密封继电器内部气氛对寿命的影响分析.pdf

124 集成电路应用 第 40 卷 第 6 期（总第 357 期）2023 年 6 月Applications创新应用形成。另外，水蒸气附着在触点表面会形成一层水膜，还会在触点表面的微孔中形成微小溶池，加强触点表面的电化学反应，从而加剧触点的侵蚀，对触点的接触可靠性产生极大的影响。同时，水蒸气的存在对触点间的燃弧过程也可能产生影响，目前关于这方面的研究甚少，为此我们拟针对密封继电器所使用的保护气体氮气与微量水蒸气混合气体燃弧的情况进行研究。电弧作为一种热等离子体的特征为：粒子温度较高，约（103104)k的量级，并接近局域热力学平衡状态。电弧微观模型一般主要是以Eindhoven模型为基础，并考虑所研究的航天继电器具体密闭的工作气氛情况进行修正。因此电弧微观模型是建立在热力学平衡的假设条件下，即认为电弧中各种粒子成分内部经过充分的碰撞，所有温度已经达到一个热力学平衡温度，及电子温度和重粒子温度相等，都等于气体的温度。由于电弧等离子体处于单温度热力学平衡状态，就可以应用Maxwell速度分布、Boltzmann粒子能态概率分布和Saha方程等确定其状态和参数。在燃弧状态下，N2、微量水蒸气与其他物质在密封继电器内部可能的化学反应（M为任意粒子）如下所示。N2M2NM NMNeM N2MN2eMH2OM2HOM OMOeM 0 引言随着军事装备和武器系统电子化、信息化、自动化程度的提高，继电器的作用愈加重要，随着宇宙外太空空间探索活动的日益频繁，武器装备系统对满足外太空空间环境要求的继电器提出了更加严苛的要求1。1 研究背景为提高继电器的可靠性，继电器在充入保护性气体前必须进行高温焙烘、抽真空，然而在排气时器件内部的气体不可能彻底除尽。因此，继电器工作过程中，零件中未能除尽的气体将缓慢释放出来，与保护气体混合，形成杂质气体而污染触点；同时，水蒸气的存在也被证明对继电器触点的寿命有较大的危害。因此，有必要对继电器内部气氛对触点寿命的影响进行研究。2 微量水汽对密封继电器内部电弧的影响为提高继电器的可靠性，继电器通常在密封前充入惰性保护气体，其中氮气是较常见的一种保护性气体，以其化学稳定好，性价比高而得到广泛应用。但工业上使用的高纯氮，仍不可避免在生产过程中混入少量的杂质气体，而微量水汽的存在也被证明对继电器触点的寿命有较大的危害；水汽含量较高时，在低温条件下触点表面将会结霜，触点会出现粘接失效。水蒸气的不良影响主要还在于它在电弧高温下分解释放出H和O，O的存在将促进触点金属表面膜的作者简介：张朝权，贵州航天电器股份有限公司；研究方向：电气工程。收稿日期：2022-10-21；修回日期：2023-05-27。摘要：阐述微量水汽对密封继电器内部电弧的影响，密封继电器内部CO2气氛与有机分子对触点接触可靠性的影响，对不同内部气氛对寿命影响进行试验，试验表明CO2气体分解产生积碳是主要原因。关键词：继电器，内部气氛，密封，寿命。中图分类号：TM58 文章编号：1674-2583(2023)06-0124-02DOI：10.19339/j.issn.1674-2583.2023.06.051文献引用格式：张朝权.密封继电器内部气氛对寿命的影响分析J.集成电路应用,2023,40(06):124-125.密封继电器内部气氛对寿命的影响分析张朝权（贵州航天电器股份有限公司，贵州 550009）Abstract This paper describes the influence of trace water vapor on the internal arc of sealed relays,the influence of CO2 atmosphere and organic molecules inside sealed relays on the contact reliability of contacts,and tests the influence of different internal atmospheres on the service life.The test shows that the carbon deposition generated by CO2 gas decomposition is the main reason.Index Terms relay device,internal atmosphere,sealing,life.Analysis of Influence of Internal Atmosphere on Service Life of Sealed RelayZHANG Chaoquan(Guizhou Aerospace Appliance Co.,Ltd.,Guizhou 550009,China.)Applications 创新应用集成电路应用 第 40 卷 第 6 期（总第 357 期）2023 年 6 月 125HMHeM同时，平衡态单温度电弧微观模型的建立还需要其他一些前提条件，包括：（1）所有的化合物都是气态的；（2）暂不考虑高纯氮中微量杂质气体等的影响；（3）气体压强为已知（0.1MPa），混合气体中各气体的组分起始比例预先设定3。