电弧放电对汽车继电器使用可靠性的影响
http://www.51xue.org.cn 2007/6/13 源自:互联网 【字体：
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1引言
电弧放电导致腐蚀继而产生高的接触电阻是汽车上开关与继电器出现故障的一个主要根源。采用的接触间隙有两种：一种是常规间隙接触，与接触区域垂直移动；另一种是滑动间隙接触，与接触区域平行移动。
关于常规接触，研究的比较多，但很少有人研究通断过程中发生电弧现象时的滑动接触。通过研究与铜滑动时的这种电弧放电，发现在各种负载下均发生了严重的破坏现象，如高度腐蚀及隔离物轨迹。对于电感性负载，腐蚀主要在关断时产生，而在灯负载中主要在接通时产生，而且滑动接触条件下的腐蚀比非滑动下的腐蚀高出一个数量级。
因此可以得出结论：导致腐蚀的主要原因是燃弧过程中物质迁移使触点变得粗糙，继而引起的机械磨擦。
此外还发现，对于电阻性及灯负载，可产生短弧，在短弧持续过程中，接触电阻保持其额定值（<1mΩ）。另一方面，在电感性负载下，可产生长弧，在长弧持续过程中，接触电阻随动作次数而增加，并可达到高值（>25mΩ）。这是由于电弧长时间气相燃烧产生的碳颗粒及氧化物的积累，使触点表面污染增大的缘故。因此，在目前情况下，铜不适用于非滑动触点，也不适用于带电感性负载的滑动开关。
为了提高可靠性，对替换材料如银基材料进行了试验。根据对材料一般切换特性的认识，考虑到其腐蚀性低，因而选择了银、银金属氧化物及滑动触点通常使用的银－石墨复合物（作为试验材料）。本文简要描述滑动机构，随后讨论了在两类电弧情况下（灯负载产生的短弧及电感性负载产生的长弧）的试验结果。这些结果涉及材料的腐蚀及接触电阻特性，此外还研究了一些对接触材料产生影响的因素（极性、压力、速度等）。
2试验装置和方法
2.1装置
装置示意图如图1所示。
这种全自动装置可以调节和模拟工控元件（如推动按钮）遇到的滑动运动。主要由机械和仪器两部分构成。
1）机械部分
在处于下部的固定阳极和处于上部的滑动阴极之间形成间隙。采用一个精密步进电机实现滑动运动，该电机以固定速度（速度范围为0.5cm/s～20cm/s）移动阴极。阳极安装在第二个电机上，该电机在试验过程中将施加的接触压力控制在3N。加工成形的阴极沿阳极板运动2.5mm，并沿绝缘材料夹具移动2.5mm。
2）仪器部分
主要测量仪器是数字式抽样示波器，它能够获取电弧电压、电流及电弧持续时间，并进行能量测量。GPIB/PIO总线控制滑动速度、负载、电源及施加的力。整个试验设备通过采用技术软件“TestPoint”来监控，该软件可对受控回路进行处理。
2.2测试条件
考虑到电阻性负载与灯负载之间及电感性负载与电机负载之间的性能相似，故将试验的重点放在电压为14V、负载电流为22A的灯及电感性负载上。首先采用10个并联的灯，其次采用0.66mΩ的电阻器与0.5mH的电感器串联（时间为0.8ms）。打开速度是5mm/s，每个接触对以0.5Hz的工作频率，进行5×104个动作。触点材料分别是纯银、纯铜、AgC96/4、AgCNi94/4/2及AgSnO290/10（掺入Bi2O3）。阴极是圆柱形，直径为1mm，长度为5mm，而阳极是平板形。对每种材料和负载进行3次相同测试，以确保计算的精确性。重量的变化随磨损颗粒的迁移及清除而变，通过称量受测触点来确定。
