ПОЖАРНАЯ ОПАСНОСТЬ МИНИ-РЕЛЕ В ХОЛОДИЛЬНИКЕ «INDESIT»

Анализ состояния исследуемой проблемы показывает, что мини-реле, как важный компонент бытовых электрических приборов, привлекает внимание как отечественных, так и зарубежных исследователей

Рисунок 1 - Конструкция мини-реле HF3FA 012-ZTF

DOI:10.60797/IRJ.2024.148.7.1

Подвергавшиеся исследованию в данной работе мини-реле имеют габаритные размеры 17,6×12,3×10,1 мм и конструктивно состоят из следующих элементов (рис. 1). Управляющие контакты, присоединенные к катушке, а также замыкающие контакты (силовые), посредством которых осуществляется коммутация электроцепи. Внутри пластмассового корпуса реле расположена электромагнитная катушка и контактная группа. Контактная группа представляет собой две пластины с контактными площадками круглой формы диаметров 4 мм.

В отечественной и зарубежной литературе отмечается, что модификации конструкций и электрических схем мини-реле происходят непрерывно

Актуальность исследования связана с необходимостью анализа аварийных режимов работы мини-реле и их влияния на безопасность бытовых приборов. Целью исследования является выявление криминалистически значимых признаков для диагностики аварийных режимов работы мини-реле с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) и рентгенофлюоресцентного анализа.

В данной работе, с точки зрения пожарной опасности описаны результаты длительной работы двух образцов миниатюрного реле HF3FA 012-ZTF китайского производителя, установленного в бытовом холодильнике Indesit (рис. 2). Реле установлено на плате управления холодильником в верхней его части. Первое реле проработало непрерывно в течение 30 месяцев, второе реле – 2 месяца.

Рисунок 2 - Холодильник Indesit и управляющая плата, расположенная под верхней крышкой холодильника в лицевой части

Примечание: отмечено установленное на плате реле

DOI:10.60797/IRJ.2024.148.7.2

После возникновения пожароопасных аварийных режимов работы в реле, они извлекались из печатной платы. Далее осуществлялась их разборка и исследование визуальным способом и методом сканирующей электронной микроскопии.

Морфологический анализ поверхности пластины и контактной площадки реле проводился с использованием сканирующего электронного микроскопа Tescan VEGA\\XMU с вольфрамовым катодом и высоким вакуумом в камере. Условия проведения анализа: ток зонда 2 пА – 40 нА, режим высокого вакуума, ускоряющее напряжение 20 кВ, рабочее расстояние: 27 – 47 мм. Определение элементного состава осуществлялось безазотным рентгенофлюоресцентным энергодисперсионным детектором X–MAX 80 с площадью кристалла 80 мм2. Условия проведения исследования: ток зонда: 2 пА – 40 нА, режим высокого вакуума, ускоряющее напряжение: 20 – 30 кВ.

3.1. Визуальный осмотр поврежденных реле

Образец №1 представлял собой штатное реле, установленное заводом-изготовителем. Реле функционировало в штатном режиме работы холодильника в течение 60 месяцев. В результате длительной работы произошло «залипание» контактов реле, локальный разогрев и термическая деструкция пластмассового корпуса реле (рис. 3). Непосредственно до возникновения данных процессов признаков нестабильной работы холодильника не наблюдалось. Каких-либо иных признаков, например, запаха горелой изоляции или пластмассы, также не зафиксировано.

Рисунок 3 - Последствия работы реле в течение 30 месяцев

Примечание: образец №1

DOI:10.60797/IRJ.2024.148.7.3

Дальнейшее развитие и распространение пожароопасной аварийной ситуации происходило за счет нагрева и термической деструкции ПВХ-изоляции проводников, расположенных в непосредственной близости от реле. Это, в свою очередь, привело к возникновению электродугового процесса короткого замыкания между проводниками, питающими плату управления (рис.4).

