继电器触点表面含磷物质来源分析及改进建议

黄义隆林道谭孙 哲

(1.中国南方电网超高压输电公司检修试验中心，广东 广州 510670；2.工业和信息化部电子第五研究所，广东 广州 511370)

电力系统由各种类型的电子物料组成，电子物料的固有可靠性和使用可靠性共同决定了电力系统的整体可靠性[1]。继电器作为一种自动电气开关[2-3]，被广泛应用在电力系统中，是电力系统的关键物料之一。近年来，继电器的可靠性问题已成为人们的关注热点，据统计，继电器的故障主要表现为触点失效，其失效占比高达90%[4]，触点接触电阻增大为触点失效的主要失效模式。继电器触点由静触点和动触点组成，触点的质量优劣直接会影响接触电阻的可靠性[5]，而触点接触电阻作为继电器的关键参数，如图1 所示，接触电阻增大的主要原因有触点磨损[6]、行程不足[7]、多余物[8]等几个方面[3]。

触点材料一般选择为导电性较好的金属材料，正常情况下，继电器的触点之间能保持良好的金属接触。在实际的应用过程中，继电器触点表面会吸附一些可动的多余物，而这些多余物的导电性一般比较差，这类物质若正好处于触点接触有效区域，会引起继电器接触电阻的不稳定增大。近年来，多余物引起继电器触点接触电阻增大的故障时有发生[9-10]，但是针对含磷物质导致继电器失效的机理研究则比较少。赵正元[11]研究发现继电器触点表面存在大量的磷元素，但未对含磷物质的来源进行分析。伍景希等人[12]提到塑料结构件中的含磷物质在长时间放置后可能会析出，未对相关结果进行验证。

本文基于一起继电器接触电阻增大的故障事件，通过形貌分析、成分分析、结构分析等各种试验技术与手段，对失效样品进行失效机理分析工作，确定导致继电器失效的失效机理，研究触点表面含磷异物对继电器接触电阻的影响。基于继电器的失效机理开展影响因素分析，获取继电器失效的敏感应力，并开展故障复现试验，明确有机材料内部含磷物质在高温高湿环境中对继电器的影响规律，为继电器的制造、使用提供了借鉴意义。

1 实验

某型号继电器用于控制另外一组继电器线圈的通断，触点导通电流小于10 mA。装机使用大约3个月后触点存在异常增大的现象。

(1)参数测试及形貌分析:选取1 只失效继电器、2 只全新继电器进行分析，编号分别为F1＃、G1＃和G2＃，通过电参数测试确认继电器的性能状态。机械法开封去除继电器外壳，结合体视显微镜对触点进行观察。

(2)成分分析:通过S-4300 场发射扫描电子显微镜对继电器触点表面进行形貌分析和成分分析；通过Nicolet 显微红外分析仪、TOF.SIMS 5-100 飞行时间二次离子质谱仪测试触点表面异物的组成，继而对继电器的失效机理进行分析。

(3)故障复现:选取全新继电器进行高温高湿贮存试验，试验温度为85 ℃，湿度为85 %RH，时长为两周(336 h)，试验后测试继电器的电参数，并结合场发射扫描电子显微镜对触点进行形貌分析和成分分析。

(4)机理验证:通过S-4300 场发射扫描电子显微镜对继电器内部所有部件进行能谱分析。另外本实验设计了三组样品，样品放置方式如图2 所示，触点1＃～3＃单独放置进行168 h 的85 ℃/85 %RH 高温高湿贮存试验，触点4＃～6＃与线圈支架组合放置后进行168 h 的85 ℃/85 %RH 潮热贮存试验，触点7＃～9＃与线圈支架组合放置后进行168 h 的40 ℃/85 %RH 高温高湿贮存试验，试验后采用能谱仪对触点表面进行成分分析。

图2 银触点放置方式

2 结果与讨论

2.1 参数测试及形貌分析

对失效继电器F1＃、全新继电器G1＃和G2＃进行分析，外观检查未发现明显异常。结合低阻仪对样品进行测试，测试结果显示失效继电器F1＃触点接触电阻明显增大，达到了欧姆级别甚至兆欧姆级别，而正常继电器触点接触电阻都为2 mΩ～8 mΩ。

