CC BY
58Компоненты и технологии, № 4'2002
Компоненты
Ресурсные возможности
герконовых реле
Опыт разработок и производства
Сергей Карабанов, д. т. н.
Рафаил Майзельс, д. т. н.
Антон Анискин
Реле на магнитоуправляемых герметизированных контактах (герконах), включив в себя все преимущества герконов как коммутационных элементов, выгодно отличаясь от электромагнитных якорных реле (как минимум наличием инертной среды в зоне прохождения электрического сигнала и отсутствием инерционного подвижного элемента — якоря), имеют высокие надежность и быстродействие, длительный срок службы, достаточные радиационную, вибро- и ударостойкость. Все эти технические характеристики, в том числе ресурс, регламентируются соответствующими техническими условиями (ТУ). Ресурс реле — наработка до предельного состояния (по критериям ТУ), зависит от нагрузки и других ее характеристик:
• от вида: механическая, электрическая, тепловая и т. д.;
• от характера: постоянная, переменная, резистивная, индуктивная, емкостная, циклическая и др.;
• от уровня.
Фактически ресурс представляет некий компромисс между возможностями отдельных экземпляров и партий изделий в целом, между коммутационными возможностями в широком спектре условий эксплуатации. Критерии отказов реле зависят от режимов коммутируемой ими цепи. В высокоомных цепях отказами считаются незамыкание (НЗ) и неразмыкание (НР) реле, снижение его сопротивления изоляции. В низкоомных цепях отказом также считается превышение контактным сопротивлением уровня, определяемого сопротивлением нагрузки. Все эти требования и критерии отражены в ТУ и юридически любые отклонения от них оформляются специальными разрешениями на применение. В большинстве случаев просьбы о таких разрешениях связаны со специфически-
ми условиями применения реле (герконов), при этом иногда изменяются (или уточняются) критерии качества, иногда допускается предварительный отбор по отдельным информативным (но не описанным в ГОСТе) параметрам. За последние 20 лет было выдано более 2500 разрешений, но при этом не было зафиксировано ни одного случая отказов изделий за счет использования в условиях, предусмотренных отклонениями. Ни одно ТУ не может предусмотреть всех случаев использования реле, поэтому полезно ознакомиться с некоторыми особенностями и физическими процессами, протекающими при коммутации сигналов в реле, с особенностями воздействия отдельных дестабилизирующих факторов.
Коммутация индуктивных цепей
Разрядные явления на контактах реле, даже при сравнительно небольших индуктивностях, вызывают эрозию контактных покрытий ощутимо большую, чем при коммутации активных цепей при той же величине коммутируемого тока. В то же время величина индуктивной нагрузки неоднозначно влияет на ресурс реле. В зависимости от коммутируемого режима возможно как значительное уменьшение ресурса, так и некоторое его увеличение, связанное с изменением характера физических процессов при размыкании, когда большая индуктивность может играть роль искрогасящей цепочки, использование которой является одним из общепринятых средств повышения надежности и ресурса. Роль схем искро-гашения заключается в уменьшении напряжений на контактах при отключении нагрузки. Цель считается достигнутой, если на всех стадиях коммутации тока в переходных режимах напряжение на контактах не
88
- www.finestreet.ru -
Компоненты и технологии, № 4'2002
Компоненты
превосходит разрядных напряжений, а величина тока через замкнутые контакты не выходит за рамки максимально допустимой. В большинстве случаев используются простейшие RC-цепи (рис. 1), расчет которых производится исходя из условий достижения указанных целей. Влияние RC-цепи на процессы замыкания контактов считается ничтожно малым и, как правило, им пренебрегают.
Однако на практике наблюдаются случаи, когда использование RC-цепи ничего не дает или даже наоборот ухудшает ресурс реле. Дело в том, что при расчете RC-цепей учитываются не все особенности физических процессов, сопровождающих коммутацию, а они, в свою очередь, зависят также от индивидуальных особенностей коммутирующего элемента — геркона реле. В частности, мостиковая эрозия, зависящая от разброса технологических факторов при производстве герконов (допуска на давление и состав газа — наполнителя геркона, толщину и состав контактного покрытия, состояние поверхности контактов и т. д.), а также эрозия при замыкании контактов, могут не учитываться только когда искрогасящие (в цепочке RC) емкости малы, а сопротивление достаточно велико. Это объясняется тем, что наличие заряженной емкости в цепи ис-крогашения (в том числе емкости монтажа и геркона) вызывает разряд при замыкании контактов и его эрозионное действие пропорционально величине емкости. Величина сопротивления при этом должна ограничивать разряды при размыкании (малая величина) и замыкании (большая величина). Противоречие.
