趙正元

(沈陽鐵路信號有限責(zé)任公司，沈陽 110025)

1 概述

鐵路信號繼電器是鐵路車站電氣集中控制中用量最大的基礎(chǔ)安全元件[1]。如果一臺繼電器中的某一觸點發(fā)生故障，將直接影響整個系統(tǒng)的可靠運行，造成的損失遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過觸點本身的價值。繼電器的觸點是最重要、最易被侵蝕破壞的部位，其故障率約占繼電器故障率的80%以上[2]，而觸點接觸電阻是衡量觸點性能的一個基本而重要的參數(shù)，同時也是電接觸可靠性檢測中的核心問題。一臺繼電器觸點接觸電阻超標(biāo)或不通的原因很復(fù)雜，各個影響因素之間又相互關(guān)聯(lián)，需要從源頭到結(jié)尾，全生命周期來分析觸點接觸電阻變大的原因，以便客觀公正科學(xué)的給出評價。

2 接觸電阻的概念

在鐵路現(xiàn)場，使用直流微歐儀測試?yán)^電器觸點接觸電阻時，實際測量都是在接點引出端（接點片尾片）上進(jìn)行的，得到的測試值是觸點接觸總電阻（R），總電阻為固有電阻（Rl）和接觸電阻（Rj）之和，接觸電阻是指電流通過觸點時在接觸處產(chǎn)生的電阻，它是收縮電阻和膜電阻之和[3]。不管是固有電阻、收縮電阻還是膜電阻，都會對觸點的接觸電阻造成影響，接觸電阻概念如圖1所示。

圖1 接觸電阻概念圖圖Fig.1 Concept diagram of contact resistance

2.1 固有電阻

固有電阻主要取決于金屬材料本身的導(dǎo)電性能、它是觸點材料自身的電阻，其數(shù)值與材料的電阻率和幾何尺寸有關(guān)（公式R1=ρ·L/s，ρ為電阻系數(shù)、L為導(dǎo)體長度、s為截面面積）。

2.2 收縮電阻

收縮電阻是指電流通過接觸面時，因電流線急劇收縮而產(chǎn)生的電阻增量。有些文獻(xiàn)中也將收縮電阻稱為集中電阻（其中F為接觸壓力，H為材料硬度，ρ為材料的電阻率，η為壓力修正系數(shù)，一般η=1[4]）。

2.3 膜電阻

膜電阻是觸點表面膜所產(chǎn)生的電阻。主要有接觸表面膜層及其他污染物所構(gòu)成的膜層，從接觸表面狀態(tài)分析，表面污染膜可以分為較堅實的薄膜層和較松散的雜質(zhì)污染層，表面膜電阻Rb則與表面覆蓋層的性質(zhì)有關(guān)。

3 影響接觸電阻的因素

鐵路信號繼電器觸點接觸電阻的影響因素分別從觸點材料本體、設(shè)計工藝生產(chǎn)、檢驗檢測、包裝儲存運輸、現(xiàn)場使用5個方面展開分解，如圖2所示。

3.1 觸點材料本體

觸點材料本體影響接觸電阻的主要表現(xiàn)形式有電阻率、硬度、化學(xué)性質(zhì)、密度、熔點、制備工藝、金屬化合物物理特性等。

電阻率：電阻率與電阻是兩個不同的概念，電阻率是反映物質(zhì)對電流阻礙作用的屬性，電阻是反映物體對電流阻礙作用的能力大小，電阻率變化，電阻就會發(fā)生變化。觸點材料的電阻與材料的橫截面積、長度以及材料的本體的電阻率有關(guān)系（R=ρL/s）；同時電阻率與觸點的溫度有關(guān)，在溫度變化不大的范圍內(nèi)，幾乎所有金屬的電阻率隨溫度做線性變化。

硬度：繼電器兩個觸點相配合，觸點與觸點的硬度搭配，譬如動靜接點間真正接觸時都存在著一個導(dǎo)體進(jìn)入到另一個導(dǎo)體的過渡區(qū)域，在這個區(qū)域中真正的導(dǎo)電截面積與硬度有關(guān)。一般意義上理解，觸點硬度大對應(yīng)的接觸電阻就大，在實際應(yīng)用中觸點的硬度與實際觸點的接觸硬度來說是有差別的，當(dāng)接觸面絕大部分已塑性變形，使得接觸點的壓強已基本穩(wěn)定時，才稱之為材料的接觸硬度，這個接觸硬度與接觸電阻就有直接的關(guān)系。

