提高继电器小负载条件下接触可靠性的方法

涂德慧 戴晨阳 沈立飞

摘 要 探讨继电器小负载条件下的失效原因和工作特点，并推荐在DCS/PLC/SIS等系统中通过选择合适的继电器、完善检测电路设计方法予以解决。

关键词 继电器 小负载 接触 可靠性 控制系统

中图分类号 TM58   文献标志码 B   文章编号 1000?3932（2024）01?0038?04

在控制系统的DI继电器扩展模块、AC/DC开关电源继电器告警输出、交换机告警输出、安全栅DO输出电路等设计中，会大量用到继电器，这类继电器触点的闭合状态会送给关联的DI检测电路进行状态采集。但这类DI检测电路工作的典型特点是电流小、电压低，当继电器选型或DI检测电路设计不合理时，易出现DI检测电路信号检测异常问题，具体表现为继电器触点物理上已闭合，但DI检测电路检测状态仍为开路。

DI用继电器与DO用继电器使用情况不同。DI用继电器触点主要工作在小电流（毫安级）、低电压条件下，触点材料消耗可以忽略，但接触表面容易积碳，导致触点接触不良。而DO用继电器触点通常工作在大电流（安培级）条件下，触点材料会随着动作次数的增加不断消耗（这也是DO用继电器标称电气寿命次数有限的主要原因），并且触点断开时产生的电弧能将触点表面的有机物燃烧掉，不会出现因积碳导致的接触不良问题。

1 继电器小负载条件下接触不良案例

中控技术股份有限公司实施的某项目中，用DI卡采集某国外品牌安全栅继电器输出触点信号作为信号输入（24 V配电），两者配套使用一段时间后，出现DI信号偶尔采集不到的情况，直接影响了现场工艺的正常运行。

在实验室，减小DI采集回路电阻，当采集电流约为6 mA时，信号采集恢复正常。对问题继电器做进一步分析，继电器线包电阻在标称范围内，继电器触点材料未见明显损耗，但有积碳痕迹，如图1所示。

经查阅资料［1］，继电器触点低负载条件下的影响因素有两个：

a. 在触点断开过程中，触头挤压处的温度会上升到触点材料的熔点温度，接着会达到触头材料的沸点温度，触点表面材料发生剥蚀。

b. 触点断开时产生的低能量短弧破坏了环境中的碳氢化合物，从而在触头上产生积碳，但短弧的能量不足以使碳燃烧掉，触点积碳导致了触点接触不良的问题发生。

尽管继电器规格书中通常会给出触点最小负载技术指标（图2），但这个值只是一个参考值，检测电路设计简单，拿来使用存在风险。

最小负载指标曲线

继电器触点最小负载指标是继电器触点可通断最小负载的参考值，该值根据通断频率、环境条件、期望的接触电阻及可靠性等的不同而改变，继电器规格书中通常会提示实际使用时要结合实际应用开展测试确认。

2 DI检测电路的工作特点

导致DI检测电路工作异常的原因，除与继电器触点材料有关外，也与DI检测电路的工作特点（小电流、低电压）有关。图3是典型控制系统DI卡采集硬件电路，当触点闭合时，检测回路中流过一个电流值，从而可以检测到开关闭合的状态。

为推动各类传感器与控制系统应用兼容，IEC 61131.2—2017、IEC 61131.2—2007和GB/T 15969.2—2008对DI采集电路的标准工作范围进行了约定，图4摘录了最常用的24、48 V直流扫描电压、电流建议值。

按控制系统最新标准IEC 61131.2—2017 ，第2类数字输入已不推荐新设计使用，原因是第2类数字输入会导致DI采集电路热功耗增加，不利于设计高集成度的DI采集部件。

从以上信息可以看出，DI检测电路在触点导通的情况下，工作电流通常在2～15 mA或6～30 mA之间，且最新标准推荐折使用范围为2～15 mA。

3 提高继电器小负载条件下接触可靠性的方法

3.1 触点材料优化与结构选型优化

优化继电器触点材料、结构选型工作，具备条件时优先考虑选用信号继电器配套。在产品部件设计时，DI用继电器触点材料（表1）、结构要精心选择。

在小负载条件下选用继电器，除触点材料外，触点接触方式不同，可靠性也会不同，如单接点和双接点比较，双接点的可靠性更高（图5）。

目前市场上还有一类信号继电器的产品，这类继电器主要处理低电压、小电流应用。控制系统中配套开发了AC/DC开关电源继电器告警输出、交换机告警输出、安全栅DO输出电路，可优先选择信號继电器配套。

信号继电器和功率继电器的结构非常相似，两者的区别在于尺寸、额定电压、额定电流和触点材料。功率继电器的额定电压为250 V（AC）或30 V（DC），电流一般在2 A以上。而信号继电器额定电压一般在5～30 V（DC）；有时会给出交流规格，但仅限于125 V（AC），额定电流为2 A或更低。信号继电器目前多采用相对较小的PCB安装方式，继电器整体体积较小，设计比较省空间。

3.2 继电器触点冗余设计

继电器触点冗余设计思路源自上一部分提到的继电器双接点结构，当DI用继电器具备双输出触点时，在电路上将两对触点直接并接起来作为一个触点使用，当配套DI检测电路工作时，能显著提高继电器小负载条件下接触的可靠性。根据理论计算，假定单接点单次接通的失效率为1×10-7，则双接点的失效率只有1×10-14，失效率呈指数下降。

3.3 优化DI检测电路设计

通过优化DI检测电路电阻，适当增大回路的工作电流。一般DI检测电路建议将实际工作电流设计在6～12 mA的水平，SIS等涉及安全应用的产品建议将实际工作电流设计在20 mA左右的水平。通过DI检测电路优化设计，可大幅提高检测电路对DI信号检测的可靠性。

4 继电器小负载条件下接触可靠性的验证

前文已经提到过，目前继电器规格书中提供的继电器最小负载技术指标只具参考性，落实到具体产品放行时，还是应开展实际应用模拟测试验证，证明继电器及其检测电路在小负载条件下工作时，其动作可靠性是有保障的。

通常选择10只继电器，每只继电器按0.1 s间隔开关的方式连续动作100万次，监视动作失效情况，10只继电器都能通过测试的，认为达到了一般失效率要求（1×10-7）。对仅输出告警状态的设备，考虑到通用性，测试配套用检测电路要求将检测电流调整为2 mA，这样验证就能够保证产品验证结果的严谨性了。

5 结束语

控制系统应用中，通过选择合适的DI用继电器，优化DI检测电路设计，可提高继电器在小负载条件下的接触可靠性，从而提高整个控制系统工作的可靠性。

参 考 文 献

［1］ JOHLER W.小负载触头的可靠开关转换［C］//第三届电工产品可靠性与电接触国际会议.北京：中国电工技术学会，2009：44-53.