大亚湾核电站中压配电盘中间和出口继电器加速老化原因分析和管理对策

张 圣，陈世均，江 虹，马沂荩

（苏州热工研究院有限公司电站运行技术研究中心，广东 深圳518120）

大亚湾核电站6.6kV（中压）配电盘的中间和出口继电器已运行十几年，其中相当数量的继电器存在老化现象，甚至库存的继电器备件也出现加速老化现象，造成继电器可靠性下降或不可用。中压配电盘中间及出口继电器对电气线路和设备起着控制和保护作用，继电器拒动或误动会导致不能及时切除故障点，造成故障范围扩大。轻者对设备和系统造成安全降级危害，重者直接导致机组跳机、跳堆。本文对继电器加速老化失效的因素和机理进行了分析，对大亚湾核电站中压配电盘的中间和出口继电器的老化管理和剩余寿命进行了评估，最后提出了延缓和控制继电器老化的管理流程和建议。

1 老化数据采集

大亚湾核电站中压配电盘（LGA／B／C／D／E、9LGIA／B、LHA／B）使用的继电器有3种型号：TEC1783 125VDC、TEC1804 125VDC 和TEC1804 48VDC，数量共约1 080个。其中用于故障监测的长期励磁继电器001XK的型号为TEC 1804 125VDC；远方启停信号继电器001XR／002XR的型号为 TEC 1804 48VDC；其他基本上都采用了125VDC的继电器。

1.1 事件单统计分析

筛选大亚湾核电站1994年机组投运至2010年6月中压配电盘系统相关的24h事件单。结果表明：涉及中压配电盘中间和出口继电器老化相关问题的事件单共有30条，继电器主要故障失效模式为接点接触不良和接触电阻偏大。

1.2 维修记录统计分析

从大亚湾和岭澳核电站最近6次大修所涉及到的900多个继电器中共有104个失效，其中大亚湾核电站65个，岭澳核电站39个。

根据维修程序要求，凡是接触电阻小于1Ω或5Ω的继电器视为不合格。大亚湾核电站1、2号机组第12次大修（D112、D212）之前程序定的维修标准为1Ω，之后修改为5Ω。

目前处理继电器触点接触电阻过大的方法有2种：①9V干电池电击触点；②打磨清洗触点。经过处理后，若测试结果仍未达到合格标准将更换该继电器。

104个失效继电器的处理统计见图1。由统计数据可知，继电器失效概率为11.7%，其中被更换的继电器占7.2%，处理合格后使用的继电器占4.5%。

图1 继电器的失效处理结果统计Fig.1 Statistics for relay failure management results

1.3 外部经验反馈

法国电力公司（EDF）及美国电力科学研究院（EPRI）电厂同型号的继电器也出现过加速老化失效现象。例如，2003年3月17日，法国SAINT ALBAN电厂1号机组在检修过程中，发现LNG／LNH 逆变器的数个TEC1804N 125VDC继电器的接点电阻过大。主逆变器LNH001DL停运时，逆变器LNH003DL自动切换为主逆变器，而正常情况下应该是LNH 002DL成为主逆变器。由此可见，如果逆变器LNH002DL作为主逆变器停运，会导致3个逆变器都失电，其结果会导致B列仪控设备失电，后果相当严重。事件调查结果认定是继电器加速老化问题，增加了预防性维修大纲。

其他外部经验反馈的继电器老化事件见表1。

表1 外部经验反馈的相关事件Table1 Events related to external experience feedback

续表

2 加速老化因素

中压配电盘中间和出口继电器的老化主要表现为接触电阻升高、触点接触不良及动作失灵等。根据现场和内、外部经验反馈分析，主要是继电器的运行环境影响所致。这些环境因素包括湿度和温度等，如图2所示。

根据国外的继电器老化研究成果以及现场数据的统计分析得出结论，影响非密封型继电器可靠性的环境因素主要是湿度[1］。大亚湾、岭澳核电站处于海洋腐蚀性大气环境中，较高的湿度使继电器触点氧化腐蚀，甚至影响到线圈的绝缘性能。

图2 继电器失效涉及的环境因素Fig.2 Environment factors associated with relay failure

3 老化机理分析

影响继电器触点闭合的因素（包括触点结构、质量、材料、表面状况及闭合速度等）非常复杂，根据现场资料和内、外部经验反馈，继电器主要的老化失效机理如下：

3.1 氧化腐蚀

3.1.1 湿度影响

大亚湾核电站配电盘电气厂房虽然配备空调等设施，但全年的平均湿度仍高达50%～60%，每年3、4月份返潮期的湿度更加严重。

由于湿度的原因，配电盘电气厂房空气中大量的水蒸气在继电器触点电弧的高温下会分解释放出氢和氧，氧元素的存在会促进触头金属表面膜的形成，造成触点表面融蚀、凹凸不平、电接触不良、接触面积减少、接触电阻增加及电流密度剧增等，最终导致继电器加速老化失效。