圖2 接觸電阻影響因素分解圖Fig.2 Decomposition diagram of influence factors of contact resistance

化學(xué)性質(zhì)：任何材料放置于空氣中總會和周圍介質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，會氧化、硫化，受周圍空氣中的化學(xué)活力較強的物質(zhì)（如硫化氣體、氯、氨等）的作用，從而在接觸面上產(chǎn)生氧化膜、硫化膜等。由于繼電器接點閉合相互撞擊時，這層膜就會剝落，造成接點逐步耗蝕，接觸電阻越變越大；同時觸點材料的抗熔焊、耐電弧侵蝕能力、材料轉(zhuǎn)移都會對接觸電阻造成影響。

材料的密度：觸點接觸電阻與材料密度有關(guān)，密度與材料中銀元素的含量有關(guān)（對于銀氧化鎘、銀碳觸點來說），含量越高密度越大，密度越大靜態(tài)接觸電阻越??；反之，密度越小靜態(tài)接觸電阻越大。

材料的熔點：觸點熔點的高低，直接影響到觸點熔焊，同時與電弧的產(chǎn)生也有一定關(guān)系，對接觸電阻的影響也不容忽視。

3.2 設(shè)計工藝生產(chǎn)

觸點大小、形狀：觸點大小與觸點所承受的電流以及觸點與觸點的接觸面積有直接關(guān)系，直接影響承載或通過的電流大小，進(jìn)而影響接觸電阻。

觸點接觸形式：觸點接觸形式大體分為點接觸、線接觸和面接觸。接觸形式對收縮電阻Rs的影響主要表現(xiàn)在接觸點的數(shù)目上。面接觸的接觸點數(shù)n最大而Rs最?。稽c接觸則n最小，Rs最大；線接觸則介于兩者之間。接觸形式對膜電阻Rf的影響主要是看每一個接觸點所承受的壓力F。在對觸點外加壓力F相同的情況下，點接觸形式n最小，單位面積承受壓力F最大，容易破壞表面膜，所以有可能使Rf減到最??；反之，面接觸的F就最小，對Rf的破壞力最小，Rf值有可能最大，線接觸則介于兩者之間。

觸點粗糙度：粗糙度對接觸電阻的影響與觸點上所帶的負(fù)載有關(guān)系。相關(guān)研究顯示對于不同負(fù)載的電觸點，表面粗糙度對接觸電阻的影響程度是不同的，在中、重負(fù)載用觸點中，只要達(dá)到一定的負(fù)載（電流、電壓、電弧、接觸力等），通過電氣或機(jī)械的作用，就能改變或者破壞觸點的表面狀態(tài)，觸點表面粗糙度對接觸電阻的影響甚微[5]。在輕負(fù)載、弱電流領(lǐng)域中，工作電壓和工作電流都很低，電壓為幾伏至幾十伏，電流為幾十毫安至幾百毫安，如果觸點表面粗糙度大，觸點表面由于吸附、氧化層、腐蝕以及周圍環(huán)境等因素污染致使表面膜不斷增厚，觸點接觸電阻就會顯著增加，甚至不通。

繼電器接點簧片：安放觸點的接點簧片其幾何尺寸、柔度、形狀等都會間接或直接的影響觸點的接觸電阻。

接觸壓力：繼電器接點接觸壓力對觸點接觸電阻的影響成線性關(guān)系，但增加到一定程度后，會趨于平緩。接點壓力大，觸點表面膜就會被壓碎或擊穿，接觸電阻就變??；觸點接觸壓力小，觸點表面膜就不容易被破壞，膜電阻變大。觸點的接觸壓力分為觸點的初壓力和終壓力，初壓力是指動、靜觸點剛接觸時由觸點彈簧產(chǎn)生的壓力。其作用是限制和防止觸點剛接觸時產(chǎn)生的機(jī)械振動，從而在接通電流時產(chǎn)生電磨損，降低壽命；終壓力是指在觸點完全閉合，即動觸點不再繼續(xù)運動時產(chǎn)生的觸點壓力，終壓力保證在閉合時接觸電阻最小，觸點溫升不超過允許值，保證觸點在通過短路電流時不至因電動斥力而產(chǎn)生跳動或引起熔焊，進(jìn)而影響接觸電阻。