Рисунок 4 - Короткое замыкание между проводниками после нагрева от реле

Примечание: образец №1

DOI:10.60797/IRJ.2024.148.7.4

Ощущался запах горелой изоляции. Только после этого произошло срабатывание автоматического выключателя, защищавшего электрическую цепь, посредством которой был запитан холодильник. Однако к этому моменту горение вышло за пределы корпуса реле.

Визуально на контактах реле после 30 месяцев работы обнаружены признаки элеткроэрозии. Также обнаружено локально проплавление контактной пластины на удалении от самого кантатного пятачка. Вероятно, это повреждение является следствием электродугового процесса короткого замыкание с медными проводниками.

Образец №2 представлял собой реле аналогичной марки, установленное после выхода из строя образца №1. Его работа продлилась в течение 2 месяцев, по прошествии которых возник нестабильный режим работы холодильника – периодических самопроизвольно одновременно отключалась холодильная и морозильная камеры без поддержания рабочих температур. Включение камер происходило также самопроизвольно. Это косвенно указывало на проблемы с функционированием управляющей платы и, в частности, реле.

В данном случае контакты не «залипли», но имели плохой контакт, который и влиял на нестабильную работу холодильника. Место контакта и прилегающие к нему участки были покрыты копотью. На внутренней поверхности пластмассового корпуса наблюдалась его локальная карбонизация (рис. 5).

Рисунок 5 - Термические повреждения контактов реле и его корпуса после 2 месяцев эксплуатации

Примечание: образец №2

DOI:10.60797/IRJ.2024.148.7.5

3.2. Морфологическое исследование методом СЭМ

На рис. 6 представлена поверхность контакта исходного реле не бывшего в эксплуатации. Результаты анализа методом СЭМ образцов реле №№ 1 и 2, приведены на рис. 7, 8. При увеличении 1020 крат (рис. 6) хорошо видны многочисленные дефекты поверхности на контакте реле, которые, вероятно, являются фактором, провоцирующим возникновение плохого контакта

[8]

,

[9]

.

Рисунок 6 - Поверхность контакта исходного реле, СЭМ

Примечание: при увеличении 1020 крат наблюдаются многочисленные дефекты на контакте

DOI:10.60797/IRJ.2024.148.7.6

На поверхности контактной площадки присутствуют наплывы металла, а также мелкие шарообразные частицы размер которых варьируется в достаточно широком диапазоне – от величин менее 1 до 100 мкм. Наплывы металла на отдельных участках имеют форму в виде разбрызгивания – вытянутые треки. Очевидно, что процесс электроэрозии, возникший при плохом контакте, протекал в так называемом искровом режиме

[10]

,

[11]

.

Рисунок 7 - Поверхность контакта реле, СЭМ

Примечание: образец №1

DOI:10.60797/IRJ.2024.148.7.7

Рисунок 8 - Поверхность контакта реле, СЭМ

Примечание: образец №2

DOI:10.60797/IRJ.2024.148.7.8

На поверхности образца реле, проработавшего 2 месяца, и как было сказано выше аварийный режим в нем имеет свое развитие на более ранней стадии, обнаружены специфические дефекты контактной площадки (рис. 8). Дефекты при увеличении 5000 крат имеют вермикулярную (червеобразную) форму. Также обнаружены шарообразные частицы размером до 1 мкм.

3.3. Рентгенофлюоресцентный анализ элементного состава

Определение элементного состава контактов реле осуществлялся методом рентгенофлюоресцентного анализа на локальных участках - в точках, показанных на рис. 9

Рисунок 9 - Точки анализа элементного состава контактов реле: 

а - исходное; б - образец №1; в - образец №2

DOI:10.60797/IRJ.2024.148.7.9

В табл. 1 приведены результаты химического анализа рентгенофлюоресцентным методом на различных участках контактов реле. 

Как видно из результатов анализа элементного состава, пластина состоит в основном из меди, а контактная площадка выполнена из сплава серебра, индия и олова. Такие сплавы используются для изготовления электроконтактов

[11]

. На поперечном срезе (рис. 10) хорошо наблюдается структура контакта.