另外，水蒸气附着在触点表面会形成一层水膜，并在触点表面的微孔中形成微小溶池，加强触点表面的电化学反应，从而加剧触点侵蚀。

3.1.2 温度影响

继电器运行环境温度是指控制柜内继电器附近的温度。由于继电器工作时不仅线圈会发热，同时触点断开或闭合时产生的电弧也会发热，其热量与工作时间长短有关，难以测量和计算；同时，周围其他设备的发热也使控制柜内的温度上升，此时继电器运行环境温度升高并可能超出继电器适宜的工作温度范围。根据厂家建议，继电器适宜的运行温度在20～30℃之间。当周围环境温度在30℃以上升高10℃时，电子元件产品寿命会减少一半；当周围环境温度在30℃以上升高20℃时，产品寿命就会减少到原寿命的1／4[2］。

继电器运行环境温度超上限会加速触点的氧化及表面膜电阻的形成，引起接触电阻增大或触点时断时通。同时，高温使触点焊弧困难、腐蚀加剧以及容易产生粘结故障。

3.2 机械磨损

继电器吸合或释放时的触点电弧会引起金属迁移和氧化，使触点表面磨损，进而引起触点接触不良或释放不开。触点磨损还会导致弹跳时间的变长，出现多次长弹跳的触点易失效。触点弹跳会使其表面晶粒疲劳、松动甚至脱落，从而加速机械磨损。

3.3 电磨损

继电器工作时产生的电弧温度可以达到金属材料的熔点，使触点金属由固态经液态转变为气态。气态金属因蒸发而扩散，液态金属因接触、碰撞、挤压而不断地四处飞溅，使触点原先的形状不断地发生改变，且厚度减薄。如果遇到恶性负载时继电器触点电弧放电时间更长，电磨损更严重。

3.4 有机气体腐蚀

继电器周围介质（包括大气）中产生和释放的硫、碱等腐蚀性气体或蒸汽使触点表面产生有害气体绝缘膜；由于线圈发热，继电器工作时多种有机材料的蒸发，也会使其内部有机气体的浓度增大。有机气体会加速触点的腐蚀效应，导致触点的接触电阻增大或时断时通，造成继电器失效。

3.5 绝缘老化

因湿度、电场、温度、机械力及周围环境等因素的长期作用，继电器线圈绝缘在运行过程中质量逐渐下降、结构逐渐损坏。继电器线圈绝缘老化最终会导致继电器失效，其速度与绝缘体的结构、材料、制造工艺、运行环境、所受电压和负荷情况等有密切关系。

厂房环境的湿度对绝缘材料耐受表面放电的性能有很大影响。如果水分侵入绝缘内部，将会造成绝缘电损耗增加或击穿电压下降。

3.6 电磁干扰

电磁继电器依靠磁力进行动作。当控制柜内继电器与磁干扰源之间的距离不足时，可能会使线圈磁场受到干扰，从而影响电磁继电器动作的可靠性。由于继电器的抗干扰能力有限，所以控制柜中多只继电器并排安装时应适当加大其间隔。

4 老化管理与剩余寿命评估

4.1 老化管理评估

从现场情况反馈看，继电器加速老化的主要现象是触点接触电阻过高或接触不良。导致这种现象的原因错综复杂。目前大亚湾核电站对中压配电盘中间和出口继电器老化的管理办法和维修策略主要有4年一次的定期校验、检查和9个换料周期的定期更换等。从效果看，目前的管理办法基本能够有效减少继电器故障带来的风险，但实际的继电器更换周期和管理办法规定的更换周期还是有一定的差别。

4.2 剩余寿命评估

对继电器的剩余寿命进行评估，可以为设备的安全使用和经济效益之间的最佳平衡提供科学依据。继电器剩余寿命评估的方法主要有现场数据统计法和加速寿命试验（ALT）法[3］。前者通过对产品在实际工作期间的失效样本进行模型回归，评估其剩余寿命。然而由于产品的可靠性越来越高，现场失效数据越来越少，使用该方法已经越来越困难。后者由于可以在较短时间内获得较多的失效数据，正成为近年来寿命评估领域研究应用的热点，并取得了很好的效果。

