一起繼電器故障導致的設備不可用分析

大連交通技師學院 王軍艷

操作人員在對系統(tǒng)進行就地停運過程中，發(fā)現(xiàn)開關無法停運。將開關拉至試驗位，再次進行就地停運操作，結果前2次失敗、后4次分閘成功，最終將設備停運，針對此次出現(xiàn)的問題，進行故障原因的查找。

1 事件分析

詢原理圖紙，部分回路見圖1，其中001XR 繼電器為就地合閘繼電器，002XR 為就地分閘繼電器，“CLOSE”為就地合閘指令，“TRIP”為就地分閘指令。在就地啟動分閘過程中，使用萬用表持續(xù)檢查002XR-13與14觸點（繼電器正、負的電源端子）間的電壓差為110V 左右，這說明就地分閘命令已發(fā)送到設備本體，但觀察繼電器沒有動作（正常繼電器動作時會發(fā)出吸合聲音），通過使用萬用表量取繼電器的輔助常開節(jié)點沒有閉合，常閉節(jié)點沒有打開，這也表明繼電器線圈的端子上雖已帶動作電壓，但繼電器本身卻沒有真實動作。

圖1 分合閘原理圖

將該開關間隔的所有控制電源、裝置電源和動力電源斷電進行隔離，把002XR 繼電器從底座拔出，發(fā)現(xiàn)輔助接點表面存在硫化現(xiàn)象，該間隔內相鄰的繼電器同樣存在類似現(xiàn)象，推斷是由于附著在節(jié)點上的硫化物導致接觸器分閘回路接觸電阻變大、分壓增大，使分閘線圈兩端電壓下降，達不到線圈的最低分閘動作電壓，所以接觸器無法分閘。

將該間隔和備用倉室的部分繼電器進行實驗室分析，對嚴重失效樣品的觸點進行耐壓測試，結果顯示耐壓值大多超過10V、部分耐壓甚至達到64V，表明觸點吸附膜層材料的耐壓強度很高。參考相關規(guī)范可知，控制回路在正常最大負荷時控制母線至各設備的電壓降，不應超過額定電壓的10%，110V控制母線電壓經繼電器觸點及回路的壓降和不應大于11V?？赏茰y當接觸電阻大于被控繼電器線圈電阻的25%時，被控繼電器處于不可靠動作狀態(tài)，繼電器將失去邏輯控制功能。當超差較大時，即使觸點所帶負載功率較高，回路將依然無法接通，觸點仍處于開路狀態(tài)，繼電器因而失去驅動合閘的功能。

經過進一步核實，測量現(xiàn)場車間濕度為87.2%、溫度25℃，不滿足維修手冊中對車間濕度的要求。通過檢查現(xiàn)場環(huán)境條件，發(fā)現(xiàn)當時處于秋季多雨季節(jié)，車間外部環(huán)境濕度較大，車間的通風風機運行加快了屋內濕度的增加速度。繼電器觸點接觸電阻增大是引起繼電器失效的主要原因，其接觸電阻增大的原因是：

繼電器內部有機材料揮發(fā)。繼電器長期存放，其內部有機材料中各種助劑及部分聚合物材料老化揮發(fā)。繼電器使用過程中線包長期勵磁產生熱量，引起內裝零部件溫度上升，其中線包是主要熱源，溫度可達60℃，繼電器內部溫度上升加速了繼電器內部有機材料中各種助劑及部分聚合物材料的老化揮發(fā)。

觸點吸附繼電器內部有機材料揮發(fā)物形成有機膜。觸點材料為銀鍍金，由于金材料表面能較高，較易吸附有機氣體，并且這種吸附作用隨溫度升高而加強。觸點吸附繼電器內部各種助劑及部分聚合物材料的揮發(fā)物形成有機膜；觸點電熱效應導致部分碳膜形成。觸點動作過程中，由于電壓、電流產生的熱效應，引起觸點表面有機膜局部高溫，產生化學變化（碳化）而形成碳膜，并逐步積累到一定程度，使接觸呈高阻特性。當觸點表面形成的膜層（有機膜和碳膜）較厚并累積達微米級時，膜層無法通過隧道及熱電子發(fā)射效應導電，宏觀表現(xiàn)為接觸電阻超差較大。

