一起继电器故障导致的设备不可用分析

大连交通技师学院 王军艳

操作人员在对系统进行就地停运过程中，发现开关无法停运。将开关拉至试验位，再次进行就地停运操作，结果前2次失败、后4次分闸成功，最终将设备停运，针对此次出现的问题，进行故障原因的查找。

1 事件分析

询原理图纸，部分回路见图1，其中001XR 继电器为就地合闸继电器，002XR 为就地分闸继电器，“CLOSE”为就地合闸指令，“TRIP”为就地分闸指令。在就地启动分闸过程中，使用万用表持续检查002XR-13与14触点（继电器正、负的电源端子）间的电压差为110V 左右，这说明就地分闸命令已发送到设备本体，但观察继电器没有动作（正常继电器动作时会发出吸合声音），通过使用万用表量取继电器的辅助常开节点没有闭合，常闭节点没有打开，这也表明继电器线圈的端子上虽已带动作电压，但继电器本身却没有真实动作。

图1 分合闸原理图

将该开关间隔的所有控制电源、装置电源和动力电源断电进行隔离，把002XR 继电器从底座拔出，发现辅助接点表面存在硫化现象，该间隔内相邻的继电器同样存在类似现象，推断是由于附着在节点上的硫化物导致接触器分闸回路接触电阻变大、分压增大，使分闸线圈两端电压下降，达不到线圈的最低分闸动作电压，所以接触器无法分闸。

将该间隔和备用仓室的部分继电器进行实验室分析，对严重失效样品的触点进行耐压测试，结果显示耐压值大多超过10V、部分耐压甚至达到64V，表明触点吸附膜层材料的耐压强度很高。参考相关规范可知，控制回路在正常最大负荷时控制母线至各设备的电压降，不应超过额定电压的10%，110V控制母线电压经继电器触点及回路的压降和不应大于11V。可推测当接触电阻大于被控继电器线圈电阻的25%时，被控继电器处于不可靠动作状态，继电器将失去逻辑控制功能。当超差较大时，即使触点所带负载功率较高，回路将依然无法接通，触点仍处于开路状态，继电器因而失去驱动合闸的功能。

经过进一步核实，测量现场车间湿度为87.2%、温度25℃，不满足维修手册中对车间湿度的要求。通过检查现场环境条件，发现当时处于秋季多雨季节，车间外部环境湿度较大，车间的通风风机运行加快了屋内湿度的增加速度。继电器触点接触电阻增大是引起继电器失效的主要原因，其接触电阻增大的原因是：

继电器内部有机材料挥发。继电器长期存放，其内部有机材料中各种助剂及部分聚合物材料老化挥发。继电器使用过程中线包长期励磁产生热量，引起内装零部件温度上升，其中线包是主要热源，温度可达60℃，继电器内部温度上升加速了继电器内部有机材料中各种助剂及部分聚合物材料的老化挥发。

触点吸附继电器内部有机材料挥发物形成有机膜。触点材料为银镀金，由于金材料表面能较高，较易吸附有机气体，并且这种吸附作用随温度升高而加强。触点吸附继电器内部各种助剂及部分聚合物材料的挥发物形成有机膜；触点电热效应导致部分碳膜形成。触点动作过程中，由于电压、电流产生的热效应，引起触点表面有机膜局部高温，产生化学变化（碳化）而形成碳膜，并逐步积累到一定程度，使接触呈高阻特性。当触点表面形成的膜层（有机膜和碳膜）较厚并累积达微米级时，膜层无法通过隧道及热电子发射效应导电，宏观表现为接触电阻超差较大。

