小型中間繼電器可靠性與選用問題的研究

1、小型中間繼電器可靠性與選用問題的研究 2006年12月27日10:40 來源：    0引言 小型中間繼電器對電力系統(tǒng)自動化裝置的現(xiàn)場運行可靠性至關(guān)重要。如何恰當(dāng)選擇、合理使用小型中間繼電器，如何強化“小型中間繼電器”設(shè)計、制造、篩選工作，切實提高小型中間繼電器固有可靠性，是擺在電力系統(tǒng)自動化裝置制造、運行單位及小型中間繼電器制造廠商面前的緊迫課題。為此，按照電力系統(tǒng)自動化裝置制造單位意見，力求盡可能模擬自動化裝置實際運行情況要求，對部分小型中間繼電器進行了一系列對比摸底試驗研究。 1系列產(chǎn)品對比摸底試驗 1.1被試?yán)^電器的分組及編號 第一組16號國產(chǎn)金

2、屬罩密封類繼電器(型號 JHX-1M/A-2Z 024，可代表JRX-31M，JZX-29M，JMX-13M)第二組16號進口塑料封裝類繼電器第三組16號進口塑料封裝類繼電器第四組16號進口塑料封裝類繼電器第五組16號進口塑料封裝類繼電器1.2試驗情況與基本結(jié)果全部被試樣品進行了外觀檢查、線圈電阻、功能試驗、觸點接觸電阻、時間試驗(是按額定激勵值激勵；是按80%額定激勵值激勵)、介質(zhì)耐壓、絕緣電阻、線圈溫升、高溫、低溫、高低溫循環(huán)、穩(wěn)態(tài)濕熱、負(fù)載能力(AC 220 V時3 A，5 A，8 A)共13項對比試驗，基本結(jié)果介紹如下。1.2.1高溫對比試驗溫度70±2 ，線圈加DC 24

3、V激勵，保持2 h后箱內(nèi)測試吸合、釋放值時：第五組6號產(chǎn)品動作值為20.5 V，大于最大值19.2 V，不合格。其余樣品均合格通過。1.2.2穩(wěn)態(tài)濕熱對比試驗溫度40±2 ，相對濕度(95±3)%，保持96 h，箱外測試介質(zhì)耐壓與絕緣電阻試驗中：第五組2號產(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。1.2.3負(fù)載能力對比試驗溫度40±2 ，相對濕度(95±3)%，觸點切換負(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，切換頻率為30次/min,試驗中：第四組產(chǎn)品只通過3 A，1 0

4、00次試驗，做5 A負(fù)載時4號、5號產(chǎn)品觸點開路失效，且4號產(chǎn)品外觀變形，3號產(chǎn)品耐壓試驗擊穿。8 A負(fù)載試驗未進行。第五組3A，1 000次試驗通過，5 A，1 000次試驗中，1號、2號觸點粘死失效且外觀變形，4號、5號、6號耐壓擊穿失效。其它樣品均合格通過。1.2.4結(jié)論第一、二組被試?yán)^電器全部順利通過13項對比摸底試驗，且在時間試驗中，按80%額定值激勵時的動作、復(fù)歸時間均在原產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的正常值范圍之內(nèi)合格通過；在負(fù)載能力試驗中，全部通過惡劣環(huán)境條件(40±2 ，(95±3)%相對濕度環(huán)境)下AC 220 V的3 A，5 A，8 A各1 000次接通、斷開爬高試

5、驗。第一組(國產(chǎn))和第二組(進口)被試?yán)^電器性能優(yōu)良，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 鑒于電力系統(tǒng)自動化裝置多數(shù)選用小型中間繼電器觸點直接切換DC 220 V負(fù)載。因此，試驗認(rèn)證各種小型中間繼電器實際切換DC 220 V負(fù)載的能力，對提高小型中間繼電器現(xiàn)場實用可靠性尤為重要。為此，對各類繼電器產(chǎn)品統(tǒng)一按下列規(guī)范進行一系列對比摸底試驗。2.1試驗技術(shù)要求環(huán)境條件：正常試驗室環(huán)境條件；負(fù)載性質(zhì)：阻性；觸點開路電壓：DC 220 V；觸點負(fù)載電流：即從0.4 A，104次開始做起，如順利通過，再依次按0.5 A，104次；0.6 A，104次；0.7 A，104次

6、；，逐一進行爬高試驗，直至失效終止。2.2基本結(jié)果 JAG-5舌簧繼電器承受DC 220 V負(fù)載的能力最強。JHX-1M(含JRX-31M，JZX-29M，JMX-13M)，JHX-2F，JHX-3F與改進后的JZX-39F均可承受DC 220 V，0.5 A以上的負(fù)載，對產(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2倍規(guī)定負(fù)載的過負(fù)載能力。3合理選用小型中間繼電器面對紛繁復(fù)雜的現(xiàn)代繼電器產(chǎn)品，如何合理選擇、正確使用，是直接影響整機性能與實用可靠性的至關(guān)重要的課題，當(dāng)然也是整機設(shè)計、研制人員密切關(guān)注并且必須優(yōu)先解決的實際問題。鑒于電力系統(tǒng)自動化裝置在運行過程中的特殊性，以及萬一

