一般而言，接觸器輔助觸點(diǎn)在帶載情況下的電氣壽命不是問(wèn)題，但在低電壓、低電流信號(hào)回路中接觸器輔助觸點(diǎn)的導(dǎo)通可靠性問(wèn)題一直存在，而今天昌暉儀表要討論就是其“導(dǎo)通可靠性”。
以接觸器輔助觸點(diǎn)為例，一般情況下，其宣稱(chēng)的接觸器輔助觸點(diǎn)最小導(dǎo)通容量為17V/5mA。
實(shí)際上在使用過(guò)程中，客戶(hù)發(fā)現(xiàn)將該輔助觸點(diǎn)接入PLC反饋回路24V/10mA，會(huì)出現(xiàn)偶發(fā)性導(dǎo)通不可靠的現(xiàn)象。尤其是對(duì)反饋信號(hào)可靠性要求極高的行業(yè)，如地鐵、電梯等，導(dǎo)通可靠性故障會(huì)導(dǎo)致電梯關(guān)人、地鐵運(yùn)行報(bào)警等故障。
客戶(hù)的疑問(wèn)來(lái)了，接觸器輔助觸點(diǎn)的最小導(dǎo)通容量為17V/5mA，現(xiàn)在回路電壓電流為24V/10mA，怎么還會(huì)出現(xiàn)導(dǎo)通可靠性故障呢？
1、接觸器輔助觸點(diǎn)最小導(dǎo)通容量17V/5mA的宣稱(chēng)依據(jù)
輔助觸點(diǎn)最小導(dǎo)通容量的可靠性驗(yàn)證，遵循GB/T14048.17-2008第5-4部分：控制電路電器和開(kāi)關(guān)元件-小容量觸頭的性能評(píng)定方法(特殊試驗(yàn))。其基本電路如下圖所示：
基本方法所用的典型的試驗(yàn)電路
上圖中C為受試觸頭；AX為受試觸頭不用于切換負(fù)載時(shí)，用于接通和分?jǐn)嚯娏鞯妮o助觸頭；U為電源電壓(直流)；R為電阻性負(fù)載；AT為受試觸頭的操動(dòng)功能；VM為電壓測(cè)量電器；AX應(yīng)該選用具有較小的機(jī)械彈跳，而且具有穩(wěn)定觸頭壓降的類(lèi)型。
對(duì)于最小導(dǎo)通容量為17V/5mA的輔助觸頭，標(biāo)準(zhǔn)要求試驗(yàn)回路電壓為17V，回路電流為5mA，試驗(yàn)過(guò)程監(jiān)控觸頭兩端的電壓降。試驗(yàn)電流的持續(xù)時(shí)間和電壓降監(jiān)控時(shí)序如下圖：
上圖中，字母I代表試驗(yàn)電流；tp為試驗(yàn)電流的持續(xù)時(shí)間；字母C代表受試觸頭；tb為達(dá)到穩(wěn)定閉合的時(shí)間，因?yàn)橐氵^(guò)觸頭彈跳時(shí)間，所以tb至少為10ms；ts為為觸頭穩(wěn)定閉合時(shí)間；字母M代表觸頭上的電壓降監(jiān)控；ti為接通電流后無(wú)監(jiān)視的初始時(shí)間，主要是為了躲過(guò)觸頭彈跳時(shí)間，至少10ms；tm為觸頭壓降測(cè)量的時(shí)間；tc為分?jǐn)嚯娏髦盁o(wú)監(jiān)視的最后時(shí)間。
當(dāng)觸頭兩端的電壓降大于回路電壓的5%，即0.85V，且持續(xù)時(shí)間大于5ms，則記錄為一次缺陷，三次缺陷就認(rèn)為觸頭已經(jīng)失效。
需要特別強(qiáng)調(diào)的是，輔助觸點(diǎn)宣稱(chēng)的失效率λ=10-8，并不是針對(duì)單個(gè)輔助觸點(diǎn)的失效率，按GB/T14048.17的要求，是對(duì)多個(gè)輔助觸點(diǎn)測(cè)試后的概率統(tǒng)計(jì)的計(jì)算結(jié)果。