接點間隙[6]：接觸電阻是隨著溫度變化而變化的，而溫度的升高和觸點間的電壓降的平方成正比，而觸點間的電壓降又與觸點間隙有關(guān)系。一般為了確定接點間隙，利用擊穿電壓與大氣壓力和接點間隙間距離乘積的曲線來確定。如當(dāng)試驗電壓為500 V（有效值），在正常大氣壓力下，空氣間隙大約為0.06 mm時擊穿，考慮到接點上的過電壓，工作過程中接點間因金屬轉(zhuǎn)移而出現(xiàn)的針刺，接點彈片的變形和制造公差等情況，使接點間隙隨著使用時間的增長而減小，因此，實際上選用的最小間隙應(yīng)不小于0.3 mm。同時接點間隙加大可以有效滅弧，如果滅弧不力，導(dǎo)致接點壓力減小，接點表面碳化，最終導(dǎo)致接觸電阻增大。

接點掃程：為保證接點在工作時有可靠的電接觸，在設(shè)計接點時，做成使接點在閉合過程中動接點與前接點或動接點與后接點之間有一定的掃程。掃程包括滾動和滑動兩部分。滾動的作用是使觸點在閉合時的撞擊處與最后閉合位置的工作點之間，以及斷開電路時產(chǎn)生電弧或火花處與閉合位置的工作分開，保證工作點不受機(jī)械撞擊與電弧或火花的破壞，因而有可靠的電接觸?；瑒拥淖饔檬鞘菇狱c表面的灰塵與氧化膜在閉合過程中能清除掉，保證接點的接觸良好。雖然接點的掃程設(shè)計大一點有好處，但是一味地增大，反而使接點的機(jī)械磨損增加，并增加繼電器所消耗的功耗。

觸點固定方式：主要考慮觸點與簧片連接方式、方法和強度與接觸電阻的關(guān)系。觸點固定方式分為鉚接和點焊。對于鉚接，觸點單件鉚接有加工費較低，能夠高速自動鉚接等優(yōu)點，缺點是觸點與簧片接觸差，通電時接觸電阻會增大，在動、靜觸點頻繁的分?jǐn)嗯c閉合一段時間后，鉚接的牢固程度與間隙均會發(fā)生變化，影響電性能的穩(wěn)定。對于點焊，其原理是利用高頻電流通過工件及焊接接觸面間所產(chǎn)生的電阻熱，將焊件加熱至局部熔化狀態(tài)，形成熔核，然后斷電，并在壓力下凝固結(jié)晶，形成組織致密的焊點，使銀觸點與簧片焊接在一起。點焊接觸電阻穩(wěn)定、牢固度好，觸點頻繁動作后不易松動，而且焊接面能承受相對高的溫度而不失效。

觸點回跳：當(dāng)觸點閉合接近接觸時，觸點間有線路電壓，間隙可能被擊穿而產(chǎn)生短時電弧。觸點一旦接觸，電弧熄滅，電流接通，觸點碰撞后，一方面由于觸點碰撞時具有動能，另一方面觸點的電動斥力的作用，觸點會產(chǎn)生彈跳，觸點接觸面分離產(chǎn)生電弧，電弧使接觸面金屬熔化、氣化。觸點彈跳到最大距離后又開始重新閉合, 觸點重新接觸，電弧熄滅，觸點表面熔化的金屬被擠壓散開迅速冷卻，觸點焊接。觸點分?jǐn)鄷r或觸點被電動力斥開，觸點間產(chǎn)生電弧，電弧的高溫使觸點表面金屬熔化和氣化。當(dāng)觸點重新閉合時，接觸表面熔化的金屬凝固在一起，就可能導(dǎo)致動、靜觸點焊接在一起，發(fā)生觸點熔焊。觸點回跳一般發(fā)生在電路的接通和斷開過程中，而很多電路負(fù)載（如感性負(fù)載、容性負(fù)載、白熾燈負(fù)載等）在接通或斷開時均有較大的沖擊電流，會加劇觸點的磨損，甚至導(dǎo)致觸點粘接，從而影響繼電器的可靠性。同時在觸點回跳時電路時通時斷所形成的高頻脈沖對周圍電子裝置來說還是一個有害的干擾信號。

