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浅析电磁继电器的选型与应用
本文论述了电磁继电器的选型及降额使用的原则，并对电磁继电器的安装、维护及应用中的需要注意的问题进行了分析。

1. 概述
继电器是地铁列车控制系统中重要的控制器件，继电器的选型与应用是否合适，直接关系到列车控制系统运行的可靠性。
继电器的种类很多，按输入信号的性质分有：电压继电器、电流继电器、时间继电器、温度继电器、速度继电器、压力继电器、光继电器等；按工作原理分有：电磁式继电器、电动式继电器、热继电器、电子式继电器等；按输出形式分有：有触点继电器和无触点继电器两类；按用途分有：控制用继电器、保护用继电器等。
面对纷繁复杂的继电器产品，如何合理选择、正确使用，是系统开发、设计人员必须关注和解决的实际问题。
要做到合理选择，正确使用，就必须从一下两个方面进行分析研究：一，深入了解继电器的结构、工作原理、技术参数和使用条件；二，深入分析系统的实际使用条件，对继电器技术参数的实际要求。
在分析研究的基础上，根据各继电器在系统中的重要程度、可靠性要求、所使用的环境条件、成本等要素综合考虑，提出所需继电器产品必须达到的技术性能要求。如：触点负荷，动作时间，温度特性，抗震性能，结构型式，安装方式，外形尺寸，使用寿命等。
在地铁列车的控制系统中使用最多的是电磁继电器，下面重点就电磁继电器的结构、工作原理、技术参数和选型要点等逐项进行分析。

2，电磁继电器的结构、工作原理与特性
2.1，电磁继电器的结构与工作原理
电磁式继电器由电磁系统、触点系统和释放弹簧等组成，其电气原理如图l所示。
由于继电器用于控制电路，流过触点的电流比较小(一般5A以下)，故不需要灭弧装置。

图1 电磁式继电器原理图
图中：1- 铁心， 2-旋转棱角， 3-释放弹簧， 4-调节螺母， 5--衔铁， 6-动触点， 7-静触点， 8-非磁性垫片， 9-线圈

2.2，电磁继电器的符号
常用的电磁继电器有：电压继电器和电流继电器。电磁继电器的图形、文字符号如图2所示。

图2 电磁式继电器图形、文字符号

2.3，电磁继电器的特性
继电器的主要特性是输入-输出特性，又称继电特性，继电特性曲线如图3所示。
当继电器输入量X由零增至X2以前，继电器输出量Y为零；当输入量X增加到X2时，继电器吸合，输出量为Y1；若X继续增大，Y保持不变；当X减小到X1时，继电器释放，输出量由Y1变为零；若X继续减小，Y值均为零。

图3 继电特性曲线
图3中，
X2称为继电器吸合值，欲使继电器吸合，输入量必须等于或大于X 2；
X1称为继电器释放值，欲使继电器释放，输入量必须等于或小于X 1。
Kf＝X1／X2称为继电器的返回系数，它是继电器重要参数之一。Kf值是可以调节的。
一般继电器要求低的返回系数，Kf值应在0.1～0.4之间，这样当继电器吸合后，输入量波动时不致引起误动作；
欠电压继电器则要求高的返回系数，Kf值在0.6以上。例如：某继电器返回系数Kf＝0.66，吸合电压为额定电压的90％，则电压低于额定电压的50％时，继电器释放，起到欠电压保护作用。
另一个重要参数是吸合时间和释放时间。吸合时间是指从线圈接受电信号到衔铁完全吸合所需的时间；释放时间是指从线圈失电到衔铁完全释放所需的时间。
一般继电器的吸合时间与释放时间为0.05～0.15s，快速继电器为0.005～0.05s，它的大小影响继电器的操作频率。

3，电磁继电器的选型

3.1，继电器环境适应性的确定
使用环境条件主要指：温度（最高温度与最低温度）、湿度（一般指40摄氏度下的最大相对湿度）、气压（使用高度1000米以下可不考虑）、振动和冲击、辐射、盐雾、电磁环境、安装位置、安装方式、安装尺寸等。
环境适应性是继电器可靠性指标之一。使用环境和工作条件的差异，对继电器性能有很大的影响。由于材料和结构不同，继电器承受的环境力学条件各异，超过产品标准规定的环境力学条件下使用，有可能损坏继电器。可按系统的环境力学条件或高一等级的条件确定继电器性能指标。
对电磁干扰或射频干扰比较敏感的装置周围，要选用带线圈瞬态抑制电路的继电器。在强磁场环境中，使用对舌簧继电器时，应有足够的磁屏蔽，以保证其正常工作。