7、發(fā)生事故后果特別嚴(yán)重，要做到合理選擇，正確使用，就必須充分研究分析整機“相應(yīng)”的實際使用條件與實際技術(shù)參數(shù)要求，按照“價值工程原則”，恰如其分地提出入選繼電器產(chǎn)品必須達到的技術(shù)性能要求。具體說來，大致可按下列要素逐條分析研究，確認(rèn)所要求的等級以及量值范圍。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)自動化裝置對全國各地自然環(huán)境的普遍適用性，兼顧必須長年累月可靠運行的特殊性，裝置關(guān)鍵部位必須選用具有高絕緣、強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。因為只有全密封

8、繼電器才具有優(yōu)良的長期耐受惡劣環(huán)境性能、良好的電接觸穩(wěn)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機械應(yīng)力作用要素主要指振動、沖擊、碰撞等應(yīng)力作用要素。對電力系統(tǒng)自動化裝置主要考慮的是抗地震應(yīng)力作用。為提高抵抗機械應(yīng)力作用能力，宜選用采用平衡銜鐵機構(gòu)的小型中間繼電器，如JHX-1M， JHX-3M，JHX-2F等產(chǎn)品。3.3激勵線圈輸入?yún)⒘恳刂饕侵高^激勵、欠激勵、低壓激勵與高壓(220 V)輸出隔離、溫度變化影響、遠距離有線激勵、電磁干擾激勵等參量要素，這些都是確保電力系統(tǒng)自動化裝置可靠運行必須認(rèn)真考慮的因素。按小型中間繼電器所規(guī)定的激勵量激勵是確保它可靠、穩(wěn)定工作的必要

9、條件。3.4觸點輸出(換接電路)參量要素主要是指觸點負(fù)載性質(zhì)，如燈負(fù)載，容性負(fù)載，電機負(fù)載，電感器、螺線、接觸器(繼電器)線圈、扼流圈負(fù)載，阻性負(fù)載等；觸點負(fù)載量值(開路電壓量值、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。任何自動化設(shè)備都必須切實認(rèn)定實際所需要的負(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，主要指觸點能否完成所規(guī)定的切換電路功能。如切換的實際負(fù)載與所選用繼電器規(guī)定的切換負(fù)載不一致，可靠性將無從談起。4使用小型中間繼電器應(yīng)注意的特殊問題4.1使用出口中間繼電器時的關(guān)鍵問題靜態(tài)繼電保護裝置運行中失效的某型號繼電器5只，介

10、質(zhì)耐壓試驗全部<AC 100 V。經(jīng)無水乙醇清洗外部玻璃絕緣子，吹干，即有4只達到標(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，必須重視的關(guān)鍵問題為：(1) 足夠的爬電距離：一般要求3 mm；(2) 足夠的絕緣抗電水平：無電氣聯(lián)系的導(dǎo)體之間AC 2000 V，同組觸點之間AC 1000 V；(3) 足夠的負(fù)載能力：DC 22

11、0 V感性，540 ms，50 W；(4) 長期耐受氣候應(yīng)力的能力：線圈防霉斷、絕緣抗電水平長期穩(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)品動作狀態(tài)直觀、失效分析方便，而全密封產(chǎn)品動作過程看不見摸不透，主觀認(rèn)定非密封產(chǎn)品比全密封產(chǎn)品更可靠，這種憑直覺認(rèn)定的觀念無疑是十分錯誤的。非密封繼電器的優(yōu)點是多采用拍合式銜鐵，結(jié)構(gòu)簡單、制造工藝簡便、安裝維修方便、工作狀態(tài)直觀、便于失效分析、價格便宜。主要缺點是工作可靠性對使用環(huán)境(氣候應(yīng)力、機械應(yīng)力)變化的敏感性強；長期耐受氣候條件性能隨時間增長而易受環(huán)境條件污染、損傷；電接觸穩(wěn)定性、可靠性差；線圈易受潮氣、雜質(zhì)污染產(chǎn)生電腐

12、蝕、霉變等而失效。全密封繼電器優(yōu)點是多采用平衡旋轉(zhuǎn)式銜鐵，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；觸點電接觸性能穩(wěn)定可靠，線圈抗腐蝕、霉變，長期可靠性能優(yōu)良。缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造工藝特殊，失效分析困難，本身無法維修重復(fù)使用，成本、價格高。因此，從長期耐氣候應(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，主要選用金屬罩全密封繼電器產(chǎn)品。鑒于電力系統(tǒng)自動化裝置，要求長期穩(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)于觸點的負(fù)載部分工程技術(shù)人員選用價格低的通用功率繼電器的觸點去換接弱電信號負(fù)載電