通過新舊繼電器觸點表面進行全譜分析及掃描電子顯微鏡（SEM）檢查，發(fā)現(xiàn)舊觸點表面存在較多的S 元素。經分析S 元素是空氣中SO2等硫化物和銀反應后生成的Ag2S 產物，在常溫下屬于絕緣材料，它會直接導致接觸電阻升高。銀在常溫下極易和硫化物反應生成Ag2S，若長期積累可形成Ag2S 表面膜。正常情況下，在電弧、觸點間的機械撞擊等作用下，可破壞Ag2S 膜并達到金屬接觸的效果。但若在小電壓、小電流和較低頻率等使用條件下，破壞作用將大大減弱。若Ag2S 膜的生長速度超過破壞速度，經過長期的積累過程，就會造成接觸電阻增大的失效模式。該類繼電器非密封，隨著周圍環(huán)境的污染惡化，觸點所處環(huán)境中會存在更多的硫化物氣體，同時存在金屬銀易與硫化物反應的特性，導致觸點接觸電阻增大。

2 暴露出的問題

2.1 設備的環(huán)境管控不足

這是一起由于疏于對于環(huán)境的管理導致設備不可靠運行的案例。在設備投運前，由于專注于對設備和系統(tǒng)本身質量和功能的檢查，而忽視了對設備所處環(huán)境的關注。在設備運行維護手冊中，對設備的運行環(huán)境、主要是關于溫濕度參數(shù)已有明確的要求。主控室、計算機室、繼電器室、通信機房及其他工藝按要求的房間宜設置空調。空調房間的室內溫度、濕度應滿足工藝要求，工藝無特殊要求時，夏季設計溫度為26℃～28℃、冬季設計溫度18℃～20℃，相對濕度不宜高于70%。

如何保證設備能在要求的環(huán)境中穩(wěn)定運行？首先是設備本身的防火封堵是否完整，若不完整將導致潮氣直接進入。還需特別注意防火封堵完成后，由于后續(xù)設計又新增電纜，再次鋪設施工過程中破壞了原有封堵。有時因現(xiàn)場施工和恢復防火封堵人員為不同單位，常導致破壞的封堵沒有及時恢復或是忘記恢復，這也就導致了外部潮氣通過破壞的空洞進入了設備倉內。還需注意現(xiàn)場電纜溝道的防水處理。本事件的車間位于室外地面，電纜溝位于地下。在雨季時由于滲水常導致電纜溝道中存在積水。應在設計審查時提出進行相應的防水要求，必要時進行防水溝道的部分格擋以阻止雨水滲入電纜溝。車間移交時需查看電纜溝道的防水測試合格記錄表。

為保持環(huán)境的溫濕度穩(wěn)定，還需在車間內增加與車間面積匹配的空調數(shù)量，若不具備安裝中央空調時，應安裝工業(yè)級空調并應具備溫濕度調節(jié)功能，并隨外部環(huán)境變化而適應性調整，在雨季時增加排濕功能，但要降低室內溫度。

2.2 設備的老化管理意識不足

對于繼電器的失效點一般主要有3點：接點失效。接點動作瞬間燃弧形成的碳化物沉積在觸點表面，此故障多數(shù)是接點帶的感性負載。接點很少動作，動、靜觸頭帶正、負電有一定的靜電吸塵作用，觸點表面吸附有灰塵。繼電器未進行調校，往往有各對接點的接觸不同期，動、靜接點間無壓力行程。觸點粘結。在接點切除直流感性負載的瞬間，電感產生反電勢形成電弧，造成觸點金屬轉移或熔焊而橋接[1]。接點在斷開狀態(tài)時動、靜接點間絕緣不良，開接點或閉接點不同期導致其它接點失效[2]；機械部件故障。傳動機構卡澀、復位彈簧銹蝕、內部多余物使銜鐵運動受阻；線圈失效：線圈長期帶電過熱熔斷、線圈引出端虛焊或疲勞折斷、線圈受潮或過熱短路。

針對這些失效模式，應該提前采取不同的識別方法，制定相對應的處理措施。預防性試驗過程中的繼電器校驗就是發(fā)現(xiàn)設備老化的重要手段，校驗主要項目有：繼電器動作電壓（電流）、返回電壓（電流）、線圈直阻、接點接觸電阻等，對于大功率繼電器，還需對其動作功率進行測量。如有特殊要求，還需做接點間的絕緣電阻和接點對外殼絕緣電阻的檢查[3]。然后需對繼電器的相關維修信息整理、歸納和分析。雖然對維修和維護的信息進行記錄，但數(shù)據(jù)只是按照原始的狀態(tài)羅列、數(shù)據(jù)零散，沒有對它們進行歸類統(tǒng)計、分析，不能總結出某種具體型號繼電器在運行狀態(tài)的總的維修和維護情況[4]。

