電弧放電對汽車繼電器使用可靠性的影響
http://www.dcyhziu.cn 2007/6/13 源自:互聯網 【字體：
】
】
1引言
電弧放電導致腐蝕繼而產生高的接觸電阻是汽車上開關與繼電器出現故障的一個主要根源。采用的接觸間隙有兩種：一種是常規間隙接觸，與接觸區域垂直移動；另一種是滑動間隙接觸，與接觸區域平行移動。
關于常規接觸，研究的比較多，但很少有人研究通斷過程中發生電弧現象時的滑動接觸。通過研究與銅滑動時的這種電弧放電，發現在各種負載下均發生了嚴重的破壞現象，如高度腐蝕及隔離物軌跡。對于電感性負載，腐蝕主要在關斷時產生，而在燈負載中主要在接通時產生，而且滑動接觸條件下的腐蝕比非滑動下的腐蝕高出一個數量級。
因此可以得出結論：導致腐蝕的主要原因是燃弧過程中物質遷移使觸點變得粗糙，繼而引起的機械磨擦。
此外還發現，對于電阻性及燈負載，可產生短弧，在短弧持續過程中，接觸電阻保持其額定值（<1mΩ）。另一方面，在電感性負載下，可產生長弧，在長弧持續過程中，接觸電阻隨動作次數而增加，并可達到高值（>25mΩ）。這是由于電弧長時間氣相燃燒產生的碳顆粒及氧化物的積累，使觸點表面污染增大的緣故。因此，在目前情況下，銅不適用于非滑動觸點，也不適用于帶電感性負載的滑動開關。
為了提高可靠性，對替換材料如銀基材料進行了試驗。根據對材料一般切換特性的認識，考慮到其腐蝕性低，因而選擇了銀、銀金屬氧化物及滑動觸點通常使用的銀－石墨復合物（作為試驗材料）。本文簡要描述滑動機構，隨后討論了在兩類電弧情況下（燈負載產生的短弧及電感性負載產生的長弧）的試驗結果。這些結果涉及材料的腐蝕及接觸電阻特性，此外還研究了一些對接觸材料產生影響的因素（極性、壓力、速度等）。
2試驗裝置和方法
2.1裝置
裝置示意圖如圖1所示。
這種全自動裝置可以調節和模擬工控元件（如推動按鈕）遇到的滑動運動。主要由機械和儀器兩部分構成。
1）機械部分
在處于下部的固定陽極和處于上部的滑動陰極之間形成間隙。采用一個精密步進電機實現滑動運動，該電機以固定速度（速度范圍為0.5cm/s～20cm/s）移動陰極。陽極安裝在第二個電機上，該電機在試驗過程中將施加的接觸壓力控制在3N。加工成形的陰極沿陽極板運動2.5mm，并沿絕緣材料夾具移動2.5mm。
2）儀器部分
主要測量儀器是數字式抽樣示波器，它能夠獲取電弧電壓、電流及電弧持續時間，并進行能量測量。GPIB/PIO總線控制滑動速度、負載、電源及施加的力。整個試驗設備通過采用技術軟件“TestPoint”來監控，該軟件可對受控回路進行處理。
2.2測試條件
考慮到電阻性負載與燈負載之間及電感性負載與電機負載之間的性能相似，故將試驗的重點放在電壓為14V、負載電流為22A的燈及電感性負載上。首先采用10個并聯的燈，其次采用0.66mΩ的電阻器與0.5mH的電感器串聯（時間為0.8ms）。打開速度是5mm/s，每個接觸對以0.5Hz的工作頻率，進行5×104個動作。觸點材料分別是純銀、純銅、AgC96/4、AgCNi94/4/2及AgSnO290/10（摻入Bi2O3）。陰極是圓柱形，直徑為1mm，長度為5mm，而陽極是平板形。對每種材料和負載進行3次相同測試，以確保計算的精確性。重量的變化隨磨損顆粒的遷移及清除而變，通過稱量受測觸點來確定。
2.3電弧電壓、電流及能量