2.3电弧电压、电流及能量
根据电弧电压及电流能够计算出电弧持续时间及能量。表1和表2给出两种负载下试验材料的典型平均值。
如预期的那样，在电感负载下比在灯负载下的电弧持续时间长、能量大。值得注意的是，对于银－锡氧化物，与银相比，电弧持续时间及能量要大30倍。在通常（非滑动）电弧间隙下没有观察到电弧持续时间有如此巨大的差异。电弧持续时间长的主要原因是磨擦产生的SnO2颗粒粉末维持着电弧的存在。此外，对于AgC，电弧持续时间与质量变化（动作次数）同时递增。
3腐蚀
3.1触点磨损与表面检查
对固定的阳极采用显微镜进行表面分析，结果显示，在样件的边缘（滑动开始部分）存在一个深而宽的摩擦区域，导致轨迹的末端产生大量磨损颗粒。
对于可移动的阴极，磨损的区域包括3个分区：物质迁移区、受阳极磨损区和受绝缘材料磨损区。
忽略这些检查以及在零电流时滑动接触过程中的质量损失，且在正常电弧下非滑动触点的腐蚀很小，可以认为机械磨擦和电弧共同导致了触点的严重磨损。磨损的原因是物质迁移并伴有机械摩擦，它可用示意图分解成相应的阶段，如图2所示。
开始是平滑表面，阴极被移动到绝缘部件的右边（A）。在阳极切断电弧放电过程中，物质从阳极迁移到阴极（B），改变了阴极表面原始粗糙度（C）。导通时，阳极的损耗增大，而阴极质量的增大被机械磨擦所消除（D）。
3.2材料性能
在对电感性负载及灯负载进行50000次动作后，发现阳极质量损失多，阴极质量损失很小。
总的结果表明：AgC及AgCNi质量损失最高，而银、铜的损失最低。虽然AgSnO2电弧持续时间长，但仍保持了中等的磨损性能。
3.3参数的影响
为考察并降低阳极的严重磨损，采取了一些措施来确定首要的影响因素：极性、形状及正压力。
1）极性的影响
采用相反的极性对固定的板形阴极及可移动的圆柱形触点进行了一些试验。结果发现，圆柱形阳极的连续腐蚀和磨损大大增加，而阴极板的磨损减少。可见磨损随极性的不同而有所变化。在所有材料中，AgC的阳极腐蚀最高，导致圆柱形状严重变形。产生的弯角类似于台阶，在动作的开始阶段（1000次）阻碍了滑动运动。这种取决于极性的失效使得该材料不适于常规应用。
2）机械参数
关于磨擦导致的磨损，主要由机械因素引起。经观察发现，球状触点的接触力大于3N时，磨损增大，这是由于在球状触点中接触区域变小而使接触压力增大。由于机械振动及电弧回跳的缘故，2cm/s的中等速度也使磨损更严重。
4接触电阻
4.1电感性负载内的接触电阻
在对铜触点滑动研究中，曾设想接触电阻的升高是由于气相长弧产生的碳及氧化物颗粒在接触区域堆积所致。此外，频繁的动作（>4×107）也可能使铜的电阻急剧增大。
在对Ag、AgC、AgCNi及AgSnO2材料腐蚀试验中，对接触电阻的变化进行了研究。对于电感性负载，由于电弧放电造成表面的改变，可以观察到接触电阻的起伏和递增。故对3组试验后积累的接触电阻累积频率进行了统计分析和测定。
如图3所示，对于银、银－石墨复合物及银－石墨－镍，接触电阻值的90％仍然低于允许值0.5mΩ。
对于银－锡氧化物，大于90％的阻值已超过05Ω标准。高电阻导致的接触温度超过100℃，使这种材料不适于滑动接触应用。虽然AgSnO2的接触电阻可以承受很高值，但并无绝缘现象。
4．2灯负载接触电阻
