大亞灣核電站中壓配電盤中間和出口繼電器加速老化原因分析和管理對策

張 圣，陳世均，江 虹，馬沂藎

（蘇州熱工研究院有限公司電站運(yùn)行技術(shù)研究中心，廣東 深圳518120）

大亞灣核電站6.6kV（中壓）配電盤的中間和出口繼電器已運(yùn)行十幾年，其中相當(dāng)數(shù)量的繼電器存在老化現(xiàn)象，甚至庫存的繼電器備件也出現(xiàn)加速老化現(xiàn)象，造成繼電器可靠性下降或不可用。中壓配電盤中間及出口繼電器對電氣線路和設(shè)備起著控制和保護(hù)作用，繼電器拒動(dòng)或誤動(dòng)會(huì)導(dǎo)致不能及時(shí)切除故障點(diǎn)，造成故障范圍擴(kuò)大。輕者對設(shè)備和系統(tǒng)造成安全降級危害，重者直接導(dǎo)致機(jī)組跳機(jī)、跳堆。本文對繼電器加速老化失效的因素和機(jī)理進(jìn)行了分析，對大亞灣核電站中壓配電盤的中間和出口繼電器的老化管理和剩余壽命進(jìn)行了評估，最后提出了延緩和控制繼電器老化的管理流程和建議。

1 老化數(shù)據(jù)采集

大亞灣核電站中壓配電盤（LGA／B／C／D／E、9LGIA／B、LHA／B）使用的繼電器有3種型號：TEC1783 125VDC、TEC1804 125VDC 和TEC1804 48VDC，數(shù)量共約1 080個(gè)。其中用于故障監(jiān)測的長期勵(lì)磁繼電器001XK的型號為TEC 1804 125VDC；遠(yuǎn)方啟停信號繼電器001XR／002XR的型號為 TEC 1804 48VDC；其他基本上都采用了125VDC的繼電器。

1.1 事件單統(tǒng)計(jì)分析

篩選大亞灣核電站1994年機(jī)組投運(yùn)至2010年6月中壓配電盤系統(tǒng)相關(guān)的24h事件單。結(jié)果表明：涉及中壓配電盤中間和出口繼電器老化相關(guān)問題的事件單共有30條，繼電器主要故障失效模式為接點(diǎn)接觸不良和接觸電阻偏大。

1.2 維修記錄統(tǒng)計(jì)分析

從大亞灣和嶺澳核電站最近6次大修所涉及到的900多個(gè)繼電器中共有104個(gè)失效，其中大亞灣核電站65個(gè)，嶺澳核電站39個(gè)。

根據(jù)維修程序要求，凡是接觸電阻小于1Ω或5Ω的繼電器視為不合格。大亞灣核電站1、2號機(jī)組第12次大修（D112、D212）之前程序定的維修標(biāo)準(zhǔn)為1Ω，之后修改為5Ω。

目前處理繼電器觸點(diǎn)接觸電阻過大的方法有2種：①9V干電池電擊觸點(diǎn)；②打磨清洗觸點(diǎn)。經(jīng)過處理后，若測試結(jié)果仍未達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)將更換該繼電器。

104個(gè)失效繼電器的處理統(tǒng)計(jì)見圖1。由統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，繼電器失效概率為11.7%，其中被更換的繼電器占7.2%，處理合格后使用的繼電器占4.5%。

圖1 繼電器的失效處理結(jié)果統(tǒng)計(jì)Fig.1 Statistics for relay failure management results

1.3 外部經(jīng)驗(yàn)反饋

法國電力公司（EDF）及美國電力科學(xué)研究院（EPRI）電廠同型號的繼電器也出現(xiàn)過加速老化失效現(xiàn)象。例如，2003年3月17日，法國SAINT ALBAN電廠1號機(jī)組在檢修過程中，發(fā)現(xiàn)LNG／LNH 逆變器的數(shù)個(gè)TEC1804N 125VDC繼電器的接點(diǎn)電阻過大。主逆變器LNH001DL停運(yùn)時(shí)，逆變器LNH003DL自動(dòng)切換為主逆變器，而正常情況下應(yīng)該是LNH 002DL成為主逆變器。由此可見，如果逆變器LNH002DL作為主逆變器停運(yùn)，會(huì)導(dǎo)致3個(gè)逆變器都失電，其結(jié)果會(huì)導(dǎo)致B列儀控設(shè)備失電，后果相當(dāng)嚴(yán)重。事件調(diào)查結(jié)果認(rèn)定是繼電器加速老化問題，增加了預(yù)防性維修大綱。

其他外部經(jīng)驗(yàn)反饋的繼電器老化事件見表1。

表1 外部經(jīng)驗(yàn)反饋的相關(guān)事件Table1 Events related to external experience feedback

