城軌車輛電磁繼電器選型方法探討

孫宗先，崔 韜，頓明真，王曉明

（中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東青島 266111）

0 引言

近年來，中國的城市軌道交通取得了高速的發(fā)展。車輛的功能也越來越完善，車輛的控制功能也越來越復(fù)雜。車輛控制功能的實(shí)現(xiàn)，主要是通過繼電器實(shí)現(xiàn)的。作為城軌車輛中常用的一種電控制器件，繼電器在電路中常起著轉(zhuǎn)換電路的作用［1-3］。城軌車輛的控制電路越來越復(fù)雜，加之繼電器所帶的車輛負(fù)載特性也越來越復(fù)雜，使得繼電器的質(zhì)量及特性對(duì)車輛整體質(zhì)量的影響也越來越大。由于城市交通的運(yùn)量在急劇上升，運(yùn)營壓力也急劇增加，這就需要對(duì)車輛選用的繼電器進(jìn)行詳細(xì)的校核，尤其是重點(diǎn)繼電器的重點(diǎn)部件。

目前城軌車輛中常用的繼電器有電磁式繼電器和固態(tài)繼電器兩種。近年來，固態(tài)繼電器（及LCU）的應(yīng)用范圍有逐步擴(kuò)大的趨勢(shì)，但是由于電磁式繼電器具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)（如低殘留輸出電壓、無漏電流、兼容AC/DC且不需要單獨(dú)的散熱裝置等），所以電磁式繼電器在城軌車輛中仍有大量的應(yīng)用。本文對(duì)車輛常用的電磁式繼電器的選用做詳細(xì)的說明。為使所選繼電器適應(yīng)于電路環(huán)境提供參考。

1 標(biāo)準(zhǔn)和環(huán)境要求

城軌車輛在選用電磁繼電器時(shí)首先需確認(rèn)產(chǎn)品是否滿足車輛的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及工作環(huán)境需求。在滿足標(biāo)準(zhǔn)及工作環(huán)境需求的前提下，再結(jié)合電路特性選取合適的繼電器。

1.1 城軌車輛用繼電器應(yīng)滿足的標(biāo)準(zhǔn)

（1）強(qiáng)度方面，沖擊振動(dòng)應(yīng)滿足IEC61373或國標(biāo)GB21563的1B級(jí)要求。

（2）防火性能應(yīng)滿足EN45545-2的R26要求。

（3）電磁兼容性能應(yīng)滿足EN50121-3-2或GB/T 24338.4的標(biāo)準(zhǔn)要求。

（4）線圈工作電壓范圍應(yīng)滿足IEC60077-1的寬電壓標(biāo)準(zhǔn)要求（標(biāo)準(zhǔn)電壓的70%～125%）。

（5）繼電器工作溫度應(yīng)滿足GB/T32347.1標(biāo)準(zhǔn)要求。

以上標(biāo)準(zhǔn)是城軌車輛用繼電器的門檻標(biāo)準(zhǔn)，滿足標(biāo)準(zhǔn)需求的繼電器可以進(jìn)入選型范圍，進(jìn)行特性校核；不滿足任意一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)需求的繼電器，不得上車應(yīng)用。

1.2 繼電器工作環(huán)境的確認(rèn)

