提高繼電器小負載條件下接觸可靠性的方法

涂德慧 戴晨陽 沈立飛

摘 要 探討繼電器小負載條件下的失效原因和工作特點，并推薦在DCS/PLC/SIS等系統中通過選擇合適的繼電器、完善檢測電路設計方法予以解決。

關鍵詞 繼電器 小負載 接觸 可靠性 控制系統

中圖分類號 TM58? ?文獻標志碼 B? ?文章編號 1000?3932（2024）01?0038?04

在控制系統的DI繼電器擴展模塊、AC/DC開關電源繼電器告警輸出、交換機告警輸出、安全柵DO輸出電路等設計中，會大量用到繼電器，這類繼電器觸點的閉合狀態會送給關聯的DI檢測電路進行狀態采集。但這類DI檢測電路工作的典型特點是電流小、電壓低，當繼電器選型或DI檢測電路設計不合理時，易出現DI檢測電路信號檢測異常問題，具體表現為繼電器觸點物理上已閉合，但DI檢測電路檢測狀態仍為開路。

DI用繼電器與DO用繼電器使用情況不同。DI用繼電器觸點主要工作在小電流（毫安級）、低電壓條件下，觸點材料消耗可以忽略，但接觸表面容易積碳，導致觸點接觸不良。而DO用繼電器觸點通常工作在大電流（安培級）條件下，觸點材料會隨著動作次數的增加不斷消耗（這也是DO用繼電器標稱電氣壽命次數有限的主要原因），并且觸點斷開時產生的電弧能將觸點表面的有機物燃燒掉，不會出現因積碳導致的接觸不良問題。

1 繼電器小負載條件下接觸不良案例

中控技術股份有限公司實施的某項目中，用DI卡采集某國外品牌安全柵繼電器輸出觸點信號作為信號輸入（24 V配電），兩者配套使用一段時間后，出現DI信號偶爾采集不到的情況，直接影響了現場工藝的正常運行。

在實驗室，減小DI采集回路電阻，當采集電流約為6 mA時，信號采集恢復正常。對問題繼電器做進一步分析，繼電器線包電阻在標稱范圍內，繼電器觸點材料未見明顯損耗，但有積碳痕跡，如圖1所示。

經查閱資料［1］，繼電器觸點低負載條件下的影響因素有兩個：

a. 在觸點斷開過程中，觸頭擠壓處的溫度會上升到觸點材料的熔點溫度，接著會達到觸頭材料的沸點溫度，觸點表面材料發生剝蝕。

b. 觸點斷開時產生的低能量短弧破壞了環境中的碳氫化合物，從而在觸頭上產生積碳，但短弧的能量不足以使碳燃燒掉，觸點積碳導致了觸點接觸不良的問題發生。

盡管繼電器規格書中通常會給出觸點最小負載技術指標（圖2），但這個值只是一個參考值，檢測電路設計簡單，拿來使用存在風險。

最小負載指標曲線

繼電器觸點最小負載指標是繼電器觸點可通斷最小負載的參考值，該值根據通斷頻率、環境條件、期望的接觸電阻及可靠性等的不同而改變，繼電器規格書中通常會提示實際使用時要結合實際應用開展測試確認。

2 DI檢測電路的工作特點

導致DI檢測電路工作異常的原因，除與繼電器觸點材料有關外，也與DI檢測電路的工作特點（小電流、低電壓）有關。圖3是典型控制系統DI卡采集硬件電路，當觸點閉合時，檢測回路中流過一個電流值，從而可以檢測到開關閉合的狀態。

為推動各類傳感器與控制系統應用兼容，IEC 61131.2—2017、IEC 61131.2—2007和GB/T 15969.2—2008對DI采集電路的標準工作范圍進行了約定，圖4摘錄了最常用的24、48 V直流掃描電壓、電流建議值。

按控制系統最新標準IEC 61131.2—2017 ，第2類數字輸入已不推薦新設計使用，原因是第2類數字輸入會導致DI采集電路熱功耗增加，不利于設計高集成度的DI采集部件。

從以上信息可以看出，DI檢測電路在觸點導通的情況下，工作電流通常在2～15 mA或6～30 mA之間，且最新標準推薦折使用范圍為2～15 mA。

3 提高繼電器小負載條件下接觸可靠性的方法

3.1 觸點材料優化與結構選型優化

優化繼電器觸點材料、結構選型工作，具備條件時優先考慮選用信號繼電器配套。在產品部件設計時，DI用繼電器觸點材料（表1）、結構要精心選擇。

在小負載條件下選用繼電器，除觸點材料外，觸點接觸方式不同，可靠性也會不同，如單接點和雙接點比較，雙接點的可靠性更高（圖5）。

目前市場上還有一類信號繼電器的產品，這類繼電器主要處理低電壓、小電流應用。控制系統中配套開發了AC/DC開關電源繼電器告警輸出、交換機告警輸出、安全柵DO輸出電路，可優先選擇信號繼電器配套。

信號繼電器和功率繼電器的結構非常相似，兩者的區別在于尺寸、額定電壓、額定電流和觸點材料。功率繼電器的額定電壓為250 V（AC）或30 V（DC），電流一般在2 A以上。而信號繼電器額定電壓一般在5～30 V（DC）；有時會給出交流規格，但僅限于125 V（AC），額定電流為2 A或更低。信號繼電器目前多采用相對較小的PCB安裝方式，繼電器整體體積較小，設計比較省空間。

3.2 繼電器觸點冗余設計

繼電器觸點冗余設計思路源自上一部分提到的繼電器雙接點結構，當DI用繼電器具備雙輸出觸點時，在電路上將兩對觸點直接并接起來作為一個觸點使用，當配套DI檢測電路工作時，能顯著提高繼電器小負載條件下接觸的可靠性。根據理論計算，假定單接點單次接通的失效率為1×10-7，則雙接點的失效率只有1×10-14，失效率呈指數下降。

3.3 優化DI檢測電路設計

通過優化DI檢測電路電阻，適當增大回路的工作電流。一般DI檢測電路建議將實際工作電流設計在6～12 mA的水平，SIS等涉及安全應用的產品建議將實際工作電流設計在20 mA左右的水平。通過DI檢測電路優化設計，可大幅提高檢測電路對DI信號檢測的可靠性。

4 繼電器小負載條件下接觸可靠性的驗證

前文已經提到過，目前繼電器規格書中提供的繼電器最小負載技術指標只具參考性，落實到具體產品放行時，還是應開展實際應用模擬測試驗證，證明繼電器及其檢測電路在小負載條件下工作時，其動作可靠性是有保障的。

通常選擇10只繼電器，每只繼電器按0.1 s間隔開關的方式連續動作100萬次，監視動作失效情況，10只繼電器都能通過測試的，認為達到了一般失效率要求（1×10-7）。對僅輸出告警狀態的設備，考慮到通用性，測試配套用檢測電路要求將檢測電流調整為2 mA，這樣驗證就能夠保證產品驗證結果的嚴謹性了。

5 結束語

控制系統應用中，通過選擇合適的DI用繼電器，優化DI檢測電路設計，可提高繼電器在小負載條件下的接觸可靠性，從而提高整個控制系統工作的可靠性。

參 考 文 獻

［1］ JOHLER W.小負載觸頭的可靠開關轉換［C］//第三屆電工產品可靠性與電接觸國際會議.北京：中國電工技術學會，2009：44-53.