3.2， 继电器工作状态的确定
继电器的工作状态是指输入信号对线圈的作用状态，有连续工作状态和脉冲工作状态。
要根据信号特点选用适合于不同工作状态的继电器，既不能将脉冲继电器用于连续工作状态，亦不能连续工作继电器用于脉冲工作状态。
对于脉冲工作状态的继电器，要考虑脉冲频率、通断比等。要根据实际电路的最大切换频率，确定继电器的响应频率。

3.3，继电器输入参量的确定
... 继电器的吸合电压（或电流）是继电器工作的极限参数值。
控制安全系数＝工作电压（电流）/吸合电压（电流）。
在吸合值下使用继电器，是不可靠的，环境温度升高、振动、冲击等，都有可能使继电器不能可靠吸合，或触点压力不足、接触不良。当然，也不是工作电压（电流）加得愈高愈好，超过额定工作值太高会增加衔铁的冲击磨损，增加触点回跳次数，缩短继电器的寿命。
继电器工业标准，交流继电器应该在其标称电压的85%下吸合，而直流继电器应该在标称电压的75%下吸合。
当工作电压（电流）的波动范围不超过±10％时，控制安全系数一般取1.3~1.4为宜。
对于地铁列车而言，DC110V控制电源变化范围很大（77～137.5V），电压的波动范围达±30％时，为确保继电器在电源电压变化范围内均能可靠工作，控制安全系数一般取1.8（吸合电压为66V）。
...
3.4，触点组合形式和触点组数的确定
①根据控制要求确定触点组合形式（常开触点、常闭触点、转换触点）；
②根据被控回路多少确定触点的对数；
由于触点接通时触点回跳次数少和触点烧蚀后补偿量大，其负载能力和接触可靠性比动断触点高，设计控制电路时，应尽可能多用动合触点。

3.5，触点容量的确定
继电器的触点切换电流的额定值，是指负载为阻性时在额定的电压（或额定电压和频率）下，继电器长期工作时，触点可靠切换的电流的能力。
对于非阻性负载，继电器触点切换时，存在浪涌电流。对于不同的负载，其浪涌电流大小如下表所示：

性质
浪涌电流
浪涌时间
备注
感性负载
10~20倍稳态电流
0.07~0.1

电动机
5~10倍稳态电流
0.2~0.5

白 灯
10~15倍稳态电流
0.34

汞 灯
约3倍稳态电流
180~300

霓虹灯
5~10倍稳态电流
≤10

钠光灯
1~3倍稳态电流

容性负载
20~40倍稳态电流
0.01~0.04
长输送线、滤波器、电源类应看作容性负载
变压器
3~15倍稳态电流

电磁接触器
3~10倍稳态电流
0.02~0.04

对于非阻性负载，继电器触点切换时，由于有浪涌电流的存在，继电器的负载能力将有不同程度的下降。因此在实际使用中，继电器触点切换的电流的能力需要根据负载性质进行换算。对于不同的负载，继电器触点切换能力下降的比率，如下表所示：

电阻性电流
电感性电流
电机电流
灯电流
100%
30%
20%
15%

继电器触点的额定寿命是指在额定负载（额定电压、额定电流）下，负载为阻性负载时的额定动作次数。超载使用，继电器的寿命将缩短；适度的降额使用，对提高继电器的触点寿命有利。一般取100毫安～额定容量值的75％为宜。

3.6，关于电容负载
继电器触点作为切换容性负载回路的接点时，易引起接点粘接，其原因是由于电容器的充放电过程，类似于电容储能点焊过程。
试验表明：给22μF电容器充足DC 220 V电压后，再激励继电器使其触点直接短路放电，10次之内，纯银触点即可产生焊接，不能释放现象。
电容器的放电电流为：

式中：
U - 为电容器两端电压；
R - 为放电回路电阻；
T - 为时间常数；
由于R约等于触点的接触电阻，趋近于零，在开始放电瞬间i= U/R；i非常大，也就是说： 电容器所储存的全部能量，在很短时间内全部通过触点泄放，从而直接导致点焊焊接失效。对于长的传输线、消除电磁干扰用的滤波器、电源等都是强容性的。用于此类负载的继电器应结合设备特性选用。

4，电磁继电器的设计任务书的编制
上面说的是对已批量稳定生产的继电器怎样选型。如果在已生产的继电器中没有适合要求的品种、规格，那就必须提出设计任务书，向继电器制造厂定制。
电磁继电器的设计任务书一般包括：
①控制电路参数：控制电源类型（是交流还是直流，电压变化范围）、工作状态(线圈是处于长期、短期或是脉冲工作状态）、吸合值、额定值、释放值等。
②被控制电路参数：负载类型（是直流还是交流，是阻性、感性、容性或是其它）、负载大小(闭路电流、开路电压和开断功率的大小及变化范围）、触点组数及形式。
③使用环境条件：极限温度、相对湿度、气压、振动条件、冲击条件、离心条件，使用环境气氛（指一些特殊条件）等。
④寿命要求：一般应该说明使用寿命和贮存寿命要求，使用寿命又分正常条件下和极限或特殊情况下的使用寿命。
⑤外形尺寸、重量及安装尺寸要求。
⑥对有失效率指标要求的继电器，除提出失效率指标置信度外，还要提出筛选项目及筛选要求，寿命试验的监测水平，监测延时，失效判据等。必要时还必须对继电器生产厂提出可靠性质量保证方面的要求及一些特殊试验方法的规定等。
⑥试制周期、费用、首次提供样品数量等。

