìn)行分析。

(3)故障復(fù)現(xiàn):選取全新繼電器進(jìn)行高溫高濕貯存試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為85 ℃，濕度為85 %RH，時(shí)長(zhǎng)為兩周(336 h)，試驗(yàn)后測(cè)試?yán)^電器的電參數(shù)，并結(jié)合場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡對(duì)觸點(diǎn)進(jìn)行形貌分析和成分分析。

(4)機(jī)理驗(yàn)證:通過(guò)S-4300 場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡對(duì)繼電器內(nèi)部所有部件進(jìn)行能譜分析。另外本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了三組樣品，樣品放置方式如圖2 所示，觸點(diǎn)1?！?＃單獨(dú)放置進(jìn)行168 h 的85 ℃/85 %RH 高溫高濕貯存試驗(yàn)，觸點(diǎn)4＃～6＃與線(xiàn)圈支架組合放置后進(jìn)行168 h 的85 ℃/85 %RH 潮熱貯存試驗(yàn)，觸點(diǎn)7?！?＃與線(xiàn)圈支架組合放置后進(jìn)行168 h 的40 ℃/85 %RH 高溫高濕貯存試驗(yàn)，試驗(yàn)后采用能譜儀對(duì)觸點(diǎn)表面進(jìn)行成分分析。

圖2 銀觸點(diǎn)放置方式

2 結(jié)果與討論

2.1 參數(shù)測(cè)試及形貌分析

對(duì)失效繼電器F1＃、全新繼電器G1＃和G2＃進(jìn)行分析，外觀檢查未發(fā)現(xiàn)明顯異常。結(jié)合低阻儀對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示失效繼電器F1＃觸點(diǎn)接觸電阻明顯增大，達(dá)到了歐姆級(jí)別甚至兆歐姆級(jí)別，而正常繼電器觸點(diǎn)接觸電阻都為2 mΩ～8 mΩ。

如圖3(a)所示失效繼電器觸點(diǎn)的接觸狀態(tài)，檢查發(fā)現(xiàn)繼電器靜觸點(diǎn)和動(dòng)觸點(diǎn)接觸正常。對(duì)比圖3(b)所示的失效繼電器觸點(diǎn)和圖4 所示正常繼電器觸點(diǎn)，失效繼電器觸點(diǎn)明顯變色。

圖3 失效繼電器F1＃觸點(diǎn)的光學(xué)形貌

圖4 全新繼電器G1＃觸點(diǎn)的光學(xué)形貌

2.2 成分分析

圖5(b)所示SEM 形貌顯示觸點(diǎn)表面存在異物，圖5(c)所示能譜分析結(jié)果顯示異物所在區(qū)域主要含磷(P)、氧(O)、氮(N)等元素。

圖5 觸點(diǎn)的SEM 形貌和能譜分析結(jié)果

對(duì)失效繼電器觸點(diǎn)表面進(jìn)行飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜分析(TOF-SIMS)，圖6 所示結(jié)果顯示在TOF-SIMS負(fù)譜質(zhì)荷比為30.97、62.97、78.97、94.97、96.99、126.95 和158.95 等位置均發(fā)現(xiàn)含磷物質(zhì)的譜峰，顯示失效繼電器觸點(diǎn)表面的含磷物質(zhì)應(yīng)為磷酸根一類(lèi)物質(zhì)，此外，在TOF-SIMS 正譜質(zhì)荷比為18.04 位置存在譜峰，對(duì)應(yīng)銨根所在位置。

圖6 失效繼電器觸點(diǎn)表面異物的正、負(fù)二次離子質(zhì)譜圖

圖7 所示紅外光譜分析結(jié)果顯示失效繼電器觸點(diǎn)表面異物的紅外光譜吸收峰峰位與磷酸二氫銨的吸收峰接近，推斷異物內(nèi)部含有磷酸銨鹽一類(lèi)物質(zhì)?；谀茏V分析、TOF-SIMS 分析和紅外光譜分析的分析結(jié)果，判斷失效繼電器觸點(diǎn)表面異物應(yīng)該含有磷酸銨鹽一類(lèi)物質(zhì)。

圖7 失效繼電器觸點(diǎn)表面異物紅外光譜分析結(jié)果

對(duì)失效繼電器觸點(diǎn)進(jìn)行清洗，再次進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)觸點(diǎn)絕緣電阻可以恢復(fù)正常。因此判斷繼電器由于觸點(diǎn)表面異物的存在引起其接觸電阻增大失效，這一類(lèi)異物主要成分應(yīng)該為磷酸銨鹽一類(lèi)物質(zhì)。

2.3 故障復(fù)現(xiàn)

