電磁繼電器觸點(diǎn)接觸電阻分析

楊光倫

（貴州振華群英電器有限公司，貴州貴陽，550018）

電磁繼電器是工業(yè)控制電氣系統(tǒng)中的重要裝置，但是由于其工作環(huán)境的影響，在運(yùn)行一段時(shí)間后容易因?yàn)槲廴?、磨損、電磁干擾等因素，出現(xiàn)許多故障。觸點(diǎn)接觸電阻異常增加就是常見的故障形式之一。通過分析導(dǎo)致接觸電阻增加的原因，進(jìn)而采取行之有效的解決措施，使電磁繼電器得以穩(wěn)定運(yùn)行，成為現(xiàn)階段電力維護(hù)人員必須要掌握的技能。

1 電磁繼電器觸點(diǎn)接觸電阻的產(chǎn)生機(jī)理

參照電接觸理論，電磁繼電器的接觸電阻主要取決于兩個(gè)指標(biāo)，即收縮電阻和表面膜電阻，兩者之和即為觸點(diǎn)的接觸電阻。

■1.1 收縮電阻

在電磁繼電器通電運(yùn)行時(shí)，由于電流路徑收縮，產(chǎn)生了收縮電阻（RE），其計(jì)算公式如下：

式（1）中，ρ為觸點(diǎn)的電阻率，a為觸點(diǎn)的微觀尖峰半徑，Sij為微觀面的間距。根據(jù)式（1）可知，收縮電阻主要與電阻率、微觀層面上接觸面的數(shù)量、尺寸等有關(guān)系。單位面積內(nèi)，接觸面數(shù)目越多，相當(dāng)于觸點(diǎn)接觸面積越大，因此其電阻也會(huì)減小。

■1.2 表面膜電阻

影響表面膜電阻（RF）的因素較多，可歸納為：（1）表面光潔程度。當(dāng)觸點(diǎn)表面膜受到灰塵、油垢的污染，或者是表面磨損導(dǎo)致凹凸不平的情況下，其電阻會(huì)有明顯的上升。前者是因?yàn)槲廴緦?dǎo)致觸點(diǎn)與工作面接觸不良，相當(dāng)于斷路，電阻趨近于無限大；而后者則是減小了觸點(diǎn)與工作面的接觸面積。而電阻值與接觸面積為反比，接觸面減小的情況下，引起了電阻值的增加。（2）無機(jī)化學(xué)膜。電磁繼電器使用一定年限后，觸點(diǎn)表面因?yàn)檠趸?、硫化等原因，形成了一層氧化膜、硫化膜，?dǎo)致觸點(diǎn)的導(dǎo)電率下降，電阻增加。（3）有機(jī)化學(xué)膜。在油液泄露或蒸發(fā)的情況下，部分油蒸汽附著在觸點(diǎn)表面，形成一層有機(jī)膜，也會(huì)影響正常的導(dǎo)電，使得電阻值上升。因此，要想保持觸點(diǎn)接觸電阻的穩(wěn)定，加強(qiáng)表面管理，保持觸點(diǎn)表面工況良好是一種可行的辦法。

2 影響觸點(diǎn)接觸電阻的因素分析

■2.1 觸點(diǎn)形狀及材料

不同類型的電磁繼電器，其觸點(diǎn)用材也有很大的不同，目前比較常見觸點(diǎn)材料有2種，一種是純銀，其特點(diǎn)是導(dǎo)電率高、接觸電阻比較穩(wěn)定，但是不耐磨損，并且大量使用也會(huì)導(dǎo)致成本攀升。另一種是銀合金，包括銀鎳合金，銀與氧化鎘的合金等，這類材料無論是在使用性能，還是成本價(jià)格等方面，均有一定的優(yōu)勢(shì)。通常來說，銀合金能夠滿足多數(shù)情況下電磁繼電器的使用要求，并且在耐磨性、抗電弧侵蝕性等方面性能比較出眾，可作為優(yōu)先考慮的觸點(diǎn)用材。另外，觸點(diǎn)形狀也會(huì)影響接觸面積，以及繼電器觸點(diǎn)斷弧能力，也是必須要考慮的因素之一。例如，圓形球面觸點(diǎn)的光滑性強(qiáng)，不容易出現(xiàn)尖端拉弧的現(xiàn)象，因此繼電器運(yùn)行可靠性更高。對(duì)于負(fù)載能力要求較高的繼電器，也可選擇方形的觸點(diǎn)，通過增大接觸面積來降低接觸電阻。