根據電弧電壓及電流能夠計算出電弧持續時間及能量。表1和表2給出兩種負載下試驗材料的典型平均值。
如預期的那樣，在電感負載下比在燈負載下的電弧持續時間長、能量大。值得注意的是，對于銀－錫氧化物，與銀相比，電弧持續時間及能量要大30倍。在通常（非滑動）電弧間隙下沒有觀察到電弧持續時間有如此巨大的差異。電弧持續時間長的主要原因是磨擦產生的SnO2顆粒粉末維持著電弧的存在。此外，對于AgC，電弧持續時間與質量變化（動作次數）同時遞增。
3腐蝕
3.1觸點磨損與表面檢查
對固定的陽極采用顯微鏡進行表面分析，結果顯示，在樣件的邊緣（滑動開始部分）存在一個深而寬的摩擦區域，導致軌跡的末端產生大量磨損顆粒。
對于可移動的陰極，磨損的區域包括3個分區：物質遷移區、受陽極磨損區和受絕緣材料磨損區。
忽略這些檢查以及在零電流時滑動接觸過程中的質量損失，且在正常電弧下非滑動觸點的腐蝕很小，可以認為機械磨擦和電弧共同導致了觸點的嚴重磨損。磨損的原因是物質遷移并伴有機械摩擦，它可用示意圖分解成相應的階段，如圖2所示。
開始是平滑表面，陰極被移動到絕緣部件的右邊（A）。在陽極切斷電弧放電過程中，物質從陽極遷移到陰極（B），改變了陰極表面原始粗糙度（C）。導通時，陽極的損耗增大，而陰極質量的增大被機械磨擦所消除（D）。
3.2材料性能
在對電感性負載及燈負載進行50000次動作后，發現陽極質量損失多，陰極質量損失很小。
總的結果表明：AgC及AgCNi質量損失最高，而銀、銅的損失最低。雖然AgSnO2電弧持續時間長，但仍保持了中等的磨損性能。
3.3參數的影響
為考察并降低陽極的嚴重磨損，采取了一些措施來確定首要的影響因素：極性、形狀及正壓力。
1）極性的影響
采用相反的極性對固定的板形陰極及可移動的圓柱形觸點進行了一些試驗。結果發現，圓柱形陽極的連續腐蝕和磨損大大增加，而陰極板的磨損減少。可見磨損隨極性的不同而有所變化。在所有材料中，AgC的陽極腐蝕最高，導致圓柱形狀嚴重變形。產生的彎角類似于臺階，在動作的開始階段（1000次）阻礙了滑動運動。這種取決于極性的失效使得該材料不適于常規應用。
2）機械參數
關于磨擦導致的磨損，主要由機械因素引起。經觀察發現，球狀觸點的接觸力大于3N時，磨損增大，這是由于在球狀觸點中接觸區域變小而使接觸壓力增大。由于機械振動及電弧回跳的緣故，2cm/s的中等速度也使磨損更嚴重。
4接觸電阻
4.1電感性負載內的接觸電阻
在對銅觸點滑動研究中，曾設想接觸電阻的升高是由于氣相長弧產生的碳及氧化物顆粒在接觸區域堆積所致。此外，頻繁的動作（>4×107）也可能使銅的電阻急劇增大。
在對Ag、AgC、AgCNi及AgSnO2材料腐蝕試驗中，對接觸電阻的變化進行了研究。對于電感性負載，由于電弧放電造成表面的改變，可以觀察到接觸電阻的起伏和遞增。故對3組試驗后積累的接觸電阻累積頻率進行了統計分析和測定。
如圖3所示，對于銀、銀－石墨復合物及銀－石墨－鎳，接觸電阻值的90％仍然低于允許值0.5mΩ。
對于銀－錫氧化物，大于90％的阻值已超過05Ω標準。高電阻導致的接觸溫度超過100℃，使這種材料不適于滑動接觸應用。雖然AgSnO2的接觸電阻可以承受很高值，但并無絕緣現象。
4．2燈負載接觸電阻
燈負載接觸電阻阻值的累積頻率如圖4所示，與電感性負載相反，對于燈負載，銅接觸電阻沒有達到很高值且不超過3mΩ。總的結果是，與其它材料相比，銀錫氧化物的特性較差，實際上90％以上的阻值介于0.5mΩ～0.9mΩ，因此該材料不適于滑動接觸應用。
