继电器可靠性与选用
时间：2014-03-10 阅读：906
一、引言
小型中间继电器对电力系统自动化装置的现场运行可靠性至关重要。如何恰当选择、合理使用小型中间继电器，如何强化“小型中间继电器”设计、制造、筛选工作，切实提高小型中间继电器固有可靠性，是摆在电力系统自动化装置制造、运行单位及小型中间继电器制造厂商面前的紧迫课题。为此，按照电力系统自动化装置制造单位意见，力求尽可能模拟自动化装置实际运行情况要求，对部分小型中间继电器进行了一系列对比摸底试验研究。
二、系列产品对比摸底试验
1．被试继电器的分组及编号
*组1～6号国产金属罩密封类继电器(型号JHX-1M/A-2Z024，可代表JRX-31M，JZX-29M，JMX-13M)
第二组1～6号进口塑料封装类继电器
第三组1～6号进口塑料封装类继电器
第四组1～6号进口塑料封装类继电器
第五组1～6号进口塑料封装类继电器
2．试验情况与基本结果
全部被试样品进行了外观检查、线圈电阻、功能试验、触点接触电阻、时间试验(①是按额定激励值激励；②是按80%额定激励值激励)、介质耐压、绝缘电阻、线圈温升、高温、低温、高低温循环、稳态湿热、负载能力(AC220V时3A，，8A)共13项对比试验，基本结果介绍如下。
（1）高温对比试验
温度70±2℃，线圈加DC24V激励，保持2h后箱内测试吸合、释放值时：
第五组6号产品动作值为20.5V，大于zui大值19.2V，不合格。
其余样品均合格通过。
（2）稳态湿热对比试验
温度40±2℃，相对湿度(95±3)%，保持96h，箱外测试介质耐压与绝缘电阻试验中：
第五组2号产品样品绝缘电阻<25MΩ，介质耐压击穿，不合格。
其他样品均合格通过。
（3）负载能力对比试验
温度40±2℃，相对湿度(95±3)%，触点切换负载电压AC220V，电流由低到高依次做3A，，8A各1000次切换试验，切换频率为30次/min,试验中：
第四组产品只通过3A，1000次试验，做负载时4号、5号产品触点开路失效，且4号产品外观变形，3号产品耐压试验击穿。8A负载试验未进行。
第五组3A，1000次试验通过，，1000次试验中，1号、2号触点粘死失效且外观变形，4号、5号、6号耐压击穿失效。
其它样品均合格通过。
（4）结论
*、二组被试继电器全部顺利通过13项对比摸底试验，且在时间试验中，按80%额定值激励时的动作、复归时间均在原产品标准所规定的正常值范围之内合格通过；在负载能力试验中，全部通过恶劣环境条件(40±2℃，(95±3)%相对湿度环境)下AC220V的3A，，8A各1000次接通、断开爬高试验。
*组(国产)和第二组(进口)被试继电器性能优良，可推荐为优先选用产品。
三、继电器承受DC220V阻性负载能力试验
鉴于电力系统自动化装置多数选用小型中间继电器触点直接切换DC220V负载。因此，试验认证各种小型中间继电器实际切换DC220V负载的能力，对提高小型中间继电器现场实用可靠性尤为重要。为此，对各类继电器产品统一按下列规范进行一系列对比摸底试验。
1．试验技术要求
环境条件：正常试验室环境条件；
负载性质：阻性；
触点开路电压：DC220V；
触点负载电流：即从0.4A，104次开始做起，如顺利通过，再依次按0.，104次；0.6A，104次；0.7A，104次；……，逐一进行爬高试验，直至失效终止。
2．基本结果
JAG-5舌簧继电器承受DC220V负载的能力zui强。
JHX-1M(含JRX-31M，JZX-29M，JMX-13M)，JHX-2F，JHX-3F与改进后的JZX-39F均可承受DC220V，0.以上的负载，对产品标准所规定的DC220V，50W负载而言，具有超过2倍规定负载的过负载能力。
3．合理选用小型中间继电器
面对纷繁复杂的现代继电器产品，如何合理选择、正确使用，是直接影响整机性能与实用可靠性的至关重要的课题，当然也是整机设计、研制人员密切关注并且必须优先解决的实际问题。
鉴于电力系统自动化装置在运行过程中的特殊性，以及万一发生事故后果特别严重，要做到合理选择，正确使用，就必须充分研究分析整机“相应”的实际使用条件与实际技术参数要求，按照“价值工程原则”，恰如其分地提出入选继电器产品必须达到的技术性能要求。具体说来，大致可按下列要素逐条分析研究，确认所要求的等级以及量值范围。
（1）气候应力作用要素
主要指温度、湿度、大气压力(海拔高度)、沿海大气(盐雾腐蚀)、砂尘污染、化学气氛和电磁干扰等要素。
