核電廠繼電器失效模式探討及實(shí)例分析

張濤　施海寧　劉韜

摘要：繼電器是核電廠運(yùn)行的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，直接影響核電廠的安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性。而核電廠繼電器的種類(lèi)眾多、數(shù)量龐大而且故障率較高，是核電廠安全高效運(yùn)行的難點(diǎn)之一。繼電器和接觸器配合使用能夠?qū)崿F(xiàn)很多有用的功能，包括定時(shí)控制、定量控制、連鎖控制和欠壓保護(hù)等。本文探討了核用繼電器的老化機(jī)理與失效模式，最后，用試驗(yàn)實(shí)例闡述核用繼電器的失效分析過(guò)程。

關(guān)鍵詞：繼電器;失效模式;失效分析;研究

R&D of Relay Aging State Monitoring Device Based on Electromagnetic Signal

TANG Tang ZHANG Tao SHI Haining LIU Tao

（Suzhou Nuclear Power Research Institute， Suzhou， Jiangsu Province， 215004 China）

Abstract： Relay is the key node of nuclear power plant operation， which directly affects the safety， reliability and economy of nuclear power plant. The nuclear power plant relay is one of the difficulties of safe and efficient operation. The combination of relay and contactor can realize many useful functions， including timing control， quantitative control， interlock control and undervoltage protection. In this paper， the aging mechanism and failure mode of nuclear relay are discussed. Finally， the failure analysis process of nuclear relay is illustrated with a test example.

Key Words： Relay; Failure mode; Failure analysis; Research

繼電器是核電廠運(yùn)行的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，直接影響核電廠的安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性。而核電廠繼電器的種類(lèi)眾多、數(shù)量龐大而且故障率較高，是核電廠安全高效運(yùn)行的難點(diǎn)之一^[1]。繼電器和接觸器配合使用能夠?qū)崿F(xiàn)很多有用的功能^[2]，包括定時(shí)控制、定量控制、連鎖控制和欠壓保護(hù)等。繼電器必須具有良好的通斷性能和足夠長(zhǎng)的壽命，以保障使用它的電氣設(shè)備的運(yùn)行安全及可靠性。本文探討了繼電器的老化機(jī)理與失效模式，并依托核電廠繼電器的實(shí)例，詳細(xì)分析了繼電器的失效分析方法

1 老化機(jī)理

繼電器在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，其組件在多種老化應(yīng)力的作用下會(huì)發(fā)生老化降級(jí)。老化應(yīng)力一般分為4類(lèi)：環(huán)境應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力、電應(yīng)力以及熱應(yīng)力。其中組要老化原因?yàn)闊釕?yīng)力。

2 失效模式

繼電器的失效模式主要包括觸點(diǎn)、線圈、特性參數(shù)和機(jī)械組件失效等幾個(gè)方面^[3]。繼電器在工作狀態(tài)下的失效模式主要表現(xiàn)為觸點(diǎn)失效和線圈失效。根據(jù)國(guó)內(nèi)外的運(yùn)行情況統(tǒng)計(jì)表明，繼電器約有80%以上的失效集中在觸點(diǎn)系統(tǒng)和線圈系統(tǒng)。下面分別對(duì)上述四種失效模式進(jìn)行說(shuō)明。

2.1 觸點(diǎn)失效

引起觸點(diǎn)失效的主要老化機(jī)理是機(jī)械應(yīng)力和環(huán)境應(yīng)力。繼電器觸點(diǎn)失效的常見(jiàn)表現(xiàn)方式為接觸電阻增大和觸點(diǎn)接觸不良（時(shí)斷時(shí)通）。

2.2 線圈失效

繼電器線圈失效的常見(jiàn)表現(xiàn)方式為線圈絕緣降低或擊穿、線圈電阻值超差或短路以及線圈斷裂。引起線圈失效的主要應(yīng)力是熱應(yīng)力，而熱應(yīng)力可能來(lái)自很多方面，例如：連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間勵(lì)磁、間隙、感性浪涌及感應(yīng)沖擊、環(huán)境溫度升高等。

2.3 動(dòng)作特性失效

電器的功能正常，但是由于其發(fā)生老化，自身的特性參數(shù)發(fā)生改變，無(wú)法滿足現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用，尤其是那些對(duì)特性參數(shù)要求極為嚴(yán)苛的場(chǎng)合。例如，過(guò)電流繼電器，如果繼電器運(yùn)行功能正常，但是運(yùn)行參數(shù)（如動(dòng)作時(shí)間）超出了規(guī)定的范圍，那么判斷該繼電器屬于動(dòng)作特性的失效。繼電器動(dòng)作特性的失效主要表現(xiàn)為特性參數(shù)偏離正常值或預(yù)期值。

2.4 機(jī)械組件失效

電磁繼電器的機(jī)械組件失效有以下幾種形式：

線圈線軸過(guò)熱脆化斷裂;

銜鐵不釋放或觸點(diǎn)動(dòng)作機(jī)構(gòu)卡死、斷裂;

碎屑或灰塵沉積、污染物粘連等原因阻礙動(dòng)觸點(diǎn)的運(yùn)動(dòng);

彈簧松弛導(dǎo)致長(zhǎng)期接觸彈跳和電弧過(guò)大，最終導(dǎo)致接觸失效。

3 案例分析

以國(guó)內(nèi)某核電廠繼電器為例，共兩個(gè)試驗(yàn)樣品，其中一個(gè)為新樣品（New-1），一個(gè)為舊樣品（Old-1）。分別測(cè)試觸點(diǎn)的接觸電阻與漆包線絕緣等級(jí)^[4]，結(jié)果如表1～表2所示。

通過(guò)對(duì)觸點(diǎn)接觸電阻、線圈阻值、吸合電壓、釋放電壓與動(dòng)作時(shí)間等參數(shù)的測(cè)量，發(fā)現(xiàn)Old-1常閉觸點(diǎn)1/4、常閉觸點(diǎn)11/8的接觸電阻明顯大于New-1，且大于正常值，說(shuō)明舊樣Old-1在電性能方面已經(jīng)出現(xiàn)明顯老化，并且舊樣Old-1的常閉觸點(diǎn)6/5之間的接觸電阻的波動(dòng)極大，說(shuō)明常閉觸點(diǎn)6/5的接觸電阻存在異常。由圖1也能清晰看到觸點(diǎn)的微觀形貌凹凸不平。

4 結(jié)束語(yǔ)

繼電器的失效模式主要包括觸點(diǎn)、線圈、特性參數(shù)和機(jī)械組件失效等幾個(gè)方面，其中觸點(diǎn)與線圈失效率最高，主要失效原因?yàn)橛|點(diǎn)接觸不良或是線圈絕緣材料老化降級(jí)。

通過(guò)接觸電阻測(cè)量、觸點(diǎn)表面微觀形貌檢測(cè)及線圈漆包線絕緣等級(jí)檢測(cè)等試驗(yàn)有效地確定電磁繼電器的老化狀態(tài)。

參 考 文 獻(xiàn)<！-- 參考文獻(xiàn)至少六條（補(bǔ)文中腳注），近五年內(nèi)的含以下目錄中的參考文獻(xiàn)不少于2篇（為便于核查符合下面條件的參考文獻(xiàn)的刊名或整條用紅字標(biāo)注，見(jiàn)附件）：①當(dāng)代體育科技②科技資訊④文化創(chuàng)新比較研究⑤南京體育學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）⑥碩士、博士學(xué)位論文⑦影響因子為0.5及以上的期刊。（核查辦法見(jiàn)各刊網(wǎng)站）⑧外文參考文獻(xiàn) -->

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