另一方面，對于其它材料(AgC、AgCNi和Ag)阻值的99％小于0.5mΩ。
5結語
提高材料的可靠性并獲得最佳的低磨損特性及穩定的接觸電阻是一項復雜和艱巨的任務。眾所周知，由于電弧放電與機械磨損的相互作用，可加重破壞。要保持接觸電阻的穩定性，一個成功的方法就是在銀中加入石墨，但產生的銀－石墨會因磨損而消耗掉。
根據對允許的接觸電阻及磨損量的累積頻率分析，將材料按性能分以下3類：
1）好——99％的接觸電阻值<0.5mΩ，磨損量<15mg；
2）中——95％的接觸電阻值<0.5mΩ，磨損量<30mg；
3）差——68％的接觸電阻值<0.5mΩ，磨損量<30mg。
基于這種分類，材料的測試結果見表3所示。
如上所述，任一材料測試均沒有達到良好的性能。考慮到AgC的接觸電阻性能良好，我們試圖改善材料的磨損特性，但到目前為止，包括添加鎳在內的改善措施一直來獲成功。雖然正在采取措施通過改變鎳或石墨的含量進一步增強硬度以降低磨損。此外，銅電阻性能差可以通過添加石墨來改善。
相對于正常切換的陽極的過度磨損，可以說明陰極表面粗糙接觸所產生的磨擦是主要因素。粗糙度是由于物質遷移到發生電弧的觸點邊緣而產生和改變的。
在正常的電弧放電下，AgSnO2顯示出物質遷移量低于Ag，但在滑動的燃弧下，AgSO2比Ag的腐蝕量更高。這就確認了滑動接觸過程中的腐蝕是物質遷移與機械磨損的共同結果。
最后,AgC等材料的磨損高使得該材料對極性敏感，因為滑動運動可能受阻并停止。關于機械參數，試驗表明，接觸力小及形狀大將降低磨損并增大接觸電阻，而形狀小、接觸力大則增大磨損并降低接觸電阻。
電弧放電導致腐蝕繼而產生高的接觸電阻是汽車上開關與繼電器出現故障的一個主要根源。采用的接觸間隙有兩種：一種是常規間隙接觸，與接觸區域垂直移動；另一種是滑動間隙接觸，與接觸區域平行移動。
關于常規接觸，研究的比較多，但很少有人研究通斷過程中發生電弧現象時的滑動接觸。通過研究與銅滑動時的這種電弧放電，發現在各種負載下均發生了嚴重的破壞現象，如高度腐蝕及隔離物軌跡。對于電感性負載，腐蝕主要在關斷時產生，而在燈負載中主要在接通時產生，而且滑動接觸條件下的腐蝕比非滑動下的腐蝕高出一個數量級。
因此可以得出結論：導致腐蝕的主要原因是燃弧過程中物質遷移使觸點變得粗糙，繼而引起的機械磨擦。
此外還發現，對于電阻性及燈負載，可產生短弧，在短弧持續過程中，接觸電阻保持其額定值（<1mΩ）。另一方面，在電感性負載下，可產生長弧，在長弧持續過程中，接觸電阻隨動作次數而增加，并可達到高值（>25mΩ）。這是由于電弧長時間氣相燃燒產生的碳顆粒及氧化物的積累，使觸點表面污染增大的緣故。因此，在目前情況下，銅不適用于非滑動觸點，也不適用于帶電感性負載的滑動開關。
為了提高可靠性，對替換材料如銀基材料進行了試驗。根據對材料一般切換特性的認識，考慮到其腐蝕性低，因而選擇了銀、銀金屬氧化物及滑動觸點通常使用的銀－石墨復合物（作為試驗材料）。本文簡要描述滑動機構，隨后討論了在兩類電弧情況下（燈負載產生的短弧及電感性負載產生的長弧）的試驗結果。這些結果涉及材料的腐蝕及接觸電阻特性，此外還研究了一些對接觸材料產生影響的因素（極性、壓力、速度等）。
2試驗裝置和方法
2.1裝置