因此，不清楚繼電器現(xiàn)在所處的老化狀況，把個性當成普遍性、統(tǒng)稱“老化”，盲目大面積更換繼電器，造成極大浪費和維修成本的增加，也沒有數(shù)據(jù)證明系統(tǒng)可靠性比更換前有多大提高。所以需完整全面的清單化、趨勢化的梳理和管理，并對于故障率頻繁的繼電器重點關注，盡早提出改造需求，以保證日常期間的可靠運行[5]。

針對處理措施，比如對由于接點動作瞬間燃弧形成的碳化物沉積在觸點表面，此時需對鍍金或鍍銀接點用白綢布蘸酒精或清洗濟擦洗，處理后接觸電阻應小于1Ω；對烏金或合金觸點接觸電阻應小10Ω。對于經常不閉合的常開觸點，建議通過加壓使觸點動作數(shù)次后再次測量，以上處理方式僅對于該繼電器用于一般性負荷。若對于重要負荷，一旦設備不可用，建議直接更換經測試合格的新備件，以確保設備供電可靠性。

對于繼電器的觸點處理方法沒有一個科學的規(guī)范。有的用綢布蘸酒精擦洗，有的用紙蘸酒精擦洗，有的用沙條打磨等。從繼電器老化的機理來審視目前的處理方法，其中用沙條打磨的方法就很不可取，不但不能延長繼電器壽命反而加速了繼電器的老化，應該取締。用于清洗接點的清洗劑只有酒精，酒精對清洗粉塵和雜質的污染有效，但對電弧熏黑的斑點清洗效果不理想。用丙酮清洗效果好但不環(huán)保，已禁止使用。選用清洗效果好又環(huán)保的清洗濟有待規(guī)范。

2.3 具體整改落實措施

由設備管理部門建立維修大綱，針對中間繼電器進行一定年限的整體更換計劃，提前進行備件采購，在周期達到后提前進行校驗，設備停電后直接將檢驗合格的繼電器代替使用中的繼電器，以縮短整個停電工期，減少對正常生產的影響。

將失效的繼電器送實驗室進一步分析，探索是否可進行繼電器替代的方案，使得繼電器針對惡劣的環(huán)境條件可仍保持正常運行。同步考慮繼電器的防塵、防水的密封性能，以及在多次動作后減少觸點表面的氧化以增加接觸電阻的控制方案。經初步調研，存在兩種普遍的做法：一是現(xiàn)有繼電器直接換型，為保證與當前機柜的匹配，盡量減少整個的改造工程量，更換為整體性能更為良好的繼電器，線圈完全密封，且充入惰性氣體——氬氣的方案；二是采用在原有繼電器基礎上增加消弧回路，可最大限度減少繼電器觸點在斷開拉弧時電弧對觸點表面氧化的影響。雖然外部有成熟的經驗，但仍需將改造后或新型號繼電器在部分備用間隔進行試用，經過對試用后的繼電器情況進行詳細分析和研究后，經評審通過后才能最終現(xiàn)場實施。

升版設備巡檢表格，補充對設備所處的環(huán)境溫度和濕度的監(jiān)控。首先在廠房的溫濕度監(jiān)測點，確保每次的巡檢位置保持一致性。針對重要生產性廠房，不僅需對環(huán)境情況進行監(jiān)測，還需要對廠房內的空調設備進行檢查是否處于運行狀態(tài)、是否工作正常且當前工作狀態(tài)是否滿足環(huán)境要求，如濕度控制要求等。對于季節(jié)性變化，需要適當縮短巡檢周期，比如雨季。

通過對這起繼電器故障導致的設備不可用分析，暴露出了繼電器老化治理方面的不足，但通過分析認識到了問題的嚴重性，也通過針對性的整改完成了質的變化，為設備系統(tǒng)的可靠運行提供了堅實的基礎。

綜上，繼電器作為工業(yè)自動控制的基礎元件，其可靠性對于控制系統(tǒng)的可靠性、安全性來說，起著至關重要的作用，尤其是在跳合閘回路中，一旦失效將導致保護拒動、越級跳閘、故障范圍擴大等風險，為了保證系統(tǒng)的可靠性和安全性，繼電器在投入運行前或運行了一段時間后，需對繼電器進行校驗。繼電器各項指標須達到規(guī)定的技術要求才能投入運行。但對于已投運設備和系統(tǒng)的環(huán)境容易讓人忽略，應在日常巡檢中重點關注溫濕度變化，預防性檢修過程中關注設備的老化趨勢，只有這樣才能防患于未然，讓繼電器在其全周期服役中安全可靠運行。