通过上述建立的理论模型，对不同含量的微量水蒸气条件下对氮气电弧的影响进行计算和分析，通过试验验证，为继电器密封时对内部水汽含量的控制提供依据。3 密封继电器内部CO2气氛与有机分子对触点接触可靠性的影响对继电器内部气氛中的CO2气体含量进行检测，一般保持在100ppm2 000ppm，而继电器在进行负载切换过程中将产生电弧，CO2气体在电弧作用下将产生部分分解和反应：CO2CO2；同时，由于有机物分子被吸附到触点表面，这些被吸附的有机分子的分解也将造成积碳，见图1所示。因此，在其共同积碳的作用下将严重降低触点的接通可靠性2。为确定CO2气体分解还是吸附有机分子分解产生积碳起主导作用，我们拟设计如下方法进行验证：（1）验证方法1：为避免二氧化碳影响，继电器按图2的方式设计，保护气体使用纯度为99.999%的高纯氮气直接充入继电器内部，进行密封处理，然后再进行寿命试验，并在寿命试验后对其触点表面积碳状态进行分析。（2）验证方法2：继电器按图2的方式设计，保护气体使用含有一定微量（200ppm5 000ppm）CO2的高纯氮气直接充入继电器内部，进行密封处理，然后再进行寿命试验，并在寿命试验后对其触点表面积碳状态进行分析。4 试验实施过程试验样品。（1）水汽影响试验样品。为确定微量水汽对密封继电器内部电弧的影响，分别抽取内部水汽含量小于1 000ppm和内部水汽含量在1 000ppm5 000ppm的继电器样品进行寿命试验。（2）CO2影响试验样品。为确定CO2气体分解还是吸附有机分子分解产生积碳起主导作用，用CO2含量极少和极多的两种样机来进行试验验证，具体如下：（1）为避免CO2影响，继电器样机保护气体使用纯度为99.999%的高纯氮气直接充入继电器内部，进行密封处理，保证继电器内部CO2含量不大于500ppm。（2）为突出CO2影响，继电器样机保护气体使用含有一定微量（200ppm2 000ppm）CO2的高纯氮气直接充入继电器内部，进行密封处理，保证继电器内部CO2含量在1 000ppm3 000ppm。实施过程。（1）水汽影响试验过程。分别抽取内部水汽含量小于1 000ppm和内部水汽含量在1 000ppm5 000ppm的继电器样品进行寿命试验，试验过程中未出现触点监测失效，试验结束后各项电性能也均满足产品详细规范要求，试验后拆壳检查，触点烧蚀情况无明显区别，从试验验证情况来看，继电器内部气氛含量控制在5 000ppm以下，对产品的寿命时没有明显影响的。（2）CO2影响试验过程。对两种样机抽样进行内部气氛含量检测，检测结果：CO2含量极少的样机不大于500ppm；CO2含量极多的样机在1 000ppm3 000ppm。从检测结果来看，继电器内部气氛组分很少，主要以氮气和氦气为主，CO2含量基本满足试验要求。然后分别抽取两种样机进行寿命试验，试验过程中未出现触点监测失效，试验结束后各项电性能也均满足产品详细规范要求。试验结束后，对样品进行DPA检查，重点检查触点表面积碳状态，具体见图3和图4所示。从图3和图4可知，CO2含量极少的样机寿命试验后的触点积碳较轻微，CO2含量极多的样机寿命试验后的触点积碳较严重。比较来看，在继电器内部有机气氛较少的情况下，CO2气体分解产生积碳占了主导因素。5 结语通过上述研究，可得出以下结论：（1）只要控制水蒸气的含量不超过一定的比例，水蒸气的存在对继电器内部电弧的影响是很轻微的。（2）在继电器内部有机气氛较少的情况下，CO2气体分解产生积碳占了主导原因。参考文献1 康平.小型密封继电器动态特性建模与分析D.北京：北京邮电大学,2014.2 张朝权.浅析高压直流继电器灭弧系统J.电子元器件与信息技术,2020,4(01):148-149+160.3 郑天丕.继电器制造工艺使用M.北京：电子工业出版社，1996.图1 触点积碳 图2 充气保护图3 CO2含量极少寿命积碳 图4 CO2含量极多寿命积碳