灯负载接触电阻阻值的累积频率如图4所示，与电感性负载相反，对于灯负载，铜接触电阻没有达到很高值且不超过3mΩ。总的结果是，与其它材料相比，银锡氧化物的特性较差，实际上90％以上的阻值介于0.5mΩ～0.9mΩ，因此该材料不适于滑动接触应用。
另一方面，对于其它材料(AgC、AgCNi和Ag)阻值的99％小于0.5mΩ。
5结语
提高材料的可靠性并获得最佳的低磨损特性及稳定的接触电阻是一项复杂和艰巨的任务。众所周知，由于电弧放电与机械磨损的相互作用，可加重破坏。要保持接触电阻的稳定性，一个成功的方法就是在银中加入石墨，但产生的银－石墨会因磨损而消耗掉。
根据对允许的接触电阻及磨损量的累积频率分析，将材料按性能分以下3类：
1）好——99％的接触电阻值<0.5mΩ，磨损量<15mg；
2）中——95％的接触电阻值<0.5mΩ，磨损量<30mg；
3）差——68％的接触电阻值<0.5mΩ，磨损量<30mg。
基于这种分类，材料的测试结果见表3所示。
如上所述，任一材料测试均没有达到良好的性能。考虑到AgC的接触电阻性能良好，我们试图改善材料的磨损特性，但到目前为止，包括添加镍在内的改善措施一直来获成功。虽然正在采取措施通过改变镍或石墨的含量进一步增强硬度以降低磨损。此外，铜电阻性能差可以通过添加石墨来改善。
相对于正常切换的阳极的过度磨损，可以说明阴极表面粗糙接触所产生的磨擦是主要因素。粗糙度是由于物质迁移到发生电弧的触点边缘而产生和改变的。
在正常的电弧放电下，AgSnO2显示出物质迁移量低于Ag，但在滑动的燃弧下，AgSO2比Ag的腐蚀量更高。这就确认了滑动接触过程中的腐蚀是物质迁移与机械磨损的共同结果。
最后,AgC等材料的磨损高使得该材料对极性敏感，因为滑动运动可能受阻并停止。关于机械参数，试验表明，接触力小及形状大将降低磨损并增大接触电阻，而形状小、接触力大则增大磨损并降低接触电阻。
电弧放电导致腐蚀继而产生高的接触电阻是汽车上开关与继电器出现故障的一个主要根源。采用的接触间隙有两种：一种是常规间隙接触，与接触区域垂直移动；另一种是滑动间隙接触，与接触区域平行移动。
关于常规接触，研究的比较多，但很少有人研究通断过程中发生电弧现象时的滑动接触。通过研究与铜滑动时的这种电弧放电，发现在各种负载下均发生了严重的破坏现象，如高度腐蚀及隔离物轨迹。对于电感性负载，腐蚀主要在关断时产生，而在灯负载中主要在接通时产生，而且滑动接触条件下的腐蚀比非滑动下的腐蚀高出一个数量级。
因此可以得出结论：导致腐蚀的主要原因是燃弧过程中物质迁移使触点变得粗糙，继而引起的机械磨擦。
此外还发现，对于电阻性及灯负载，可产生短弧，在短弧持续过程中，接触电阻保持其额定值（<1mΩ）。另一方面，在电感性负载下，可产生长弧，在长弧持续过程中，接触电阻随动作次数而增加，并可达到高值（>25mΩ）。这是由于电弧长时间气相燃烧产生的碳颗粒及氧化物的积累，使触点表面污染增大的缘故。因此，在目前情况下，铜不适用于非滑动触点，也不适用于带电感性负载的滑动开关。
为了提高可靠性，对替换材料如银基材料进行了试验。根据对材料一般切换特性的认识，考虑到其腐蚀性低，因而选择了银、银金属氧化物及滑动触点通常使用的银－石墨复合物（作为试验材料）。本文简要描述滑动机构，随后讨论了在两类电弧情况下（灯负载产生的短弧及电感性负载产生的长弧）的试验结果。这些结果涉及材料的腐蚀及接触电阻特性，此外还研究了一些对接触材料产生影响的因素（极性、压力、速度等）。
2试验装置和方法
2.1装置
装置示意图如图1所示。