如图3(a)所示失效继电器触点的接触状态，检查发现继电器静触点和动触点接触正常。对比图3(b)所示的失效继电器触点和图4 所示正常继电器触点，失效继电器触点明显变色。

图3 失效继电器F1＃触点的光学形貌

图4 全新继电器G1＃触点的光学形貌

2.2 成分分析

图5(b)所示SEM 形貌显示触点表面存在异物，图5(c)所示能谱分析结果显示异物所在区域主要含磷(P)、氧(O)、氮(N)等元素。

图5 触点的SEM 形貌和能谱分析结果

对失效继电器触点表面进行飞行时间二次离子质谱分析(TOF-SIMS)，图6 所示结果显示在TOF-SIMS负谱质荷比为30.97、62.97、78.97、94.97、96.99、126.95 和158.95 等位置均发现含磷物质的谱峰，显示失效继电器触点表面的含磷物质应为磷酸根一类物质，此外，在TOF-SIMS 正谱质荷比为18.04 位置存在谱峰，对应铵根所在位置。

图6 失效继电器触点表面异物的正、负二次离子质谱图

图7 所示红外光谱分析结果显示失效继电器触点表面异物的红外光谱吸收峰峰位与磷酸二氢铵的吸收峰接近，推断异物内部含有磷酸铵盐一类物质。基于能谱分析、TOF-SIMS 分析和红外光谱分析的分析结果，判断失效继电器触点表面异物应该含有磷酸铵盐一类物质。

图7 失效继电器触点表面异物红外光谱分析结果

对失效继电器触点进行清洗，再次进行测试，结果发现触点绝缘电阻可以恢复正常。因此判断继电器由于触点表面异物的存在引起其接触电阻增大失效，这一类异物主要成分应该为磷酸铵盐一类物质。

2.3 故障复现

经过两周(336 h)的贮存试验后测试发现，继电器的触点接触电阻存在增大的现象，如图8 所示。通过开封观察发现继电器触点明显变色，如图9 所示，电镜形貌显示触点表面存在异物，能谱分析结果显示异物所在区域主要含磷(P)、氧(O)、氮(N)等元素。继电器经过高温高湿贮存试验后的失效特征与市场失效继电器F1＃基本一致，而继电器触点表面含磷物质应该是其内部组件在高温高湿条件下释放引入。

图8 试验后继电器触点的光学形貌

图9 试验后继电器触点的SEM 形貌和能谱分析结果

对继电器内部所有部件进行能谱分析，图10(a)所示结果显示继电器线圈支架内部含有磷，而其他部件未发现明显异常。线圈支架采用注塑成型，其原材料中就存在含磷物质，通过掺入含磷物质提高支架的阻燃性能，而触点表面含磷物质可能来源于线圈支架，需要通过开展银触点贮存试验来进行进一步的验证。

图10 线圈支架和银触点的能谱分析结果

2.4 机理验证

如图10(b)所示，试验前触点表面未发现含磷物质的存在，168 h 高温高湿贮存试验后触点1＃～9＃的成分分析结果显示:与线圈支架一起开展试验的触点表面会形成含磷物质(见图11)，尤其是高温高湿(85℃/85 %RH)条件下的样品，触点表面明显变色(见图11)，磷的含量明显较高(见图12)。由此可以得到:在高温高湿条件下，线圈支架内部的含磷物质会析出并沉积在触点表面；在相同的湿度下，随着温度的升高，线圈支架内部含磷物质的释放程度会加强。

图11 银触点1＃～9＃潮热贮存试验168 h 后的光学形貌

图12 试验后触点表面磷含量测试结果

3 机理分析与改进建议

3.1 机理分析

继电器线圈支架所使用材料的主体成分为尼龙材料，磷系阻燃剂则为尼龙材料的常用无卤阻燃剂[13]，而部分类型的磷系阻燃剂如聚磷酸铵(APP)[14]，其吸湿能力较强[15]、热稳定性较差[16]。APP 的结构可以写成图13 所示形式，分子结构中n称为平均聚合度。