經(jīng)過(guò)兩周(336 h)的貯存試驗(yàn)后測(cè)試發(fā)現(xiàn)，繼電器的觸點(diǎn)接觸電阻存在增大的現(xiàn)象，如圖8 所示。通過(guò)開(kāi)封觀察發(fā)現(xiàn)繼電器觸點(diǎn)明顯變色，如圖9 所示，電鏡形貌顯示觸點(diǎn)表面存在異物，能譜分析結(jié)果顯示異物所在區(qū)域主要含磷(P)、氧(O)、氮(N)等元素。繼電器經(jīng)過(guò)高溫高濕貯存試驗(yàn)后的失效特征與市場(chǎng)失效繼電器F1＃基本一致，而繼電器觸點(diǎn)表面含磷物質(zhì)應(yīng)該是其內(nèi)部組件在高溫高濕條件下釋放引入。

圖8 試驗(yàn)后繼電器觸點(diǎn)的光學(xué)形貌

圖9 試驗(yàn)后繼電器觸點(diǎn)的SEM 形貌和能譜分析結(jié)果

對(duì)繼電器內(nèi)部所有部件進(jìn)行能譜分析，圖10(a)所示結(jié)果顯示繼電器線(xiàn)圈支架內(nèi)部含有磷，而其他部件未發(fā)現(xiàn)明顯異常。線(xiàn)圈支架采用注塑成型，其原材料中就存在含磷物質(zhì)，通過(guò)摻入含磷物質(zhì)提高支架的阻燃性能，而觸點(diǎn)表面含磷物質(zhì)可能來(lái)源于線(xiàn)圈支架，需要通過(guò)開(kāi)展銀觸點(diǎn)貯存試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行進(jìn)一步的驗(yàn)證。

圖10 線(xiàn)圈支架和銀觸點(diǎn)的能譜分析結(jié)果

2.4 機(jī)理驗(yàn)證

如圖10(b)所示，試驗(yàn)前觸點(diǎn)表面未發(fā)現(xiàn)含磷物質(zhì)的存在，168 h 高溫高濕貯存試驗(yàn)后觸點(diǎn)1＃～9＃的成分分析結(jié)果顯示:與線(xiàn)圈支架一起開(kāi)展試驗(yàn)的觸點(diǎn)表面會(huì)形成含磷物質(zhì)(見(jiàn)圖11)，尤其是高溫高濕(85℃/85 %RH)條件下的樣品，觸點(diǎn)表面明顯變色(見(jiàn)圖11)，磷的含量明顯較高(見(jiàn)圖12)。由此可以得到:在高溫高濕條件下，線(xiàn)圈支架內(nèi)部的含磷物質(zhì)會(huì)析出并沉積在觸點(diǎn)表面；在相同的濕度下，隨著溫度的升高，線(xiàn)圈支架內(nèi)部含磷物質(zhì)的釋放程度會(huì)加強(qiáng)。

圖11 銀觸點(diǎn)1＃～9＃潮熱貯存試驗(yàn)168 h 后的光學(xué)形貌

圖12 試驗(yàn)后觸點(diǎn)表面磷含量測(cè)試結(jié)果

3 機(jī)理分析與改進(jìn)建議

3.1 機(jī)理分析

繼電器線(xiàn)圈支架所使用材料的主體成分為尼龍材料，磷系阻燃劑則為尼龍材料的常用無(wú)鹵阻燃劑[13]，而部分類(lèi)型的磷系阻燃劑如聚磷酸銨(APP)[14]，其吸濕能力較強(qiáng)[15]、熱穩(wěn)定性較差[16]。APP 的結(jié)構(gòu)可以寫(xiě)成圖13 所示形式，分子結(jié)構(gòu)中n稱(chēng)為平均聚合度。

圖13 聚磷酸銨分子結(jié)構(gòu)圖

一方面，APP 具有一定的吸濕性和水解作用[17]，吸濕性會(huì)隨著APP 聚合度增大而下降。伴隨著APP 的吸濕作用，有機(jī)材料中添加的APP 會(huì)溶于水中并發(fā)生水解反應(yīng)，造成有機(jī)材料中APP 的水解析出。另一方面，APP 在高溫環(huán)境中會(huì)存在熱氧老化的情況[18]，老化過(guò)程中P—O—P 鍵會(huì)發(fā)生斷裂、P ＝O 鍵會(huì)增加，APP 的平均聚合度會(huì)逐漸下降，熱氧老化過(guò)程中APP 會(huì)逐步轉(zhuǎn)化為磷酸二氫銨。

本文研究結(jié)果顯示，繼電器觸點(diǎn)表面異物的紅外光譜吸收峰峰位與磷酸二氫銨的吸收峰接近，說(shuō)明觸點(diǎn)表面存在磷酸銨鹽一類(lèi)物質(zhì)。這類(lèi)物質(zhì)形成的原因是尼龍材料中的磷系阻燃劑在高溫高濕環(huán)境中通過(guò)水解和熱氧老化從有機(jī)材料內(nèi)部析出導(dǎo)致。

