陳偉

（上海航天八O五所,上?！?01109）

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星載天線驅(qū)動(dòng)器磁保持繼電器觸點(diǎn)保護(hù)技術(shù)

陳偉

（上海航天八O五所,上海201109）

摘要：磁保持繼電器在星載天線驅(qū)動(dòng)器中廣泛使用。但是,在驅(qū)動(dòng)器加斷電的過程中,由于容性負(fù)載的存在,浪涌電流會對磁保持繼電器的觸點(diǎn)的可靠性產(chǎn)生較大的影響。給出了型號上繼電器失效的具體案例和相關(guān)分析,并提出了一種有效的繼電器觸點(diǎn)保護(hù)技術(shù)。

關(guān)鍵詞：星載天線驅(qū)動(dòng)器；磁保持繼電器；失效；觸點(diǎn)；保護(hù)技術(shù)

0　引言

磁保持繼電器只在其轉(zhuǎn)換工作瞬間消耗能量,在狀態(tài)保持時(shí)不耗能,因此,其在對能源消耗有特殊限制的場合得到了廣泛的應(yīng)用,例如:衛(wèi)星和空間站等。天線驅(qū)動(dòng)器（以下簡稱機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)器）作為衛(wèi)星天線機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)部件,也大量地采用磁保持繼電器來控制其一次母線加斷電、主備線路切換和主備電機(jī)繞組切換等過程。該類繼電器在實(shí)際使用的過程中,由于需要驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)負(fù)載,因此,如果未采用恰當(dāng)?shù)南擞侩娐?則可能會出現(xiàn)由于浪涌電流過大而引起繼電器觸點(diǎn)電弧并使觸點(diǎn)燒蝕等惡性故障,因此,本文對星載天線驅(qū)動(dòng)器磁保護(hù)繼電器的觸點(diǎn)的保護(hù)技術(shù)進(jìn)行了探討。

1　某型號上的繼電器失效案例

1.1失效案例

某星載天線驅(qū)動(dòng)器在一次執(zhí)行加斷電遙控指令時(shí),出現(xiàn)了遙控指令無法正常響應(yīng)的異?，F(xiàn)象。機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)線路的供電原理圖如圖1所示,電動(dòng)機(jī)繞組等效模型為電阻R串接電感L,由于感性負(fù)載在切換過程中會產(chǎn)生很大的反電動(dòng)勢,因此為了泄放該反電動(dòng)勢,在驅(qū)動(dòng)輸出端并接了較大的容性負(fù)載C。

圖1　機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)線路供電原理圖

經(jīng)排查,定位出現(xiàn)上述故障現(xiàn)象的原因?yàn)榧訑嚯姶疟３掷^電器M212-J2A-563出現(xiàn)異常。該繼電器為兩組轉(zhuǎn)換自保持繼電器,其電路圖如圖2所示,單機(jī)使用了其中的動(dòng)合觸點(diǎn)（2-1和5-4觸點(diǎn)）,正常情況下發(fā)送開機(jī)指令后（X1-X2線圈激勵(lì)）, 2-3和5-6觸點(diǎn)斷開, 2-1和5-4觸點(diǎn)導(dǎo)通；發(fā)送關(guān)機(jī)指令后（Y1-Y2線圈激勵(lì)）, 2-1和5-4觸點(diǎn)斷開, 2-3和5-6觸點(diǎn)導(dǎo)通。故障時(shí)發(fā)送開機(jī)指令后觸點(diǎn)狀態(tài)正常,但發(fā)送關(guān)機(jī)指令后繼電器不動(dòng)作,觸點(diǎn)處于開機(jī)指令狀態(tài)。

圖2　M212底視線路圖

用X射線檢測儀對繼電器進(jìn)行檢查,發(fā)現(xiàn)與正常樣品對比,失效繼電器銜鐵左側(cè)未貼合到位。對Y1-Y2線圈激勵(lì),繼電器無動(dòng)作聲音,銜鐵狀態(tài)未發(fā)生變化；對X1-X2線圈激勵(lì),聽到動(dòng)作的聲音,銜鐵左側(cè)貼合到位；對Y1-Y2線圈激勵(lì),聽到動(dòng)作聲音,銜鐵正常轉(zhuǎn)動(dòng)到位。失效件和比對件的X射線照片如表1所示,左側(cè)為失效品X射線照片,右側(cè)為對比樣品X射線照片。

用機(jī)械方法將繼電器啟封,然后將其放在顯微鏡下觀察,發(fā)現(xiàn)繼電器的內(nèi)部未出現(xiàn)可動(dòng)多余物,銜鐵也未出現(xiàn)異常,對線圈緩慢加電,銜鐵轉(zhuǎn)動(dòng)也未見異常,但觀察到兩付動(dòng)合觸點(diǎn)有明顯的金屬轉(zhuǎn)移后形成的一面有凹坑,一面有堆積物的現(xiàn)象,繼電器觸點(diǎn)目視圖如圖3所示。

