大連交通技師學(xué)院 王軍艷

操作人員在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行就地停運(yùn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)開(kāi)關(guān)無(wú)法停運(yùn)。將開(kāi)關(guān)拉至試驗(yàn)位，再次進(jìn)行就地停運(yùn)操作，結(jié)果前2次失敗、后4次分閘成功，最終將設(shè)備停運(yùn)，針對(duì)此次出現(xiàn)的問(wèn)題，進(jìn)行故障原因的查找。

1 事件分析

詢?cè)韴D紙，部分回路見(jiàn)圖1，其中001XR 繼電器為就地合閘繼電器，002XR 為就地分閘繼電器，“CLOSE”為就地合閘指令，“TRIP”為就地分閘指令。在就地啟動(dòng)分閘過(guò)程中，使用萬(wàn)用表持續(xù)檢查002XR-13與14觸點(diǎn)（繼電器正、負(fù)的電源端子）間的電壓差為110V 左右，這說(shuō)明就地分閘命令已發(fā)送到設(shè)備本體，但觀察繼電器沒(méi)有動(dòng)作（正常繼電器動(dòng)作時(shí)會(huì)發(fā)出吸合聲音），通過(guò)使用萬(wàn)用表量取繼電器的輔助常開(kāi)節(jié)點(diǎn)沒(méi)有閉合，常閉節(jié)點(diǎn)沒(méi)有打開(kāi)，這也表明繼電器線圈的端子上雖已帶動(dòng)作電壓，但繼電器本身卻沒(méi)有真實(shí)動(dòng)作。

圖1 分合閘原理圖

將該開(kāi)關(guān)間隔的所有控制電源、裝置電源和動(dòng)力電源斷電進(jìn)行隔離，把002XR 繼電器從底座拔出，發(fā)現(xiàn)輔助接點(diǎn)表面存在硫化現(xiàn)象，該間隔內(nèi)相鄰的繼電器同樣存在類似現(xiàn)象，推斷是由于附著在節(jié)點(diǎn)上的硫化物導(dǎo)致接觸器分閘回路接觸電阻變大、分壓增大，使分閘線圈兩端電壓下降，達(dá)不到線圈的最低分閘動(dòng)作電壓，所以接觸器無(wú)法分閘。

將該間隔和備用倉(cāng)室的部分繼電器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室分析，對(duì)嚴(yán)重失效樣品的觸點(diǎn)進(jìn)行耐壓測(cè)試，結(jié)果顯示耐壓值大多超過(guò)10V、部分耐壓甚至達(dá)到64V，表明觸點(diǎn)吸附膜層材料的耐壓強(qiáng)度很高。參考相關(guān)規(guī)范可知，控制回路在正常最大負(fù)荷時(shí)控制母線至各設(shè)備的電壓降，不應(yīng)超過(guò)額定電壓的10%，110V控制母線電壓經(jīng)繼電器觸點(diǎn)及回路的壓降和不應(yīng)大于11V?？赏茰y(cè)當(dāng)接觸電阻大于被控繼電器線圈電阻的25%時(shí)，被控繼電器處于不可靠動(dòng)作狀態(tài)，繼電器將失去邏輯控制功能。當(dāng)超差較大時(shí)，即使觸點(diǎn)所帶負(fù)載功率較高，回路將依然無(wú)法接通，觸點(diǎn)仍處于開(kāi)路狀態(tài)，繼電器因而失去驅(qū)動(dòng)合閘的功能。

經(jīng)過(guò)進(jìn)一步核實(shí)，測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)車間濕度為87.2%、溫度25℃，不滿足維修手冊(cè)中對(duì)車間濕度的要求。通過(guò)檢查現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件，發(fā)現(xiàn)當(dāng)時(shí)處于秋季多雨季節(jié)，車間外部環(huán)境濕度較大，車間的通風(fēng)風(fēng)機(jī)運(yùn)行加快了屋內(nèi)濕度的增加速度。繼電器觸點(diǎn)接觸電阻增大是引起繼電器失效的主要原因，其接觸電阻增大的原因是：

