小型中間繼電器可靠性與選用問(wèn)題的研究

1、小型中間繼電器可靠性與選用問(wèn)題的研究吳義彬游廷光劉正國(guó)徐金虎摘要：針對(duì)如何合理選用小型中間繼電器，切實(shí)提高電力自動(dòng)化裝置現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行可靠性問(wèn)題，按電力自動(dòng)化裝置實(shí)際運(yùn)行情況要求對(duì)部分小型中間繼電器進(jìn)行系列對(duì)比摸底試驗(yàn)，并根據(jù)試驗(yàn)情況與結(jié)果，提出實(shí)際選用時(shí)必須考慮的原則以及幾個(gè)典型問(wèn)題的解決辦法。 關(guān)鍵詞：小型中間繼電器； 可靠性； 負(fù)載能力 0引言 小型中間繼電器對(duì)電力系統(tǒng)自動(dòng)化裝置的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行可靠性至關(guān)重要。如何恰當(dāng)選擇、合理使用小型中間繼電器，如何強(qiáng)化“小型中間繼電器”設(shè)計(jì)、制造、篩選工作，切實(shí)提高小型中間繼電器固有可靠性，是擺在電力系統(tǒng)自動(dòng)化裝置制造、運(yùn)行單位及小型中間繼電器制造廠商面前的緊迫

2、課題。為此，按照電力系統(tǒng)自動(dòng)化裝置制造單位意見(jiàn)，力求盡可能模擬自動(dòng)化裝置實(shí)際運(yùn)行情況要求，對(duì)部分小型中間繼電器進(jìn)行了一系列對(duì)比摸底試驗(yàn)研究。 1系列產(chǎn)品對(duì)比摸底試驗(yàn) 1.1被試?yán)^電器的分組及編號(hào) 第一組16號(hào)國(guó)產(chǎn)金屬罩密封類(lèi)繼電器(型號(hào) JHX-1M/A-2Z 024，可代表JRX-31M，JZX-29M，JMX-13M)第二組16號(hào)進(jìn)口塑料封裝類(lèi)繼電器第三組16號(hào)進(jìn)口塑料封裝類(lèi)繼電器第四組16號(hào)進(jìn)口塑料封裝類(lèi)繼電器第五組16號(hào)進(jìn)口塑料封裝類(lèi)繼電器1.2試驗(yàn)情況與基本結(jié)果全部被試樣品進(jìn)行了外觀檢查、線(xiàn)圈電阻、功能試驗(yàn)、觸點(diǎn)接觸電阻、時(shí)間試驗(yàn)(是按額定激勵(lì)值激勵(lì)；溫度70±2 ，線(xiàn)圈加

3、DC 24 V激勵(lì)，保持2 h后箱內(nèi)測(cè)試吸合、釋放值時(shí)：第五組6號(hào)產(chǎn)品動(dòng)作值為20.5 V，大于最大值19.2 V，不合格。其余樣品均合格通過(guò)。溫度40±2 ，相對(duì)濕度(95±3)%，保持96 h，箱外測(cè)試介質(zhì)耐壓與絕緣電阻試驗(yàn)中：第五組2號(hào)產(chǎn)品樣品絕緣電阻<25 M，介質(zhì)耐壓擊穿，不合格。其他樣品均合格通過(guò)。溫度40±2 ，相對(duì)濕度(95±3)%，觸點(diǎn)切換負(fù)載電壓AC 220 V，電流由低到高依次做3 A，5 A，8 A各1 000次切換試驗(yàn)，切換頻率為30次/min,試驗(yàn)中：第四組產(chǎn)品只通過(guò)3 A，1 000次試驗(yàn)，做5 A負(fù)載時(shí)4號(hào)、5號(hào)產(chǎn)品

4、觸點(diǎn)開(kāi)路失效，且4號(hào)產(chǎn)品外觀變形，3號(hào)產(chǎn)品耐壓試驗(yàn)擊穿。8 A負(fù)載試驗(yàn)未進(jìn)行。第五組3A，1 000次試驗(yàn)通過(guò)，5 A，1 000次試驗(yàn)中，1號(hào)、2號(hào)觸點(diǎn)粘死失效且外觀變形，4號(hào)、5號(hào)、6號(hào)耐壓擊穿失效。其它樣品均合格通過(guò)。第一、二組被試?yán)^電器全部順利通過(guò)13項(xiàng)對(duì)比摸底試驗(yàn)，且在時(shí)間試驗(yàn)中，按80%額定值激勵(lì)時(shí)的動(dòng)作、復(fù)歸時(shí)間均在原產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的正常值范圍之內(nèi)合格通過(guò)；在負(fù)載能力試驗(yàn)中，全部通過(guò)惡劣環(huán)境條件(40±2 ，(95±3)%相對(duì)濕度環(huán)境)下AC 220 V的3 A，5 A，8 A各1 000次接通、斷開(kāi)爬高試驗(yàn)。第一組(國(guó)產(chǎn))和第二組(進(jìn)口)被試?yán)^電器性能優(yōu)良，