考虑电力系统自动化装置对全国各地自然环境的普遍适用性，兼顾必须长年累月可靠运行的特殊性，装置关键部位必须选用具有高绝缘、强抗电性能的全密封型(金属罩密封或塑封型，金属罩密封产品优于塑封产品)小型中间继电器产品。因为只有全密封继电器才具有优良的长期耐受恶劣环境性能、良好的电接触稳定、可靠性和稳定的切换负载能力(不受外部气候环境影响)。
（2）机械应力作用要素
主要指振动、冲击、碰撞等应力作用要素。对电力系统自动化装置主要考虑的是抗地震应力作用。为提高抵抗机械应力作用能力，宜选用采用平衡衔铁机构的小型中间继电器，如JHX-1M，JHX-3M，JHX-2F等产品。
（3）激励线圈输入参量要素
主要是指过激励、欠激励、低压激励与高压(220V)输出隔离、温度变化影响、远距离有线激励、电磁干扰激励等参量要素，这些都是确保电力系统自动化装置可靠运行必须认真考虑的因素。按小型中间继电器所规定的激励量激励是确保它可靠、稳定工作的必要条件。
（4）触点输出(换接电路)参量要素
主要是指触点负载性质，如灯负载，容性负载，电机负载，电感器、螺线、接触器(继电器)线圈、扼流圈负载，阻性负载等；触点负载量值(开路电压量值、闭路电流量值)，如低电平负载、干电路负载、小电流负载、大电流负载等。
任何自动化设备都必须切实认定实际所需要的负载性质、负载量值的大小，选用合适的继电器产品尤为重要。继电器的失效或可靠不可靠，主要指触点能否完成所规定的切换电路功能。如切换的实际负载与所选用继电器规定的切换负载不一致，可靠性将无从谈起。
4．使用小型中间继电器应注意的特殊问题
（1）使用出口中间继电器时的关键问题
静态继电保护装置运行中失效的某型号继电器5只，介质耐压试验全部<AC100V。经无水乙醇清洗外部玻璃绝缘子，吹干，即有4只达到标准要求，另一只绝缘子烧损击穿，耐压仍<100V。
分析原因，是引出端外露绝缘子长期受尘埃、水气污染，导致抗电水平下降，在换接AC220V感性负载时的反峰电压作用下，绝缘击穿失效。
另外，产品绝缘抗电水平仅为AC500V，绝缘子外露尺寸(爬电距离)约1.2mm，根据相关标准，属于超标选用。
由此可见，必须重视的关键问题为：
①足够的爬电距离：一般要求≥3mm；
②足够的绝缘抗电水平：无电气的导体之间≥AC2000V，同组触点之间≥AC1000V；
③足够的负载能力：DC220V感性，5～40ms，≥50W；
④长期耐受气候应力的能力：线圈防霉断、绝缘抗电水平长期稳定可靠。
（2）关于密封继电器与非密封继电器
部分工程技术人员认为非密封产品动作状态直观、失效分析方便，而全密封产品动作过程看不见摸不透，主观认定非密封产品比全密封产品更可靠，这种凭直觉认定的观念无疑是十分错误的。
非密封继电器的优点是多采用拍合式衔铁，结构简单、制造工艺简便、安装维修方便、工作状态直观、便于失效分析、价格便宜。主要缺点是工作可靠性对使用环境(气候应力、机械应力)变化的敏感性强；长期耐受气候条件性能随时间增长而易受环境条件污染、损伤；电接触稳定性、可靠性差；线圈易受潮气、杂质污染产生电腐蚀、霉变等而失效。
全密封继电器优点是多采用平衡旋转式衔铁，全密封结构隔离外部气候应力作用，抗恶劣环境性能优良；触点电接触性能稳定可靠，线圈抗腐蚀、霉变，长期可靠性能优良。缺点是结构复杂，制造工艺特殊，失效分析困难，本身无法维修重复使用，成本、价格高。
因此，从长期耐气候应力性能、抗恶劣环境性能与电接触稳定可靠性考虑，全密封继电器明显优于非密封继电器。有严格可靠性要求的航天、航空、军用系列整机，主要选用金属罩全密封继电器产品。鉴于电力系统自动化装置，要求长期稳定可靠工作的特殊性，理应以选用全密封继电器产品为主。
（3）关于触点的负载
部分工程技术人员选用价格低的通用功率继电器的触点去换接弱电信号负载电路，从而导致电接触不可靠。
触点故障是继电器失效的核心所在，当触点实际切换的负载电压小于起弧电压，电流小于1A时，特别是在中等电流(试验标准为DC28V，0.1A)、低电平(10～30mV，10～50mA)或干电路(指继电器触点先闭合，后接通毫伏微安级负载)条件下，触点实际工作时的失效机理、失效方式与实际切换额定功率负载全然不同。正是为了满足不同负载的不同要求，不同产品在设计、制造工艺、检测、试验要求也各不相同。因此，用户在实际选用继电器产品时，一定不能错误地认为：继电器的触点开关适用于从零到规定额定值的所有负载。更不能认为通过触点的实际负载比产品标准所规定的额定负载越小越可靠。更直接地说，能可靠切换220V，10A负载的触点，并不一定能可靠地切换10mA的实际负载。更不可用它去换接低电平或干电路负载!
