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。
轧钢论坛失效率λ与平均寿命MCBF的关系为:
河南化肥厂爆炸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 (πE πQ πC πC γC πF )
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 πC γC ——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(
T N 2T3T +)G ×e(S
N S )H 式中:
A ——失效率水平调整系数
N T ——温度常数(K)
G ——温度加速常数
T ——工作环境温度(℃)系统部署方案
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
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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砂轮粒度
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)Nvoip业务
式中
R——并联前单元可靠度
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