Систематический анализ материалов контактов реле и срока службы

Реле являются одними из наиболее часто используемых компонентов управления в не-стандартных автоматизированных системах управления, системах управления питанием и промышленном оборудовании. Основой эффективности реле является его контактная система. Выбор материалов контактов и соответствующий им электрический и механический срок службы напрямую определяют надежность реле, цикл технического обслуживания и стабильность всей системы. Правильный выбор контактных материалов и конструктивных форм позволяет существенно снизить интенсивность отказов оборудования и затраты на его обслуживание.

 

 

Срок службы реле обычно делится на две категории: механический срок службы и электрический срок службы.

 

Механический срок службы — это количество повторяемых операций, вызванных только механическим воздействием в условиях холостого хода,-обычно достигающее миллионов или даже миллиардов раз. С другой стороны, электрический срок службы означает, сколько раз контакты совершают коммутационные действия и сохраняют нормальную работу в условиях номинальной нагрузки, и обычно он значительно ниже, чем срок службы механического устройства.

 

Типичный ожидаемый электрический срок службы реле общего-назначения и силовых реле обычно составляет не менее 100 000 циклов, но это значение сильно зависит от конкретных условий эксплуатации. Когда контакты работают в условиях ниже номинальной нагрузки, их фактический электрический срок службы часто может быть увеличен в несколько раз. Например, контакты с высоким-номинальным током демонстрируют значительно меньшую энергию дуги и более медленную скорость эрозии материала при переключении меньших резистивных нагрузок, что обеспечивает срок службы в миллионы циклов.

 

Окончание срока службы электрооборудования обычно происходит из-за следующих видов отказов: миграция материала происходит при повторяющейся дуге, что приводит к сварке или адгезии; Серьезные потери материала из-за разбрызгивания или абляции контактной поверхности препятствуют стабильному электрическому контакту; Контактное сопротивление постоянно увеличивается, выходя за пределы допустимого диапазона системы.

 

В практической инженерии срок службы контактов можно эффективно продлить за счет рационального проектирования контактных материалов, контактного давления и соответствующих мер по гашению дуги.

 

 

В контактах реле могут использоваться различные драгоценные металлы и сплавы. Различные материалы имеют существенные различия в проводимости, дугостойкости, свариваемости и износостойкости. Общие формы включают одиночные-металлические контакты, контакты из композитного материала и биметаллические конструкции, такие как биметаллические серебряные контакты, биметаллические контактные заклепки и биметаллические серебряные контакты, широко используемые в промышленных реле и силовых реле.

 

В приложениях со средними-до-большими токами композиционные материалы-на основе серебра являются основным выбором, обеспечивая хороший баланс между проводимостью и стойкостью к дуговой эрозии. Эти материалы обычно существуют в виде композитных контактов или прецизионных электрических контактов, изготовленных методами порошковой металлургии или холодной высадки.

 

 

1. Оксид серебра-кадмия (AgCdO).

Оксид серебра-кадмия уже давно является типичным материалом для контактов реле среднего---сильного тока. В этом материале используется порошковая металлургия для равномерного распределения серебра и оксида кадмия, сочетающего проводимость, близкую к-чистому серебру, с превосходной стойкостью к сварке. К его преимуществам относятся:

 

Под действием дуги оксид кадмия эффективно подавляет миграцию материала;

Обладает хорошей способностью-гасить дугу, что значительно снижает риск контактного прилипания;

При соответствующем контактном давлении контактное сопротивление остается стабильным.

 

Обычно содержание оксида кадмия в AgCdO составляет от 10% до 15%. По мере увеличения содержания сопротивление сварке улучшается, но соответственно снижаются пластичность и свойства холодной обработки. Поэтому этот материал часто используется в таких конструкциях, как биметаллические заклепки для реле, чтобы сбалансировать технологичность и электрические характеристики.

 

2. Оксид серебра и олова и оксид серебра и индия и олова (AgSnO, AgInSnO).

В условиях ужесточения экологических норм в отношении кадмиевых материалов оксид серебра и олова и оксид серебра, индия и олова постепенно стали важной альтернативой AgCdO. Эти материалы обладают более высокой твердостью и хорошей паяемостью, что делает их особенно подходящими для применений со значительными импульсными токами и низкими -токами устойчивого состояния, например, при нагрузках накала или индуктивных нагрузках.

 

По сравнению с AgCdO эти материалы имеют немного более высокое объемное удельное сопротивление, но они демонстрируют хорошую надежность в автомобильных реле и системах постоянного тока, особенно подходят для контактных структур высокой-надежности, таких как переключающие серебряные контакты и фиксированные серебряные контакты.

 

 

Чистое серебро имеет самую высокую электро- и теплопроводность среди всех металлов, чрезвычайно низкое контактное сопротивление и относительно контролируемую стоимость; таким образом, он широко используется в серебряных электрических контактах. Однако к его недостаткам относятся склонность к сульфидированию, потускнению поверхности и долговременная-стабильность, ограниченная окружающей средой.

 

Сплавы серебра-меди за счет введения меди улучшают износостойкость и снижают свариваемость, что делает их пригодными для применения при средних-токах.

 

Серебро-вольфрамовые материалы обладают чрезвычайно высокими температурами плавления и дугостойкостью, но требуют высокого контактного давления и имеют относительно высокое контактное сопротивление, поэтому их в основном используют в приложениях с высокими-ударными нагрузками, таких как скользящие электрические контакты или контактные кольца.

 

Серебряно--никелевые материалы значительно улучшают стойкость к дуговой эрозии, сохраняя при этом проводимость, близкую к-чистому серебру.

 

Серебряно--палладиевые материалы обладают высокой твердостью и низким износом, но более дороги и обычно используются в прецизионных реле с чрезвычайно высокими требованиями к сроку службы.

 

Серебро-медные системы обладают хорошей коррозионной стойкостью в цепях слабого-тока, что делает их пригодными для применений с небольшой-нагрузкой, например, для пружинных электрических контактов.

 

 

В современных релейных контактах часто используются биметаллические или композитные конструкции, такие как биметаллические контакты Ag/Cu, биметаллические контакты с холодной головкой и биметаллические заклепочные контакты. Эти структуры достигают оптимального баланса между стоимостью, проводимостью и сроком службы за счет разделения материала между проводящей подложкой и рабочим контактным слоем.

 

В практических приложениях выбор материалов контактов зависит не только от номинального тока, но и от тщательного рассмотрения типа нагрузки (резистивная, индуктивная, емкостная), рабочего напряжения, условий окружающей среды и ожидаемого срока службы. Для систем высокой-надежности помимо выбора материала часто необходимо учитывать подходящую форму контакта, расчет контактного давления и стратегию-гашения дуги.
 

 

Контакты релеявляются критическими компонентами электрических систем, наиболее склонными к отказам, и их материальная система напрямую определяет электрический срок службы реле и надежность системы. За счет научного выбора материалов контактов, рационального подбора нагрузочных характеристик и применения зрелых биметаллических или композитных контактных конструкций срок службы реле может быть значительно увеличен. С развитием новой энергетики, автомобильной электроники и промышленной автоматизации спрос на высокоэффективные электрические контакты и контакты из благородных металлов будет продолжать расти, а технология контактных материалов будет продолжать развиваться в направлении более высокой надежности и экологичности.