因此，对中等电流、低电平，干电路负载建议选用接触可靠性优良的金属罩全密封产品。
（4）关于电容负载
某用户按图1方式实际使用某产品的触点K1-1作为自保持触点时，K1-1触点有时会出现粘结不放故障。
原因分析：开关Q闭合时，DC220V电源通过电容器C，在A，B端形成DC24V激励电源，继电器K1吸合，K1-1闭合。在实现DC220V供电电源自保的同时，电容器通过K1-1短路放电。这一充放电过程，类似于电容储能点焊过程。进一步分析摸底试验表明：给22μF电容器充足DC220V电压后，再激励K1，用K1-1触点直接短路放电，10次之内，纯银触点即可产生焊接不放现象。
从理论上考虑，电容器的放电电流
i=-(U/R)e-t/τ
其中，U为电容器两端电压；R为放电回路电阻，τ为时间常数；t为放电时间。
由于R约等于触点的接触电阻，趋近于零，在开始放电瞬间i≈-U/R→-∞，也就是说：电容器所储存的全部能量，在很短时间内全部通过触点泄放，从而直接导致点焊焊接失效。
因此，长的传输线、消除电磁干扰的滤波器、电源等都是强容性的。用于此类负载的自动开关，不可疏于考虑，草率对待。
（5）关于串联供电激励方式
不少用户采用串联分压供电方式给继电器线圈施加激励量，驱动继电器动作。如图3所示，这种激励方式一般是不可取的。
原因分析：继电器的吸合时间主要取决于回路的时间常数τ，且τ=L/R。当串联电阻R1给继电器线圈供电时，R=R1＋R2，则有
L/R2>L/(R1＋R2)
显然，串联R1后使τ减小，继电器的吸合时间加速。特别是当R1》R2，电压很高时，吸合时间将大大减少。运动部件的过快动作，将加大运动部件接合时的冲击、碰撞、反弹，从而增大触点回跳，加速机械磨损，降低触点的负载能力与机械寿命。
因此，串联供电激励方式改变了继电器原设计所规定的正常工作状态，一般是不可取的。
当触点回跳、机械磨损对实际使用不构成利害关系，且特别需要加快动作速度时，才可以采用提高激励电压或串联电阻供电激励方式。
（6）关于继电器线圈串联的使用
不少电力系统用户采用多个继电器线圈串联后，再用DC220V电源去激励(如图4所示)，这种激励方式必须谨慎采用。
(1)对相同类型、相同规格继电器产品而言，由于各线圈的阻抗(含直流电阻与瞬时感抗)大体相同，差值较小，故采用串联分压激励方式使用问题不大。实践证明也是可行的。
(2)对不同类型或不同规格的继电器产品言之，由于不同继电器线圈的阻抗不一致，且差值随瞬时感抗的不同而相差很大，故串联激励瞬间，各继电器线圈上所分得的激励电压(由瞬时分压比决定)差值必然很大，势必出现有的继电器处于过压激励状态，有的则处于欠压激励状态，各继电器触点的开关时序与速度将会发生本质性变化，必然会出现动作先、后，快、慢颠倒，开关不可靠等情况。
因此，不同类型、不同规格的继电器线圈不宜采用串联分压激励方式。
（7）关于继电器线圈并联使用
在复杂的控制回路中，采用图5所示方法将2只(或多只)不同类型的继电器(如接触器K1、小型灵敏继电器K2)线圈并联使用的情况时有发生，在这种情况下，有可能产生K1延迟释放、触点断弧能力下降，K2被反向重复激励、触点误动作等实际问题。
原因分析：在直流控制回路中，K1，K2线圈所贮存的磁能可能相差很大。当开关Q断开后，K1(磁能大)的贮能将通过K2(磁能小)的线圈泄放，产生反向电流。从而导致K1释放时间延长，触点断弧速度迟缓，触点间燃弧时间延长；K2的释放时间短，随后被反向泄放电流所激励，甚至释放后瞬间重复吸合，产生误动作故障。