續(xù)表

2 加速老化因素

中壓配電盤中間和出口繼電器的老化主要表現(xiàn)為接觸電阻升高、觸點(diǎn)接觸不良及動(dòng)作失靈等。根據(jù)現(xiàn)場和內(nèi)、外部經(jīng)驗(yàn)反饋分析，主要是繼電器的運(yùn)行環(huán)境影響所致。這些環(huán)境因素包括濕度和溫度等，如圖2所示。

根據(jù)國外的繼電器老化研究成果以及現(xiàn)場數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析得出結(jié)論，影響非密封型繼電器可靠性的環(huán)境因素主要是濕度[1］。大亞灣、嶺澳核電站處于海洋腐蝕性大氣環(huán)境中，較高的濕度使繼電器觸點(diǎn)氧化腐蝕，甚至影響到線圈的絕緣性能。

圖2 繼電器失效涉及的環(huán)境因素Fig.2 Environment factors associated with relay failure

3 老化機(jī)理分析

影響繼電器觸點(diǎn)閉合的因素（包括觸點(diǎn)結(jié)構(gòu)、質(zhì)量、材料、表面狀況及閉合速度等）非常復(fù)雜，根據(jù)現(xiàn)場資料和內(nèi)、外部經(jīng)驗(yàn)反饋，繼電器主要的老化失效機(jī)理如下：

3.1 氧化腐蝕

3.1.1 濕度影響

大亞灣核電站配電盤電氣廠房雖然配備空調(diào)等設(shè)施，但全年的平均濕度仍高達(dá)50%～60%，每年3、4月份返潮期的濕度更加嚴(yán)重。

由于濕度的原因，配電盤電氣廠房空氣中大量的水蒸氣在繼電器觸點(diǎn)電弧的高溫下會(huì)分解釋放出氫和氧，氧元素的存在會(huì)促進(jìn)觸頭金屬表面膜的形成，造成觸點(diǎn)表面融蝕、凹凸不平、電接觸不良、接觸面積減少、接觸電阻增加及電流密度劇增等，最終導(dǎo)致繼電器加速老化失效。

另外，水蒸氣附著在觸點(diǎn)表面會(huì)形成一層水膜，并在觸點(diǎn)表面的微孔中形成微小溶池，加強(qiáng)觸點(diǎn)表面的電化學(xué)反應(yīng)，從而加劇觸點(diǎn)侵蝕。

3.1.2 溫度影響

繼電器運(yùn)行環(huán)境溫度是指控制柜內(nèi)繼電器附近的溫度。由于繼電器工作時(shí)不僅線圈會(huì)發(fā)熱，同時(shí)觸點(diǎn)斷開或閉合時(shí)產(chǎn)生的電弧也會(huì)發(fā)熱，其熱量與工作時(shí)間長短有關(guān)，難以測量和計(jì)算；同時(shí)，周圍其他設(shè)備的發(fā)熱也使控制柜內(nèi)的溫度上升，此時(shí)繼電器運(yùn)行環(huán)境溫度升高并可能超出繼電器適宜的工作溫度范圍。根據(jù)廠家建議，繼電器適宜的運(yùn)行溫度在20～30℃之間。當(dāng)周圍環(huán)境溫度在30℃以上升高10℃時(shí)，電子元件產(chǎn)品壽命會(huì)減少一半；當(dāng)周圍環(huán)境溫度在30℃以上升高20℃時(shí)，產(chǎn)品壽命就會(huì)減少到原壽命的1／4[2］。

繼電器運(yùn)行環(huán)境溫度超上限會(huì)加速觸點(diǎn)的氧化及表面膜電阻的形成，引起接觸電阻增大或觸點(diǎn)時(shí)斷時(shí)通。同時(shí)，高溫使觸點(diǎn)焊弧困難、腐蝕加劇以及容易產(chǎn)生粘結(jié)故障。

3.2 機(jī)械磨損

繼電器吸合或釋放時(shí)的觸點(diǎn)電弧會(huì)引起金屬遷移和氧化，使觸點(diǎn)表面磨損，進(jìn)而引起觸點(diǎn)接觸不良或釋放不開。觸點(diǎn)磨損還會(huì)導(dǎo)致彈跳時(shí)間的變長，出現(xiàn)多次長彈跳的觸點(diǎn)易失效。觸點(diǎn)彈跳會(huì)使其表面晶粒疲勞、松動(dòng)甚至脫落，從而加速機(jī)械磨損。