■2.2 觸點(diǎn)表面條件

觸電表面的清潔度、光滑度等因素，是影響觸點(diǎn)接觸電阻的關(guān)鍵因素。隨著電磁繼電器使用年限的增加，空氣中漂浮的灰塵，會(huì)被零件表面的油液粘附，形成一層油垢。受到污染的觸點(diǎn)，將會(huì)出現(xiàn)不導(dǎo)通、接觸不良的情況，阻值明顯增加。因此，電磁繼電器通常會(huì)安裝過濾裝置，防止靜電、油液吸塵，保證觸點(diǎn)表面維持較為清潔的狀態(tài)。另外，觸點(diǎn)表面的光滑度，也會(huì)因?yàn)橛绊懹|點(diǎn)接觸面積，進(jìn)而直接影響接觸電阻。正常情況下，電阻與接觸面積成反比關(guān)系，即接觸面積越大，則電阻越小。在觸點(diǎn)表面不光滑的情況下，只有凸起的極少部分接觸工作面，由此導(dǎo)致接觸電阻增加。除了上述兩項(xiàng)主要因素外，觸點(diǎn)硬度也會(huì)對(duì)接觸電阻有一定影響。

■2.3 觸點(diǎn)壓力

觸點(diǎn)靜合壓力對(duì)接觸電阻也有一定的影響?？傮w上來說，隨著觸點(diǎn)壓力的增加，接觸電阻會(huì)有較為明顯的下降，兩者關(guān)系曲線如圖1所示。

圖1 觸點(diǎn)壓力與接觸電阻的關(guān)系曲線

結(jié)合圖1可以發(fā)現(xiàn)，觸點(diǎn)壓力為20mN時(shí)，接觸電阻達(dá)到了50mΩ，而觸點(diǎn)壓力增加到30mN時(shí)，接觸電阻迅速降低至15mΩ。其中，觸點(diǎn)壓力30mN為臨界點(diǎn)，超過該值后，隨著觸點(diǎn)壓力的持續(xù)增加，接觸電阻的變化趨于緩和。除此之外，觸點(diǎn)直徑也是影響壓力接觸電阻變化曲線的一個(gè)重要因素。以圖1為例，φ2.2mm的觸點(diǎn)，在觸點(diǎn)壓力超過30mN后，接觸電阻基本不再變化；而φ3.0mm的觸點(diǎn)，在觸點(diǎn)壓力超過30mN后，仍然保持下降趨勢(shì)，但是比之前有所緩和。

3 電磁繼電器觸點(diǎn)接觸電阻的優(yōu)化策略

■3.1 觸點(diǎn)表面處理技術(shù)

3.1.1 表面研磨

要想達(dá)到理想的研磨效果，首先要根據(jù)觸點(diǎn)表面材質(zhì)選擇與之對(duì)應(yīng)的研磨材料。本文使用KC-1多刃多形態(tài)切削研磨材料，根據(jù)研磨狀態(tài)的不同，可分為垂直研磨和水平研磨2個(gè)步驟。有些電磁繼電器的觸點(diǎn)部分，由于生產(chǎn)工藝比較粗糙，表面存在毛刺。通過垂直研磨能夠有效去除毛刺，使表面更加光滑，改善導(dǎo)通效果。需要注意的是，研磨材料的用量要根據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量來確定，產(chǎn)品質(zhì)量為2kg時(shí)，KC-1研磨材料用量為250g；產(chǎn)品質(zhì)量為5kg時(shí)，研磨材料用量380g。完成垂直研磨后，技術(shù)人員檢查觸點(diǎn)外觀，經(jīng)檢查確定表面光滑無問題后，再進(jìn)行水平研磨。經(jīng)過兩次研磨處理后，要求觸點(diǎn)表面要形成致密的微觀尖峰，峰頂和峰谷的高度差控制在5~10μm之間。在觸點(diǎn)獲得理想工作面的情況下，其收縮電阻和表面膜電阻都會(huì)有不同程度的降低，進(jìn)而使得觸點(diǎn)電阻降低，滿足正常使用的要求。

3.1.2 表面防護(hù)