13、路，從而導(dǎo)致電接觸不可靠。觸點故障是繼電器失效的核心所在，當(dāng)觸點實際切換的負(fù)載電壓小于起弧電壓，電流小于1 A時，特別是在中等電流(試驗標(biāo)準(zhǔn)為DC 28 V，0.1 A)、低電平(1030mV，1050 mA)或干電路(指繼電器觸點先閉合，后接通毫伏微安級負(fù)載)條件下，觸點實際工作時的失效機理、失效方式與實際切換額定功率負(fù)載全然不同。正是為了滿足不同負(fù)載的不同要求，不同產(chǎn)品在設(shè)計、制造工藝、檢測、試驗要求也各不相同。因此，用戶在實際選用繼電器產(chǎn)品時，一定不能錯誤地認(rèn)為：繼電器的觸點開關(guān)適用于從零到規(guī)定額定值的所有負(fù)載。更不能認(rèn)為通過觸點的實際負(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

14、，能可靠切換220 V，10 A負(fù)載的觸點，并不一定能可靠地切換10 mA的實際負(fù)載。更不可用它去換接低電平或干電路負(fù)載!因此，對中等電流、低電平，干電路負(fù)載建議選用接觸可靠性優(yōu)良的金屬罩全密封產(chǎn)品。4.4關(guān)于電容負(fù)載某用戶按圖1方式實際使用某產(chǎn)品的觸點K1-1作為自保持觸點時，K1-1觸點有時會出現(xiàn)粘結(jié)不放故障。圖1電容負(fù)載原因分析：開關(guān)Q閉合時，DC 220 V電源通過電容器C，在A，B端形成DC 24 V激勵電源，繼電器K1吸合，K1-1閉合。在實現(xiàn)DC 220 V供電電源自保的同時，電容器通過K1-1短路放電。這一充放電過程，類似于電容儲能點焊過程。進一步分析摸底試驗表明：給22 F電

15、容器充足DC 220 V電壓后，再激勵K1，用K1-1觸點直接短路放電，10次之內(nèi)，純銀觸點即可產(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，為時間常數(shù)；t為放電時間。由于R約等于觸點的接觸電阻，趨近于零，在開始放電瞬間i-U/R-，也就是說：電容器所儲存的全部能量，在很短時間內(nèi)全部通過觸點泄放，從而直接導(dǎo)致點焊焊接失效。因此，長的傳輸線、消除電磁干擾的濾波器、電源等都是強容性的。用于此類負(fù)載的自動開關(guān)，不可疏于考慮，草率對待。如將圖1更改為圖2接線方式，即可克服電容儲能“點焊”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

16、勵方式不少用戶采用串聯(lián)分壓供電方式給繼電器線圈施加激勵量，驅(qū)動繼電器動作。如圖3所示，這種激勵方式一般是不可取的。圖3串聯(lián)供電激勵原因分析：繼電器的吸合時間主要取決于回路的時間常數(shù)，且=L/R。當(dāng)串聯(lián)電阻R1給繼電器線圈供電時，R=R1R2，則有L/R2>L/(R1R2)顯然，串聯(lián)R1后使減小，繼電器的吸合時間加速。特別是當(dāng)R1R2，電壓很高時，吸合時間將大大減少。運動部件的過快動作，將加大運動部件接合時的沖擊、碰撞、反彈，從而增大觸點回跳，加速機械磨損，降低觸點的負(fù)載能力與機械壽命。因此，串聯(lián)供電激勵方式改變了繼電器原設(shè)計所規(guī)定的正常工作狀態(tài)，一般是不可取的。當(dāng)觸點回跳、機械磨損對實際

17、使用不構(gòu)成利害關(guān)系，且特別需要加快動作速度時，才可以采用提高激勵電壓或串聯(lián)電阻供電激勵方式。4.6關(guān)于繼電器線圈串聯(lián)的使用不少電力系統(tǒng)用戶采用多個繼電器線圈串聯(lián)后，再用DC 220 V電源去激勵(如圖4所示)，這種激勵方式必須謹(jǐn)慎采用。圖4線圈串聯(lián)(1) 對相同類型、相同規(guī)格繼電器產(chǎn)品而言，由于各線圈的阻抗(含直流電阻與瞬時感抗)大體相同，差值較小，故采用串聯(lián)分壓激勵方式使用問題不大。實踐證明也是可行的。(2) 對不同類型或不同規(guī)格的繼電器產(chǎn)品言之，由于不同繼電器線圈的阻抗不一致，且差值隨瞬時感抗的不同而相差很大，故串聯(lián)激勵瞬間，各繼電器線圈上所分得的激勵電壓(由瞬時分壓比決定)差值必然很大，勢必出現(xiàn)有的繼電器處于過壓激勵狀態(tài)，有的則處于欠壓激勵狀態(tài)，各繼電器觸點的開關(guān)時序與速度將會發(fā)生本質(zhì)性變化，必然會出現(xiàn)動作先、后，快、慢顛倒，開關(guān)不可靠等情況。因此，不同類型、不同規(guī)格的繼電器線圈不宜采用串聯(lián)分壓激勵方式。4.7關(guān)于繼電器線圈并聯(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)不同類型的繼電器(如接觸器K1、小型靈敏繼電器K2)線圈