3.3 電磨損

繼電器工作時(shí)產(chǎn)生的電弧溫度可以達(dá)到金屬材料的熔點(diǎn)，使觸點(diǎn)金屬由固態(tài)經(jīng)液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)。氣態(tài)金屬因蒸發(fā)而擴(kuò)散，液態(tài)金屬因接觸、碰撞、擠壓而不斷地四處飛濺，使觸點(diǎn)原先的形狀不斷地發(fā)生改變，且厚度減薄。如果遇到惡性負(fù)載時(shí)繼電器觸點(diǎn)電弧放電時(shí)間更長，電磨損更嚴(yán)重。

3.4 有機(jī)氣體腐蝕

繼電器周圍介質(zhì)（包括大氣）中產(chǎn)生和釋放的硫、堿等腐蝕性氣體或蒸汽使觸點(diǎn)表面產(chǎn)生有害氣體絕緣膜；由于線圈發(fā)熱，繼電器工作時(shí)多種有機(jī)材料的蒸發(fā)，也會(huì)使其內(nèi)部有機(jī)氣體的濃度增大。有機(jī)氣體會(huì)加速觸點(diǎn)的腐蝕效應(yīng)，導(dǎo)致觸點(diǎn)的接觸電阻增大或時(shí)斷時(shí)通，造成繼電器失效。

3.5 絕緣老化

因濕度、電場、溫度、機(jī)械力及周圍環(huán)境等因素的長期作用，繼電器線圈絕緣在運(yùn)行過程中質(zhì)量逐漸下降、結(jié)構(gòu)逐漸損壞。繼電器線圈絕緣老化最終會(huì)導(dǎo)致繼電器失效，其速度與絕緣體的結(jié)構(gòu)、材料、制造工藝、運(yùn)行環(huán)境、所受電壓和負(fù)荷情況等有密切關(guān)系。

廠房環(huán)境的濕度對絕緣材料耐受表面放電的性能有很大影響。如果水分侵入絕緣內(nèi)部，將會(huì)造成絕緣電損耗增加或擊穿電壓下降。

3.6 電磁干擾

電磁繼電器依靠磁力進(jìn)行動(dòng)作。當(dāng)控制柜內(nèi)繼電器與磁干擾源之間的距離不足時(shí)，可能會(huì)使線圈磁場受到干擾，從而影響電磁繼電器動(dòng)作的可靠性。由于繼電器的抗干擾能力有限，所以控制柜中多只繼電器并排安裝時(shí)應(yīng)適當(dāng)加大其間隔。

4 老化管理與剩余壽命評估

4.1 老化管理評估

從現(xiàn)場情況反饋看，繼電器加速老化的主要現(xiàn)象是觸點(diǎn)接觸電阻過高或接觸不良。導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因錯(cuò)綜復(fù)雜。目前大亞灣核電站對中壓配電盤中間和出口繼電器老化的管理辦法和維修策略主要有4年一次的定期校驗(yàn)、檢查和9個(gè)換料周期的定期更換等。從效果看，目前的管理辦法基本能夠有效減少繼電器故障帶來的風(fēng)險(xiǎn)，但實(shí)際的繼電器更換周期和管理辦法規(guī)定的更換周期還是有一定的差別。

4.2 剩余壽命評估

對繼電器的剩余壽命進(jìn)行評估，可以為設(shè)備的安全使用和經(jīng)濟(jì)效益之間的最佳平衡提供科學(xué)依據(jù)。繼電器剩余壽命評估的方法主要有現(xiàn)場數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)法和加速壽命試驗(yàn)（ALT）法[3］。前者通過對產(chǎn)品在實(shí)際工作期間的失效樣本進(jìn)行模型回歸，評估其剩余壽命。然而由于產(chǎn)品的可靠性越來越高，現(xiàn)場失效數(shù)據(jù)越來越少，使用該方法已經(jīng)越來越困難。后者由于可以在較短時(shí)間內(nèi)獲得較多的失效數(shù)據(jù)，正成為近年來壽命評估領(lǐng)域研究應(yīng)用的熱點(diǎn)，并取得了很好的效果。

電磁繼電器的平均壽命是在良好的實(shí)驗(yàn)室條件下獲得的，而繼電器在實(shí)際使用中將受到各種環(huán)境因素的影響。在有限的實(shí)驗(yàn)室條件下，可以通過構(gòu)建繼電器工作失效模型來評估其剩余壽命。

繼電器工作失效率模型為[4］：

式中：λρ為失效率；λb為基本失效率；ΠE為環(huán)境系數(shù)；ΠQ為質(zhì)量系數(shù)；ΠC為觸點(diǎn)型式系數(shù)；ΠCyC為動(dòng)作速度系數(shù)；ΠF為應(yīng)用、結(jié)構(gòu)系數(shù)。

