ZHANG Tao TANG Tang SHI Haining LIU Tao HANG Yuhua

（Suzhou Nuclear Power Research Institute Co.， Ltd.， Suzhou， Jiangsu Province， 215004 China）
　　Abstract：The aging state and reliability of relays directly affect the performance and stability of the whole electrical and I & C system.Based on the statistics of structure and material， external experience feedback and failure mode of relay in nuclear power plant， the aging mechanism of relay is analyzed. The influencing factors of relay aging include environmental stress， mechanical stress， electrical stress and thermal stress. On this basis， it summarizes the identification of relay aging， and briefly describes the mitigation suggestions of relay aging.
　　Key Words： Relay; Aging management; Explore; Research

核电厂继电器种类多、数量大、故障率高，继电器的老化状态与可靠性直接影响整个电气、仪控系统的性能和稳定性。继电器必须具有良好的通断性能和足够长的寿命，以保障使用它的电气设备的运行安全及可靠性。国内多个核电厂曾因继电器故障导致跳机跳堆。继电器在长期运行中，其组件在多种老化应力的作用下会发生老化降级。本文从继电器的机构与材料统计出发，结合外部经验反馈与继电器失效模式，详细分析了继电器的各种老化机理，进而总结了对继电器老化的识别方式，并提出了老化缓解行动方向。
　　1 结构与材料
　　继电器在长期运行中，组件的材料会出现老化降级^[1-2]。为了对继电器的老化状态进行研究，有必要弄清楚其主要结构及其材料。电磁继电器的组件及其典型材料如表1所示，时间继电器的组件及其典型材料与电磁继电器类似。
　　2 经验反馈
　　外部经验反馈主要来自INPO的数据库。根据INPO的EPIX中的统计（主要是2007-2011年与继电器故障有关的事件），共29个案例，获得了集团外核电厂继电器在使用过程的一些相关经验反馈。大约一半的继电器故障涉及应急柴油发电机（EDG），共计14例，产生的后果主要是EDG不能启动、EDG不能加载/运转。控制继电器和延时继电器故障的频率最高，约占故障总量的55%。大约55%的故障涉及线圈不带电继电器（日常工作时）^[3]。最多的原因是预防性维修（PM）缺陷，其次是制造缺陷。将继电器常见的发生故障的部件进行统计总结后发现，触点是最常见的发生故障的部件，其次是线圈。
　　3 失效模式
　　继电器的失效主要发生在触点、线圈和机械组件失效等几个部分，继电器在工作状态下的失效模式主要表现为触点失效和线圈失效。根据国内外的运行情况统计表明，继电器约有80%以上的失效集中在触点系统和线圈系统。
　　继电器线圈失效的常见表现方式为线圈断裂、绝缘降低或击穿、线圈电阻值超差或短路。導致线圈失效的主要应力是热应力，而热应力可能来自很多方面，例如：连续长时间励磁、间隙、感性浪涌及感应冲击、环境温度升高等。除此以外，湿度也是一种可能导致线圈失效的应力。
　　4 老化机理
　　继电器在长期运行过程中，其组件在多种老化应力的作用下会发生老化降级。老化应力一般分为4类：环境应力、机械应力、电应力以及热应力^[4]。图1是各种老化应力导致继电器失效的示意图。
　　4.1 环境应力
　　环境应力可分为使用环境条件以及设计的试验环境条件，它们会从不同的方面以不同的程度对继电器产生影响。正常的环境条件通过对继电器材料或结构的影响，使继电器的性能逐渐下降，这是一种自然的持续状态。正常环境下的老化降级只可能导致随机失效。设计的环境条件（例如地震条件）可能会以突然的、短暂的方式对继电器产生影响。这种条件下的性能下降就不会是自然的持续状态，而且可能会在短时间内使多个继电器发生共因故障，甚至可能影响到电厂某些系统的安全功能。 　　环境条件主要包括温度、湿度、化学污染物和灰尘、腐蚀性气体和辐射等。由于温度对继电器性能的影响较大，因此一般将温度也作为一种重要的老化应力—热应力来进行分析。环境条件是继电器失效的重要诱因，环境不同，继电器的失效形式也有所不同。
　　4.2 机械应力
　　机械应力主要包括振动、冲击、磨损、周期性操作应力、连接不良等。例如继电器的动作频率过高可能会导致负载的弹簧组件疲劳;继电器线圈及触点的电通路连接不良可能会导致燃弧增强、发热量增大，最终导致继电器的加速老化。
　　4.3 电应力
　　电应力主要包括电压、电流、电磁场、电晕和电弧等，而这些电应力类型与触点负载的性质、触点动作的次数、触点工作电压或电流等密切有关。
　　4.4 热应力
　　热应力主要来源于继电器连续长时间励磁发热、机柜内的高温和环境高温。对于反映温度变化的温度继电器、热继电器等来说，环境温度的变化直接影响保护特性的变化。对于电磁继电器来说，温度的升高会使产品的结构参数和动作参数发生变化。继电器连续长时间励磁会使继电器线圈的温度升高，温度升高会加速线圈绝缘或其它非金属材料的降解，导致材料绝缘降级。另外，继电器线圈的温度还与环境和线圈之间的热传递效应相关。环境与线圈的热传递效应还会影响触点的带载情况。
　　5 老化识别
　　在了解继电器的老化应力、老化机理以及失效模式之后，有必要對失效模式与老化机理进行识别，确定哪些失效模式是由老化引起的。
　　1）触点的老化识别
　　触点的失效模式比较容易鉴别，主要是接触电阻增大和触点接触不良（时断时通），而其失效机理是非常复杂的，常常是几种机理同时作用。因此通过试验分析的方法识别出触点失效是由哪种老化机理引起的。
　　2）线圈的老化识别
　　由于连续长时间励磁、间隙、感性浪涌及感应冲击、环境温度升高、湿度以及海拔高度等因素导致的线圈绝缘降低或击穿，漆包线漆层老化在高温下漆层裂缝或脱落而造成线圈短路，通过试验分析的方法识别出线圈失效是由哪种老化机理引起的。
　　3）动作特性失效的老化识别
　　动作电压（电流）增大、返回电压（电流）减小、接触电阻增大及接触电阻不稳定、绝缘电阻减小均属于老化失效^[5]。时间参数方面，触点严重腐蚀的表面将发生明显变化，会导致触点动作时间大幅度减小，表面粗糙度增大使回跳时间显著增大。
　　4）机械组件的老化识别
　　活动零件磨损后会出现卡涩问题;若严重磨损，可能出现摩擦死点导致卡死;支撑部件振动断裂，过热脆化断裂等，需要通过试验分析来分析具体的老化机理^[6-7]。
　　总之，要判断继电器的失效是否是由老化引起的，常常需要通过继电器的失效分析来进行鉴别^[7-8]。
　　6 老化缓解
　　继电器的质量、存储环境和运行工况等都会直接影响继电器的工作状态和使用寿命。可从采购、存储、合理使用、维修等方面提出老化缓解建议，并建议建立继电器的老化数据库，全方位开展继电器的老化管理工作。
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