例如：20個(gè)受試觸頭(n=20)；試驗(yàn)周期：N=5×106操作循環(huán)(定時(shí)試驗(yàn))；在100000次操作循環(huán)時(shí)觸頭1失效；在400000次操作循環(huán)時(shí)觸頭2失效；在1.5×106次操作循環(huán)時(shí)觸頭3失效；在2.5×106次操作循環(huán)時(shí)觸頭4失效；在4×106次操作循環(huán)時(shí)觸頭5和6失效；觸頭7~觸頭20一直運(yùn)行到操作循環(huán)結(jié)束5×106沒(méi)有發(fā)生失效。
于是：n=20；r=6；N*=105+0.4×106+1.5×106+2.5×106+2×4×106+2×4×106沒(méi)+14×5×106=82.5×106；λop=6/82.5×106=0.7×10-7失效數(shù)/操作循環(huán)次數(shù)；在置信水平90%下，查詢(xún)GB/T14048.17表1，Kc=10.55；λc=10.55/82.5×106=1.3×10-7失效/操作循環(huán)次數(shù)。
2、輔助觸點(diǎn)偶發(fā)性不導(dǎo)通故障的原因
雖然廠家提供的輔助觸點(diǎn)最小導(dǎo)通容量為17V/5mA，觸點(diǎn)所在回路的電壓很多時(shí)候會(huì)超過(guò)24V，電流也在10mA左右，但實(shí)際應(yīng)用中，會(huì)偶發(fā)性出現(xiàn)不導(dǎo)通故障。
昌暉儀表曾經(jīng)處理過(guò)多起類(lèi)似故障，以某現(xiàn)場(chǎng)電梯控制系統(tǒng)丟失信號(hào)為例，示波器抓取的電壓信號(hào)顯示，觸頭導(dǎo)通信號(hào)延遲930ms后再出現(xiàn)，這早就超過(guò)了系統(tǒng)設(shè)定的檢測(cè)時(shí)間，所以會(huì)經(jīng)常報(bào)錯(cuò)。
輔助觸點(diǎn)導(dǎo)通可靠性故障一般會(huì)出現(xiàn)在設(shè)備調(diào)試階段或設(shè)備運(yùn)行一段時(shí)間后，調(diào)試階段的故障原因基本上是觸點(diǎn)污染物引起，例如粉塵、外來(lái)異物等(見(jiàn)下圖)。
因?yàn)殡娍毓褚话銜?huì)提前安裝在建筑或地鐵內(nèi)，如果電控柜無(wú)防塵措施，單單靠接觸器本身防塵是不可能的(接觸器防護(hù)等級(jí)為IP20)，施工階段帶來(lái)的粉塵等異物會(huì)進(jìn)入產(chǎn)品內(nèi)部，引起觸點(diǎn)導(dǎo)通可靠性故障。
一旦設(shè)備在運(yùn)行初期頻頻報(bào)錯(cuò)，就需要拆開(kāi)產(chǎn)品檢查觸點(diǎn)表面的狀況，此時(shí)由于觸點(diǎn)接通分?jǐn)嚯娏鞅容^小，次數(shù)也不多，電弧痕跡不明顯，銀點(diǎn)顏色比較亮，所以只需要檢測(cè)觸點(diǎn)周?chē)奈廴疚锛纯纱_定故障原因，很多時(shí)候現(xiàn)場(chǎng)反饋，更換一個(gè)新接觸器故障就消失，這符合邏輯。
設(shè)備運(yùn)行一段時(shí)間(兩年或三年)后，輔助觸點(diǎn)也會(huì)偶發(fā)性出現(xiàn)導(dǎo)通可靠性故障，這時(shí)候不單單要考慮觸點(diǎn)由于靜電吸附帶來(lái)的粉塵等異物，還需要考慮銀觸點(diǎn)本身氧化、硫化等自然變化引起的接觸電阻升高。
