城軌車輛電磁繼電器選型方法探討

孫宗先，崔 韜，頓明真，王曉明

（中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島 266111）

0 引言

近年來，中國的城市軌道交通取得了高速的發展。車輛的功能也越來越完善，車輛的控制功能也越來越復雜。車輛控制功能的實現，主要是通過繼電器實現的。作為城軌車輛中常用的一種電控制器件，繼電器在電路中常起著轉換電路的作用［1-3］。城軌車輛的控制電路越來越復雜，加之繼電器所帶的車輛負載特性也越來越復雜，使得繼電器的質量及特性對車輛整體質量的影響也越來越大。由于城市交通的運量在急劇上升，運營壓力也急劇增加，這就需要對車輛選用的繼電器進行詳細的校核，尤其是重點繼電器的重點部件。

目前城軌車輛中常用的繼電器有電磁式繼電器和固態繼電器兩種。近年來，固態繼電器（及LCU）的應用范圍有逐步擴大的趨勢，但是由于電磁式繼電器具有獨特的優勢（如低殘留輸出電壓、無漏電流、兼容AC/DC且不需要單獨的散熱裝置等），所以電磁式繼電器在城軌車輛中仍有大量的應用。本文對車輛常用的電磁式繼電器的選用做詳細的說明。為使所選繼電器適應于電路環境提供參考。

1 標準和環境要求

城軌車輛在選用電磁繼電器時首先需確認產品是否滿足車輛的相關標準及工作環境需求。在滿足標準及工作環境需求的前提下，再結合電路特性選取合適的繼電器。

1.1 城軌車輛用繼電器應滿足的標準

（1）強度方面，沖擊振動應滿足IEC61373或國標GB21563的1B級要求。

（2）防火性能應滿足EN45545-2的R26要求。

（3）電磁兼容性能應滿足EN50121-3-2或GB/T 24338.4的標準要求。

（4）線圈工作電壓范圍應滿足IEC60077-1的寬電壓標準要求（標準電壓的70%～125%）。

（5）繼電器工作溫度應滿足GB/T32347.1標準要求。

以上標準是城軌車輛用繼電器的門檻標準，滿足標準需求的繼電器可以進入選型范圍，進行特性校核；不滿足任意一項標準需求的繼電器，不得上車應用。

1.2 繼電器工作環境的確認

（1）確認環境溫度，核對產品是否能夠在特定環境溫度中正常工作。

（2）確定海拔高度，核對產品是否能夠在特定海拔高度正常工作。

（3）根據安裝位置，確定其振動等級，核對繼電器是否能夠安裝在選定位置。

（4）其他環境確認，如高風沙等影響。

2 負載特性確定

在確認繼電器滿足標準、環境要求后，首先需要對繼電器所帶的負載特性進行確定。由于車輛負載眾多，其特性也不同，所以需要逐一進行分析。若同一個繼電器同時帶有多個不同的負載，需要綜合考慮。車輛常見的負載包含感性、阻性及容性等特性負載，如圖1～3所示。阻性負載相對簡單，繼電器一般會提供阻性負載下的電壽命曲線，在應用時根據實際電路參數進行校核即可。感性負載是城軌車輛中常見的負載類型，啟動時會產生一個較大的瞬態電流，繼電器選型時需考慮瞬態電流。一般的繼電器廠家會提供感性負載下的電壽命曲線，校核時需注意核對電流、電壓、時間常數等參數。容性負載在斷開、接通過程會產生充放電，由于電阻約等于觸點的接觸電阻（毫歐級，數量極小），導致瞬態電流極大，電容存儲的能量在極短的時間內通過觸點釋放，從而極大地影響繼電器觸點壽命［4］，所以各型繼電器一般不推薦帶容性負載，也不提供容性負載下的壽命曲線。

圖1 阻性負載

圖2 感性負載

圖3 容性負載

3 繼電器選型

負載特性確認后，需要根據負載對選用繼電器的觸點材料、觸點結構、觸點鍍層關鍵部件進行校核。

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3.1 觸點材料選擇

在繼電器中，觸點是最為重要的部件。觸點的主要功能是接通和分斷電路，并承載工作電流（正常或過載）。繼電器的關鍵功能（含電氣壽命及可靠性等）均取決于觸點的性能。同時，由于觸點是繼電器負載電流的主要通過部件以及繼電器動作的主要部件，使得觸點成為繼電器結構中最薄弱的環節和最容易出故障的部分。而一旦觸點系統不能正常工作，繼電器的功能也就完全喪失［5-7］。

在閉合狀態下承載電流時，繼電器觸點是一種固定接觸的電接觸工況。在這種情況下，電觸點的主要功能是承載電流并起信號輸送的作用。在此工況下，要求觸點的接觸電阻低并且比較穩定。負載電流通過觸點時，由于接觸電阻的存在，會產生焦耳熱效應。當熱效應嚴重時，將導致觸點導電斑點區域的材料熔進而化使得觸點焊接在一起，引起“靜熔焊”現象。當觸點的熔焊力超過繼電器的機械分斷力時，觸點無法斷開，引起所謂的觸點“黏連”現象；即使能夠斷開，也會使得觸點接觸電阻增加，并延緩繼電器的分斷動作［8］。在長時間的作用下，勢必會引發觸點黏連。繼電器觸點接觸電阻會隨使用時間的增長而增加，除了各種環境影響（如氧化、硫化、吸附等作用外），主要是存在因分斷、接通電路過程中觸點間產生的拉弧現象。拉弧會造成觸點材料侵蝕、轉移、材料的相變以及高溫下發生的化學反應，這些變化均會使接觸電阻增加。接觸電阻的增加會加劇某些環境應力的作用，從而加速觸點失效。一般情況下，車輛繼電器所帶的負載電流較小，“靜熔焊”現象極其罕見。