（1）確認(rèn)環(huán)境溫度，核對(duì)產(chǎn)品是否能夠在特定環(huán)境溫度中正常工作。

（2）確定海拔高度，核對(duì)產(chǎn)品是否能夠在特定海拔高度正常工作。

（3）根據(jù)安裝位置，確定其振動(dòng)等級(jí)，核對(duì)繼電器是否能夠安裝在選定位置。

（4）其他環(huán)境確認(rèn)，如高風(fēng)沙等影響。

2 負(fù)載特性確定

在確認(rèn)繼電器滿足標(biāo)準(zhǔn)、環(huán)境要求后，首先需要對(duì)繼電器所帶的負(fù)載特性進(jìn)行確定。由于車輛負(fù)載眾多，其特性也不同，所以需要逐一進(jìn)行分析。若同一個(gè)繼電器同時(shí)帶有多個(gè)不同的負(fù)載，需要綜合考慮。車輛常見的負(fù)載包含感性、阻性及容性等特性負(fù)載，如圖1～3所示。阻性負(fù)載相對(duì)簡單，繼電器一般會(huì)提供阻性負(fù)載下的電壽命曲線，在應(yīng)用時(shí)根據(jù)實(shí)際電路參數(shù)進(jìn)行校核即可。感性負(fù)載是城軌車輛中常見的負(fù)載類型，啟動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)較大的瞬態(tài)電流，繼電器選型時(shí)需考慮瞬態(tài)電流。一般的繼電器廠家會(huì)提供感性負(fù)載下的電壽命曲線，校核時(shí)需注意核對(duì)電流、電壓、時(shí)間常數(shù)等參數(shù)。容性負(fù)載在斷開、接通過程會(huì)產(chǎn)生充放電，由于電阻約等于觸點(diǎn)的接觸電阻（毫歐級(jí)，數(shù)量極?。?，導(dǎo)致瞬態(tài)電流極大，電容存儲(chǔ)的能量在極短的時(shí)間內(nèi)通過觸點(diǎn)釋放，從而極大地影響繼電器觸點(diǎn)壽命［4］，所以各型繼電器一般不推薦帶容性負(fù)載，也不提供容性負(fù)載下的壽命曲線。

圖1 阻性負(fù)載

圖2 感性負(fù)載

圖3 容性負(fù)載

3 繼電器選型

負(fù)載特性確認(rèn)后，需要根據(jù)負(fù)載對(duì)選用繼電器的觸點(diǎn)材料、觸點(diǎn)結(jié)構(gòu)、觸點(diǎn)鍍層關(guān)鍵部件進(jìn)行校核。

高質(zhì)量旅游信息應(yīng)該能在信息的全面性、準(zhǔn)確性、及時(shí)性等方面全面滿足游客對(duì)旅游目的地的信息需求?，F(xiàn)實(shí)是許多鄉(xiāng)村旅游地已經(jīng)建立起一條或幾條互聯(lián)網(wǎng)推廣渠道，但在信息傳遞上存在問題，比如缺乏旅游信息要素。一些景區(qū)網(wǎng)站給出了大段的景區(qū)簡介，但沒有提供基本的景區(qū)交通、門票、天氣、食宿等信息。景區(qū)旅游信息沒有及時(shí)更新，一些反映景區(qū)維修、特定主題旅游活動(dòng)、交通變化等信息在推廣渠道上沒有體現(xiàn)。這些旅游地雖然有了互聯(lián)網(wǎng)信息發(fā)布渠道，但是通過這些渠道，游客對(duì)景區(qū)狀況的認(rèn)識(shí)仍然處于模糊狀態(tài)。

3.1 觸點(diǎn)材料選擇

在繼電器中，觸點(diǎn)是最為重要的部件。觸點(diǎn)的主要功能是接通和分?jǐn)嚯娐?，并承載工作電流（正?；蜻^載）。繼電器的關(guān)鍵功能（含電氣壽命及可靠性等）均取決于觸點(diǎn)的性能。同時(shí)，由于觸點(diǎn)是繼電器負(fù)載電流的主要通過部件以及繼電器動(dòng)作的主要部件，使得觸點(diǎn)成為繼電器結(jié)構(gòu)中最薄弱的環(huán)節(jié)和最容易出故障的部分。而一旦觸點(diǎn)系統(tǒng)不能正常工作，繼電器的功能也就完全喪失［5-7］。