輔助觸點(diǎn)的材料一般為銀鎳合金，銀的導(dǎo)電性很好，但銀容易和空氣中的硫生成黑色的硫化銀，硫化銀的電阻率很高，幾乎就是絕緣體。即使是空氣中微量的硫元素，也容易與銀生成硫化銀，更別提在含硫量高的化工場(chǎng)合，如火電廠、水處理廠等。
全新的銀點(diǎn)表面周?chē)己芄饬粒坏┌l(fā)生硫化氧化，其顏色會(huì)逐漸變暗變深，但觸頭中心位置正常的電弧痕跡除外。
對(duì)經(jīng)常發(fā)生失效故障的觸頭材料做EDS金屬元素能譜分析，會(huì)發(fā)現(xiàn)觸點(diǎn)表面含硫量比較高，說(shuō)明硫化銀已經(jīng)大量存在觸點(diǎn)表面。
輔助觸點(diǎn)用在的自鎖或互鎖回路時(shí)，由于是高電壓或者大電流，例如220V交流線(xiàn)圈的啟動(dòng)功耗一般為70VA，線(xiàn)圈電流300頓毫安；如果是24V直流線(xiàn)圈，線(xiàn)圈啟動(dòng)和保持功耗都為5.4W，所以線(xiàn)圈電流為5.4/24=225mA。
輔助觸點(diǎn)接通、分?jǐn)喔唠妷骸⒋箅娏鲿r(shí)產(chǎn)生的電弧能量，足以清除掉觸頭表面的粉塵、硫化物、氧化物等，從而保證導(dǎo)通可靠性，所以輔助觸點(diǎn)用在高電壓、大電流場(chǎng)合幾乎不會(huì)出現(xiàn)導(dǎo)通可靠性故障，更看重其電氣壽命次數(shù)。但是，當(dāng)普通輔助觸點(diǎn)用于24V信號(hào)回路時(shí)，其偶發(fā)性的導(dǎo)通可靠性故障，就像幽靈一般飄忽不定。
究其原因，接通分?jǐn)嗟碗妷骸⑿‰娏鲿r(shí)產(chǎn)生的電弧能量，不足以清除觸點(diǎn)表面的粉塵、硫化物、氧化物等，久而久之觸點(diǎn)的導(dǎo)通可靠性會(huì)越來(lái)越差。
3、提高輔助觸點(diǎn)導(dǎo)通可靠性的措施
如前所述，低電壓、低電流工況下輔助觸點(diǎn)導(dǎo)通可靠性與觸點(diǎn)材質(zhì)、IP防護(hù)等有關(guān)，還與觸點(diǎn)結(jié)構(gòu)、形狀、觸點(diǎn)彈簧壓力等因素相關(guān)。
首先，常規(guī)輔助觸點(diǎn)的材質(zhì)為銀鎳合金，銀的電阻率很低，在無(wú)硫化、氧化的條件下，銀合金觸點(diǎn)在低電壓低電流下的導(dǎo)通可靠性極好，為了避免銀觸點(diǎn)硫化氧化，工程師想到在銀觸點(diǎn)表面鍍金，來(lái)提高觸點(diǎn)的導(dǎo)通可靠性。
其次，為避免外來(lái)異物掉在觸點(diǎn)表面影響接觸，可以提高外殼的IP防護(hù)等級(jí)，例如采用IP50防護(hù)等級(jí)的外殼，或采用干簧管結(jié)構(gòu)將觸點(diǎn)密封，完全杜絕外來(lái)粉塵，同時(shí)避免觸點(diǎn)被硫化、氧化。
此外，在動(dòng)、靜觸頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，采用鋸齒狀、十字交叉接觸來(lái)提高導(dǎo)通可靠性。鋸齒狀是為了方便粉塵落入溝槽中，而不是落在接觸面上，十字交叉接觸主要是考慮在微觀上其實(shí)就是點(diǎn)接觸。
在動(dòng)、靜觸點(diǎn)接觸瞬間，還還可以通過(guò)特殊的導(dǎo)槽設(shè)計(jì)，讓動(dòng)靜觸頭之間產(chǎn)生摩擦，類(lèi)似搓衣板一樣的動(dòng)作，通過(guò)摩擦清除觸點(diǎn)表面的粉塵、硫化物等影響導(dǎo)通可靠性的物質(zhì)。