电磁继电器的平均寿命是在良好的实验室条件下获得的，而继电器在实际使用中将受到各种环境因素的影响。在有限的实验室条件下，可以通过构建继电器工作失效模型来评估其剩余寿命。

继电器工作失效率模型为[4］：

式中：λρ为失效率；λb为基本失效率；ΠE为环境系数；ΠQ为质量系数；ΠC为触点型式系数；ΠCyC为动作速度系数；ΠF为应用、结构系数。

继电器基本失效模型为：

式中：A为失效率水平调整系数；NT为温度常数，K；G为温度加速常数；T为工作环境温度，℃；S为工作负载电流与额定阻性负载电流之比；H为电应力加速常数；NS为电应力常数。

根据计算结果，结合继电器寿命模型（图3）可评估继电器的剩余寿命。

图3 继电器寿命模型图Fig.3 Relay life model

图3中平均无故障时间（MTBF）值按厂家和实验室试验后建议应该在15a左右。但考虑到实际运行环境因子的影响，通过继电器工作失效率模型计算、环境湿度因子及继电器寿命趋势分析，得出一个相对保守的最优值，大约为13.2a。该值可作为继电器寿命老化管理周期的一个重要参考值，以提高继电器使用的可靠性和经济性。

5 对策与建议

5.1 老化管理流程

根据上述分析和国内外核电厂继电器老化管理的经验，本文提出以下继电器老化管理流程（见图4）：

图4 继电器老化管理流程Fig.4 Relay aging management process

（1）通过3级清单来筛选、识别可能导致跳机、跳堆或因维修需强迫停机、降负荷的继电器，并建立继电器清单。对清单中的继电器逐一分析，例如进行电路原理分析；确认敏感继电器在电路中的作用，并将敏感继电器的清单录入老化数据库。

（2）根据已建立的继电器电子元器件清单，并结合国内外的经验反馈，有针对性地开展继电器的老化机理分析工作。

（3）根据关键敏感继电器的老化机理分析结论，可以初步给出继电器失效的时间，根据这个时间来制定老化管理的周期。

（4）在继电器运行一定年限后，从大修定期检验中收集清单中异常继电器的数据，并记录在相应的老化数据库。对于快到寿期的继电器，需要提前2～3μa进行抽检，通过对其电子元器件进行加速老化试验来评价继电器的剩余寿命。

（5）根据继电器老化分析结果和预定的周期，制定具体的老化处理措施。

5.2 建议

根据目前大亚湾核电站对中压配电盘中间和出口继电器老化管理的方法、策略及存在的问题，本文提出以下建议：

（1）对继电器进行分类管理。对跳闸和信号继电器分别进行管理，对跳闸继电器进行重点跟踪检查；建议延长无故障后果的报警继电器的更换周期。

（2）分析继电器替代的可操作性。考虑将更换下来的跳闸继电器替代同型号的信号继电器（目前国内外相关电厂已开展了这方面的研究应用）。

（3）分析研究密封继电器替代目前的非密封继电器的可行性[5］。

（4）针对核岛的部分关键继电器制定相关的预防性维修策略。

（5）目前继电器频繁失效的主要原因是运行环境中的湿度引发继电器触点氧化腐蚀失效。因此，应有针对性地提出继电器老化的监测方法、更换周期和维护措施。

6 结论

提高继电器使用寿命对继电器所处的配电盘系统有很大的价值，对继电器加速老化进行分析是非常必要的。本文对大亚湾核电站中压配电盘的中间和出口继电器加速老化的问题进行了分析和研究，提出了继电器老化管理流程和建议，为解决继电器老化管理问题提供了一些新的思路。

[1]杨静.电磁继电器的使用与可靠性研究[J］.中国科技信息，2005（14）：9.

[2]Zhuan－Ke Chen，Koichiro Sawa.Effect of Oxide Films and Arc Duration Characteristics on Ag Contact Resistance Behavior [J］.IEEE Transactions on Components Packaging and Manufacturing Technology－part，1995，18（2）：128－132.

[3]韩英歧 .电磁式继电器的作用可靠性[J］.电子元器件应用，2001（5）：14－18.

[4]姚芳 .触点电接触失效预测的研究[D］.河北：河北工业大学博士学位论文，2004.

[5]Zhuan－Ke Chen，Koichiro Sawa.Effect of oxide films and arcduration chracteristics on Ag contact resistance behavior [J］.IEEE Transactions on Components Packaging and Manufacturing Technology－part，1995，18（2）.