图13 聚磷酸铵分子结构图

一方面，APP 具有一定的吸湿性和水解作用[17]，吸湿性会随着APP 聚合度增大而下降。伴随着APP 的吸湿作用，有机材料中添加的APP 会溶于水中并发生水解反应，造成有机材料中APP 的水解析出。另一方面，APP 在高温环境中会存在热氧老化的情况[18]，老化过程中P—O—P 键会发生断裂、P ＝O 键会增加，APP 的平均聚合度会逐渐下降，热氧老化过程中APP 会逐步转化为磷酸二氢铵。

本文研究结果显示，继电器触点表面异物的红外光谱吸收峰峰位与磷酸二氢铵的吸收峰接近，说明触点表面存在磷酸铵盐一类物质。这类物质形成的原因是尼龙材料中的磷系阻燃剂在高温高湿环境中通过水解和热氧老化从有机材料内部析出导致。

如图14 所示，从微观上看，由于继电器触点表面总是起伏不平的，两个触点接触时一般都是通过多个斑点进行接触，如图15 和图16 所示的电接触，电流通过该接触面的斑点面时，会存在一定的收缩阻碍，该部分电阻被称为收缩电阻。同时触点表面由于各种原因会形成表面膜，进一步增加了触点接触电阻，这部分电阻则成为表面膜电阻。如公式(1)所示，触点接触电阻Rc为导体电阻Rm、收缩电阻Re和表面膜电阻Rf的总和[2]。

图14 继电器触点表面的SEM 形貌

图15 电接触状态下的微观示意图

图16 电流通过触点斑点面的示意图

表面膜电阻是由于触点表面通过物理吸附、化学腐蚀等方式而形成一层导电性较差的物质引起的[20]，本文所示案例的分析结果显示继电器触点表面存在含磷物质，而这类含磷物质的导电性能比金属导体的导电性能差[19]，导致触点的表面膜电阻Rf的增大，继而引起触点接触电阻增大失效。

3.2 改进建议

继电器触点接触电阻是关键参数，触点表面异物的存在会引起其接触电阻不稳定增大，会导致整机的故障。有机材料在继电器内部广泛应用，比如线圈表面的胶带、漆包线的漆膜、线圈支架、继电器外壳。为了提高继电器的安全性，要求继电器所使用的材料具有阻燃性能，目前行业内存在部分厂家使用含磷物质作为阻燃剂添加在有机材料内部，提高其阻燃性能。

试验结果显示，有机材料中的含磷物质在高温高湿条件下会析出，并沉积在触点表面，造成继电器触点接触电阻增大失效。因此，对于继电器的制造和使用有以下几点建议:

第一，继电器使用的有机材料慎用含磷物质作阻燃剂；

第二，在继电器选型过程中，可以开展高温高湿试验，评价继电器的性能稳定性；

第三，使用过程中注意控制继电器使用环境的温度和湿度，有条件的情况下可以选用密封继电器；

第四，在整机定期检查过程中要关注继电器触点接触电阻，更换接触电阻超标的继电器。

4 结论

本文基于一起继电器接触电阻增大的故障事件，开展失效分析，对继电器接触电阻增大的失效机理进行研究，并通过故障复现试验分析导致继电器失效的根本原因，以制定相应的改进措施。实验结果表明:(1)继电器触点表面的含磷物质会引起触点接触电阻增大失效；(2)有机材料中的含磷物质在高温高湿环境中会析出，并在继电器触点表面沉积；(3)在相同的湿度下，随着温度的升高有机材料中含磷物质的释放程度会加强。

触点接触电阻作为继电器的关键参数，该参数的稳定性直接影响到整机的可靠性。多余物是造成继电器接触电阻增大的重要因素之一，而继电器内部有机材料的异物析出是多余物的主要来源，在实际应用过程中应注意材料的选型设计，并结合环境试验加以验证，以提高继电器的可靠性。