电磁继电器的可靠性及应用
高天云
本文作者高天云先生，上海电力试验研究所高级工程师。
关键词：继电器 可靠性 常见故障 维护保养 选用
继电器在热控保护系统中得到了广泛的应用，特别是早期投产的电厂，保护系统大多通过继电器的组合来构成，因此，继电器的可靠性直接影响到整个保护系统的可靠性。在各种各样的继电器中，电磁继电器的使用十分广泛。相对其他继电器来说，电磁继电器的结构比较复杂，它不但有电路、磁路，而且还有可动的精密机械部件，所以，其可靠性相对较低。在设计选用电磁继电器时，必须考虑这一客观因素，根据保护系统的要求，正确选用电磁继电器，确保热控保护回路安全、可靠地工作。
一 电磁继电器的固有可靠性
电磁继电器的固有可靠性是以失效率等级来表示的，而失效率等级是生产厂家和权威单位共同评估的，评估的依据是生产厂家在筛选和使用中采集的数据。表1列出了继电器的失效率等级符号及最大失效率数据。
通常生产厂家手册中给出的是某继电器的寿命，并不是失效率等级。
失效率λ与平均寿命MCBF的关系为:
λ=1/MCBF
而MCBF与失效前的平均无故障工作时间MTBF的关系为：
MTBF= MCBF/每小时动作次数
由此可见，继电器动作速率越高，则MTBF越短。这就是高速动作的继电器工作较短时间后就会失效的主要原因。
电磁继电器的工作时间越长，其可靠性就越低。在可靠性设计中，要尽可能减少品种和规格，提高同类继电器的复用率，有利于提高保护系统的可靠性。但是，在实际应用中，可靠性成本的高低必须与其失效带来的经济损失相平衡。
需要指出的是，那种认为MCBF是指失效的保证周期的概念是十分严重的误解，因为MCBF是由大批业已动作到它们的最小额定寿命的继电器决定的，一般MCBF总是大于继电器在磨损或烧蚀前的最短寿命。
二 电磁继电器的使用可靠性
同其他电子元器件一样，电磁继电器的固有可靠性是靠先进的生产技术、科学的管理和严格的筛选才能达到较高失效率等级的。国内生产的继电器只有少数产品的失效率能达到W级，达到L级的就更少，而达到Q级即宇航用继电器则更是凤毛麟角。但如果能正确选用、使用电磁继电器，它的可靠性水平还是可以有所提高的。
实际上，电磁继电器的平均寿命是在良好的实验室条件下获得的，而产品在使用中，要受到各种环境因素的影响，环境不同，其失效率就不同。
有关文献给出了继电器的工作失效率模型为：
λp=λb(πEπQπCπCγCπF)
式中
λb——基本失效率 πE——环境系数 πQ——质量系数 πC——触点型式系数 πCγC——动作速度系数
πF——应用、结构系数
继电器基本失效率模型为：
λb=Ae(
式中:
A——失效率水平调整系数
NT——温度常数(K)
G——温度加速常数
T——工作环境温度(℃) T+2T3GSH)×e() NTNS
S——工作负载电流与额定阻性负载电流之比
H——电应力加速常数
Ns——电应力常数
以上系数、常数均可在有关文献中查到，并可依此进行可靠性计算。
三 电磁继电器的选用
(1)必须考虑负载的额定值、额定电流的负载类型(阻性、感性、容性)、阻抗范围、接通信号是交流还是直流、频率、单相或多相等。
(2)应根据电子产品完成的任务选择不同的质量等级，表2列出了电子元件的质量等级。当电子产品用于宇航时，必须选用A1级；在飞航导弹上，可选用A2级产品；地面设备可选用B1级产品；一般产品为了降低成本可选用B2级产品。
(3)必须考虑使用环境，例如温度、湿度、振动、潮湿等，还应考虑运输所能承受的机械、振动应力。
(4)必须保证将线路设计成能使触点承受最小的外应力。
四 电磁继电器的应用指南
(1)通常电磁继电器不应用于紧急状态下的通电闭合，而只能用于断电释放。
(2)当通过触点的电流较大时，应选择相应的继电器，而决不允许用两个以上的触点并联的方法来扩大通电电流，因为并联触点的动作会产生不一致，极易引起先合后断情况的出现。
(3)继电器吸合或释放时的触点电弧会引起金属迁移和氧化，使触点表面变得粗糙，进而会引起触点接触不良或释放不开的现象，在高可靠性的电子产品中应有附加消火花电路。