裝置示意圖如圖1所示。
這種全自動裝置可以調節和模擬工控元件（如推動按鈕）遇到的滑動運動。主要由機械和儀器兩部分構成。
1）機械部分
在處于下部的固定陽極和處于上部的滑動陰極之間形成間隙。采用一個精密步進電機實現滑動運動，該電機以固定速度（速度范圍為0.5cm/s～20cm/s）移動陰極。陽極安裝在第二個電機上，該電機在試驗過程中將施加的接觸壓力控制在3N。加工成形的陰極沿陽極板運動2.5mm，并沿絕緣材料夾具移動2.5mm。
2）儀器部分
主要測量儀器是數字式抽樣示波器，它能夠獲取電弧電壓、電流及電弧持續時間，并進行能量測量。GPIB/PIO總線控制滑動速度、負載、電源及施加的力。整個試驗設備通過采用技術軟件“TestPoint”來監控，該軟件可對受控回路進行處理。
2.2測試條件
考慮到電阻性負載與燈負載之間及電感性負載與電機負載之間的性能相似，故將試驗的重點放在電壓為14V、負載電流為22A的燈及電感性負載上。首先采用10個并聯的燈，其次采用0.66mΩ的電阻器與0.5mH的電感器串聯（時間為0.8ms）。打開速度是5mm/s，每個接觸對以0.5Hz的工作頻率，進行5×104個動作。觸點材料分別是純銀、純銅、AgC96/4、AgCNi94/4/2及AgSnO290/10（摻入Bi2O3）。陰極是圓柱形，直徑為1mm，長度為5mm，而陽極是平板形。對每種材料和負載進行3次相同測試，以確保計算的精確性。重量的變化隨磨損顆粒的遷移及清除而變，通過稱量受測觸點來確定。
2.3電弧電壓、電流及能量
根據電弧電壓及電流能夠計算出電弧持續時間及能量。表1和表2給出兩種負載下試驗材料的典型平均值。
如預期的那樣，在電感負載下比在燈負載下的電弧持續時間長、能量大。值得注意的是，對于銀－錫氧化物，與銀相比，電弧持續時間及能量要大30倍。在通常（非滑動）電弧間隙下沒有觀察到電弧持續時間有如此巨大的差異。電弧持續時間長的主要原因是磨擦產生的SnO2顆粒粉末維持著電弧的存在。此外，對于AgC，電弧持續時間與質量變化（動作次數）同時遞增。
3腐蝕
3.1觸點磨損與表面檢查
對固定的陽極采用顯微鏡進行表面分析，結果顯示，在樣件的邊緣（滑動開始部分）存在一個深而寬的摩擦區域，導致軌跡的末端產生大量磨損顆粒。
對于可移動的陰極，磨損的區域包括3個分區：物質遷移區、受陽極磨損區和受絕緣材料磨損區。
忽略這些檢查以及在零電流時滑動接觸過程中的質量損失，且在正常電弧下非滑動觸點的腐蝕很小，可以認為機械磨擦和電弧共同導致了觸點的嚴重磨損。磨損的原因是物質遷移并伴有機械摩擦，它可用示意圖分解成相應的階段，如圖2所示。
開始是平滑表面，陰極被移動到絕緣部件的右邊（A）。在陽極切斷電弧放電過程中，物質從陽極遷移到陰極（B），改變了陰極表面原始粗糙度（C）。導通時，陽極的損耗增大，而陰極質量的增大被機械磨擦所消除（D）。
3.2材料性能
在對電感性負載及燈負載進行50000次動作后，發現陽極質量損失多，陰極質量損失很小。
總的結果表明：AgC及AgCNi質量損失最高，而銀、銅的損失最低。雖然AgSnO2電弧持續時間長，但仍保持了中等的磨損性能。
3.3參數的影響
為考察并降低陽極的嚴重磨損，采取了一些措施來確定首要的影響因素：極性、形狀及正壓力。
1）極性的影響
