張濤 唐堂 施海寧　劉韜　杭玉樺

摘要：核電廠繼電器種類多、數(shù)量大、故障率高，繼電器的老化狀態(tài)與可靠性直接影響整個電氣、儀控系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。通過對核電廠繼電器的結(jié)構(gòu)與材料、外部經(jīng)驗反饋、失效模式等進行統(tǒng)計，分析繼電器的老化機理，繼電器老化影響因素有環(huán)境應力、機械應力、電應力、熱應力。在此基礎(chǔ)上總結(jié)了對繼電器老化的識別，并簡要闡述了繼電器老化緩解建議。

關(guān)鍵詞：繼電器;老化管理;探討;研究

Discussion on Aging Management of Relay in Nuclear Power Plant

ZHANG Tao TANG Tang SHI Haining LIU Tao HANG Yuhua

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

Abstract：The aging state and reliability of relays directly affect the performance and stability of the whole electrical and I & C system.Based on the statistics of structure and material， external experience feedback and failure mode of relay in nuclear power plant， the aging mechanism of relay is analyzed. The influencing factors of relay aging include environmental stress， mechanical stress， electrical stress and thermal stress. On this basis， it summarizes the identification of relay aging， and briefly describes the mitigation suggestions of relay aging.

Key Words： Relay; Aging management; Explore; Research

核電廠繼電器種類多、數(shù)量大、故障率高，繼電器的老化狀態(tài)與可靠性直接影響整個電氣、儀控系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。繼電器必須具有良好的通斷性能和足夠長的壽命，以保障使用它的電氣設備的運行安全及可靠性。國內(nèi)多個核電廠曾因繼電器故障導致跳機跳堆。繼電器在長期運行中，其組件在多種老化應力的作用下會發(fā)生老化降級。本文從繼電器的機構(gòu)與材料統(tǒng)計出發(fā)，結(jié)合外部經(jīng)驗反饋與繼電器失效模式，詳細分析了繼電器的各種老化機理，進而總結(jié)了對繼電器老化的識別方式，并提出了老化緩解行動方向。

1 結(jié)構(gòu)與材料

繼電器在長期運行中，組件的材料會出現(xiàn)老化降級^[1-2]。為了對繼電器的老化狀態(tài)進行研究，有必要弄清楚其主要結(jié)構(gòu)及其材料。電磁繼電器的組件及其典型材料如表1所示，時間繼電器的組件及其典型材料與電磁繼電器類似。

2 經(jīng)驗反饋

外部經(jīng)驗反饋主要來自INPO的數(shù)據(jù)庫。根據(jù)INPO的EPIX中的統(tǒng)計（主要是2007-2011年與繼電器故障有關(guān)的事件），共29個案例，獲得了集團外核電廠繼電器在使用過程的一些相關(guān)經(jīng)驗反饋。大約一半的繼電器故障涉及應急柴油發(fā)電機（EDG），共計14例，產(chǎn)生的后果主要是EDG不能啟動、EDG不能加載/運轉(zhuǎn)?？刂评^電器和延時繼電器故障的頻率最高，約占故障總量的55%。大約55%的故障涉及線圈不帶電繼電器（日常工作時）^[3]。最多的原因是預防性維修（PM）缺陷，其次是制造缺陷。將繼電器常見的發(fā)生故障的部件進行統(tǒng)計總結(jié)后發(fā)現(xiàn)，觸點是最常見的發(fā)生故障的部件，其次是線圈。

3 失效模式

繼電器的失效主要發(fā)生在觸點、線圈和機械組件失效等幾個部分，繼電器在工作狀態(tài)下的失效模式主要表現(xiàn)為觸點失效和線圈失效。根據(jù)國內(nèi)外的運行情況統(tǒng)計表明，繼電器約有80%以上的失效集中在觸點系統(tǒng)和線圈系統(tǒng)。

繼電器線圈失效的常見表現(xiàn)方式為線圈斷裂、絕緣降低或擊穿、線圈電阻值超差或短路。導致線圈失效的主要應力是熱應力，而熱應力可能來自很多方面，例如：連續(xù)長時間勵磁、間隙、感性浪涌及感應沖擊、環(huán)境溫度升高等。除此以外，濕度也是一種可能導致線圈失效的應力。

4 老化機理

繼電器在長期運行過程中，其組件在多種老化應力的作用下會發(fā)生老化降級。老化應力一般分為4類：環(huán)境應力、機械應力、電應力以及熱應力^[4]。圖1是各種老化應力導致繼電器失效的示意圖。