(4)当环境温度升高时，线圈的电阻会增大，线包承受的功率会降低。为使继电器能正常工作，需要增加功率，即适当提高线包电压。
(5)电磁继电器的安装位置和方式应考虑到耐振方向，以减少因振动和冲击引起的触点抖动，触点抖动严重时会使机械结构受到永久性损伤，致使继电器失效。
(6)电磁继电器在使用中还应尽量远离发热器件，因为在温度较高时其可靠性
会降低。
(7)磁场会使电磁继电器产生误动作，因此应尽量远离磁场集中地或磁性元件。
五 电磁继电器的设计
1. 降额设计
从电磁继电器的使用可靠性可知，其使用寿命和使用环境有很大关系。为了提高使用寿命，有必要对电磁继电器进行降额设计。
电磁继电器的降额最主要的是触点通过电流的降额。按有关文献的要求，触点通过的电流应该降额到额定值的0.50、0.75、0.90。生产厂家给出的触点电流额定值均指电阻性负载。当继电器接通的负载是非阻性时，应按负载的性质考虑其转换能力，一般可按表3进行换算。
2. 热设计
高温会使电磁继电器的使用可靠性下降，而且它又是一个发热元件，通常，弱功率继电器本身温升约30℃，中功率在40℃左右，大功率在50℃以上。所以，继电器不能安装在热源比较集中的地方，应与发热元件保持一定的距离，否则，就得提供低热阻通道，如散热器等。电磁继电器还因触点通过的电流大小不同而影响温升程度，为使继电器周围形成自然对流，以保证其有效的热交换，继电器与周围元件的距离应尽量大些。
3. 耐振设计
电磁继电器的簧片均为悬梁系统，其固有频率较低，即在较低频率振动时机械结构就会产生共振，共振带来的危害主要是触点抖动和机械结构松动，这会使触点电压降低或机械结构损坏。点抖动会使继电器触点接通的信号瞬间丢失。可动的衔铁部分会因振动而误动作，进而使触点接触不良或完全断开。周期性的作用力会使结构松动，更严重的会造成脱落，使继电器的结构失效，同时振动也可
以使引出线断裂、脱焊。长时间的振动会改变继电器的机械结构，使其可靠性降低。
在实际使用中，只要合理地进行耐振设计，同样质量等级的继电器其使用可靠性也会大大提高。目前，国产电磁继电器的耐振参数大多是：振动频率为10～2000Hz，加速度为150m/s2。该振动应力为继电器筛选时常温振动为10~20min不出故障的参数。在使用继电器时，应该遵守有关文献的规定，将振动应力降到60%，即振动频率为10~2000Hz，加速度为90m/s2。如果再考虑到温度和产品要经受长时间耐振，还应将振动应力再降到合适的程度。若一般产品达不到设计要求，就应选用更高一级的继电器。
除继电器本身具有的耐振能力外，安装方法对继电器的影响也很大。所以要注意：
(1)触点运动方向和衔铁吸合方向尽量不与整机振动方向一致。
(2)继电器尽量安装在底座或耐振的支架附近，以减轻其受振应力。
(3)使用插座时，应严格检查插座的插拔力，并保持插脚的清洁。
(4)每只继电器的引出线都需通过可焊性试验，严禁使用具有腐蚀性的焊剂。
(5)在焊接电磁继电器的软引线时，要留一适当的过渡长度，尽量避免反复弯曲，使引线受到伤害。焊接引线时，不要温度过高，焊接时间过长。
(6)若继电器的耐振能力达不到设计要求，就应采取减振措施，减振措施是否妥当，应由共振试验决定。
(7)卧式继电器的安装应使各固定螺钉受力均衡，以免继电器受外力影响而降低其耐振能力。
六 电磁继电器的冗余技术
为了提高继电器接触的可靠性，可将两只继电器并联使用，使触点失效率显著降低。例如，在特定的动作时间内，要求继电器的电接触可靠度为90%，但选用的继电器的电接触可靠度只有90%，则可使用两只相同的继电器并联工作。根据冗余单元可靠度公式，并联系统可靠度为：
Rγ=1－(1－R)N
式中
R——并联前单元可靠度
N——并联单元总数
由此可求得两只并联继电器的可靠度为：
Rγ=1－(1－0.9)2=0.99
达到了特定的可靠度要求。
必须指出，采用冗余技术的基本原则是：冗余设计所采用的每个继电器都必须在产品技术性能规定的范围之内工作，才能提高产品的可靠性，决不可利用冗余技术来达到“超产品技术性能使用”的目的。
七 电磁继电器的失效模式和失效机理
常见的失效模式和失效机理如下：