繼電器內(nèi)部有機(jī)材料揮發(fā)。繼電器長(zhǎng)期存放，其內(nèi)部有機(jī)材料中各種助劑及部分聚合物材料老化揮發(fā)。繼電器使用過(guò)程中線包長(zhǎng)期勵(lì)磁產(chǎn)生熱量，引起內(nèi)裝零部件溫度上升，其中線包是主要熱源，溫度可達(dá)60℃，繼電器內(nèi)部溫度上升加速了繼電器內(nèi)部有機(jī)材料中各種助劑及部分聚合物材料的老化揮發(fā)。

觸點(diǎn)吸附繼電器內(nèi)部有機(jī)材料揮發(fā)物形成有機(jī)膜。觸點(diǎn)材料為銀鍍金，由于金材料表面能較高，較易吸附有機(jī)氣體，并且這種吸附作用隨溫度升高而加強(qiáng)。觸點(diǎn)吸附繼電器內(nèi)部各種助劑及部分聚合物材料的揮發(fā)物形成有機(jī)膜；觸點(diǎn)電熱效應(yīng)導(dǎo)致部分碳膜形成。觸點(diǎn)動(dòng)作過(guò)程中，由于電壓、電流產(chǎn)生的熱效應(yīng)，引起觸點(diǎn)表面有機(jī)膜局部高溫，產(chǎn)生化學(xué)變化（碳化）而形成碳膜，并逐步積累到一定程度，使接觸呈高阻特性。當(dāng)觸點(diǎn)表面形成的膜層（有機(jī)膜和碳膜）較厚并累積達(dá)微米級(jí)時(shí)，膜層無(wú)法通過(guò)隧道及熱電子發(fā)射效應(yīng)導(dǎo)電，宏觀表現(xiàn)為接觸電阻超差較大。

通過(guò)新舊繼電器觸點(diǎn)表面進(jìn)行全譜分析及掃描電子顯微鏡（SEM）檢查，發(fā)現(xiàn)舊觸點(diǎn)表面存在較多的S 元素。經(jīng)分析S 元素是空氣中SO2等硫化物和銀反應(yīng)后生成的Ag2S 產(chǎn)物，在常溫下屬于絕緣材料，它會(huì)直接導(dǎo)致接觸電阻升高。銀在常溫下極易和硫化物反應(yīng)生成Ag2S，若長(zhǎng)期積累可形成Ag2S 表面膜。正常情況下，在電弧、觸點(diǎn)間的機(jī)械撞擊等作用下，可破壞Ag2S 膜并達(dá)到金屬接觸的效果。但若在小電壓、小電流和較低頻率等使用條件下，破壞作用將大大減弱。若Ag2S 膜的生長(zhǎng)速度超過(guò)破壞速度，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的積累過(guò)程，就會(huì)造成接觸電阻增大的失效模式。該類繼電器非密封，隨著周圍環(huán)境的污染惡化，觸點(diǎn)所處環(huán)境中會(huì)存在更多的硫化物氣體，同時(shí)存在金屬銀易與硫化物反應(yīng)的特性，導(dǎo)致觸點(diǎn)接觸電阻增大。

2 暴露出的問(wèn)題

2.1 設(shè)備的環(huán)境管控不足

這是一起由于疏于對(duì)于環(huán)境的管理導(dǎo)致設(shè)備不可靠運(yùn)行的案例。在設(shè)備投運(yùn)前，由于專注于對(duì)設(shè)備和系統(tǒng)本身質(zhì)量和功能的檢查，而忽視了對(duì)設(shè)備所處環(huán)境的關(guān)注。在設(shè)備運(yùn)行維護(hù)手冊(cè)中，對(duì)設(shè)備的運(yùn)行環(huán)境、主要是關(guān)于溫濕度參數(shù)已有明確的要求。主控室、計(jì)算機(jī)室、繼電器室、通信機(jī)房及其他工藝按要求的房間宜設(shè)置空調(diào)?？照{(diào)房間的室內(nèi)溫度、濕度應(yīng)滿足工藝要求，工藝無(wú)特殊要求時(shí)，夏季設(shè)計(jì)溫度為26℃～28℃、冬季設(shè)計(jì)溫度18℃～20℃，相對(duì)濕度不宜高于70%。

