电器开关主要故障原因分析及改善方案

万海元 何均匀

（1.广东联塑电气有限公司 佛山 528318； 2.广东中科电工科技有限公司 深圳 518000）

引言

开关作为装修和日用电器使用中必不可少的低压电器配件，需要频繁地接通或关断电源回路，主要用于控制照明电器、家用电器和办公设备等，如开关控制下的照明灯具、空调、电视音响、厨房电器、电脑设备等，开关质量的好坏，直接关系到受其控制的电器和设备的安全。所以，开关的设计和生产必须严格执行相关产品标准，还需满足用电环境以及所控制电器和设备的负载要求。

根据长期对开关使用过程出现的故障现象进行统计分析发现，引起开关失效典型故障现象主要表现为：开关触点粘连（常闭状态）和开关不通电（常开状态），导致开关功能失效。这两类故障现象占客户投诉的大部分，而投诉开关失效产品中，16 A带开关插座产品又是故障率最高的品种。

本文以16 A带开关插座产品为例，对开关失效故障发生的原因进行分析，提出改善方案，并通过试验验证，以期达到提高产品品质、减少故障发生率、满足用户使用安全的目的。

1 本文所述开关的相关概念

本文所分析的开关,是指按国家标准GB/T 16915.1-2014《家用和类似用途固定式电气装置的开关第1部分：通用要求》第3.1.1条中所述的按钮开关：起动机构由人体的一部分，通常是手指或手掌来按动，利用储存的能量（例如弹簧）来改变开关状态的控制开关，应符合的要求主要有：

1）第3.1.5条，正常（间隙）结构开关：分开的触头之间的电气间隙不小于3 mm，且符合正常结构性能要求的开关。

2）第17条，温升，要求寿命试验前、后温升都不超过45 K。

3）第18条，通断能力，要求开关应有足够的通断能力。

4）第19条，正常操作，开关应经受得住正常使用情况的机械应力、电应力和热应力而不会出现过度的磨损或其他有害的影响。

5）开关按产品标准第19.1，19.2，19.3条要求测试后，温升不超过45 K[1]。

2 故障分类及原因分析

开关的使用故障主要是功能失效，分为触点粘连（常闭状态）和不通电（常开状态）两类情况。

2.1 开关触点粘连情况及原因分析

多年的统计数据表明，在客户投诉和退货中，16 A开关功能失效最多。拆开失效产品，发现开关触点粘连在一起，靠外力无法脱开，只有拆开塑料件，强行拨动五金件才能将触点分开，达到断开电路的目的。

从产品状态来看，有些是较新状态，触点没有多大的烧蚀，应该是通断次数较少（100次以内）就发生了粘连；有些为触点烧蚀严重，应该使用了较长时间。

出现的问题主要有：①开关中的拨动杆（俗称“子弹头”）磨损变短；②开关弹簧力偏小；③开关后座装支承片安放处出现严重变形，铜片移位，产品结构发生改变。

从以上状态分析，开关发生粘连问题有如下几个因素：

1）产品结构——开关无强制脱扣机构。在开关通过大电流时，触点轻微粘住，弹簧压力转换时，因力度不够，无法让触点脱开，导致粘连，引起产品长期通电，见图1。

图1 强制脱扣机构

2）选用材料——触点材料不达标。触点要求良好的导电、导热性，耐电弧烧损、抗熔焊、电磨损小，接触电阻低且稳定，不与环境介质发生化学反应，有一定的强度且易于机械加工等。触点导热性、耐电弧烧损、抗熔焊不够等都会引起产品粘连。

3）生产工艺——触点铆合不良。如果触点与铜片铆合不良，通电时在触点部位会出现高温，从而可能导致触点熔融粘连，出现断不开现象。

4）弹跳性能——开关闭合时，触点弹跳时间过长、弹跳次数过多。每次弹跳，会产生拉弧，拉弧会引起发热烧蚀，发热烧蚀会导致粘连[2]。

2.2 开关不通电情况及原因分析

从16 A带开关插座不通电失效产品，发现开关打起来没手感，或者手感很轻，有些产品从后座塑胶件上能看出明显变形。此类产品大部分触点烧蚀严重，从烧蚀情况来看，估计在使用过程中，产品温升过高，引起拨动杆熔软变短，压力弹簧伸长，弹簧压力不够，接触状况变差，导致温升越来越高，最后引起产品后座装支承片处塑胶件出现严重变形，铜片移位，产品结构发生改变。