5、可推薦為優(yōu)先選用產(chǎn)品。2繼電器承受DC 220 V阻性負(fù)載能力試驗(yàn) 鑒于電力系統(tǒng)自動(dòng)化裝置多數(shù)選用小型中間繼電器觸點(diǎn)直接切換DC 220 V負(fù)載。因此，試驗(yàn)認(rèn)證各種小型中間繼電器實(shí)際切換DC 220 V負(fù)載的能力，對(duì)提高小型中間繼電器現(xiàn)場(chǎng)實(shí)用可靠性尤為重要。為此，對(duì)各類(lèi)繼電器產(chǎn)品統(tǒng)一按下列規(guī)范進(jìn)行一系列對(duì)比摸底試驗(yàn)。2.1試驗(yàn)技術(shù)要求環(huán)境條件：正常試驗(yàn)室環(huán)境條件；負(fù)載性質(zhì)：阻性；觸點(diǎn)開(kāi)路電壓：DC 220 V；觸點(diǎn)負(fù)載電流：即從0.4 A，104次開(kāi)始做起，如順利通過(guò)，再依次按0.5 A，104次；0.6 A，104次；0.7 A，104次；，逐一進(jìn)行爬高試驗(yàn)，直至失效終止。2.2基本結(jié)果 J

6、AG-5舌簧繼電器承受DC 220 V負(fù)載的能力最強(qiáng)。JHX-1M(含JRX-31M，JZX-29M，JMX-13M)，JHX-2F，JHX-3F與改進(jìn)后的JZX-39F均可承受DC 220 V，0.5 A以上的負(fù)載，對(duì)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的DC 220 V，50 W負(fù)載而言，具有超過(guò)2倍規(guī)定負(fù)載的過(guò)負(fù)載能力。3合理選用小型中間繼電器面對(duì)紛繁復(fù)雜的現(xiàn)代繼電器產(chǎn)品，如何合理選擇、正確使用，是直接影響整機(jī)性能與實(shí)用可靠性的至關(guān)重要的課題，當(dāng)然也是整機(jī)設(shè)計(jì)、研制人員密切關(guān)注并且必須優(yōu)先解決的實(shí)際問(wèn)題。鑒于電力系統(tǒng)自動(dòng)化裝置在運(yùn)行過(guò)程中的特殊性，以及萬(wàn)一發(fā)生事故后果特別嚴(yán)重，要做到合理選擇，正確使用，就必須

7、充分研究分析整機(jī)“相應(yīng)”的實(shí)際使用條件與實(shí)際技術(shù)參數(shù)要求，按照“價(jià)值工程原則”，恰如其分地提出入選繼電器產(chǎn)品必須達(dá)到的技術(shù)性能要求。具體說(shuō)來(lái)，大致可按下列要素逐條分析研究，確認(rèn)所要求的等級(jí)以及量值范圍。3.1氣候應(yīng)力作用要素主要指溫度、濕度、大氣壓力(海拔高度)、沿海大氣(鹽霧腐蝕)、砂塵污染、化學(xué)氣氛和電磁干擾等要素?？紤]電力系統(tǒng)自動(dòng)化裝置對(duì)全國(guó)各地自然環(huán)境的普遍適用性，兼顧必須長(zhǎng)年累月可靠運(yùn)行的特殊性，裝置關(guān)鍵部位必須選用具有高絕緣、強(qiáng)抗電性能的全密封型(金屬罩密封或塑封型，金屬罩密封產(chǎn)品優(yōu)于塑封產(chǎn)品)小型中間繼電器產(chǎn)品。因?yàn)橹挥腥芊饫^電器才具有優(yōu)良的長(zhǎng)期耐受惡劣環(huán)境性能、良好的電接觸穩(wěn)