接點齊度[7]：繼電器接點齊度規(guī)定了普通接點、加強接點、普通接點與加強接點間的齊度。接點齊度是繼電器各組接點間同時接觸的誤差，誤差大意味著接點壓力或接點間隙有偏差，從而導(dǎo)致接觸電阻的變化。接點齊度實際是接點間隙和托片間隙共同影響的結(jié)果，而接點間隙和托片間隙又與接點掃程和接點壓力有一定的關(guān)系，進(jìn)而影響接觸電阻。

線圈：線圈的骨架、導(dǎo)線以及焊接引出線時焊料等在繼電器長時間使用過程會發(fā)熱，散發(fā)有機(jī)氣體附著在觸點表面，影響接觸電阻。經(jīng)過絕緣漆浸漬過的繼電器線圈，其散熱能力比未經(jīng)浸漬處理過的線圈大。同樣結(jié)構(gòu)的繼電器，用于高原地區(qū)比用于平原地區(qū)時線圈的散熱要困難的多。在鐵路信號設(shè)備中，有些繼電器長期工作處于脈動的狀態(tài)或短時接通的狀態(tài)，這兩種短時接通的繼電器線圈的發(fā)熱情況與連續(xù)通電時線圈的發(fā)熱情況不同。

磁路：磁力強弱影響銜鐵、觸點行程，進(jìn)而影響觸點壓力，導(dǎo)致接觸電阻的變化。

熄弧器：鐵路信號加強接點繼電器上的熄弧器在電弧高溫的作用下，燃燒散發(fā)的氣體會附著在觸點表面，也會對觸點接觸電阻造成影響。

生產(chǎn)環(huán)節(jié)：一個成品繼電器組裝完成需要經(jīng)過很多工序，譬如觸點鉚接點焊、零部件清洗、壓制電木、零部件組裝、調(diào)整、電氣機(jī)械在線檢測等生產(chǎn)環(huán)節(jié)，只要一點控制不完善，就會直接或間接影響觸點接觸電阻值。

3.3 檢驗檢測

繼電器產(chǎn)品使用的可靠性主要體現(xiàn)在觸點接觸的可靠性，所以觸點的質(zhì)量尤為重要。一枚觸點在正式組裝于繼電器上時，需要對觸點元素成份含量、表面成份分析、表面靜態(tài)接觸電阻測試、粗糙度、硬度等測試檢驗，如果觸點材質(zhì)和工藝達(dá)不到設(shè)計要求，會出現(xiàn)觸點在使用中容易發(fā)黑、燒損、接觸電阻變大等失效事件的發(fā)生。

除了產(chǎn)品本身的問題外，也會發(fā)生由于測試設(shè)備、測試方法、測試不確定度等因素的影響，導(dǎo)致產(chǎn)品接觸電阻超標(biāo)的現(xiàn)象。

3.4 包裝儲存運輸

繼電器產(chǎn)品在用戶使用前，需要將其包裝好并安全運送到目的地，到達(dá)目的地后可能還要儲存一段時間，在這個過程中也會發(fā)生一些影響繼電器接點接觸電阻的因素。

包裝方式：密封包裝還是抽真空包裝，一臺一臺包裝還是五臺十臺包裝都是有差異的。

包裝材料：包裝的材料是否在高溫、高濕、高壓下?lián)]發(fā)，揮發(fā)的氣體在狹小的空間中會附著在繼電器觸點上，污染觸點。包裝用硬材質(zhì)包裝盒還是軟材質(zhì)包裝盒也會對繼電器有影響。

運輸方式、時間、路況等：用汽車、火車、輪船還是飛機(jī)運輸，各個運輸方式下出現(xiàn)的振動、沖擊、溫度和濕度環(huán)境有多大差異，這些差異對同樣的包裝是否能夠滿足運輸條件等；運輸方式不同，時間就不同，路況也會不同，綜合考慮產(chǎn)品質(zhì)量、運輸成本等問題與繼電器接觸電阻之間的關(guān)系。

儲存時間、環(huán)境：繼電器如果在高溫多濕的環(huán)境中長時間放置（包裝材料、包裝密封程度、包裝方式等在長時間放置過程中就能體現(xiàn)出其重要性）或使用，接點表面會形成氧化膜或硫化膜，導(dǎo)致接點接觸不良。