5，电磁继电器的正确使用和维护
要提高继电器的可靠性，除了正确的选型外，还必须了解环境对继电器性能的引响，掌握继电器的正确使用和维护方法。
5.1，环境对继电器性能的引响
5.1.1温度对继电器性能的引响
⑴温度的升高，加速绝缘的老化，绝缘性能下降，缩短使用寿命。
⑵温度的变化，引起绝缘材料的变形，影响继电器动作参数的变化。
⑶温度的升高，线圈温升增高，电阻增大，影响到吸合、释放参数的变化。
⑷温度升高，加速触点的氧化，加剧表面膜电阻的形成，影响接触的可靠性。
⑸温度升高，电弧持续时间增加，触点切换能力下降，易形成触点粘结。
⑹在低温下，对于非密封继电器，低温下触点间可能形成冰霜，影响触点的导通。
5.1.2湿度对继电器性能的引响
继电器的正常使用环境相对湿度条件：60~70%。
①在高湿的条件下，金属零件的腐蚀速度显著上升。普通金属的临界湿度（使金属腐蚀速度显著升高的最低相对湿度）一般为60~70%。
②在高湿的条件下，继电器的绝缘降低，泄漏急剧增大。
③在高湿的条件下，霉菌繁殖很快，有机材料极易长霉，影响继电器的性能。
④在高湿的条件下，可溶性杂质溶于水中，变成电解液，形成腐蚀微电池，加速金属腐蚀。对非密封继电器，线圈的失效，往往是由于这种“电解腐蚀”引起断线所造成。
⑤在高湿的条件下，会加剧继电器触点膜电阻的生成。
对一些应用在高温高湿条件下的非密封继电器，其绝缘零件要进行特殊的三防(防湿、防霉、防菌）处理；最好是选用密封继电器。
5.1.3低气压对继电器性能的引响
①在低气压条件下，散热条件差，电弧持续时间增加，触点分断容量降低。
②在低气压条件下，散热条件差，线圈温升增高，电阻增大，影响继电器吸合、释放参数的变化。
③在低气压条件下，介质强度降低，触点间绝缘下降，一般来讲，海拔每升高1000米，绝缘水平大约降低10%。
5.1.4振动与冲击对继电器性能的引响
电磁继电器触点簧片多为悬臂梁系统，固有频率较低。
当外界振动频率达到或接近触点簧片固有频率时，会引起谐振，导致触点压力降低，接触不良，甚至使触点瞬时断开，出现抖动。
振动和冲击作用会改变继电器的机械特性，降低动作可靠性。
周期性的作用力会使继电器结构松动或损坏，造成结构失效。
5.1.5盐雾等其它有害气体
盐雾或其它有害气体对电器产品零件的腐蚀严重。
5.1. 6电磁场对继电器性能的引响
电磁继电器是靠电磁力的作用来动作的，强磁场影响继电器动作的可靠性。
5.1.7辐照对继电器性能的引响
强核幅照，可使高分子绝缘材料分子结合链被破坏，绝缘性能下降。

