Эксплуатационные причины несрабатывания реле

Особенности устройства и функционирования

Изложенный ниже материал должен помочь инженерам более полно представить особенности функционирования слаботочные электромагнитные реле (СЭМР), которые не являются ни «черным ящиком», ни, что еще хуже, «гвоздем с проволокой»
СЭМР состоит из обмотки, воспринимающей и преобразующей управляющий электрический сигнал в магнитный поток магнитопровода, который содержит неподвижную часть (разомкнутый контур) и подвижную часть – якорь. Подвижный якорь, перекрывая воздушный зазор, замыкает цепь магнитопровода и передает энергию электромагнита в виде усилия на гальванически не связанные с ним подвижные контакты, которые могут размещаться непосредственно на якоре или на выводах цоколя реле, составляя с неподвижными контактами контактные группы, замыкающие, размыкающие или переключающие внешние электрические цепи.
СЭМР могут быть поляризованными и неполяризованными (нейтральными) в зависимости от использования или не использования в составе их конструкции постоянного магнита, дополнительно поляризующего поток магнитопровода. Поляризованные реле более чувствительны, а поляризованные двустабильные реле не потребляют энергию после срабатывания.
Предприятием разрабатываются и выпускаются СЭМР, управляемые постоянным током, для коммутации низкочастотных (типы РПК, РПС, РЭК, РЭС) и высокочастотных (типы РПА, РЭА) электрических цепей аппаратуры различных отраслей промышленности и техники. (Реле изготавливаются по частным техническим условиям (ТУ) и соответствуют ГОСТ 16121-86 "Реле слаботочные электромагнитные. Общие ТУ". В развитие требований комплекса стандартов «Климат-7» предприятием разрабатывается новый стандарт ГОСТ РВ "Реле электромагнитные слаботочные. Общие ТУ", которому должны будут соответствовать вновь разрабатываемые СЭМР и новые реле серии РПК и РЭК)
Низкочастотные реле предназначены для коммутации электрических цепей при нагрузке на одну контактную группу не превышающей: на постоянном токе 25 А, 300 В, 750 Вт, а на переменном токе частотой до 20 кГц 25 А, 380 В эфф, 3000 ВА. Низкочастотные реле при соответствующем уменьшении мощности нагрузки могут коммутировать электрические сигналы с частотами до 100–150 МГц. Высокочастотные реле предназначены для коммутации сигналов с частотами порядка 1000 МГц.
Конкретный тип реле, как правило, имеет несколько видов исполнения, отличающихся напряжением обмотки и другими электрическими параметрами, а также установочными и присоединительными размерами, расположением выводов, климатическим оформлением и степенью защищенности внутреннего объема реле (в защитном, влагозащищенном и герметичном корпусе). Все производимые предприятием СЭМР в металлических корпусах герметичны и могут поставляться с требуемой потребителю степенью герметичности, не превышающей по скорости утечки атмосферного воздуха 10^-7 – 10^-8 см³/с.
Электромагнитные реле, представляя собой электромеханические газоразрядные коммутационные устройства, являются широко применяемыми и наиболее надежными элементами аппаратуры. Ресурс (срок службы) СЭМР определяется наименьшим ресурсом обмотки или контактов и оценивается раздельно. Срок службы обмотки ограничивается старением её изоляции, которое тем интенсивнее, чем больше её температура. Ресурс контактов определяется их естественным износом в процессе коммутаций и измеряется допустимым количеством коммутаций в том или ином режиме. Снижение ресурса реле, сбой или отказ в его работе в большинстве случаев вызваны неправильным выбором коммутируемой нагрузки или недопустимым внешним воздействием на реле.

Эксплуатационные причины несрабатывания реле

Несрабатывание коммутационного реле – это незамыкание или неразмыкание его контактов после подачи (снятия) управляющего сигнала обмотки, фиксируемое в цепях аппаратуры в виде не подключения или не отключения некой нагрузки. Обычно это происходит из-за повышенного переходного сопротивления контактов, их сваривания или превышенного износа. (Не срабатывать (не перемещаться) контакты могут и вследствие повышенного трения в оси якоря или в связи с перегоранием обмотки при эксплуатации негерметичного реле в экстремальных условиях (вакуум или пониженное давление окружающей среды, невесомость и т.п.)).

Повышенное переходное сопротивление контактов R_k является следствием загрязнения их изолирующими веществами. Для надежного контактирования статическая величина R _k должна быть порядка 50–100 мОм, а при коммутации нагрузки сопротивление контактов должно сохранять стабильность и быть как минимум на порядок меньше общего сопротивления коммутируемой электроцепи. Величина переходного сопротивления замкнутых контактов зависит от состояния их поверхности и величины тока.
Первоначально соприкосновение контактов происходит в одной или в нескольких точках микронных размеров. Эти точки имеют металлическую и квазиметаллическую (туннельный эффект) проводимость тока или вообще не проводят ток вследствие большой толщины изолирующих пленок на их поверхности. Изолирующие материалы на рабочей поверхности контактов имеют органическое, неорганическое и механическое происхождение.
Основным источником загрязнения контактов реле являются органические (углеводородные) вещества пластмассового каркаса катушки и изоляции провода обмотки, которые в процессе изготовления реле должны тщательно обезгаживаться. Для реле, изготавливаемых с применением пайки, дополнительным источником загрязнения контактов являются флюс и припой. В недостаточно герметичное реле органика может проникать и вследствие разности парциальных давлений органических веществ внутри и вне реле.
Концентрация органических веществ во внутреннем объеме реле возрастает с ростом температуры обмотки и понижением атмосферного давления. Парообразная органика адсорбируется поверхностями контактов в пока еще проводящие ток мономолекулярные слои, которые в дальнейшем самопроизвольно или в результате трения контактных поверхностей полимеризуются, т.е. превращаются в высокомолекулярные пленки с высоким электросопротивлением. В процессе коммутации контакты нагреваются до высокой температуры, при которой происходит пиролиз органических соединений, т.е. их термическое разложение с образованием твердого углерода. Наиболее активно пиролиз происходит при коммутации малых и средних (промежуточных) токов, когда между контактами возникают короткие дуговые разряды, энергии которых достаточно для нагрева контактов, но еще недостаточно для испарения органических пленок без их разложения.
Повышенная влажность во внутреннем объеме реле также создает условия для отказа контактов вследствие их обледенения в зоне контактирования при пониженной температуре окружающей среды. Кроме того, влага – серьезный инициатор электрохимической коррозии и активатор многих органических веществ. Влага может выделяться из недостаточно осушенной обмотки или проникать внутрь недостаточно герметичного реле из внешней среды.
Таким образом, загрязнение контактов особенно активно происходит при разгерметизации реле и перегреве его обмотки, повышая переходное сопротивление контактов, коммутирующих слаботочные нагрузки.

Износ (разрушение) поверхности коммутирующих контактов также может стать причиной незамыкания контактов. Под износом контактов обычно понимают потерю материала контактов или изменение формы их поверхности, приводящие к потере механического контактирования вследствие ограниченной просадки подвижного контакта. Износ контактов реле обычно вызван одновременным действием механических, химических и электрических факторов. Для СЭМР наиболее существенен электроэрозионный износ контактов, вызванный электрическими разрядами при размыкании контактов или в момент их отскока при замыкании с дребезгом. Ускоренному износу контактов способствуют жесткие режимы коммутаций, характеризуемые образованием в межконтактном зазоре дуговых разрядов.