在動(dòng)觸點(diǎn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，還可以通過(guò)雙觸橋來(lái)提供導(dǎo)通的冗余度。
如果單個(gè)觸點(diǎn)的失效率為p，假設(shè)p=0.01%，即動(dòng)作104次才有1次失效，當(dāng)采用雙觸橋方案后，理論上失效率為p2，即動(dòng)作108次才有1次失效。
關(guān)于雙觸橋方案的可靠性，本文分享一個(gè)機(jī)車(chē)客戶(hù)案例供大家參考：在故障分析階段，昌暉儀表通過(guò)車(chē)輛系統(tǒng)監(jiān)控的數(shù)據(jù)已經(jīng)確定為輔助觸點(diǎn)導(dǎo)通可靠性故障，因?yàn)樵诠收习l(fā)生時(shí)，主回路風(fēng)機(jī)工作正常，風(fēng)壓在持續(xù)上升，但是系統(tǒng)有時(shí)候監(jiān)控不到NO觸點(diǎn)的反饋信號(hào)。
其次，從產(chǎn)品拆解后觸點(diǎn)表面的狀況看，外來(lái)污染物非常明顯，且回路電壓DC110V，電流16mA。于是，我們建議客戶(hù)采用外置輔助觸點(diǎn)模塊，并且采用兩個(gè)NO觸點(diǎn)并聯(lián)的方案，來(lái)提供輔助觸點(diǎn)的導(dǎo)通可靠性。
半年跟蹤下來(lái)，故障率極低，以前客戶(hù)懷疑是接觸器本體故障，每次故障發(fā)生后都會(huì)更換接觸器，成本巨大。
寫(xiě)在最后
關(guān)于弱電環(huán)境下的接觸器輔助觸點(diǎn)導(dǎo)通可靠性討論到此也就結(jié)束了，昌暉儀表從接觸器輔助觸點(diǎn)本身驗(yàn)證的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)、故障發(fā)生原因以及接觸器輔助觸點(diǎn)設(shè)計(jì)上的措施，在技術(shù)層面都可以說(shuō)的明明白白，而且前人針對(duì)該問(wèn)題做了大量的研究，按理說(shuō)失效機(jī)理很明確，對(duì)于可靠性要求高的場(chǎng)合，應(yīng)該選擇更合適的產(chǎn)品，但是一旦進(jìn)入產(chǎn)品選型階段，就會(huì)妥協(xié)于成本。
輔助觸點(diǎn)的成本不過(guò)十幾、二十元，但在可靠性要求很高的場(chǎng)合，由于偶發(fā)性可靠性故障導(dǎo)致元器件廠家、設(shè)備制造商、最終用戶(hù)之間的溝通成本，會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于輔助觸點(diǎn)本身。
從元器件廠家的角度，需要提供可靠性更高產(chǎn)品，而不是僅僅依據(jù)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)來(lái)宣稱(chēng)產(chǎn)品參數(shù)，試驗(yàn)室的環(huán)境遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況。
作為最終用戶(hù)，應(yīng)從實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境和自身對(duì)可靠性要求出發(fā)，選擇更合適的產(chǎn)品，而不應(yīng)該只看到眼前的成本，忽略產(chǎn)品整個(gè)周期的維護(hù)成本。
作者：賓昭平