采用相反的極性對固定的板形陰極及可移動的圓柱形觸點進行了一些試驗。結果發現，圓柱形陽極的連續腐蝕和磨損大大增加，而陰極板的磨損減少。可見磨損隨極性的不同而有所變化。在所有材料中，AgC的陽極腐蝕最高，導致圓柱形狀嚴重變形。產生的彎角類似于臺階，在動作的開始階段（1000次）阻礙了滑動運動。這種取決于極性的失效使得該材料不適于常規應用。
2）機械參數
關于磨擦導致的磨損，主要由機械因素引起。經觀察發現，球狀觸點的接觸力大于3N時，磨損增大，這是由于在球狀觸點中接觸區域變小而使接觸壓力增大。由于機械振動及電弧回跳的緣故，2cm/s的中等速度也使磨損更嚴重。
4接觸電阻
4.1電感性負載內的接觸電阻
在對銅觸點滑動研究中，曾設想接觸電阻的升高是由于氣相長弧產生的碳及氧化物顆粒在接觸區域堆積所致。此外，頻繁的動作（>4×107）也可能使銅的電阻急劇增大。
在對Ag、AgC、AgCNi及AgSnO2材料腐蝕試驗中，對接觸電阻的變化進行了研究。對于電感性負載，由于電弧放電造成表面的改變，可以觀察到接觸電阻的起伏和遞增。故對3組試驗后積累的接觸電阻累積頻率進行了統計分析和測定。
如圖3所示，對于銀、銀－石墨復合物及銀－石墨－鎳，接觸電阻值的90％仍然低于允許值0.5mΩ。
對于銀－錫氧化物，大于90％的阻值已超過05Ω標準。高電阻導致的接觸溫度超過100℃，使這種材料不適于滑動接觸應用。雖然AgSnO2的接觸電阻可以承受很高值，但并無絕緣現象。
4．2燈負載接觸電阻
燈負載接觸電阻阻值的累積頻率如圖4所示，與電感性負載相反，對于燈負載，銅接觸電阻沒有達到很高值且不超過3mΩ。總的結果是，與其它材料相比，銀錫氧化物的特性較差，實際上90％以上的阻值介于0.5mΩ～0.9mΩ，因此該材料不適于滑動接觸應用。
另一方面，對于其它材料(AgC、AgCNi和Ag)阻值的99％小于0.5mΩ。
5結語
提高材料的可靠性并獲得最佳的低磨損特性及穩定的接觸電阻是一項復雜和艱巨的任務。眾所周知，由于電弧放電與機械磨損的相互作用，可加重破壞。要保持接觸電阻的穩定性，一個成功的方法就是在銀中加入石墨，但產生的銀－石墨會因磨損而消耗掉。
根據對允許的接觸電阻及磨損量的累積頻率分析，將材料按性能分以下3類：
1）好——99％的接觸電阻值<0.5mΩ，磨損量<15mg；
2）中——95％的接觸電阻值<0.5mΩ，磨損量<30mg；
3）差——68％的接觸電阻值<0.5mΩ，磨損量<30mg。
基于這種分類，材料的測試結果見表3所示。
如上所述，任一材料測試均沒有達到良好的性能。考慮到AgC的接觸電阻性能良好，我們試圖改善材料的磨損特性，但到目前為止，包括添加鎳在內的改善措施一直來獲成功。雖然正在采取措施通過改變鎳或石墨的含量進一步增強硬度以降低磨損。此外，銅電阻性能差可以通過添加石墨來改善。
相對于正常切換的陽極的過度磨損，可以說明陰極表面粗糙接觸所產生的磨擦是主要因素。粗糙度是由于物質遷移到發生電弧的觸點邊緣而產生和改變的。
在正常的電弧放電下，AgSnO2顯示出物質遷移量低于Ag，但在滑動的燃弧下，AgSO2比Ag的腐蝕量更高。這就確認了滑動接觸過程中的腐蝕是物質遷移與機械磨損的共同結果。
最后,AgC等材料的磨損高使得該材料對極性敏感，因為滑動運動可能受阻并停止。關于機械參數，試驗表明，接觸力小及形狀大將降低磨損并增大接觸電阻，而形狀小、接觸力大則增大磨損并降低接觸電阻。
|
|
相關鏈接
|
|