(1)触点接触不良、不通或粘连，这主要是由于簧片性能退化造成的。其他的失效机理还有：
(a)触点偶然通过大的浪涌电流，或持续通过大电流，或中断感性负载时产生电弧等造成触点粘连。
(b)触点表面的精确度不高。当触点的局部通过电流后即会造成触点凹坑或麻点，在这些缺陷点通过更大电流时，因长时间电热作用，触点也会粘连失效。
(c)触点的超行程不够造成触点接触不良。为了保证触点接触良好，减小接触电阻，簧片在电的作用下接触上以后，还要继续前进一段行程，以增加触点的接触压力。继电器在设计时都设计了超行程距离，装配好继电器以后，还要进行超行程测量，只有合格的产品才能出厂。
(d)继电器内部存在污染物。这种污染物可能断断续续地沉积在触点表面上，形成开路状态的非金属或气体污染物，当然也可能形成短路状态的金属粒子。
(e)触点通过的电流太小，在50mA甚至在10mA以下时，触点没有足够能量被击穿，使触点接触不良或认为没接触上。不要错误地认为继电器的触点开关可使用于从0到规定额定值的所有负载，更不要认为触点的实际负载比标准规定的额定负载越小越好。事实上能可靠切换5A负载的触点，并不意味着它能可靠地切换5mA的实际负载。
(f)高温时触点接触不良，是由于线圈温度升高时电阻变大，线圈功率变小，使得触点动作不正常。
(g)继电器内残存的松散微粒(毛刺、焊渣、材料碎屑等)在振动、冲击下会落
入触点间歇或转动支承处，造成严重故障，使继电器动作不灵而失效。
(h)负载过大、接点容量过小或负载性质变化等而引起触点无法分合。
(i)由于各种环境条件不能满足要求而造成触点工作的失误。例如过大应力或长时间的振动、过大或持续的电流通过触点、过高温运行等。
(2)线圈开路造成继电器不工作。线圈开路的主要原因有。
(a)由于厂家焊接工艺不好造成使用时线圈开焊。
(b)由于电气安装时，焊接时间过长或焊接温度过高，使高热传到腔内，造成线圈开焊。
(c)维修时，由于工具碰击，使线圈绝缘损坏或折断。
(d)由于线圈电压接错，使线圈立即烧坏。
八 电磁继电器的检查与调整
除常规检查外，还应进行以下的检查和调整。
1. 机械部分的检查与调整
(1)检查接点桥及螺旋弹簧在轴上的固定螺钉是否拧紧。
(2)检查轴的纵向和横向活动范围，此范围为0.2～0.5mm。
(3)继电器动作后，Z形铁片与上、下磁极间均应保持不小于0.3mm的间隙。
(4)检查继电器的接点是否有烧痕及不清洁情况，接点桥与静接点接触时所相交的角度应为55°~65°，且应在离静角度首段1/3处接触，然后以不大的摩擦力滑行，约在末端1/3处终止。
(5)动接点和静接点接触时应相互吻合，静接点应有1mm的驰度，接点断开时应有3mm以上距离。
(6)电磁铁和永久磁铁与圆盘之间的间隙应上、下均匀，间隙中不应有铁屑、灰砂、焊渣等。
2. 绝缘检查
(1)用1000V摇表检查导电回路对外壳的绝缘电阻及不连接的回路之间的绝缘电阻，其值应大于10MΩ。
(2)单个继电器在新安装时或经过解体检修后，应用1000V或500V摇表测定绝缘电阻。
3. 标度校验
标度校验应按有关规程要求进行，校验结果应满足如下要求：
(1)动作与返回值的测量应重复3次，每次测量的动作值与标度值的差应不大于±6%。
(2)要求返回系数为0.8~0.95。
4. 冲击试验
冲击试验一般在最小标度处进行，以10倍的标度电流值冲击3次，再复查最大和最小标度的动作电流和返回电流与冲击前所测数据比较应基本相同。若相差很大，应进行调整。
5. 动作时限校验
试验时瞬动元件应放在最大位置，数据杆和电流标度放在最小位置，测定1.1、
1.5、2、4、6、8、10倍标度电流值时的继电器动作时间，要求动作时间与整定时间之间的误差不大于±5%，且要求测定各点所绘出的曲线平滑，与铭牌曲线基本相吻合。
据资料介绍，在继电器的所有故障中，因用户使用不当或维护不好而造成的故障约占30%，产品本身质量低劣而造成的故障约占25%。因此，除了确保产品质量外，正确使用、认真维护和定期校验，也是减少故障、保证电磁继电器可靠工作的重要环节。
(全文完)
来源：《世界仪表与自动化》
出版日期：2001年12月