Рисунок 10 - Структура контакта реле на поперечном срезе

DOI:10.60797/IRJ.2024.148.7.11

Вызывает интерес тот факт, что при протекании аварийного электрического режима, сопровождающегося искрением при плохом контакте, наблюдается массоперенос отдельных химических элементов из области контактной площадки на медную пластину. В частности, в значительном количестве обнаружено присутствие химических элементов электроконтакта – серебра (до 78%), индия (до 1,5%) и олова (до 30%) на участке медной пластины, примыкающей к контактной площадке на расстоянии до 1-2 мм. Данные элементы распределены крайне неоднородно. По мере удаления от элкектроконтакта их концентрация снижается, а на удалении 5 мм они не обнаруживаются вовсе. При этом на контакте реле, не бывшем в эксплуатации, серебро, индий и олово не обнаружены.

На обоих образцах наблюдается окисление участка, примыкающего к контактной площадке, что вызвано локальным разогревом в зоне переходного сопротивления.

В результате проведения экспериментальных исследований образцов миниатюрного реле марки HF3FA 012-ZTF в холодильнике Indesit было установлено следующее.

После 2-х и 30-и месяцев непрерывной работы оба реле вышли из строя вследствие возникновения переходного сопротивления между контактами. Предвестниками поломки реле были периодические отключения функции охлаждения холодильной и морозильной камер. Автоматический выключатель не срабатывал в ходе этого этапа развития аварийного процесса. Оба эти фактора создают потенциальную угрозу возникновения пожара.

Выход из строя реле сопровождался нагревом его пластмассового корпуса с дальнейшим выходом горения за его пределы. Срабатывание автоматического выключателя произошло после термической деструкции изоляции проводников, питающих управляющую плату.

На контактах реле методом СЭМ обнаружены признаки БПС в виде шарообразных частиц размер которых варьировался в достаточно широком диапазоне – от величин менее 1 до 100 мкм. Также на контактной площадке при увеличениях до 5000 крат обнаружены дефекты вермикулярной формы.

На участке контактной пластины, примыкающем к контакту на расстоянии до 1-2 мм, обнаружены признаки массопереноса химических элементов, из которых выполнен электроконтакт – в наибольшей степени серебра (до 78%), в меньшей индия и олова. Участок, примыкающий к контактной площадке, локально разогревается, что находит свое отражение в его повышенном окислении.

Первопричиной пожароопасного повышения сопротивления контакта, наиболее вероятно, является наличием многочисленных дефектов поверхности контактной площадки. Дальнейшее развитие аварийного процесса протекает за счет окисления контакта.

В заключение следует отметить, что проведенные экспериментальные исследования мини-реле HF3FA 012-ZTF, установленных в холодильнике Indesit, выявили критические аспекты, связанные с его эксплуатацией и потенциальной пожарной опасностью. Наблюдения показали, что при аварийном режиме работы, сопровождающемся искрением из-за плохого контакта, происходит массоперенос химических элементов, таких как серебро, индий и олово, с контактной площадки на медную пластину. Это указывает на серьезные изменения в структуре и свойствах материалов, что может значительно ухудшить надежность работы реле.

Кроме того, окисление участка, примыкающего к контактной площадке, вызванное локальным разогревом, свидетельствует о наличии переходного сопротивления, что является предвестником поломки. Обнаруженные признаки термической деструкции изоляции проводников подчеркивают необходимость более внимательного контроля за состоянием реле в процессе эксплуатации.

Выход реле из строя после 2-х и 30-и месяцев работы, а также отсутствие срабатывания автоматического выключателя в критических ситуациях, создают серьезные риски возникновения пожара. Наличие дефектов на поверхности контактной площадки является первопричиной повышения сопротивления, что требует дальнейшего изучения и разработки методов диагностики и профилактики подобных неисправностей.

Полученные в данной работе результаты могут быть использованы при проведении пожарно-технических исследований в ходе анализа электротехнической версии причины пожара.