这种全自动装置可以调节和模拟工控元件（如推动按钮）遇到的滑动运动。主要由机械和仪器两部分构成。
1）机械部分
在处于下部的固定阳极和处于上部的滑动阴极之间形成间隙。采用一个精密步进电机实现滑动运动，该电机以固定速度（速度范围为0.5cm/s～20cm/s）移动阴极。阳极安装在第二个电机上，该电机在试验过程中将施加的接触压力控制在3N。加工成形的阴极沿阳极板运动2.5mm，并沿绝缘材料夹具移动2.5mm。
2）仪器部分
主要测量仪器是数字式抽样示波器，它能够获取电弧电压、电流及电弧持续时间，并进行能量测量。GPIB/PIO总线控制滑动速度、负载、电源及施加的力。整个试验设备通过采用技术软件“TestPoint”来监控，该软件可对受控回路进行处理。
2.2测试条件
考虑到电阻性负载与灯负载之间及电感性负载与电机负载之间的性能相似，故将试验的重点放在电压为14V、负载电流为22A的灯及电感性负载上。首先采用10个并联的灯，其次采用0.66mΩ的电阻器与0.5mH的电感器串联（时间为0.8ms）。打开速度是5mm/s，每个接触对以0.5Hz的工作频率，进行5×104个动作。触点材料分别是纯银、纯铜、AgC96/4、AgCNi94/4/2及AgSnO290/10（掺入Bi2O3）。阴极是圆柱形，直径为1mm，长度为5mm，而阳极是平板形。对每种材料和负载进行3次相同测试，以确保计算的精确性。重量的变化随磨损颗粒的迁移及清除而变，通过称量受测触点来确定。
2.3电弧电压、电流及能量
根据电弧电压及电流能够计算出电弧持续时间及能量。表1和表2给出两种负载下试验材料的典型平均值。
如预期的那样，在电感负载下比在灯负载下的电弧持续时间长、能量大。值得注意的是，对于银－锡氧化物，与银相比，电弧持续时间及能量要大30倍。在通常（非滑动）电弧间隙下没有观察到电弧持续时间有如此巨大的差异。电弧持续时间长的主要原因是磨擦产生的SnO2颗粒粉末维持着电弧的存在。此外，对于AgC，电弧持续时间与质量变化（动作次数）同时递增。
3腐蚀
3.1触点磨损与表面检查
对固定的阳极采用显微镜进行表面分析，结果显示，在样件的边缘（滑动开始部分）存在一个深而宽的摩擦区域，导致轨迹的末端产生大量磨损颗粒。
对于可移动的阴极，磨损的区域包括3个分区：物质迁移区、受阳极磨损区和受绝缘材料磨损区。
忽略这些检查以及在零电流时滑动接触过程中的质量损失，且在正常电弧下非滑动触点的腐蚀很小，可以认为机械磨擦和电弧共同导致了触点的严重磨损。磨损的原因是物质迁移并伴有机械摩擦，它可用示意图分解成相应的阶段，如图2所示。
开始是平滑表面，阴极被移动到绝缘部件的右边（A）。在阳极切断电弧放电过程中，物质从阳极迁移到阴极（B），改变了阴极表面原始粗糙度（C）。导通时，阳极的损耗增大，而阴极质量的增大被机械磨擦所消除（D）。
3.2材料性能
在对电感性负载及灯负载进行50000次动作后，发现阳极质量损失多，阴极质量损失很小。
总的结果表明：AgC及AgCNi质量损失最高，而银、铜的损失最低。虽然AgSnO2电弧持续时间长，但仍保持了中等的磨损性能。
3.3参数的影响
为考察并降低阳极的严重磨损，采取了一些措施来确定首要的影响因素：极性、形状及正压力。
1）极性的影响