从以上状态分析，发生开关不通电问题有如下几个因素：

1）拨动杆耐温不够。在开关瞬间转换时的高温，将拨动杆熔化或变软，每次熔化变软，会引起拨动杆变短，弹簧压力不够。

2）触点材料不达标。触点耐电弧烧损、导电导热性、耐电弧烧损、接触电阻及稳定性等方面不能满足要求。

3）触点厚度不够。部分生产厂家为了节省成本，银层只有0.1 mm左右，并且只有中间有银层，边上还出现露铜现象。在使用一段时间后，银层烧蚀，不是银与银接触，而是被烧蚀后的氧化铜接触，接触电阻和温升急剧增大，直接导致产品不通电或破坏产品结构而导致产品失效。

4）产品触点上有灰尘或其它不导电的异物，引起开关不通电。

3 改善方案

3.1 增加强制脱扣机构

即使开关瞬间粘连，也可以在高温状态下，将触点强行断开，如图1。

3.2 采用优质银触点，保证足够的银层厚度

在使用寿命期内，即使烧蚀后，还有银层，可以保证接触良。现在常用的银氧化锡等是性能较好的触点材料，推荐触点顶部银层厚度不小于0.3 mm，边沿银层厚度不小于0.3 mm，以确保正常使用中不露铜。

3.3 提高生产工艺

确保开关铆接良好，防止出现铆接不良现象。

3.4 优化开关结构设计

通过优化结构，减少开关弹跳时间和弹跳次数，

优质开关弹跳时间在1 ms以下，见图2、图3。

图2 弹跳测试结构

图3 弹跳波形

3.5 采用耐高温的拨动杆材料

过去很多厂家采用POM（聚甲醛），耐热性能不够，不建议采用，推荐采用PA66。

3.6 在结构方面加强密封效果

防止用户安装过程中，杂物灰尘等进入触点区域，引起触点接触不良或不导电现象。

4 产品测试结果验证

从市场上购买四家公司的16 A带开关插座各10个,四家公司编号为A、B、C、D。

对样品进行编号：A1-A10，B1-B10，C1-C10，D1-D10。

4.1 产品分析与寿命试验前（简称“寿前”）测试

1）对产品结构及材料进行分析，见表1。

表1 四种样品寿前测试情况

2）首先对样品作弹跳测试，然后做环境试验、寿前温升测试。测试结果见表1。

从表1可以看出，四家公司的产品寿前温升都达标（标准要求温升不超过45 K）。说明寿前温升与银层厚度关系不大，但是B1-B3产品触点银含量偏低，寿前温升相对较高。

4.2 寿命试验与寿后温升测试

按标准第19.1条要求做40 000次寿命测试，然后做寿后温升测试，测试结果见表2。

表2 四种样品19.1测试结果

4.3 寿命试验与寿后温升测试（荧光灯负载）

分别按标准第19.2条要求做5 000次寿命测试，然后做寿后温升测试，测试情况结果见表3。

表3 四种样品19.2测试结果

4.4 结果分析

从表2及表3中的测试数据来看：

A公司产品由于没有强制脱扣机构，银层薄，开关弹跳时间较长，采用POM拨动杆，在测试中瞬间高温情况下，产品很快就出现粘连现象，手感变轻，测试很快失败。

B公司产品银层适中，但是弹跳时间相对较长，处于1.5～2.3 ms之间，开关测试中会产生较高温度，银点及支撑处会产生较严重的熔融烧蚀，导致产品接触压力减小，引起温升超标现象。

C和D公司产品，各项性能都不错，能顺利通过测试。从寿前温升来看，C、D两家采用不同的银合金触点，温升接近。但是两家结构不同，D厂家翘板采用偏心翘板，并选用紫铜材料，弹跳时间比C公司明显缩短，寿后温升测试结果明显降低。有较理想的寿后温升，更能接受用户使用中过载等异常情况。

5 结论

从以上分析和测试验证结果得出如下结论：

1）开关应设计强制脱扣机构，确保开关轻微粘连可以断开。

2）采用优质银合金触点，银层0.3 mm左右，如D样品就是采用银锡合金银点，环保且性能好。

3）优化开关结构，控制开关弹跳时间在1 ms以下。

4）选用耐高温的开关拨动杆材料，如PA66加纤材料。

本文通过对四家公司的16 A开关产品的结构和用料进行比较，并结合实际样品进行测试对比，分析了电器开关失效故障原因，提出了相应的改善方案，供大家参考。因作者水平所限，疏漏之处难免，恳请批评指正。同时希望各公司能不断优化产品设计和选材，提高产品质量，尽可能降低使用故障。