電廠繼電器老化原因分析及管理對策

趙立婷+孫帥

摘 要：通過對分析國內外電廠繼電器老化現象及老化原因，得出繼電器老化的影響因素，結合電廠實際，提出我廠繼電器應開展老化管理評估及剩余壽命評估，吸取國內外經驗給出老化管理辦法。

關鍵詞：繼電器；老化；剩余壽命評估

1.前言

電廠繼電器運行到一定年限將出現老化現象，甚至庫存的繼電器備品也出現老化現象，這將造成繼電器可靠性下降或不可用，嚴重影響機組的安全穩定運行。因此，分析繼電器老化的原因，找出老化管理方法是十分必要的。

2.老化因素

繼電器的老化主要表現為接觸電阻升高、觸點接觸不良及動作失靈等。主要是繼電器的運行環境影響所致。這些環境因素包括濕度和溫度等。根據國外的繼電器老化研究成果以及現場數據的統計分析得出結論，影響非密封型繼電器可靠性的環境因素主要是濕度。尤其電廠處于海洋腐蝕性大氣環境中，較高的濕度使繼電器觸點氧化腐蝕，甚至影響到線圈的絕緣性能。

3.老化現象

繼電器出現老化，表現為繼電器外殼內部變為茶色、繼電器外殼內部有水滴附著、繼電器透明外殼顏色變黃三種現象。繼電器出現不同老化現象，其原因是不同的。

1）繼電器外殼內部變為茶色

由于開關負載時發生電弧放電，有機燃氣（繼電器的構成材料等產生的）生成的碳、接點粉末在外殼內表飛散堆積，發生變色。根據保護外殼內部發生的變色來判斷維護時間的情況下，因繼電器的使用條件不同，應根據使用者的經驗進行判斷。

2）繼電器外殼內部有水滴附著

在梅雨季節或臺風季節會發生這種現象。繼電器用金屬、塑料制作而成，塑料含有一定程度的水分。線圈線的間隙等內也含有毛細管現象形成的水分。在繼電器冷卻時如果給線圈通電，線圈的溫度就會升高，釋放出這些水分。

3）繼電器透明外殼顏色變黃

這是由于開關負載時發生電弧放電，產生臭氧（三個氧原子結合后的產物，用于除臭、殺菌等），與氮元素和水發生反應，生成硝酸。一般稱作硝酸反應。特別是對電弧連接時間較長的直流離合器、斷路器進行開關時，不僅外殼變為黃色，還會腐蝕金屬零件（銅生成顏色鮮艷的綠色硝酸銅、鍍鎳生成水色的硝酸鎳）。對這些負載進行開關時，請在負載上連接浪涌吸收裝置。在這些負載的浪涌吸收裝置中，電阻器較為有效。MMX型或G7X型在接點附近設置貫通孔，可降低臭氧濃度。

4.老化機理

影響繼電器觸點閉合的因素（包括觸點結構、質量、材料、表面狀況及閉合速度等）非常復雜，根據現場資料和內、外部經驗反饋，繼電器主要的老化失效機理如下：

4.1氧化腐蝕

4.1.1濕度影響

配電盤電氣廠房雖然配備空調等設施，但我廠全年的平均濕度仍高達50%～60%，每年1、2月份返潮期的濕度更加嚴重。由于濕度的原因，配電盤電氣廠房空氣中大量的水蒸氣在繼電器觸點電弧的高溫下會分解釋放出氫和氧，氧元素的存在會促進觸頭金屬表面膜的形成，造成觸點表面融蝕、凹凸不平、電接觸不良、接觸面積減少、接觸電阻增加及電流密度劇增等，最終導致繼電器加速老化失效。另外，水蒸氣附著在觸點表面會形成一層水膜，并在觸點表面的微孔中形成微小溶池，加強觸點表面的電化學反應，從而加劇觸點侵蝕。