8、定、可靠性和穩(wěn)定的切換負(fù)載能力(不受外部氣候環(huán)境影響)。3.2機(jī)械應(yīng)力作用要素主要指振動(dòng)、沖擊、碰撞等應(yīng)力作用要素。對(duì)電力系統(tǒng)自動(dòng)化裝置主要考慮的是抗地震應(yīng)力作用。為提高抵抗機(jī)械應(yīng)力作用能力，宜選用采用平衡銜鐵機(jī)構(gòu)的小型中間繼電器，如JHX-1M， JHX-3M，JHX-2F等產(chǎn)品。3.3激勵(lì)線(xiàn)圈輸入?yún)⒘恳刂饕侵高^(guò)激勵(lì)、欠激勵(lì)、低壓激勵(lì)與高壓(220 V)輸出隔離、溫度變化影響、遠(yuǎn)距離有線(xiàn)激勵(lì)、電磁干擾激勵(lì)等參量要素，這些都是確保電力系統(tǒng)自動(dòng)化裝置可靠運(yùn)行必須認(rèn)真考慮的因素。按小型中間繼電器所規(guī)定的激勵(lì)量激勵(lì)是確保它可靠、穩(wěn)定工作的必要條件。3.4觸點(diǎn)輸出(換接電路)參量要素主要是指觸點(diǎn)負(fù)

9、載性質(zhì)，如燈負(fù)載，容性負(fù)載，電機(jī)負(fù)載，電感器、螺線(xiàn)、接觸器(繼電器)線(xiàn)圈、扼流圈負(fù)載，阻性負(fù)載等；觸點(diǎn)負(fù)載量值(開(kāi)路電壓量值、閉路電流量值)，如低電平負(fù)載、干電路負(fù)載、小電流負(fù)載、大電流負(fù)載等。任何自動(dòng)化設(shè)備都必須切實(shí)認(rèn)定實(shí)際所需要的負(fù)載性質(zhì)、負(fù)載量值的大小，選用合適的繼電器產(chǎn)品尤為重要。繼電器的失效或可靠不可靠，主要指觸點(diǎn)能否完成所規(guī)定的切換電路功能。如切換的實(shí)際負(fù)載與所選用繼電器規(guī)定的切換負(fù)載不一致，可靠性將無(wú)從談起。4使用小型中間繼電器應(yīng)注意的特殊問(wèn)題4.1使用出口中間繼電器時(shí)的關(guān)鍵問(wèn)題靜態(tài)繼電保護(hù)裝置運(yùn)行中失效的某型號(hào)繼電器5只，介質(zhì)耐壓試驗(yàn)全部<AC 100 V。經(jīng)無(wú)水乙醇清洗

10、外部玻璃絕緣子，吹干，即有4只達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，另一只絕緣子燒損擊穿，耐壓仍<100 V。分析原因，是引出端外露絕緣子長(zhǎng)期受塵埃、水氣污染，導(dǎo)致抗電水平下降，在換接AC 220 V感性負(fù)載時(shí)的反峰電壓作用下，絕緣擊穿失效。另外，產(chǎn)品絕緣抗電水平僅為AC 500 V，絕緣子外露尺寸(爬電距離)約1.2 mm，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，屬于超標(biāo)選用。由此可見(jiàn)，必須重視的關(guān)鍵問(wèn)題為：(1) 足夠的爬電距離：一般要求3 mm；(2) 足夠的絕緣抗電水平：無(wú)電氣聯(lián)系的導(dǎo)體之間AC 2000 V，同組觸點(diǎn)之間AC 1000 V；(3) 足夠的負(fù)載能力：DC 220 V感性，540 ms，50 W；(4) 長(zhǎng)期耐受氣

11、候應(yīng)力的能力：線(xiàn)圈防霉斷、絕緣抗電水平長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠。4.2關(guān)于密封繼電器與非密封繼電器部分工程技術(shù)人員認(rèn)為非密封產(chǎn)品動(dòng)作狀態(tài)直觀、失效分析方便，而全密封產(chǎn)品動(dòng)作過(guò)程看不見(jiàn)摸不透，主觀認(rèn)定非密封產(chǎn)品比全密封產(chǎn)品更可靠，這種憑直覺(jué)認(rèn)定的觀念無(wú)疑是十分錯(cuò)誤的。非密封繼電器的優(yōu)點(diǎn)是多采用拍合式銜鐵，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造工藝簡(jiǎn)便、安裝維修方便、工作狀態(tài)直觀、便于失效分析、價(jià)格便宜。主要缺點(diǎn)是工作可靠性對(duì)使用環(huán)境(氣候應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力)變化的敏感性強(qiáng)；長(zhǎng)期耐受氣候條件性能隨時(shí)間增長(zhǎng)而易受環(huán)境條件污染、損傷；電接觸穩(wěn)定性、可靠性差；線(xiàn)圈易受潮氣、雜質(zhì)污染產(chǎn)生電腐蝕、霉變等而失效。全密封繼電器優(yōu)點(diǎn)是多采用平衡旋轉(zhuǎn)式銜