研磨工序完畢后，還要進(jìn)行表面沖洗，將觸點(diǎn)表面殘留的粉末、灰塵等清理干凈，然后進(jìn)入表面防護(hù)工序。選擇理想的保護(hù)劑對(duì)提高觸點(diǎn)表面保護(hù)效果有直接影響，試驗(yàn)表明銀是一種導(dǎo)電性極好的理想材料。但是使用純銀材料制作觸點(diǎn)，一方面是容易氧化、硫化，另一方面是耐磨損性差，一段時(shí)間后就會(huì)出現(xiàn)導(dǎo)電效果明顯下降、接觸電阻異常升高的問題。因此，通常選擇在銀觸點(diǎn)表面鍍金的方式，達(dá)到保護(hù)觸點(diǎn)的效果。由于金的電阻率僅次于銀和銅，加上金的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不容易出現(xiàn)氧化、硫化問題，提高了觸點(diǎn)表面防護(hù)效果，延長(zhǎng)了設(shè)備使用壽命。為了驗(yàn)證保護(hù)效果，選擇硫化氫溶液，使用毛刷蘸取后，分別涂刷到鍍金保護(hù)層和未進(jìn)行任何處理的觸點(diǎn)上，靜置6h后觀察效果，發(fā)現(xiàn)未處理的觸點(diǎn)有明顯的硫化變色現(xiàn)象，而覆蓋了保護(hù)層的觸點(diǎn)沒有任何變化。

■3.2 內(nèi)部零件清洗技術(shù)

3.2.1 超聲波清洗的優(yōu)勢(shì)

電磁繼電器由于長(zhǎng)時(shí)間出于比較惡劣的環(huán)境下運(yùn)行，容易受到油液、灰塵的污染，在表面形成粘性積垢，導(dǎo)致觸點(diǎn)接觸電阻增加。因此，需要定期進(jìn)行內(nèi)部零件的清洗，而常規(guī)清洗不僅難以將油泥、積垢徹底清除，而且殘留的清洗劑還有可能引發(fā)二次腐蝕。超聲波清洗是以高頻超聲波作為介質(zhì)，對(duì)粘附在零件表面的污染物，進(jìn)行分散、乳化、剝離，清洗效率更高，而且無副作用。另外，超聲波還能夠穿透零件，深入到內(nèi)部，尤其是對(duì)于零件凹陷、拐角等隱蔽位置，也能夠達(dá)到理想的清洗效果。目前，基于超聲波原理的自動(dòng)清洗設(shè)備已經(jīng)廣泛使用，為電磁繼電器內(nèi)部零件的除油、除垢提供了便利。

3.2.2 關(guān)鍵參數(shù)的優(yōu)化

超聲波清洗觸點(diǎn)雖然優(yōu)勢(shì)顯著，但是要想達(dá)到理想的效果，還要特別關(guān)注一些重要參數(shù)。其一是超聲波的頻率，頻率與超聲空化效果直接相關(guān)，頻率越高，強(qiáng)度越大，清洗效果越好。需要注意的是，低頻超聲波通常用于處理大顆粒污物，而對(duì)于微小的雜質(zhì)則選擇高頻超聲波處理。試驗(yàn)表明，污染程度類似的電磁繼電器觸點(diǎn)，在超聲頻率為40kHz時(shí)，清洗時(shí)間設(shè)定為8min，直徑超過10μm的顆粒能夠控制在20個(gè)以內(nèi)；而頻率達(dá)到80kHz時(shí)，顆粒數(shù)可以降低到10個(gè)以內(nèi)。除此之外，超聲波清洗時(shí)間也是影響污物去除效果的關(guān)鍵因素。一般來說，清洗時(shí)間越長(zhǎng)，則污物去除越徹底，但是實(shí)際中還要考慮成本，清洗時(shí)間與清洗效果如表1所示。

表1 超聲波清洗時(shí)間對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)語

電磁繼電器在使用一段時(shí)間后，觸點(diǎn)部位因?yàn)槭艿轿蹞p等原因，容易出現(xiàn)電阻增加的情況，影響電磁繼電器的正常使用。結(jié)合觸點(diǎn)動(dòng)作原理，可知影響其接觸電阻的因素主要有觸點(diǎn)本身的材質(zhì)、接觸面條件以及接觸壓力等。就接觸面而言，通過表面處理和超聲清洗，提供良好的接觸面環(huán)境，是保證觸點(diǎn)接觸電阻穩(wěn)定的一種有效措施。