通过新旧继电器触点表面进行全谱分析及扫描电子显微镜（SEM）检查，发现旧触点表面存在较多的S 元素。经分析S 元素是空气中SO2等硫化物和银反应后生成的Ag2S 产物，在常温下属于绝缘材料，它会直接导致接触电阻升高。银在常温下极易和硫化物反应生成Ag2S，若长期积累可形成Ag2S 表面膜。正常情况下，在电弧、触点间的机械撞击等作用下，可破坏Ag2S 膜并达到金属接触的效果。但若在小电压、小电流和较低频率等使用条件下，破坏作用将大大减弱。若Ag2S 膜的生长速度超过破坏速度，经过长期的积累过程，就会造成接触电阻增大的失效模式。该类继电器非密封，随着周围环境的污染恶化，触点所处环境中会存在更多的硫化物气体，同时存在金属银易与硫化物反应的特性，导致触点接触电阻增大。

2 暴露出的问题

2.1 设备的环境管控不足

这是一起由于疏于对于环境的管理导致设备不可靠运行的案例。在设备投运前，由于专注于对设备和系统本身质量和功能的检查，而忽视了对设备所处环境的关注。在设备运行维护手册中，对设备的运行环境、主要是关于温湿度参数已有明确的要求。主控室、计算机室、继电器室、通信机房及其他工艺按要求的房间宜设置空调。空调房间的室内温度、湿度应满足工艺要求，工艺无特殊要求时，夏季设计温度为26℃～28℃、冬季设计温度18℃～20℃，相对湿度不宜高于70%。

如何保证设备能在要求的环境中稳定运行？首先是设备本身的防火封堵是否完整，若不完整将导致潮气直接进入。还需特别注意防火封堵完成后，由于后续设计又新增电缆，再次铺设施工过程中破坏了原有封堵。有时因现场施工和恢复防火封堵人员为不同单位，常导致破坏的封堵没有及时恢复或是忘记恢复，这也就导致了外部潮气通过破坏的空洞进入了设备仓内。还需注意现场电缆沟道的防水处理。本事件的车间位于室外地面，电缆沟位于地下。在雨季时由于渗水常导致电缆沟道中存在积水。应在设计审查时提出进行相应的防水要求，必要时进行防水沟道的部分格挡以阻止雨水渗入电缆沟。车间移交时需查看电缆沟道的防水测试合格记录表。

为保持环境的温湿度稳定，还需在车间内增加与车间面积匹配的空调数量，若不具备安装中央空调时，应安装工业级空调并应具备温湿度调节功能，并随外部环境变化而适应性调整，在雨季时增加排湿功能，但要降低室内温度。

2.2 设备的老化管理意识不足

对于继电器的失效点一般主要有3点：接点失效。接点动作瞬间燃弧形成的碳化物沉积在触点表面，此故障多数是接点带的感性负载。接点很少动作，动、静触头带正、负电有一定的静电吸尘作用，触点表面吸附有灰尘。继电器未进行调校，往往有各对接点的接触不同期，动、静接点间无压力行程。触点粘结。在接点切除直流感性负载的瞬间，电感产生反电势形成电弧，造成触点金属转移或熔焊而桥接[1]。接点在断开状态时动、静接点间绝缘不良，开接点或闭接点不同期导致其它接点失效[2]；机械部件故障。传动机构卡涩、复位弹簧锈蚀、内部多余物使衔铁运动受阻；线圈失效：线圈长期带电过热熔断、线圈引出端虚焊或疲劳折断、线圈受潮或过热短路。

针对这些失效模式，应该提前采取不同的识别方法，制定相对应的处理措施。预防性试验过程中的继电器校验就是发现设备老化的重要手段，校验主要项目有：继电器动作电压（电流）、返回电压（电流）、线圈直阻、接点接触电阻等，对于大功率继电器，还需对其动作功率进行测量。如有特殊要求，还需做接点间的绝缘电阻和接点对外壳绝缘电阻的检查[3]。然后需对继电器的相关维修信息整理、归纳和分析。虽然对维修和维护的信息进行记录，但数据只是按照原始的状态罗列、数据零散，没有对它们进行归类统计、分析，不能总结出某种具体型号继电器在运行状态的总的维修和维护情况[4]。