12、鐵，全密封結(jié)構(gòu)隔離外部氣候應(yīng)力作用，抗惡劣環(huán)境性能優(yōu)良；觸點(diǎn)電接觸性能穩(wěn)定可靠，線(xiàn)圈抗腐蝕、霉變，長(zhǎng)期可靠性能優(yōu)良。缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造工藝特殊，失效分析困難，本身無(wú)法維修重復(fù)使用，成本、價(jià)格高。因此，從長(zhǎng)期耐氣候應(yīng)力性能、抗惡劣環(huán)境性能與電接觸穩(wěn)定可靠性考慮，全密封繼電器明顯優(yōu)于非密封繼電器。有嚴(yán)格可靠性要求的航天、航空、軍用系列整機(jī)，主要選用金屬罩全密封繼電器產(chǎn)品。鑒于電力系統(tǒng)自動(dòng)化裝置，要求長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠工作的特殊性，理應(yīng)以選用全密封繼電器產(chǎn)品為主。4.3關(guān)于觸點(diǎn)的負(fù)載部分工程技術(shù)人員選用價(jià)格低的通用功率繼電器的觸點(diǎn)去換接弱電信號(hào)負(fù)載電路，從而導(dǎo)致電接觸不可靠。觸點(diǎn)故障是繼電器失效的核心所

13、在，當(dāng)觸點(diǎn)實(shí)際切換的負(fù)載電壓小于起弧電壓，電流小于1 A時(shí)，特別是在中等電流(試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為DC 28 V，0.1 A)、低電平(1030mV，1050 mA)或干電路(指繼電器觸點(diǎn)先閉合，后接通毫伏微安級(jí)負(fù)載)條件下，觸點(diǎn)實(shí)際工作時(shí)的失效機(jī)理、失效方式與實(shí)際切換額定功率負(fù)載全然不同。正是為了滿(mǎn)足不同負(fù)載的不同要求，不同產(chǎn)品在設(shè)計(jì)、制造工藝、檢測(cè)、試驗(yàn)要求也各不相同。因此，用戶(hù)在實(shí)際選用繼電器產(chǎn)品時(shí)，一定不能錯(cuò)誤地認(rèn)為：繼電器的觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)適用于從零到規(guī)定額定值的所有負(fù)載。更不能認(rèn)為通過(guò)觸點(diǎn)的實(shí)際負(fù)載比產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的額定負(fù)載越小越可靠。更直接地說(shuō)，能可靠切換220 V，10 A負(fù)載的觸點(diǎn)，并不一定能

14、可靠地切換10 mA的實(shí)際負(fù)載。更不可用它去換接低電平或干電路負(fù)載!因此，對(duì)中等電流、低電平，干電路負(fù)載建議選用接觸可靠性?xún)?yōu)良的金屬罩全密封產(chǎn)品。4.4關(guān)于電容負(fù)載某用戶(hù)按圖1方式實(shí)際使用某產(chǎn)品的觸點(diǎn)K1-1作為自保持觸點(diǎn)時(shí)，K1-1觸點(diǎn)有時(shí)會(huì)出現(xiàn)粘結(jié)不放故障。圖1電容負(fù)載原因分析：開(kāi)關(guān)Q閉合時(shí)，DC 220 V電源通過(guò)電容器C，在A，B端形成DC 24 V激勵(lì)電源，繼電器K1吸合，K1-1閉合。在實(shí)現(xiàn)DC 220 V供電電源自保的同時(shí)，電容器通過(guò)K1-1短路放電。這一充放電過(guò)程，類(lèi)似于電容儲(chǔ)能點(diǎn)焊過(guò)程。進(jìn)一步分析摸底試驗(yàn)表明：給22 F電容器充足DC 220 V電壓后，再激勵(lì)K1，用K1-1