По-видимому, для особо ответственных случаев использования герконовых реле на индуктивных нагрузках при подборе RC-цепей искрогашения целесообразна их экспериментальная проверка. Диапазон действия различных физических процессов должен сочетаться с расчетным анализом цепей защиты. Или также правильно использование более эффективных управляемых RC-схем, когда, например, за счет добавочного (в схеме RC) транзистора (рис. 2) могут быть выполнены необходимые условия (ограничения разрядов) как при замыкании, так и при размыкании контактов.
Ресурс и управление работой реле
Зависимость ресурса реле от коммутируемых токов и напряжений вызвана сменой различных физических процессов, сопровождающих коммутацию сигналов. Механический износ контактного покрытия реле (под
Г' Гц
200 ■ \
150 -
100 -
50 - 1 1 1 1 ► 50 70 90 110 Ітіп'"А
Рис. 4. Зависимость минимального тока дуги
от частоты управляющего сигнала
действием ударов и трения) при циклической работе не является решающей причиной отказов вплоть до 109 и более циклов. Контакт-детали герконов реле и контактное покрытие выполняктася в «твердых растворах», в которых нет предпосылок для структурных изменений во времени, то есть для их старения. При их работе почти не затрагиваются необратимые процессы, поэтому основной причиной отказа является эрозия их контактных поверхностей (мостиковая или газоразрядная, в зависимости от режима коммутации), вызванная процессами при замыкании и размыкании.
Практически важно знать о влиянии величины МДС управления на срок службы реле. Дело в том, что расчет реле производится по верхней группе чувствительности используемых герконов (гр. МДСсраб) и разброс фактического напряжения срабатывания в реле может от образца к образцу значительно разниться. Во-первых, повышение МДС управления приводит к увеличению магнитных сил, действующих на контакт-детали, которые приобретают большую кинетическую энергию. При замыкании эта энергия гасится о контактную поверхность, что так или иначе ведет к ее чисто механическим изменениям. Кроме того, избыточная энергия при соударении контактов приводит к их вибрациям (дребезгу), который значительно затягивает динамические процессы срабатывания. Дребезг, имея в зависимости от режима работы реле различный характер, продолжительность, амплитуду, стимулирует эрозионные процессы, снижая ресурс работы реле. В случае коммутирования измерительной цепи он вносит нежелательные наводки, соизмеримые с уровнем измерительного сигнала.
Во-вторых, увеличение МДС управления в одной и той же катушке реле ведет к большому выделению тепла в ней, то есть величина МДС управления влияет на ресурс как непосредственно за счет увеличения кинетической энергии контакт-детали при срабатывании, так и за счет ухудшения теплопроводного режима катушки управления. Так, при увеличении МДС с 1,2 до 2,5 от величины срабатывания геркона ресурс реле существенно снижается. Зависимость минимального тока дуги (как границы газоразрядной эрозии, вносящей определяющий вклад в ресурс реле) от величины управляющего сигнала приведена на рис. 3 на примере реле РГК48.
С повышением частоты коммутации, за счет большего нагрева, ресурс реле падает, что особенно заметно при прерывистых режимах работы. На рис. 4 показана зависимость минимального тока дуги от частоты управляющего сигнала для того же реле РГК48. Причина — температурные эффекты: при непрерывных режимах контакты реле постепенно разогреваются до установившейся температуры, не смещаясь относительно друг друга в течение всего периода работы; при прерывистом режиме, вследствие неравномерного охлаждения и нагрева разных частей контактной группы реле, наблюдается смещение эрозионных пиков и кратеров один относительно другого, вследствие чего пики заклинивают в стенках кратеров. При этом чем выше частота коммутации, тем больше нагрев, перенос металла и последующие расхождения центров пиков и кратеров при охлаждении.
Таким образом, возможности герконовых реле не ограничиваются требованиями ТУ и могут быть значительно повышены и расширены применительно к реальным условиям эксплуатации.
-www.finestreet.ru -
89