在閉合狀態(tài)下承載電流時(shí)，繼電器觸點(diǎn)是一種固定接觸的電接觸工況。在這種情況下，電觸點(diǎn)的主要功能是承載電流并起信號(hào)輸送的作用。在此工況下，要求觸點(diǎn)的接觸電阻低并且比較穩(wěn)定。負(fù)載電流通過觸點(diǎn)時(shí)，由于接觸電阻的存在，會(huì)產(chǎn)生焦耳熱效應(yīng)。當(dāng)熱效應(yīng)嚴(yán)重時(shí)，將導(dǎo)致觸點(diǎn)導(dǎo)電斑點(diǎn)區(qū)域的材料熔進(jìn)而化使得觸點(diǎn)焊接在一起，引起“靜熔焊”現(xiàn)象。當(dāng)觸點(diǎn)的熔焊力超過繼電器的機(jī)械分?jǐn)嗔r(shí)，觸點(diǎn)無法斷開，引起所謂的觸點(diǎn)“黏連”現(xiàn)象；即使能夠斷開，也會(huì)使得觸點(diǎn)接觸電阻增加，并延緩繼電器的分?jǐn)鄤?dòng)作［8］。在長時(shí)間的作用下，勢(shì)必會(huì)引發(fā)觸點(diǎn)黏連。繼電器觸點(diǎn)接觸電阻會(huì)隨使用時(shí)間的增長而增加，除了各種環(huán)境影響（如氧化、硫化、吸附等作用外），主要是存在因分?jǐn)?、接通電路過程中觸點(diǎn)間產(chǎn)生的拉弧現(xiàn)象。拉弧會(huì)造成觸點(diǎn)材料侵蝕、轉(zhuǎn)移、材料的相變以及高溫下發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，這些變化均會(huì)使接觸電阻增加。接觸電阻的增加會(huì)加劇某些環(huán)境應(yīng)力的作用，從而加速觸點(diǎn)失效。一般情況下，車輛繼電器所帶的負(fù)載電流較小，“靜熔焊”現(xiàn)象極其罕見。

接通及分?jǐn)嚯娐肥抢^電器的主要功能，是實(shí)現(xiàn)車輛控制邏輯功能的基礎(chǔ)。在動(dòng)作過程中觸點(diǎn)是直接執(zhí)行的重要機(jī)構(gòu)，除了觸點(diǎn)動(dòng)作過程中發(fā)生短時(shí)電弧放電外，還存在由于觸點(diǎn)機(jī)械沖擊或觸點(diǎn)機(jī)構(gòu)機(jī)械沖擊引起的彈跳現(xiàn)象，尤其是在感性負(fù)載電路中，觸點(diǎn)接通時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的短時(shí)沖擊電流，從而造成在較短的時(shí)間內(nèi)對(duì)觸點(diǎn)的連續(xù)、多次作用，形成所謂的“動(dòng)熔焊”［9-10］，并引發(fā)觸點(diǎn)黏連故障。通過統(tǒng)計(jì)車輛繼電器的使用情況，繼電器主要的失效模式就是由“動(dòng)熔焊”引起的觸點(diǎn)燒損或黏連。所以，繼電器選型時(shí)重點(diǎn)考慮觸點(diǎn)通斷引起的后果，而繼電器通斷能力通過繼電器的電壽命曲線展示，即選型時(shí)需要重點(diǎn)驗(yàn)證繼電器的電壽命參數(shù)。

由于不同材料的特性不同，所以能夠滿足所有工況需求的通用觸點(diǎn)材料是不存在的。每一種觸點(diǎn)材料在不同工況下，都會(huì)表現(xiàn)出相應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。所以，繼電器的觸點(diǎn)材料，應(yīng)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的要求來決定。城軌車輛常用繼電器觸點(diǎn)材料如表1所示。

表1 城軌車輛常用繼電器觸點(diǎn)材料

3.2 觸點(diǎn)結(jié)構(gòu)形式選擇

（1）密封形式

按密封形式可以分為密閉式及非密閉式結(jié)構(gòu)。密閉式繼電器由于其觸點(diǎn)密封在結(jié)構(gòu)內(nèi)，不受環(huán)境影響，其接觸電阻不會(huì)受環(huán)境影響改變，密閉式觸點(diǎn)繼電器經(jīng)常用在小電流電路中。非密閉型觸點(diǎn)一般直接暴露在空氣中，其接觸電阻受環(huán)境影響會(huì)逐漸增大。在電流較大的回路中拉弧現(xiàn)象較嚴(yán)重，可利用電弧去除氧化層，從而降低接觸電阻，而較小電路環(huán)境中，拉弧現(xiàn)象并不嚴(yán)重，無法破壞氧化層，所以非密閉性觸點(diǎn)一般用在較大電流的電路中。也有部分非密閉性觸點(diǎn)通過鍍層以及摩擦接觸的方式降低接觸電阻，從而適應(yīng)較小電流的電路。