15、觸點(diǎn)直接短路放電，10次之內(nèi)，純銀觸點(diǎn)即可產(chǎn)生焊接不放現(xiàn)象。從理論上考慮，電容器的放電電流i=-(U/R)e-t/其中，U為電容器兩端電壓；R為放電回路電阻，為時(shí)間常數(shù)；t為放電時(shí)間。由于R約等于觸點(diǎn)的接觸電阻，趨近于零，在開(kāi)始放電瞬間i-U/R-，也就是說(shuō)：電容器所儲(chǔ)存的全部能量，在很短時(shí)間內(nèi)全部通過(guò)觸點(diǎn)泄放，從而直接導(dǎo)致點(diǎn)焊焊接失效。因此，長(zhǎng)的傳輸線(xiàn)、消除電磁干擾的濾波器、電源等都是強(qiáng)容性的。用于此類(lèi)負(fù)載的自動(dòng)開(kāi)關(guān)，不可疏于考慮，草率對(duì)待。如將圖1更改為圖2接線(xiàn)方式，即可克服電容儲(chǔ)能“點(diǎn)焊”失效現(xiàn)象。圖2限流電容負(fù)載4.5關(guān)于串聯(lián)供電激勵(lì)方式不少用戶(hù)采用串聯(lián)分壓供電方式給繼電器線(xiàn)圈施加激勵(lì)

16、量，驅(qū)動(dòng)繼電器動(dòng)作。如圖3所示，這種激勵(lì)方式一般是不可取的。圖3串聯(lián)供電激勵(lì)原因分析：繼電器的吸合時(shí)間主要取決于回路的時(shí)間常數(shù)，且=L/R。當(dāng)串聯(lián)電阻R1給繼電器線(xiàn)圈供電時(shí)，R=R1R2，則有L/R2>L/(R1R2)顯然，串聯(lián)R1后使減小，繼電器的吸合時(shí)間加速。特別是當(dāng)R1R2，電壓很高時(shí)，吸合時(shí)間將大大減少。運(yùn)動(dòng)部件的過(guò)快動(dòng)作，將加大運(yùn)動(dòng)部件接合時(shí)的沖擊、碰撞、反彈，從而增大觸點(diǎn)回跳，加速機(jī)械磨損，降低觸點(diǎn)的負(fù)載能力與機(jī)械壽命。因此，串聯(lián)供電激勵(lì)方式改變了繼電器原設(shè)計(jì)所規(guī)定的正常工作狀態(tài)，一般是不可取的。當(dāng)觸點(diǎn)回跳、機(jī)械磨損對(duì)實(shí)際使用不構(gòu)成利害關(guān)系，且特別需要加快動(dòng)作速度時(shí)，才可以采

17、用提高激勵(lì)電壓或串聯(lián)電阻供電激勵(lì)方式。4.6關(guān)于繼電器線(xiàn)圈串聯(lián)的使用不少電力系統(tǒng)用戶(hù)采用多個(gè)繼電器線(xiàn)圈串聯(lián)后，再用DC 220 V電源去激勵(lì)(如圖4所示)，這種激勵(lì)方式必須謹(jǐn)慎采用。圖4線(xiàn)圈串聯(lián)(1) 對(duì)相同類(lèi)型、相同規(guī)格繼電器產(chǎn)品而言，由于各線(xiàn)圈的阻抗(含直流電阻與瞬時(shí)感抗)大體相同，差值較小，故采用串聯(lián)分壓激勵(lì)方式使用問(wèn)題不大。實(shí)踐證明也是可行的。(2) 對(duì)不同類(lèi)型或不同規(guī)格的繼電器產(chǎn)品言之，由于不同繼電器線(xiàn)圈的阻抗不一致，且差值隨瞬時(shí)感抗的不同而相差很大，故串聯(lián)激勵(lì)瞬間，各繼電器線(xiàn)圈上所分得的激勵(lì)電壓(由瞬時(shí)分壓比決定)差值必然很大，勢(shì)必出現(xiàn)有的繼電器處于過(guò)壓激勵(lì)狀態(tài)，有的則處于欠壓激勵(lì)狀態(tài)，各繼電器觸點(diǎn)的開(kāi)關(guān)時(shí)序與速度將會(huì)發(fā)生本質(zhì)性變化，必然會(huì)出現(xiàn)動(dòng)作先、后，快、慢顛倒，開(kāi)關(guān)不可靠等情況。因此，不同類(lèi)型、不同規(guī)格的繼電器線(xiàn)圈不宜采用串聯(lián)分壓激勵(lì)方式。4.7關(guān)于繼電器線(xiàn)圈并聯(lián)使用在復(fù)雜的控制回路中，采用圖5所示方法將2只(或多只)不同類(lèi)型的繼電器(如接觸器K1、小型靈敏繼電器K2)線(xiàn)圈并聯(lián)使用的情況時(shí)有發(fā)生，在這種情況下，有可能產(chǎn)生K1延遲釋放、觸點(diǎn)斷弧能力下降，K2被反