如圖14 所示，從微觀上看，由于繼電器觸點(diǎn)表面總是起伏不平的，兩個(gè)觸點(diǎn)接觸時(shí)一般都是通過(guò)多個(gè)斑點(diǎn)進(jìn)行接觸，如圖15 和圖16 所示的電接觸，電流通過(guò)該接觸面的斑點(diǎn)面時(shí)，會(huì)存在一定的收縮阻礙，該部分電阻被稱(chēng)為收縮電阻。同時(shí)觸點(diǎn)表面由于各種原因會(huì)形成表面膜，進(jìn)一步增加了觸點(diǎn)接觸電阻，這部分電阻則成為表面膜電阻。如公式(1)所示，觸點(diǎn)接觸電阻Rc為導(dǎo)體電阻Rm、收縮電阻Re和表面膜電阻Rf的總和[2]。

圖14 繼電器觸點(diǎn)表面的SEM 形貌

圖15 電接觸狀態(tài)下的微觀示意圖

圖16 電流通過(guò)觸點(diǎn)斑點(diǎn)面的示意圖

表面膜電阻是由于觸點(diǎn)表面通過(guò)物理吸附、化學(xué)腐蝕等方式而形成一層導(dǎo)電性較差的物質(zhì)引起的[20]，本文所示案例的分析結(jié)果顯示繼電器觸點(diǎn)表面存在含磷物質(zhì)，而這類(lèi)含磷物質(zhì)的導(dǎo)電性能比金屬導(dǎo)體的導(dǎo)電性能差[19]，導(dǎo)致觸點(diǎn)的表面膜電阻Rf的增大，繼而引起觸點(diǎn)接觸電阻增大失效。

3.2 改進(jìn)建議

繼電器觸點(diǎn)接觸電阻是關(guān)鍵參數(shù)，觸點(diǎn)表面異物的存在會(huì)引起其接觸電阻不穩(wěn)定增大，會(huì)導(dǎo)致整機(jī)的故障。有機(jī)材料在繼電器內(nèi)部廣泛應(yīng)用，比如線(xiàn)圈表面的膠帶、漆包線(xiàn)的漆膜、線(xiàn)圈支架、繼電器外殼。為了提高繼電器的安全性，要求繼電器所使用的材料具有阻燃性能，目前行業(yè)內(nèi)存在部分廠家使用含磷物質(zhì)作為阻燃劑添加在有機(jī)材料內(nèi)部，提高其阻燃性能。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，有機(jī)材料中的含磷物質(zhì)在高溫高濕條件下會(huì)析出，并沉積在觸點(diǎn)表面，造成繼電器觸點(diǎn)接觸電阻增大失效。因此，對(duì)于繼電器的制造和使用有以下幾點(diǎn)建議:

第一，繼電器使用的有機(jī)材料慎用含磷物質(zhì)作阻燃劑；

第二，在繼電器選型過(guò)程中，可以開(kāi)展高溫高濕試驗(yàn)，評(píng)價(jià)繼電器的性能穩(wěn)定性；

第三，使用過(guò)程中注意控制繼電器使用環(huán)境的溫度和濕度，有條件的情況下可以選用密封繼電器；

第四，在整機(jī)定期檢查過(guò)程中要關(guān)注繼電器觸點(diǎn)接觸電阻，更換接觸電阻超標(biāo)的繼電器。

4 結(jié)論

本文基于一起繼電器接觸電阻增大的故障事件，開(kāi)展失效分析，對(duì)繼電器接觸電阻增大的失效機(jī)理進(jìn)行研究，并通過(guò)故障復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)分析導(dǎo)致繼電器失效的根本原因，以制定相應(yīng)的改進(jìn)措施。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:(1)繼電器觸點(diǎn)表面的含磷物質(zhì)會(huì)引起觸點(diǎn)接觸電阻增大失效；(2)有機(jī)材料中的含磷物質(zhì)在高溫高濕環(huán)境中會(huì)析出，并在繼電器觸點(diǎn)表面沉積；(3)在相同的濕度下，隨著溫度的升高有機(jī)材料中含磷物質(zhì)的釋放程度會(huì)加強(qiáng)。

觸點(diǎn)接觸電阻作為繼電器的關(guān)鍵參數(shù)，該參數(shù)的穩(wěn)定性直接影響到整機(jī)的可靠性。多余物是造成繼電器接觸電阻增大的重要因素之一，而繼電器內(nèi)部有機(jī)材料的異物析出是多余物的主要來(lái)源，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中應(yīng)注意材料的選型設(shè)計(jì)，并結(jié)合環(huán)境試驗(yàn)加以驗(yàn)證，以提高繼電器的可靠性。