4.1 環(huán)境應力

環(huán)境應力可分為使用環(huán)境條件以及設計的試驗環(huán)境條件，它們會從不同的方面以不同的程度對繼電器產(chǎn)生影響。正常的環(huán)境條件通過對繼電器材料或結(jié)構(gòu)的影響，使繼電器的性能逐漸下降，這是一種自然的持續(xù)狀態(tài)。正常環(huán)境下的老化降級只可能導致隨機失效。設計的環(huán)境條件（例如地震條件）可能會以突然的、短暫的方式對繼電器產(chǎn)生影響。這種條件下的性能下降就不會是自然的持續(xù)狀態(tài)，而且可能會在短時間內(nèi)使多個繼電器發(fā)生共因故障，甚至可能影響到電廠某些系統(tǒng)的安全功能。

環(huán)境條件主要包括溫度、濕度、化學污染物和灰塵、腐蝕性氣體和輻射等。由于溫度對繼電器性能的影響較大，因此一般將溫度也作為一種重要的老化應力—熱應力來進行分析。環(huán)境條件是繼電器失效的重要誘因，環(huán)境不同，繼電器的失效形式也有所不同。

4.2 機械應力

機械應力主要包括振動、沖擊、磨損、周期性操作應力、連接不良等。例如繼電器的動作頻率過高可能會導致負載的彈簧組件疲勞;繼電器線圈及觸點的電通路連接不良可能會導致燃弧增強、發(fā)熱量增大，最終導致繼電器的加速老化。

4.3 電應力

電應力主要包括電壓、電流、電磁場、電暈和電弧等，而這些電應力類型與觸點負載的性質(zhì)、觸點動作的次數(shù)、觸點工作電壓或電流等密切有關(guān)。

4.4 熱應力

熱應力主要來源于繼電器連續(xù)長時間勵磁發(fā)熱、機柜內(nèi)的高溫和環(huán)境高溫。對于反映溫度變化的溫度繼電器、熱繼電器等來說，環(huán)境溫度的變化直接影響保護特性的變化。對于電磁繼電器來說，溫度的升高會使產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)參數(shù)和動作參數(shù)發(fā)生變化。繼電器連續(xù)長時間勵磁會使繼電器線圈的溫度升高，溫度升高會加速線圈絕緣或其它非金屬材料的降解，導致材料絕緣降級。另外，繼電器線圈的溫度還與環(huán)境和線圈之間的熱傳遞效應相關(guān)。環(huán)境與線圈的熱傳遞效應還會影響觸點的帶載情況。

5 老化識別

在了解繼電器的老化應力、老化機理以及失效模式之后，有必要對失效模式與老化機理進行識別，確定哪些失效模式是由老化引起的。

1）觸點的老化識別

觸點的失效模式比較容易鑒別，主要是接觸電阻增大和觸點接觸不良（時斷時通），而其失效機理是非常復雜的，常常是幾種機理同時作用。因此通過試驗分析的方法識別出觸點失效是由哪種老化機理引起的。

2）線圈的老化識別

由于連續(xù)長時間勵磁、間隙、感性浪涌及感應沖擊、環(huán)境溫度升高、濕度以及海拔高度等因素導致的線圈絕緣降低或擊穿，漆包線漆層老化在高溫下漆層裂縫或脫落而造成線圈短路，通過試驗分析的方法識別出線圈失效是由哪種老化機理引起的。

3）動作特性失效的老化識別

動作電壓（電流）增大、返回電壓（電流）減小、接觸電阻增大及接觸電阻不穩(wěn)定、絕緣電阻減小均屬于老化失效^[5]。時間參數(shù)方面，觸點嚴重腐蝕的表面將發(fā)生明顯變化，會導致觸點動作時間大幅度減小，表面粗糙度增大使回跳時間顯著增大。

4）機械組件的老化識別

活動零件磨損后會出現(xiàn)卡澀問題;若嚴重磨損，可能出現(xiàn)摩擦死點導致卡死;支撐部件振動斷裂，過熱脆化斷裂等，需要通過試驗分析來分析具體的老化機理^[6-7]。

總之，要判斷繼電器的失效是否是由老化引起的，常常需要通過繼電器的失效分析來進行鑒別^[7-8]。

6 老化緩解

繼電器的質(zhì)量、存儲環(huán)境和運行工況等都會直接影響繼電器的工作狀態(tài)和使用壽命?？蓮牟少彙⒋鎯?、合理使用、維修等方面提出老化緩解建議，并建議建立繼電器的老化數(shù)據(jù)庫，全方位開展繼電器的老化管理工作。

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