因此，不清楚继电器现在所处的老化状况，把个性当成普遍性、统称“老化”，盲目大面积更换继电器，造成极大浪费和维修成本的增加，也没有数据证明系统可靠性比更换前有多大提高。所以需完整全面的清单化、趋势化的梳理和管理，并对于故障率频繁的继电器重点关注，尽早提出改造需求，以保证日常期间的可靠运行[5]。

针对处理措施，比如对由于接点动作瞬间燃弧形成的碳化物沉积在触点表面，此时需对镀金或镀银接点用白绸布蘸酒精或清洗济擦洗，处理后接触电阻应小于1Ω；对乌金或合金触点接触电阻应小10Ω。对于经常不闭合的常开触点，建议通过加压使触点动作数次后再次测量，以上处理方式仅对于该继电器用于一般性负荷。若对于重要负荷，一旦设备不可用，建议直接更换经测试合格的新备件，以确保设备供电可靠性。

对于继电器的触点处理方法没有一个科学的规范。有的用绸布蘸酒精擦洗，有的用纸蘸酒精擦洗，有的用沙条打磨等。从继电器老化的机理来审视目前的处理方法，其中用沙条打磨的方法就很不可取，不但不能延长继电器寿命反而加速了继电器的老化，应该取缔。用于清洗接点的清洗剂只有酒精，酒精对清洗粉尘和杂质的污染有效，但对电弧熏黑的斑点清洗效果不理想。用丙酮清洗效果好但不环保，已禁止使用。选用清洗效果好又环保的清洗济有待规范。

2.3 具体整改落实措施

由设备管理部门建立维修大纲，针对中间继电器进行一定年限的整体更换计划，提前进行备件采购，在周期达到后提前进行校验，设备停电后直接将检验合格的继电器代替使用中的继电器，以缩短整个停电工期，减少对正常生产的影响。

将失效的继电器送实验室进一步分析，探索是否可进行继电器替代的方案，使得继电器针对恶劣的环境条件可仍保持正常运行。同步考虑继电器的防尘、防水的密封性能，以及在多次动作后减少触点表面的氧化以增加接触电阻的控制方案。经初步调研，存在两种普遍的做法：一是现有继电器直接换型，为保证与当前机柜的匹配，尽量减少整个的改造工程量，更换为整体性能更为良好的继电器，线圈完全密封，且充入惰性气体——氩气的方案；二是采用在原有继电器基础上增加消弧回路，可最大限度减少继电器触点在断开拉弧时电弧对触点表面氧化的影响。虽然外部有成熟的经验，但仍需将改造后或新型号继电器在部分备用间隔进行试用，经过对试用后的继电器情况进行详细分析和研究后，经评审通过后才能最终现场实施。

升版设备巡检表格，补充对设备所处的环境温度和湿度的监控。首先在厂房的温湿度监测点，确保每次的巡检位置保持一致性。针对重要生产性厂房，不仅需对环境情况进行监测，还需要对厂房内的空调设备进行检查是否处于运行状态、是否工作正常且当前工作状态是否满足环境要求，如湿度控制要求等。对于季节性变化，需要适当缩短巡检周期，比如雨季。

通过对这起继电器故障导致的设备不可用分析，暴露出了继电器老化治理方面的不足，但通过分析认识到了问题的严重性，也通过针对性的整改完成了质的变化，为设备系统的可靠运行提供了坚实的基础。

综上，继电器作为工业自动控制的基础元件，其可靠性对于控制系统的可靠性、安全性来说，起着至关重要的作用，尤其是在跳合闸回路中，一旦失效将导致保护拒动、越级跳闸、故障范围扩大等风险，为了保证系统的可靠性和安全性，继电器在投入运行前或运行了一段时间后，需对继电器进行校验。继电器各项指标须达到规定的技术要求才能投入运行。但对于已投运设备和系统的环境容易让人忽略，应在日常巡检中重点关注温湿度变化，预防性检修过程中关注设备的老化趋势，只有这样才能防患于未然，让继电器在其全周期服役中安全可靠运行。