3.5 現(xiàn)場使用環(huán)境

現(xiàn)場使用環(huán)境對繼電器接觸電阻影響現(xiàn)在也越來越凸顯出來。

使用電路：使用電路中的電流電壓超出繼電器容量，不但會引起絕緣不良、接點熔焊、接觸不良等性能的損壞，甚至造成繼電器自身的破損和燒壞。如果要在長時間保管后使用繼電器，一定要先通電檢查合格后再使用。即使繼電器一直在保管狀態(tài)下完全不使用，接點表面也會發(fā)生化學(xué)性變化等因素，引起接觸不穩(wěn)定、接觸不通等問題。

人為因素：由于現(xiàn)場人員素質(zhì)良莠不齊，可能出現(xiàn)下列現(xiàn)象對繼電器接觸電阻造成影響。

1）繼電器發(fā)到現(xiàn)場，由于工程施工進(jìn)度的影響，繼電器可能在現(xiàn)場隨意堆放，人為他用都對繼電器接觸電阻造成一定的損傷。

2）繼電器安裝時，未按正確的安裝方式進(jìn)行安裝，用力或借用外力插裝繼電器或不小心跌落等人為原因也會對繼電器接觸電阻造成一定的損傷。

3）由于施工圖紙或配線錯誤，可能在線圈上、接點上施加超高壓或錯誤的電壓以及各端子的錯誤配線，都會導(dǎo)致繼電器不能正常發(fā)揮其功能，不但影響外部電路，還會造成繼電器自身的破損、燒壞。

溫度濕度：據(jù)XX電務(wù)段反映，有臺繼電器在現(xiàn)場測試發(fā)現(xiàn)接觸電阻無窮大，接點不通，拿到檢修所后測試?yán)^電器接點電阻又正常，再拿到現(xiàn)場測試，繼電器接觸電阻又變得無窮大，經(jīng)過多次觀察和高溫試驗后發(fā)現(xiàn)，確認(rèn)該繼電器接點在高于50℃時接點接觸電阻會變得無窮大。這種現(xiàn)象不僅僅是接點材料的問題，有可能是接點表面附著物遇高溫反應(yīng)或者是繼電器內(nèi)機(jī)械零部件受熱變化等都有關(guān)系。

振動沖擊：一旦施加額定值以上的振動、沖擊會引起繼電器誤動作，還會由于繼電器內(nèi)部部件變形、破損等導(dǎo)致動作不良。譬如安裝繼電器的機(jī)械室離軌道太近、附近有大型設(shè)備施工作業(yè)等異常振動、沖擊環(huán)境下工作，對繼電器的各項功能都有影響。

環(huán)境污染：正常使用的繼電器失效原因是表面吸附含C的有機(jī)物與含O、P、S、Cl等的塵埃、雜質(zhì)并與其相互化合作用產(chǎn)生的[8]。繼電器使用在化肥廠、焦化廠、化工廠、煤氣廠等污染源比較嚴(yán)重的地方對繼電器各個零部件都會造成不同程度的污染，繼電器觸點表面附著了大量的S、P、Cl等元素，對接點接觸電阻的影響不容忽視；繼電器在周圍存在灰塵的環(huán)境中使用，會有塵埃進(jìn)入繼電器內(nèi)部，導(dǎo)致接點接觸不良；繼電器長時間在硅氣體環(huán)境中長時間放置或使用繼電器，接點表面會生成硅膜，導(dǎo)致接觸不良；繼電器如果在附著水、藥品、溶劑、油的環(huán)境中使用、保管，將引起生銹、腐蝕、樹脂裂化、接點接觸不良以及漏電等故障。

周邊磁場：如果繼電器在存在較強外部磁場的場所使用，會引起誤動作。還有在繼電器正常吸起斷開時，接點之間發(fā)生的電弧放電會被磁場壓彎，發(fā)生短路、絕緣不良等現(xiàn)象。

綜上所述，影響鐵路信號繼電器觸點接觸電阻的因素很多，各個因素之間又相互關(guān)聯(lián)，相互影響。只要抓住影響接觸電阻的主要因素，分析機(jī)理，采取措施，解決問題，就能有效控制繼電器觸點接觸電阻增大或不通的現(xiàn)象發(fā)生。