接通及分斷電路是繼電器的主要功能，是實現車輛控制邏輯功能的基礎。在動作過程中觸點是直接執行的重要機構，除了觸點動作過程中發生短時電弧放電外，還存在由于觸點機械沖擊或觸點機構機械沖擊引起的彈跳現象，尤其是在感性負載電路中，觸點接通時會產生較大的短時沖擊電流，從而造成在較短的時間內對觸點的連續、多次作用，形成所謂的“動熔焊”［9-10］，并引發觸點黏連故障。通過統計車輛繼電器的使用情況，繼電器主要的失效模式就是由“動熔焊”引起的觸點燒損或黏連。所以，繼電器選型時重點考慮觸點通斷引起的后果，而繼電器通斷能力通過繼電器的電壽命曲線展示，即選型時需要重點驗證繼電器的電壽命參數。

由于不同材料的特性不同，所以能夠滿足所有工況需求的通用觸點材料是不存在的。每一種觸點材料在不同工況下，都會表現出相應的優點和缺點。所以，繼電器的觸點材料，應根據實際應用的要求來決定。城軌車輛常用繼電器觸點材料如表1所示。

表1 城軌車輛常用繼電器觸點材料

3.2 觸點結構形式選擇

（1）密封形式

按密封形式可以分為密閉式及非密閉式結構。密閉式繼電器由于其觸點密封在結構內，不受環境影響，其接觸電阻不會受環境影響改變，密閉式觸點繼電器經常用在小電流電路中。非密閉型觸點一般直接暴露在空氣中，其接觸電阻受環境影響會逐漸增大。在電流較大的回路中拉弧現象較嚴重，可利用電弧去除氧化層，從而降低接觸電阻，而較小電路環境中，拉弧現象并不嚴重，無法破壞氧化層，所以非密閉性觸點一般用在較大電流的電路中。也有部分非密閉性觸點通過鍍層以及摩擦接觸的方式降低接觸電阻，從而適應較小電流的電路。

（2）多觸點動作形式

（3）觸點鍍層選擇

城軌常用繼電器觸點鍍層有金等材料，相較于無鍍層觸點，鍍金觸點接觸電阻更小，適用于電流較小的電路中。但由于鍍層存在磨損現象，所以在一定的動作頻次后，鍍層將磨損殆盡，屆時其接觸電阻將會增大。所以開放式觸點采用鍍金的方式來獲得較小的接觸電阻的效果并非可靠方案，在非必要的情況下，不建議選用此類型繼電器。

3.3 輔助滅弧裝置設置

為保證負載回路的可靠切換，減少電弧對觸點的燒蝕，部分繼電器設有輔助滅弧裝置，為觸點分斷時產生的電弧提供冷卻通道，實現快速滅弧；同時，產品動、靜觸點間設計引弧角，負載切換時，引弧角將電弧拉長，分散電弧能量，將電弧引入滅弧裝置，有利于電弧的熄滅和觸點間的散熱，提升產品使用壽命。滅弧裝置選用耐高溫性能、絕緣性能、低有機氣體揮發的材料一體成型，放置在繼電器觸點外側，三面包裹觸點，為切斷負載產生的電弧提供冷卻介質。此裝置為繼電器非必要裝置，但對提高繼電器壽命有極大的助力。

3.4 其他部件

一個完整的繼電器除去觸點及相關的鍍層外，還包括磁路系統、接觸系統（包含觸點，本文中將觸點單獨說明，不包含在此系統內）以及外罩等部件。

繼電器的磁路系統是實現繼電器開閉動作的動力機構系統。選型時重點關注線圈的控制電壓制式。錯誤的線圈制式，會引發繼電器不動作或燒損等故障。

接觸系統是繼電器開閉動作的實現機構，通常接觸系統由軛鐵組合、靜接觸片組合1（靜接觸片1、靜觸點）、靜接觸片組合2（靜接觸片2、靜觸點）、觸點引出端、公共引出端、線圈引出端、基座組合、基座鉚釘、卡緊簧片等部件組成。此系統的綜合性能體現在繼電器的機械壽命及電氣壽命參數中，選型時需要重點關注。

外罩是繼電器IP防護等級的重要實現結構，非金屬外殼還涉及產品防火性能，選型時重點關注IP防護等級及防火等級參數。

4 結束語

在城市軌道交通大發展的今天，繼電器在城軌車輛中仍有著廣泛的應用。作為車輛控制邏輯實現的主要部件，其質量對車輛的質量有著較大的影響。通過不同項目的故障統計信息來看，眾多的故障根源在于選型錯誤，繼電器與電路特性不匹配，從而導致繼電器在短時間內失效。這就使得繼電器的選型成為城軌車輛設計工作中極為重要的一環。選型時首先需要詳細了解電路的特性，根據電路特性匹配相應的繼電器的結構，尤其是觸點的材料、結構形式以及觸點鍍層信息，只有特性匹配，以能使得所選繼電器適應于電路環境。