5.2，正确使用继电器的有关注意事项
5.2.1继电器触点类型的选择
在设计继电器控制电路是时，应尽量多采用动合触点，少用动断触点。其原因是：
动合触点在动作时触点回跳次数比动断触点少。继电器触点动作时产生机械冲击，引起抖动，触点抖动既对电路产生不良影响，又缩短触点的寿命。
5.2.2继电器触点的连接方式
在设计继电器控制电路是时，应将继电器的动触点接电源阴极，固定触点接电源阳极，以提高了触点的寿命。其原因是：
触点电弧测试得出，在相同负载下，动触点接阴极，触点分断时其燃弧时间要比动触点接阳极短一半以上。
5.2.3继电器触点的串、并联使用
⑴ 不能用触点并联的方式提高触点的负载功率。其原因是：
由于继电器触点在动作时存在微小的时间差（一般两组触点动作时间相差0.1毫秒～0.2毫秒）。对于并联触点而言，先接通的一组触点将承受全部负载功率，处在超应力条件下进行切换，很容易被大电流形成的电弧烧毁而失效。
⑵继电器触点并联使用可提高电路接通的可靠性
对于一次接通就能完成规定功能的电路，如发射卫星，只要求继电器触点把火箭的点火系统接通就完成任务，采用触点并联提高电路接通的可靠性。
⑶继电器触点串联使用可提高电路断开的可靠性
对于一次断开就能完成规定功能的电路，如列车的紧急制动环路，采用触点串联的方式，提高电路断开的可靠性。
5.2.4继电器线圈承受过电压的能力
交流继电器线圈通常承受过电压的能力比直流继电器差。其原因是：
对于直流继电器，线圈电压增加，电流增大，温度升高，电阻增大。电阻增大，限制了电流的增加。因此，线圈电流增加的比率小于外加电压增加的比率。
对于交流继电器，线圈电压的增加，电流增大，造成磁饱和，使感抗减小，线圈电阻虽然增大，但总的阻抗下降。因此，线圈电流增加的比率大于外加电压增加的比率。
5.2.5触点的分断能力与负载性质的关系
对于直流负载，触点的分断能力相对较低。其原因是：
对于交流负载，电压和电流是交变的，在触点分断的过程中，电流过零时，电弧自动熄灭；对于直流负载，电压和电流的方向是不变的。
5.2.6冷凝现象
在高湿的环境中，有昼夜的温度变化，可能出现冷凝现象，从而导致绝缘电阻下降甚至短路。因此，在高湿的环境中，最好采用密封继电器。
5.2. 7继电器触点的保护
①采用电弧抑制保护措施，在负载两端并联一个阻容吸收电路或并联续流二极管。
②继电器输入端和输出端应隔离，以避免线圈去激励时，线圈上的反电势加在触点上，使触点的断开电压增大。
采用并联瞬态抑制二极管或二极管的方法加以抑制。
5.2.8断路器的安装
断路器应装在电源正极与继电器线圈之间，在断路器断开状态下, 安全地隔离继电器电路，以免电击危险。
用于控制继电器的任何开关器件, 必须能承受线圈的反电动势峰值与电源电压值之和，线圈的反电动势峰值可高出额定电压的5倍以上。
5.2.9继电器动作过程中的特性对使用可靠性的影响
①触点回跳时间
任何电磁继电器都存在机械回跳时间，短的约100微秒左右，长的可达1ms～10ms。回跳在电路中会形成干扰脉冲影响其它电路，在使用中要适当选择工作电压以降低回跳。
②动作不同时性
多触点的电磁继电器动作时不可能做到所有触点同时接通或断开，一般相差0.1~0.2ms左右。在缓慢型输入信号作用下，这个时间差会明显增大。
③桥接
所谓桥接即在接继电器切换的过程中，有时存在两个电路同时接通瞬间。设计电路时要注意消除桥接现象的影响。
④电磁噪声
继电器线圈断电瞬间，线圈上可产生很高的反电动势，线圈反电动势和电源电压叠加后，加到开关触点上，引起电弧和快速脉冲群，产生传到骚扰和辐射骚扰。
5.2.10继电器的安装
安装方法对继电器耐振能力的影响很大，应使继电器受到的冲击和振动的方向与继电器衔铁的运动方向相垂直。
5.2.11温度对的吸合电压的影响
温度的升高，继电器线圈电阻增大，吸合电压升高。
继电器选型时要考虑：环境温度，以及继电器线圈工作电流、工作方式、散热条件等因素对线圈温度的影响。
5.2.12电磁兼容要求
继电器既不应幅射电磁骚扰、也不应传导使灵敏逻辑电路误触发的瞬态脉冲电压。
①交流继电器线圈工作时会产生电磁噪声和交流声，对于电磁噪声敏感电路，宜采用直流励磁继电器。
②当继电器与灵敏逻辑电路一同工作时, 继电器输入端和输出端应隔离。
③继电器线圈断电瞬间，线圈上可产生很高的反电动势，对电子线路有极大的危害。因此，对继电器线圈断电瞬间的反电动势必须加以抑制。抑制的方法有：
⑴继电器线圈并联双向TVS（瞬态抑制二极管）。
⑵继电器线圈并联二极管。
继电器线圈并联二极管，继电器的释放时间要延长3~5倍，当释放时间要求高时，可在二极管一端串接一个合适的电阻。
5.2.13继电器切换频率
在实际电路中，切换功率负载时，切换频率不宜过高，一般应少于10~20次/min，最大切换频率不得超过：0.1 /（最大吸合时间+最大释放时间）s。
5.2.14触点失效机理
当继电器触点在大负荷下工作时，所产生的飞弧导致触点被烧熔，造成触点粘连，而无法分开；当触点电流降到100毫安以下时，电弧作用明显减弱，触点在高温条件下析出的含碳物质不能被电弧烧掉，而沉积在触点表面，使触点接触电阻增大，影响接触可靠性。

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