采用相反的极性对固定的板形阴极及可移动的圆柱形触点进行了一些试验。结果发现，圆柱形阳极的连续腐蚀和磨损大大增加，而阴极板的磨损减少。可见磨损随极性的不同而有所变化。在所有材料中，AgC的阳极腐蚀最高，导致圆柱形状严重变形。产生的弯角类似于台阶，在动作的开始阶段（1000次）阻碍了滑动运动。这种取决于极性的失效使得该材料不适于常规应用。
2）机械参数
关于磨擦导致的磨损，主要由机械因素引起。经观察发现，球状触点的接触力大于3N时，磨损增大，这是由于在球状触点中接触区域变小而使接触压力增大。由于机械振动及电弧回跳的缘故，2cm/s的中等速度也使磨损更严重。
4接触电阻
4.1电感性负载内的接触电阻
在对铜触点滑动研究中，曾设想接触电阻的升高是由于气相长弧产生的碳及氧化物颗粒在接触区域堆积所致。此外，频繁的动作（>4×107）也可能使铜的电阻急剧增大。
在对Ag、AgC、AgCNi及AgSnO2材料腐蚀试验中，对接触电阻的变化进行了研究。对于电感性负载，由于电弧放电造成表面的改变，可以观察到接触电阻的起伏和递增。故对3组试验后积累的接触电阻累积频率进行了统计分析和测定。
如图3所示，对于银、银－石墨复合物及银－石墨－镍，接触电阻值的90％仍然低于允许值0.5mΩ。
对于银－锡氧化物，大于90％的阻值已超过05Ω标准。高电阻导致的接触温度超过100℃，使这种材料不适于滑动接触应用。虽然AgSnO2的接触电阻可以承受很高值，但并无绝缘现象。
4．2灯负载接触电阻
灯负载接触电阻阻值的累积频率如图4所示，与电感性负载相反，对于灯负载，铜接触电阻没有达到很高值且不超过3mΩ。总的结果是，与其它材料相比，银锡氧化物的特性较差，实际上90％以上的阻值介于0.5mΩ～0.9mΩ，因此该材料不适于滑动接触应用。
另一方面，对于其它材料(AgC、AgCNi和Ag)阻值的99％小于0.5mΩ。
5结语
提高材料的可靠性并获得最佳的低磨损特性及稳定的接触电阻是一项复杂和艰巨的任务。众所周知，由于电弧放电与机械磨损的相互作用，可加重破坏。要保持接触电阻的稳定性，一个成功的方法就是在银中加入石墨，但产生的银－石墨会因磨损而消耗掉。
根据对允许的接触电阻及磨损量的累积频率分析，将材料按性能分以下3类：
1）好——99％的接触电阻值<0.5mΩ，磨损量<15mg；
2）中——95％的接触电阻值<0.5mΩ，磨损量<30mg；
3）差——68％的接触电阻值<0.5mΩ，磨损量<30mg。
基于这种分类，材料的测试结果见表3所示。
如上所述，任一材料测试均没有达到良好的性能。考虑到AgC的接触电阻性能良好，我们试图改善材料的磨损特性，但到目前为止，包括添加镍在内的改善措施一直来获成功。虽然正在采取措施通过改变镍或石墨的含量进一步增强硬度以降低磨损。此外，铜电阻性能差可以通过添加石墨来改善。
相对于正常切换的阳极的过度磨损，可以说明阴极表面粗糙接触所产生的磨擦是主要因素。粗糙度是由于物质迁移到发生电弧的触点边缘而产生和改变的。
在正常的电弧放电下，AgSnO2显示出物质迁移量低于Ag，但在滑动的燃弧下，AgSO2比Ag的腐蚀量更高。这就确认了滑动接触过程中的腐蚀是物质迁移与机械磨损的共同结果。
最后,AgC等材料的磨损高使得该材料对极性敏感，因为滑动运动可能受阻并停止。关于机械参数，试验表明，接触力小及形状大将降低磨损并增大接触电阻，而形状小、接触力大则增大磨损并降低接触电阻。
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