如何保證設(shè)備能在要求的環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行？首先是設(shè)備本身的防火封堵是否完整，若不完整將導(dǎo)致潮氣直接進(jìn)入。還需特別注意防火封堵完成后，由于后續(xù)設(shè)計(jì)又新增電纜，再次鋪設(shè)施工過(guò)程中破壞了原有封堵。有時(shí)因現(xiàn)場(chǎng)施工和恢復(fù)防火封堵人員為不同單位，常導(dǎo)致破壞的封堵沒(méi)有及時(shí)恢復(fù)或是忘記恢復(fù)，這也就導(dǎo)致了外部潮氣通過(guò)破壞的空洞進(jìn)入了設(shè)備倉(cāng)內(nèi)。還需注意現(xiàn)場(chǎng)電纜溝道的防水處理。本事件的車間位于室外地面，電纜溝位于地下。在雨季時(shí)由于滲水常導(dǎo)致電纜溝道中存在積水。應(yīng)在設(shè)計(jì)審查時(shí)提出進(jìn)行相應(yīng)的防水要求，必要時(shí)進(jìn)行防水溝道的部分格擋以阻止雨水滲入電纜溝。車間移交時(shí)需查看電纜溝道的防水測(cè)試合格記錄表。

為保持環(huán)境的溫濕度穩(wěn)定，還需在車間內(nèi)增加與車間面積匹配的空調(diào)數(shù)量，若不具備安裝中央空調(diào)時(shí)，應(yīng)安裝工業(yè)級(jí)空調(diào)并應(yīng)具備溫濕度調(diào)節(jié)功能，并隨外部環(huán)境變化而適應(yīng)性調(diào)整，在雨季時(shí)增加排濕功能，但要降低室內(nèi)溫度。

2.2 設(shè)備的老化管理意識(shí)不足

對(duì)于繼電器的失效點(diǎn)一般主要有3點(diǎn)：接點(diǎn)失效。接點(diǎn)動(dòng)作瞬間燃弧形成的碳化物沉積在觸點(diǎn)表面，此故障多數(shù)是接點(diǎn)帶的感性負(fù)載。接點(diǎn)很少動(dòng)作，動(dòng)、靜觸頭帶正、負(fù)電有一定的靜電吸塵作用，觸點(diǎn)表面吸附有灰塵。繼電器未進(jìn)行調(diào)校，往往有各對(duì)接點(diǎn)的接觸不同期，動(dòng)、靜接點(diǎn)間無(wú)壓力行程。觸點(diǎn)粘結(jié)。在接點(diǎn)切除直流感性負(fù)載的瞬間，電感產(chǎn)生反電勢(shì)形成電弧，造成觸點(diǎn)金屬轉(zhuǎn)移或熔焊而橋接[1]。接點(diǎn)在斷開(kāi)狀態(tài)時(shí)動(dòng)、靜接點(diǎn)間絕緣不良，開(kāi)接點(diǎn)或閉接點(diǎn)不同期導(dǎo)致其它接點(diǎn)失效[2]；機(jī)械部件故障。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)卡澀、復(fù)位彈簧銹蝕、內(nèi)部多余物使銜鐵運(yùn)動(dòng)受阻；線圈失效：線圈長(zhǎng)期帶電過(guò)熱熔斷、線圈引出端虛焊或疲勞折斷、線圈受潮或過(guò)熱短路。

