关于交流接触器加速寿命试验的研究

张 竟 杜吉祥 邹 迅

格力电器(合肥)有限公司 安徽 合肥 230088

1 引言

接触器是一种自动化的控制电器,广泛应用于自动控制电路。在空调系统中,交流接触器是不可或缺的重要部件。在这里我们主要研究的是,在保证其性能的前提下,如何缩短交流接触器电气寿命试验的时间。

2 事件背景

交流接触器在售后出现的主要异常为触头熔焊,而触头熔焊又是开关电器失效的主要形式之一,触头闭合过程中,由于闭合时的预击穿电弧或触头弹跳过程中形成的电弧,使动、静触头接触面金属熔融而形成熔焊。当触头的分断力大于触头的熔焊力时,所造成的熔焊可以恢复,称为可恢复的熔焊;反之,称为不可恢复的熔焊[1]。

3 交流接触器失效模式的分析

交流接触器的失效点主要表现为过热磨损和打火烧熔。产生触点熔焊的原因是在触点闭合时,由于撞击和振动,触点之间不断产生短电弧,其温度高达上千摄氏度,时间稍长就会把触点烧伤或熔化,并使动、静触点粘黏,导致电路失控。导致触点烧熔的原因有以下几点：

①线路中有异常大电流,造成原因可能是由于用户家的电压不稳定,使交流接触器长期处于吸合的临界点,不断拉弧灼烧触点,两触头的金属原子相互扩散,并形成金属键,冷却时在接触面之间形成共同的晶粒,使触头熔合在一起[2]。

②交流接触器触头材料的影响,我司使用的触头材料基本为银镍合金,而Ni的熔化和结晶是关键因素。

③厂家加工工艺一致性存在波动,使得触头银镀层偏薄或分布不均匀,在使用过程中,影响触头的抗熔焊性下降,触头飞溅损耗大,最终导致触头失效。

而交流接触器接触器触头失效基本都是出现在售后,且周期较长,在我司厂内只有进行模拟实验(电气寿命实验)才能检测出,但是目前电气寿命的时间较长,不具备及时性,需要进行加速寿命试验的研究。

4 研究改进的方向

目前电气寿命试验周期较长,对于质量管控的及时性和有效性还需要进一步改善。我们拟定两个实验思路：一是保证其它条件不变,减小通电线圈的实验电压;二是不改变其它条件,只缩短动静触点的接通与断开的时间。总之,就是通过改变单一变量,加剧试验环境,从而缩短试验时间。不管是哪种实验思路,我们都需要有一个标准作为评判,保证最后试验所得的结果是我们所想得要的。目前交流接触器触头大多为铜基覆银合金触头,其中最主要的元素就是银。

5 进行的实验：实验内容、数据的分析

5.1 实验条件

①将交流接触器按正常工作位置安装,单极主电路通标称单相电源220V,主电路通6倍额定电流In,按额定控制电源进行通断操作,通电时间0.5 s,断电时间5s,一通一断为一周期,在这个实验中,我们将断开时间由9s缩短至5s,理论上将实验总时间264h减少为152h,但由于触头断开时间由9s缩短为5s,对触点的考验必然会加大,电弧作用在触头表面上引起的温升、相变(熔化、蒸发等)也更加严重,实验总时间将会进一步缩短。

②同步安排两组实验,A 组实验按照我司之前的实验条件(通0.5s,断开9s),B 组实验按照上叙条件进行(通0.5s,断开5s),通过对比两组实验前后触头的物理变化及化学成分的变化,从而来确定寿命加速试验的大致时间(想要确定具体的缩短时间,还需要大量的实验来做参照)。

5.2 实验内容

实验前,通过放大镜观察,A、B 两组样件的动静触头表面光泽度基本一致,对比两组的触点的银镀层厚度,均在标准范围内(根据继电开关额定电流的大小,动静触点的银镀层厚度也不尽相同)。

表1 试验前两组触点的镀层厚度与材料对比

实验后,静触点的镀层材料向动触点转移并裸露铜基底,这是因为当触头开始断开时,接触电阻变大,触头表面温度升高,使接触表面熔化而形成金属液桥。随着动静触点间距增大,间隙中的触头金属蒸汽被游离而出现金属相电弧放电,带电微粒主要是电子、金属离子和金属原子,金属离子和电子在电场力作用下分别向动触点和静触点运动,金属离子沉积在动触点表面,形成尖峰,电子轰击静触点,使已加热的动触点表面进一步加热,所以材料从静触点向动触点转移,两组样品的动触点有明显的材料堆积。试验后,A 组样品电气寿命为102100次,B 组样品电气寿命为45023次,从两组动静触点材料成分测试情况来看,动静触点中的银元素含量减少,镍元素含量增大。在银镍合金中,镍含量越高,抗熔焊性越好,但表面的接触电阻就越大,长期试验后,温升持续升高导致触点粘黏。两组样品试验后金像和材质对比相差不大,可以说明两组实验具有一定的可比性。

表2 试验后两组触点的材料对比

5.3 实验结论

从上述实验的结果来看,对于研究如何缩短交流接触器电气寿命试验的时间是有一定的帮助和启发的,只要积累大量的试验素材,完全可以制定标准,缩短试验时间,加速整改进度,提升产品质量。

6 结论

(1)根据售后及实验得到的数据,交流接触器突出故障为触点烧融以及线圈开/短路。

(2)通过两组实验样品,对比了试验前后触点的物理及化学变化,研究如何缩短交流接触器电气寿命试验的时间,减少了时间成本。

(3)提升交流接触器的使用寿命,可以从控制触点接触电阻及温升、触点材料成分、及吸合、释放动作电压几个方面来入手。