（2）多觸點(diǎn)動(dòng)作形式

（3）觸點(diǎn)鍍層選擇

城軌常用繼電器觸點(diǎn)鍍層有金等材料，相較于無鍍層觸點(diǎn)，鍍金觸點(diǎn)接觸電阻更小，適用于電流較小的電路中。但由于鍍層存在磨損現(xiàn)象，所以在一定的動(dòng)作頻次后，鍍層將磨損殆盡，屆時(shí)其接觸電阻將會(huì)增大。所以開放式觸點(diǎn)采用鍍金的方式來獲得較小的接觸電阻的效果并非可靠方案，在非必要的情況下，不建議選用此類型繼電器。

3.3 輔助滅弧裝置設(shè)置

為保證負(fù)載回路的可靠切換，減少電弧對(duì)觸點(diǎn)的燒蝕，部分繼電器設(shè)有輔助滅弧裝置，為觸點(diǎn)分?jǐn)鄷r(shí)產(chǎn)生的電弧提供冷卻通道，實(shí)現(xiàn)快速滅?。煌瑫r(shí)，產(chǎn)品動(dòng)、靜觸點(diǎn)間設(shè)計(jì)引弧角，負(fù)載切換時(shí)，引弧角將電弧拉長，分散電弧能量，將電弧引入滅弧裝置，有利于電弧的熄滅和觸點(diǎn)間的散熱，提升產(chǎn)品使用壽命。滅弧裝置選用耐高溫性能、絕緣性能、低有機(jī)氣體揮發(fā)的材料一體成型，放置在繼電器觸點(diǎn)外側(cè)，三面包裹觸點(diǎn)，為切斷負(fù)載產(chǎn)生的電弧提供冷卻介質(zhì)。此裝置為繼電器非必要裝置，但對(duì)提高繼電器壽命有極大的助力。

3.4 其他部件

一個(gè)完整的繼電器除去觸點(diǎn)及相關(guān)的鍍層外，還包括磁路系統(tǒng)、接觸系統(tǒng)（包含觸點(diǎn)，本文中將觸點(diǎn)單獨(dú)說明，不包含在此系統(tǒng)內(nèi)）以及外罩等部件。

繼電器的磁路系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)繼電器開閉動(dòng)作的動(dòng)力機(jī)構(gòu)系統(tǒng)。選型時(shí)重點(diǎn)關(guān)注線圈的控制電壓制式。錯(cuò)誤的線圈制式，會(huì)引發(fā)繼電器不動(dòng)作或燒損等故障。

接觸系統(tǒng)是繼電器開閉動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)，通常接觸系統(tǒng)由軛鐵組合、靜接觸片組合1（靜接觸片1、靜觸點(diǎn)）、靜接觸片組合2（靜接觸片2、靜觸點(diǎn)）、觸點(diǎn)引出端、公共引出端、線圈引出端、基座組合、基座鉚釘、卡緊簧片等部件組成。此系統(tǒng)的綜合性能體現(xiàn)在繼電器的機(jī)械壽命及電氣壽命參數(shù)中，選型時(shí)需要重點(diǎn)關(guān)注。

外罩是繼電器IP防護(hù)等級(jí)的重要實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)，非金屬外殼還涉及產(chǎn)品防火性能，選型時(shí)重點(diǎn)關(guān)注IP防護(hù)等級(jí)及防火等級(jí)參數(shù)。

4 結(jié)束語

在城市軌道交通大發(fā)展的今天，繼電器在城軌車輛中仍有著廣泛的應(yīng)用。作為車輛控制邏輯實(shí)現(xiàn)的主要部件，其質(zhì)量對(duì)車輛的質(zhì)量有著較大的影響。通過不同項(xiàng)目的故障統(tǒng)計(jì)信息來看，眾多的故障根源在于選型錯(cuò)誤，繼電器與電路特性不匹配，從而導(dǎo)致繼電器在短時(shí)間內(nèi)失效。這就使得繼電器的選型成為城軌車輛設(shè)計(jì)工作中極為重要的一環(huán)。選型時(shí)首先需要詳細(xì)了解電路的特性，根據(jù)電路特性匹配相應(yīng)的繼電器的結(jié)構(gòu)，尤其是觸點(diǎn)的材料、結(jié)構(gòu)形式以及觸點(diǎn)鍍層信息，只有特性匹配，以能使得所選繼電器適應(yīng)于電路環(huán)境。