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類別：綜合知識

摘要：　針對如何合理選用小型中間繼電器，切實提高電力自動化裝置現(xiàn)場運行可靠性問題，按電力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系列對比摸底試驗，并根據(jù)試驗情況與結(jié)果，提出實際選用時必須考慮的原則以及幾個典型問題的解決辦法。
關(guān)鍵詞：　小型中間繼電器； 可靠性； 負載能力

一、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。
二、系列產(chǎn)品對比摸底試驗

1．被試繼電器的分組及編號

*組　1～6號　國產(chǎn)　金屬罩密封類繼電器(型號 JHX-1M/A-2Z 024，可代表JRX-31M，JZX-29M，JMX-13M)
第二組　1～6號　進口　塑料封裝類繼電器
第三組　1～6號　進口　塑料封裝類繼電器
第四組　1～6號　進口　塑料封裝類繼電器
第五組　1～6號　進口　塑料封裝類繼電器

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(①是按額定激勵值激勵；②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）高溫對比試驗

溫度70±2 ℃，線圈加DC 24 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zui大值19.2 V，不合格。
其余樣品均合格通過。

（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 MΩ，介質(zhì)耐壓擊穿，不合格。
其他樣品均合格通過。

（3）負載能力對比試驗

溫度40±2 ℃，相對濕度(95±3)%，觸點切換負載電壓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，1 000次試驗，做5 A負載時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。

（4）結(jié)論

*、二組被試繼電器全部順利通過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、復歸時間均在原產(chǎn)品標準所規(guī)定的正常值范圍之內(nèi)合格通過；在負載能力試驗中，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、斷開爬高試驗。

*組(國產(chǎn))和第二組(進口)被試繼電器性能優(yōu)良，可推薦為優(yōu)先選用產(chǎn)品。

三、繼電器承受DC 220 V阻性負載能力試驗

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負載。因此，試驗認證各種小型中間繼電器實際切換DC 220 V負載的能力，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。

1．試驗技術(shù)要求

環(huán)境條件：正常試驗室環(huán)境條件；

負載性質(zhì)：阻性；
觸點開路電壓：DC 220 V；
觸點負載電流：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；……，逐一進行爬高試驗，直至失效終止。

2．基本結(jié)果

JAG-5舌簧繼電器承受DC 220 V負載的能力zui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以上的負載，對產(chǎn)品標準所規(guī)定的DC 220 V，50 W負載而言，具有超過2倍規(guī)定負載的過負載能力。

3．合理選用小型中間繼電器

面對紛繁復雜的現(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，當然也是整機設計、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，以及萬一發(fā)生事故后果特別嚴重，要做到合理選擇，正確使用，就必須充分研究分析整機“相應”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，確認所要求的等級以及量值范圍。

（1）氣候應力作用要素

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、化學氣氛和電磁干擾等要素。
考慮電力系統(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)定的切換負載能力(不受外部氣候環(huán)境影響)。
（2）機械應力作用要素

主要指振動、沖擊、碰撞等應力作用要素。對電力系統(tǒng)自動化裝置主要考慮的是抗地震應力作用。為提高抵抗機械應力作用能力，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）激勵線圈輸入?yún)⒘恳?/p>

主要是指過激勵、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)定工作的必要條件。

（4）觸點輸出(換接電路)參量要素

主要是指觸點負載性質(zhì)，如燈負載，容性負載，電機負載，電感器、螺線、接觸器(繼電器)線圈、扼流圈負載，阻性負載等；觸點負載量值(開路電壓量值、閉路電流量值)，如低電平負載、干電路負載、小電流負載、大電流負載等。
任何自動化設備都必須切實認定實際所需要的負載性質(zhì)、負載量值的大小，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。如切換的實際負載與所選用繼電器規(guī)定的切換負載不一致，可靠性將無從談起。

4．使用小型中間繼電器應注意的特殊問題

（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只達到標準要求，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，導致抗電水平下降，在換接AC 220 V感性負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)標準，屬于超標選用。
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：無電氣的導體之間≥AC 2000 V，同組觸點之間≥AC 1000 V；

③足夠的負載能力：DC 220 V感性，5～40 ms，≥50 W；

④長期耐受氣候應力的能力：線圈防霉斷、絕緣抗電水平長期穩(wěn)定可靠。

（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，主觀認定非密封產(chǎn)品比全密封產(chǎn)品更可靠，這種憑直覺認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(氣候應力、機械應力)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)復雜，制造工藝特殊，失效分析困難，本身無法維修重復使用，成本、價格高。
因此，從長期耐氣候應力性能、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，理應以選用全密封繼電器產(chǎn)品為主。

（3）關(guān)于觸點的負載

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載電路，從而導致電接觸不可靠。

觸點故障是繼電器失效的核心所在，當觸點實際切換的負載電壓小于起弧電壓，電流小于1 A時，特別是在中等電流(試驗標準為DC 28 V，0.1 A)、低電平(10～30　mV，10～50 mA)或干電路(指繼電器觸點先閉合，后接通毫伏微安級負載)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載全然不同。正是為了滿足不同負載的不同要求，不同產(chǎn)品在設計、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)定額定值的所有負載。更不能認為通過觸點的實際負載比產(chǎn)品標準所規(guī)定的額定負載越小越可靠。更直接地說，能可靠切換220 V，10 A負載的觸點，并不一定能可靠地切換10 mA的實際負載。更不可用它去換接低電平或干電路負載!
因此，對中等電流、低電平，干電路負載建議選用接觸可靠性優(yōu)良的金屬罩全密封產(chǎn)品。

（4）關(guān)于電容負載

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 μF電容器充足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/τ
其中，U為電容器兩端電壓；R為放電回路電阻，τ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　限流電容負載

（5）關(guān)于串聯(lián)供電激勵方式

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)τ，且τ=L/R。當串聯(lián)電阻R1給繼電器線圈供電時，R=R1＋R2，則有
L/R2>L/(R1＋R2)
顯然，串聯(lián)R1后使τ減小，繼電器的吸合時間加速。特別是當R1》R2，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計所規(guī)定的正常工作狀態(tài)，一般是不可取的。
當觸點回跳、機械磨損對實際使用不構(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。

（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。

（7）關(guān)于繼電器線圈并聯(lián)使用

在復雜的控制回路中，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)線圈并聯(lián)使用的情況時有發(fā)生，在這種情況下，有可能產(chǎn)生K1延遲釋放、觸點斷弧能力下降，K2被反向重復激勵、觸點誤動作等實際問題。
 
圖5　線圈并聯(lián)

原因分析：在直流控制回路中，K1，K2線圈所貯存的磁能可能相差很大。當開關(guān)Q斷開后，K1(磁能大)的貯能將通過K2(磁能小)的線圈泄放，產(chǎn)生反向電流。從而導致K1釋放時間延長，觸點斷弧速度遲緩，觸點間燃弧時間延長；K2的釋放時間短，隨后被反向泄放電流所激勵，甚至釋放后瞬間重復吸合，產(chǎn)生誤動作故障。

建議改用圖6所示的控制回路，避免上述因疏于研究而導致的不可靠現(xiàn)象。
 
圖6　線圈串聯(lián)激勵開關(guān)后再并聯(lián)