核電廠繼電器老化管理探討

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(gè)電氣、儀控系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。通過對(duì)核電廠繼電器的結(jié)構(gòu)與材料、外部經(jīng)驗(yàn)反饋、失效模式等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分析繼電器的老化機(jī)理，繼電器老化影響因素有環(huán)境應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力、電應(yīng)力、熱應(yīng)力。在此基礎(chǔ)上總結(jié)了對(duì)繼電器老化的識(shí)別，并簡(jiǎn)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(gè)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(zhǎng)的壽命，以保障使用它的電氣設(shè)備的運(yùn)行安全及可靠性。國(guó)內(nèi)多個(gè)核電廠曾因繼電器故障導(dǎo)致跳機(jī)跳堆。繼電器在長(zhǎng)期運(yùn)行中，其組件在多種老化應(yīng)力的作用下會(huì)發(fā)生老化降級(jí)。本文從繼電器的機(jī)構(gòu)與材料統(tǒng)計(jì)出發(fā)，結(jié)合外部經(jīng)驗(yàn)反饋與繼電器失效模式，詳細(xì)分析了繼電器的各種老化機(jī)理，進(jìn)而總結(jié)了對(duì)繼電器老化的識(shí)別方式，并提出了老化緩解行動(dòng)方向。

1 結(jié)構(gòu)與材料

繼電器在長(zhǎng)期運(yùn)行中，組件的材料會(huì)出現(xiàn)老化降級(jí)^[1-2]。為了對(duì)繼電器的老化狀態(tài)進(jìn)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(shí)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(yàn)反饋

外部經(jīng)驗(yàn)反饋主要來自INPO的數(shù)據(jù)庫(kù)。根據(jù)INPO的EPIX中的統(tǒng)計(jì)（主要是2007-2011年與繼電器故障有關(guān)的事件），共29個(gè)案例，獲得了集團(tuán)外核電廠繼電器在使用過程的一些相關(guān)經(jīng)驗(yàn)反饋。大約一半的繼電器故障涉及應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)（EDG），共計(jì)14例，產(chǎn)生的后果主要是EDG不能啟動(dòng)、EDG不能加載/運(yùn)轉(zhuǎn)?？刂评^電器和延時(shí)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(shí)）^[3]。最多的原因是預(yù)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(jìn)行統(tǒng)計(jì)總結(jié)后發(fā)現(xiàn)，觸點(diǎn)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(diǎn)、線圈和機(jī)械組件失效等幾個(gè)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(diǎn)失效和線圈失效。根據(jù)國(guó)內(nèi)外的運(yùn)行情況統(tǒng)計(jì)表明，繼電器約有80%以上的失效集中在觸點(diǎn)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(dǎo)致線圈失效的主要應(yīng)力是熱應(yīng)力，而熱應(yīng)力可能來自很多方面，例如：連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間勵(lì)磁、間隙、感性浪涌及感應(yīng)沖擊、環(huán)境溫度升高等。除此以外，濕度也是一種可能導(dǎo)致線圈失效的應(yīng)力。

4 老化機(jī)理

繼電器在長(zhǎng)期運(yùn)行過程中，其組件在多種老化應(yīng)力的作用下會(huì)發(fā)生老化降級(jí)。老化應(yīng)力一般分為4類：環(huán)境應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力、電應(yīng)力以及熱應(yīng)力^[4]。圖1是各種老化應(yīng)力導(dǎo)致繼電器失效的示意圖。

4.1 環(huán)境應(yīng)力

環(huán)境應(yīng)力可分為使用環(huán)境條件以及設(shè)計(jì)的試驗(yàn)環(huán)境條件，它們會(huì)從不同的方面以不同的程度對(duì)繼電器產(chǎn)生影響。正常的環(huán)境條件通過對(duì)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(jí)只可能導(dǎo)致隨機(jī)失效。設(shè)計(jì)的環(huán)境條件（例如地震條件）可能會(huì)以突然的、短暫的方式對(duì)繼電器產(chǎn)生影響。這種條件下的性能下降就不會(huì)是自然的持續(xù)狀態(tài)，而且可能會(huì)在短時(shí)間內(nèi)使多個(gè)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(xué)污染物和灰塵、腐蝕性氣體和輻射等。由于溫度對(duì)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(yīng)力—熱應(yīng)力來進(jìn)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(jī)械應(yīng)力