4.1.2溫度影響

繼電器運行環境溫度是指控制柜內繼電器附近的溫度。由于繼電器工作時不僅線圈會發熱，同時觸點斷開或閉合時產生的電弧也會發熱，其熱量與工作時間長短有關，難以測量和計算；同時，周圍其他設備的發熱也使控制柜內的溫度上升，此時繼電器運行環境溫度升高并可能超出繼電器適宜的工作溫度范圍。根據廠家建議，繼電器適宜的運行溫度在20～30℃之間。當周圍環境溫度在30℃以上升高10℃時，電子元件產品壽命會減少一半；當周圍環境溫度在30℃以上升高20℃時，產品壽命就會減少到原壽命的1/4。繼電器運行環境溫度超上限會加速觸點的氧化及表面膜電阻的形成，引起接觸電阻增大或觸點時斷時通。同時，高溫使觸點焊弧困難、腐蝕加劇以及容易產生粘結故障。

4.2機械磨損

繼電器吸合或釋放時的觸點電弧會引起金屬遷移和氧化，使觸點表面磨損，進而引起觸點接觸不良或釋放不開。觸點磨損還會導致彈跳時間的變長，出現多次長彈跳的觸點易失效。觸點彈跳會使其表面晶粒疲勞、松動甚至脫落，從而加速機械磨損。

4.3 電磨損

繼電器工作時產生的電弧溫度可以達到金屬材料的熔點，使觸點金屬由固態經液態轉變為氣態。氣態金屬因蒸發而擴散，液態金屬因接觸、碰撞、擠壓而不斷地四處飛濺，使觸點原先的形狀不斷地發生改變，且厚度減薄。如果遇到惡性負載時繼電器觸點電弧放電時間更長，電磨損更嚴重。

4.4有機氣體腐蝕

繼電器周圍介質（包括大氣）中產生和釋放的硫、堿等腐蝕性氣體或蒸汽使觸點表面產生有害氣體絕緣膜；由于線圈發熱，繼電器工作時多種有機材料的蒸發，也會使其內部有機氣體的濃度增大。有機氣體會加速觸點的腐蝕效應，導致觸點的接觸電阻增大或時斷時通，造成繼電器失效。

4.5絕緣老化

因濕度、電場、溫度、機械力及周圍環境等因素的長期作用，繼電器線圈絕緣在運行過程中質量逐漸下降、結構逐漸損壞。繼電器線圈絕緣老化最終會導致繼電器失效，其速度與絕緣體的結構、材料、制造工藝、運行環境、所受電壓和負荷情況等有密切關系。廠房環境的濕度對絕緣材料耐受表面放電的性能有很大影響。如果水分侵入絕緣內部，將會造成絕緣電損耗增加或擊穿電壓下降。

4.6電磁干擾

電磁繼電器依靠磁力進行動作。當控制柜內繼電器與磁干擾源之間的距離不足時，可能會使線圈磁場受到干擾，從而影響電磁繼電器動作的可靠性。由于繼電器的抗干擾能力有限，所以控制柜中多只繼電器并排安裝時應適當加大其間隔。

5.老化管理

根據上述分析和國內外電廠繼電器老化管理的經驗，提出如下的繼電器老化管理流程，按操作順序依次為：

1）通過3級清單來篩選、識別可能導致緊急停機、停堆或因維修需強迫停機、降負荷的繼電器，并建立繼電器清單。對清單中的繼電器逐一分析，如進行電路原理分析；確認敏感繼電器在電路中的作用，并將敏感繼電器的清單錄入老化數據庫。

2）根據已建立的繼電器電子元器件清單，并結合國內外的經驗反饋，有針對性的開展繼電器的老化機理分析工作。

3）根據關鍵敏感繼電器的老化機理分析結論，初步給出繼電器失效的時間，根據這個時間來制定老化管理的周期。

4）在繼電器運行一定年限后，從大修定期檢驗中收集清單中異常繼電器的數據，并記錄在相應的老化數據庫。對于快到壽期的繼電器，需要提前2～3 a進行抽檢，通過對其電子元器件進行加速老化試驗來評價繼電器的剩余壽命。

5）根據繼電器老化分析結果和預定的周期，制定具體的老化處理措施。

6.結論

根據目前其他電廠對繼電器老化管理的辦法及存在的問題，我廠應吸取經驗，盡快開展對所有繼電器的老化管理評估及剩余壽命評估，減少繼電器故障帶來的風險，為設備的安全使用和我廠經濟效益之間的最佳平衡提供科學依據。

參考文獻

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