中間繼電器可靠性與應(yīng)用中問題分析

摘要：闡述了中間繼電器的選型是切實(shí)提高控制系統(tǒng)運(yùn)行可靠性的關(guān)鍵問題。結(jié)合控制系統(tǒng)的工作特性和工作環(huán)境及繼電器產(chǎn)品特性，論述了控制系統(tǒng)中中間繼電器的選型原則，并對(duì)中間繼電器應(yīng)用中的問題作以分析。

關(guān)鍵詞：中間繼電器；可靠性；問題分析



1 概述

隨著我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)過程自動(dòng)化水平的不斷提高，生產(chǎn)工藝對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的工作可靠性提出了更高的要求。其工作的可靠性不僅直接影響生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，而且直接關(guān)系到生產(chǎn)設(shè)備和操作人員的人身安全。在自動(dòng)化控制系統(tǒng)中采用大量的中間繼電器，其工作的可靠性對(duì)控制系統(tǒng)工作的可靠性是至關(guān)重要的。如何恰當(dāng)選擇、合理使用中間繼電器，是控制系統(tǒng)可靠工作的基礎(chǔ)，也是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。切實(shí)提高小型中間繼電器固有可靠性，強(qiáng)化“小型中間繼電器”設(shè)計(jì)、制造、篩選工作，根據(jù)控制系統(tǒng)可靠性要求的原則，力求盡可能模擬各類控制系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況，來開發(fā)和研制新一代中間繼電器產(chǎn)品，是中間繼電器制造廠商面前的緊迫課題。

2 中間繼電器的選型

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，是控制系統(tǒng)開發(fā)、設(shè)計(jì)人員密切關(guān)注并且必須優(yōu)選解決的實(shí)際問題。要做到合理選擇，正確使用，就必須充分研究分析控制系統(tǒng)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。具體說來，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。

2.1 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。考慮控制系統(tǒng)在全國(guó)各地各行業(yè)及自然環(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)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)定、可靠性和切換負(fù)載能力(不受外部氣候環(huán)境影響)。

2.2 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)控制系統(tǒng)主要考慮到抗地震應(yīng)力作用、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。

2.3 激勵(lì)線圈輸入?yún)⒘恳?br />
主要是指過激勵(lì)、欠激勵(lì)、低壓激勵(lì)與高壓輸出隔離、溫度變化影響、遠(yuǎn)距離有線激勵(lì)、電磁干擾激勵(lì)等參量要素，這些都是確?？刂葡到y(tǒng)可靠運(yùn)行必須認(rèn)真考慮的因素。按中間繼電器所規(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。

2.4 觸點(diǎn)輸出(換接電路)參量要素

主要是指觸點(diǎn)負(fù)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、接觸器(繼電器)線圈、扼流圈負(fù)載，阻性負(fù)載等；觸點(diǎn)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。

根據(jù)被繼電器驅(qū)動(dòng)設(shè)備的負(fù)載性質(zhì)、負(fù)載容量選用合適的繼電器，是繼電器可靠工作的基本條件。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)載容量大于所選用繼電器規(guī)定的切換負(fù)載容量，繼電器是不可能可靠工作的。

3 中間繼電器應(yīng)用中問題分析

3.1 絕緣耐壓

非密封或密封繼電器的引出端外露絕緣子長(zhǎng)期受塵埃、水氣污染，導(dǎo)致其絕緣強(qiáng)度下降，在切換交流感性負(fù)載時(shí)的反峰電壓作用下，引起絕緣擊穿失效。針對(duì)繼電器絕緣固有特性，在選型時(shí)必須依據(jù)繼電器的以下技術(shù)特性：

3.1.1 足夠的爬電距離：一般要求≥3mm

3.1.2 足夠的絕緣強(qiáng)度：無電氣聯(lián)系的導(dǎo)體之間≥AC 2000V(工作AC 220V)，同組觸點(diǎn)之間≥AC1000V；