機(jī)械應(yīng)力主要包括振動(dòng)、沖擊、磨損、周期性操作應(yīng)力、連接不良等。例如繼電器的動(dòng)作頻率過高可能會(huì)導(dǎo)致負(fù)載的彈簧組件疲勞;繼電器線圈及觸點(diǎn)的電通路連接不良可能會(huì)導(dǎo)致燃弧增強(qiáng)、發(fā)熱量增大，最終導(dǎo)致繼電器的加速老化。

4.3 電應(yīng)力

電應(yīng)力主要包括電壓、電流、電磁場(chǎng)、電暈和電弧等，而這些電應(yīng)力類型與觸點(diǎn)負(fù)載的性質(zhì)、觸點(diǎn)動(dòng)作的次數(shù)、觸點(diǎn)工作電壓或電流等密切有關(guān)。

4.4 熱應(yīng)力

熱應(yīng)力主要來源于繼電器連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間勵(lì)磁發(fā)熱、機(jī)柜內(nèi)的高溫和環(huán)境高溫。對(duì)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(hù)特性的變化。對(duì)于電磁繼電器來說，溫度的升高會(huì)使產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)參數(shù)和動(dòng)作參數(shù)發(fā)生變化。繼電器連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間勵(lì)磁會(huì)使繼電器線圈的溫度升高，溫度升高會(huì)加速線圈絕緣或其它非金屬材料的降解，導(dǎo)致材料絕緣降級(jí)。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(yīng)相關(guān)。環(huán)境與線圈的熱傳遞效應(yīng)還會(huì)影響觸點(diǎn)的帶載情況。

5 老化識(shí)別

在了解繼電器的老化應(yīng)力、老化機(jī)理以及失效模式之后，有必要對(duì)失效模式與老化機(jī)理進(jìn)行識(shí)別，確定哪些失效模式是由老化引起的。

1）觸點(diǎn)的老化識(shí)別

觸點(diǎn)的失效模式比較容易鑒別，主要是接觸電阻增大和觸點(diǎn)接觸不良（時(shí)斷時(shí)通），而其失效機(jī)理是非常復(fù)雜的，常常是幾種機(jī)理同時(shí)作用。因此通過試驗(yàn)分析的方法識(shí)別出觸點(diǎn)失效是由哪種老化機(jī)理引起的。

2）線圈的老化識(shí)別

由于連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間勵(lì)磁、間隙、感性浪涌及感應(yīng)沖擊、環(huán)境溫度升高、濕度以及海拔高度等因素導(dǎo)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(yàn)分析的方法識(shí)別出線圈失效是由哪種老化機(jī)理引起的。

3）動(dòng)作特性失效的老化識(shí)別

動(dòng)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(shí)間參數(shù)方面，觸點(diǎn)嚴(yán)重腐蝕的表面將發(fā)生明顯變化，會(huì)導(dǎo)致觸點(diǎn)動(dòng)作時(shí)間大幅度減小，表面粗糙度增大使回跳時(shí)間顯著增大。

4）機(jī)械組件的老化識(shí)別

活動(dòng)零件磨損后會(huì)出現(xiàn)卡澀問題;若嚴(yán)重磨損，可能出現(xiàn)摩擦死點(diǎn)導(dǎo)致卡死;支撐部件振動(dòng)斷裂，過熱脆化斷裂等，需要通過試驗(yàn)分析來分析具體的老化機(jī)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(jìn)行鑒別^[7-8]。

6 老化緩解

繼電器的質(zhì)量、存儲(chǔ)環(huán)境和運(yùn)行工況等都會(huì)直接影響繼電器的工作狀態(tài)和使用壽命?？蓮牟少?gòu)、存儲(chǔ)、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(kù)，全方位開展繼電器的老化管理工作。

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