繼電器基本失效模型為：

式中：A為失效率水平調(diào)整系數(shù)；NT為溫度常數(shù)，K；G為溫度加速常數(shù)；T為工作環(huán)境溫度，℃；S為工作負(fù)載電流與額定阻性負(fù)載電流之比；H為電應(yīng)力加速常數(shù)；NS為電應(yīng)力常數(shù)。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，結(jié)合繼電器壽命模型（圖3）可評估繼電器的剩余壽命。

圖3 繼電器壽命模型圖Fig.3 Relay life model

圖3中平均無故障時(shí)間（MTBF）值按廠家和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)后建議應(yīng)該在15a左右。但考慮到實(shí)際運(yùn)行環(huán)境因子的影響，通過繼電器工作失效率模型計(jì)算、環(huán)境濕度因子及繼電器壽命趨勢分析，得出一個(gè)相對保守的最優(yōu)值，大約為13.2a。該值可作為繼電器壽命老化管理周期的一個(gè)重要參考值，以提高繼電器使用的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。

5 對策與建議

5.1 老化管理流程

根據(jù)上述分析和國內(nèi)外核電廠繼電器老化管理的經(jīng)驗(yàn)，本文提出以下繼電器老化管理流程（見圖4）：

圖4 繼電器老化管理流程Fig.4 Relay aging management process

（1）通過3級清單來篩選、識別可能導(dǎo)致跳機(jī)、跳堆或因維修需強(qiáng)迫停機(jī)、降負(fù)荷的繼電器，并建立繼電器清單。對清單中的繼電器逐一分析，例如進(jìn)行電路原理分析；確認(rèn)敏感繼電器在電路中的作用，并將敏感繼電器的清單錄入老化數(shù)據(jù)庫。

（2）根據(jù)已建立的繼電器電子元器件清單，并結(jié)合國內(nèi)外的經(jīng)驗(yàn)反饋，有針對性地開展繼電器的老化機(jī)理分析工作。

（3）根據(jù)關(guān)鍵敏感繼電器的老化機(jī)理分析結(jié)論，可以初步給出繼電器失效的時(shí)間，根據(jù)這個(gè)時(shí)間來制定老化管理的周期。

（4）在繼電器運(yùn)行一定年限后，從大修定期檢驗(yàn)中收集清單中異常繼電器的數(shù)據(jù)，并記錄在相應(yīng)的老化數(shù)據(jù)庫。對于快到壽期的繼電器，需要提前2～3μa進(jìn)行抽檢，通過對其電子元器件進(jìn)行加速老化試驗(yàn)來評價(jià)繼電器的剩余壽命。

（5）根據(jù)繼電器老化分析結(jié)果和預(yù)定的周期，制定具體的老化處理措施。

5.2 建議

根據(jù)目前大亞灣核電站對中壓配電盤中間和出口繼電器老化管理的方法、策略及存在的問題，本文提出以下建議：

（1）對繼電器進(jìn)行分類管理。對跳閘和信號繼電器分別進(jìn)行管理，對跳閘繼電器進(jìn)行重點(diǎn)跟蹤檢查；建議延長無故障后果的報(bào)警繼電器的更換周期。

（2）分析繼電器替代的可操作性?？紤]將更換下來的跳閘繼電器替代同型號的信號繼電器（目前國內(nèi)外相關(guān)電廠已開展了這方面的研究應(yīng)用）。

（3）分析研究密封繼電器替代目前的非密封繼電器的可行性[5］。

（4）針對核島的部分關(guān)鍵繼電器制定相關(guān)的預(yù)防性維修策略。

（5）目前繼電器頻繁失效的主要原因是運(yùn)行環(huán)境中的濕度引發(fā)繼電器觸點(diǎn)氧化腐蝕失效。因此，應(yīng)有針對性地提出繼電器老化的監(jiān)測方法、更換周期和維護(hù)措施。

6 結(jié)論

提高繼電器使用壽命對繼電器所處的配電盤系統(tǒng)有很大的價(jià)值，對繼電器加速老化進(jìn)行分析是非常必要的。本文對大亞灣核電站中壓配電盤的中間和出口繼電器加速老化的問題進(jìn)行了分析和研究，提出了繼電器老化管理流程和建議，為解決繼電器老化管理問題提供了一些新的思路。

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[2]Zhuan－Ke Chen，Koichiro Sawa.Effect of Oxide Films and Arc Duration Characteristics on Ag Contact Resistance Behavior [J］.IEEE Transactions on Components Packaging and Manufacturing Technology－part，1995，18（2）：128－132.

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[4]姚芳 .觸點(diǎn)電接觸失效預(yù)測的研究[D］.河北：河北工業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文，2004.

[5]Zhuan－Ke Chen，Koichiro Sawa.Effect of oxide films and arcduration chracteristics on Ag contact resistance behavior [J］.IEEE Transactions on Components Packaging and Manufacturing Technology－part，1995，18（2）.