針對(duì)這些失效模式，應(yīng)該提前采取不同的識(shí)別方法，制定相對(duì)應(yīng)的處理措施。預(yù)防性試驗(yàn)過(guò)程中的繼電器校驗(yàn)就是發(fā)現(xiàn)設(shè)備老化的重要手段，校驗(yàn)主要項(xiàng)目有：繼電器動(dòng)作電壓（電流）、返回電壓（電流）、線圈直阻、接點(diǎn)接觸電阻等，對(duì)于大功率繼電器，還需對(duì)其動(dòng)作功率進(jìn)行測(cè)量。如有特殊要求，還需做接點(diǎn)間的絕緣電阻和接點(diǎn)對(duì)外殼絕緣電阻的檢查[3]。然后需對(duì)繼電器的相關(guān)維修信息整理、歸納和分析。雖然對(duì)維修和維護(hù)的信息進(jìn)行記錄，但數(shù)據(jù)只是按照原始的狀態(tài)羅列、數(shù)據(jù)零散，沒(méi)有對(duì)它們進(jìn)行歸類統(tǒng)計(jì)、分析，不能總結(jié)出某種具體型號(hào)繼電器在運(yùn)行狀態(tài)的總的維修和維護(hù)情況[4]。

因此，不清楚繼電器現(xiàn)在所處的老化狀況，把個(gè)性當(dāng)成普遍性、統(tǒng)稱“老化”，盲目大面積更換繼電器，造成極大浪費(fèi)和維修成本的增加，也沒(méi)有數(shù)據(jù)證明系統(tǒng)可靠性比更換前有多大提高。所以需完整全面的清單化、趨勢(shì)化的梳理和管理，并對(duì)于故障率頻繁的繼電器重點(diǎn)關(guān)注，盡早提出改造需求，以保證日常期間的可靠運(yùn)行[5]。

針對(duì)處理措施，比如對(duì)由于接點(diǎn)動(dòng)作瞬間燃弧形成的碳化物沉積在觸點(diǎn)表面，此時(shí)需對(duì)鍍金或鍍銀接點(diǎn)用白綢布蘸酒精或清洗濟(jì)擦洗，處理后接觸電阻應(yīng)小于1Ω；對(duì)烏金或合金觸點(diǎn)接觸電阻應(yīng)小10Ω。對(duì)于經(jīng)常不閉合的常開(kāi)觸點(diǎn)，建議通過(guò)加壓使觸點(diǎn)動(dòng)作數(shù)次后再次測(cè)量，以上處理方式僅對(duì)于該繼電器用于一般性負(fù)荷。若對(duì)于重要負(fù)荷，一旦設(shè)備不可用，建議直接更換經(jīng)測(cè)試合格的新備件，以確保設(shè)備供電可靠性。

對(duì)于繼電器的觸點(diǎn)處理方法沒(méi)有一個(gè)科學(xué)的規(guī)范。有的用綢布蘸酒精擦洗，有的用紙蘸酒精擦洗，有的用沙條打磨等。從繼電器老化的機(jī)理來(lái)審視目前的處理方法，其中用沙條打磨的方法就很不可取，不但不能延長(zhǎng)繼電器壽命反而加速了繼電器的老化，應(yīng)該取締。用于清洗接點(diǎn)的清洗劑只有酒精，酒精對(duì)清洗粉塵和雜質(zhì)的污染有效，但對(duì)電弧熏黑的斑點(diǎn)清洗效果不理想。用丙酮清洗效果好但不環(huán)保，已禁止使用。選用清洗效果好又環(huán)保的清洗濟(jì)有待規(guī)范。

2.3 具體整改落實(shí)措施

由設(shè)備管理部門建立維修大綱，針對(duì)中間繼電器進(jìn)行一定年限的整體更換計(jì)劃，提前進(jìn)行備件采購(gòu)，在周期達(dá)到后提前進(jìn)行校驗(yàn)，設(shè)備停電后直接將檢驗(yàn)合格的繼電器代替使用中的繼電器，以縮短整個(gè)停電工期，減少對(duì)正常生產(chǎn)的影響。