3.1.3 足夠的負(fù)載能力：DC 220V感性，5～40ms，≥50W；

3.1.4 長(zhǎng)期耐受氣候應(yīng)力的能力：線圈防霉斷、絕緣抗電水平長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠。

3.2 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)作過程看不見摸不透，兩者的優(yōu)缺點(diǎn)如下：

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)；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(diǎn)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(diǎn)電接觸性能穩(wěn)定可靠，線圈抗腐蝕、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。針對(duì)可靠性要求高的航天、航空、軍用系列，主要選用金屬罩全密封繼電器產(chǎn)品。鑒于生產(chǎn)過程自動(dòng)化控制系統(tǒng)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。

3.3 關(guān)于觸點(diǎn)的負(fù)載

繼電器觸點(diǎn)故障是繼電器失效的核心所在，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lA時(shí)，特別是中等電流(試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為DC 28V，0.1A)、低電平(10～30mV，10～50mA)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，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(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。例如：能可靠切換220V，10A負(fù)載的觸點(diǎn)，并不一定能可靠地切換10mA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優(yōu)良的金屬罩全密封產(chǎn)品。

3.4 關(guān)于電容負(fù)載

繼電器接點(diǎn)作為切換容性負(fù)載回路的自保接點(diǎn)，易引起接點(diǎn)粘接而不能釋放，其原因是由于電容器的充電過程類似于電容儲(chǔ)能點(diǎn)焊過程。進(jìn)一步分析試驗(yàn)表明：給22μF電容器充足DC 220V電壓后，再激勵(lì)繼電器使其觸點(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=-(UR)e-t/τ

式中 U—為電容器兩端電壓；

R—為放電回路電阻；

τ—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。在開始放電瞬間i≈U/R→∞，也就是說：電容器所儲(chǔ)存的全部能量，在很短時(shí)間內(nèi)全部通過觸點(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、消除電磁干擾的濾波器、電源等都是強(qiáng)容性的。用于此類負(fù)載的繼電器應(yīng)結(jié)合設(shè)備特性選用。

3.5 關(guān)于串聯(lián)供電激勵(lì)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(lì)量，驅(qū)動(dòng)繼電器動(dòng)作。這種激勵(lì)方式一般是不可取的。因繼電器的吸合時(shí)間主要取決于回路的時(shí)間常數(shù)τ，且τ=L/R。當(dāng)串聯(lián)電阻R1給繼電器線圈供電時(shí)，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(shí)間加速。特別是當(dāng)R1>>R2，電壓很高時(shí)，吸合時(shí)間將大大減少。運(yùn)動(dòng)部件的過快動(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)，才可以采用提高激勵(lì)電壓或串聯(lián)電阻供電激勵(lì)方式。

3.6 繼電器線圈串聯(lián)，再用DC 220V電源去激勵(lì)，這種激勵(lì)方必須謹(jǐn)慎采用。

3.6.1 對(duì)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(shí)感抗)大體相同，差值較小，故采用串聯(lián)分壓激勵(lì)方式使用問題不大。實(shí)踐證明也是可行的。

3.6.2 對(duì)不同類型或不同規(guī)格的繼電器產(chǎn)品而言，由于不同繼電器線圈的阻抗不一致，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(lì)方式。

3.7 關(guān)于繼電器線圈并聯(lián)使用

在復(fù)雜的控制回路中，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(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被反向重復(fù)激勵(lì)、觸點(diǎn)誤動(dòng)作等實(shí)際問題。

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(dāng)線圈電源失電后，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(dǎo)致K1釋放時(shí)間延長(zhǎng)，觸點(diǎn)斷弧速度遲緩，觸點(diǎn)間燃弧時(shí)間延長(zhǎng)；K2的釋放時(shí)間短，然后被反向泄放電流所激勵(lì)，甚至釋放后瞬間重復(fù)吸合，產(chǎn)生誤動(dòng)作故障。避免上述因疏于研究而導(dǎo)致的不可靠現(xiàn)象。
關(guān)鍵詞：中間繼電器可靠性