將失效的繼電器送實(shí)驗(yàn)室進(jìn)一步分析，探索是否可進(jìn)行繼電器替代的方案，使得繼電器針對(duì)惡劣的環(huán)境條件可仍保持正常運(yùn)行。同步考慮繼電器的防塵、防水的密封性能，以及在多次動(dòng)作后減少觸點(diǎn)表面的氧化以增加接觸電阻的控制方案。經(jīng)初步調(diào)研，存在兩種普遍的做法：一是現(xiàn)有繼電器直接換型，為保證與當(dāng)前機(jī)柜的匹配，盡量減少整個(gè)的改造工程量，更換為整體性能更為良好的繼電器，線圈完全密封，且充入惰性氣體——?dú)鍤獾姆桨?；二是采用在原有繼電器基礎(chǔ)上增加消弧回路，可最大限度減少繼電器觸點(diǎn)在斷開(kāi)拉弧時(shí)電弧對(duì)觸點(diǎn)表面氧化的影響。雖然外部有成熟的經(jīng)驗(yàn)，但仍需將改造后或新型號(hào)繼電器在部分備用間隔進(jìn)行試用，經(jīng)過(guò)對(duì)試用后的繼電器情況進(jìn)行詳細(xì)分析和研究后，經(jīng)評(píng)審?fù)ㄟ^(guò)后才能最終現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施。

升版設(shè)備巡檢表格，補(bǔ)充對(duì)設(shè)備所處的環(huán)境溫度和濕度的監(jiān)控。首先在廠房的溫濕度監(jiān)測(cè)點(diǎn)，確保每次的巡檢位置保持一致性。針對(duì)重要生產(chǎn)性廠房，不僅需對(duì)環(huán)境情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，還需要對(duì)廠房?jī)?nèi)的空調(diào)設(shè)備進(jìn)行檢查是否處于運(yùn)行狀態(tài)、是否工作正常且當(dāng)前工作狀態(tài)是否滿足環(huán)境要求，如濕度控制要求等。對(duì)于季節(jié)性變化，需要適當(dāng)縮短巡檢周期，比如雨季。

通過(guò)對(duì)這起繼電器故障導(dǎo)致的設(shè)備不可用分析，暴露出了繼電器老化治理方面的不足，但通過(guò)分析認(rèn)識(shí)到了問(wèn)題的嚴(yán)重性，也通過(guò)針對(duì)性的整改完成了質(zhì)的變化，為設(shè)備系統(tǒng)的可靠運(yùn)行提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

綜上，繼電器作為工業(yè)自動(dòng)控制的基礎(chǔ)元件，其可靠性對(duì)于控制系統(tǒng)的可靠性、安全性來(lái)說(shuō)，起著至關(guān)重要的作用，尤其是在跳合閘回路中，一旦失效將導(dǎo)致保護(hù)拒動(dòng)、越級(jí)跳閘、故障范圍擴(kuò)大等風(fēng)險(xiǎn)，為了保證系統(tǒng)的可靠性和安全性，繼電器在投入運(yùn)行前或運(yùn)行了一段時(shí)間后，需對(duì)繼電器進(jìn)行校驗(yàn)。繼電器各項(xiàng)指標(biāo)須達(dá)到規(guī)定的技術(shù)要求才能投入運(yùn)行。但對(duì)于已投運(yùn)設(shè)備和系統(tǒng)的環(huán)境容易讓人忽略，應(yīng)在日常巡檢中重點(diǎn)關(guān)注溫濕度變化，預(yù)防性檢修過(guò)程中關(guān)注設(shè)備的老化趨勢(shì)，只有這樣才能防患于未然，讓繼電器在其全周期服役中安全可靠運(yùn)行。