圖3　繼電器觸點(diǎn)目視

表1　銜鐵位置

1.2理論分析

1.2.1繼電器常見失效模式及機(jī)理

電磁繼電器的失效模式主要有以下7種[1]。

a）機(jī)械卡死

其失效機(jī)理為: 1）機(jī)械變形使得機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)受阻；2）機(jī)械系統(tǒng)混入雜物使得系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)受阻；3）裝配時(shí)運(yùn)動(dòng)橋一側(cè)與主體支架之間的間隙過小,擠壓塑料填片產(chǎn)生過大的阻力。

b）觸點(diǎn)行程不夠

其失效機(jī)理為: 1）推桿變形使得推桿與動(dòng)觸點(diǎn)之間的距離過大,進(jìn)而造成動(dòng)觸點(diǎn)的實(shí)際行程過短；2）動(dòng)觸簧或靜觸簧變形使得有效接觸需要的行程變長或者不能正常復(fù)位。

c）線圈或引線斷裂

其失效機(jī)理為: 1）線圈受到機(jī)械損傷,從而使得導(dǎo)線的截面積變小,導(dǎo)電性能變差,最終因過熱而熔斷；2）振動(dòng)環(huán)境下線圈松動(dòng),并隨著振動(dòng)產(chǎn)生徑向位移,反復(fù)拉動(dòng)線圈和引線,線圈或引線因應(yīng)力作用而疲勞斷裂；3）電阻絲過細(xì)且纏繞過緊,材料的熱膨脹系數(shù)不同,溫度升高時(shí)內(nèi)芯體和電阻絲產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力發(fā)生脆斷；4）線圈通電電流過大,從而導(dǎo)致線圈因過熱而熔斷。

d）觸點(diǎn)上產(chǎn)生融化圓坑或針刺

其失效機(jī)理為:分合電路時(shí),發(fā)生電弧放電,產(chǎn)生高溫,從而使觸點(diǎn)表面融化。

e）觸點(diǎn)表面污染,接觸壓降過大

其失效機(jī)理為:觸點(diǎn)表面受到污染,形成微粒污染膜、無機(jī)化學(xué)膜和有機(jī)化學(xué)膜等。

f）密封失效

其失效機(jī)理為:常閉點(diǎn)玻璃絕緣子破裂,引線松動(dòng)。

g）虛焊

其失效機(jī)理為:線圈內(nèi)部引線焊接不牢。

利用高倍放大鏡對開蓋后的失效繼電器進(jìn)行觀察,發(fā)現(xiàn)觸點(diǎn)產(chǎn)生了金屬轉(zhuǎn)移現(xiàn)象,因而可以判斷,該繼電器的失效模式屬于上述第4種失效模式,其失效機(jī)理為分合電路時(shí)發(fā)生了電弧放電,產(chǎn)生了高溫,從而導(dǎo)致了觸點(diǎn)表面融化。

1.2.2電弧放電對觸點(diǎn)電接觸失效的影響

磁保持繼電器的觸點(diǎn)在閉合的過程中,由于簧片自身具有一定的彈性,因而觸點(diǎn)處會產(chǎn)生短時(shí)間的回跳。當(dāng)兩邊觸點(diǎn)之間的距離較小而兩端電壓較大時(shí)容易出現(xiàn)擊穿電?。ㄈ蓟。┈F(xiàn)象。觸點(diǎn)動(dòng)作包括吸合過程和釋放過程。其中,吸合過程分為靜合觸點(diǎn)分?jǐn)噙^程、動(dòng)觸點(diǎn)自由運(yùn)動(dòng)過程和動(dòng)合觸點(diǎn)閉合過程；釋放過程分為動(dòng)合觸點(diǎn)分?jǐn)噙^程、動(dòng)觸點(diǎn)自由運(yùn)動(dòng)過程和靜合觸點(diǎn)閉合過程。因此,觸點(diǎn)轉(zhuǎn)換一次即相當(dāng)于線圈的一次吸合和釋放過程,會出現(xiàn)4次燃弧過程和至少2次回跳[2]。觸點(diǎn)轉(zhuǎn)換的過程中會出現(xiàn)觸點(diǎn)間隙預(yù)擊穿和回跳現(xiàn)象,回跳產(chǎn)生的電弧會造成觸點(diǎn)材料的侵蝕,最終導(dǎo)致磁保持繼電器電接觸失效。

在電感負(fù)載中,特別是電動(dòng)機(jī)中,通常驅(qū)動(dòng)線路中會并接泄放反電動(dòng)勢的電容,開始通電時(shí),電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩最大,因而啟動(dòng)電流就大。一般情況下,啟動(dòng)瞬態(tài)電流應(yīng)是平均電流的5～15倍。如果選用的磁保持繼電器降額過小,啟動(dòng)產(chǎn)生的瞬態(tài)啟動(dòng)電流則會大大地超出繼電器的接觸電流的范圍。此外,磁保持繼電器動(dòng)作吸合過程中,由于觸點(diǎn)剛接觸時(shí)簧片的彈性,會產(chǎn)生短時(shí)間的同跳現(xiàn)象,此時(shí)瞬態(tài)接觸電流會達(dá)到最大,但是,由于觸點(diǎn)之間的接觸面積又很小,因而會產(chǎn)生接觸電弧,電弧又會產(chǎn)生高溫,最終使得接觸點(diǎn)周圍的金屬熔化[3]。

在觸點(diǎn)接觸瞬間由于觸點(diǎn)表面金屬熔化而且觸點(diǎn)緊密接觸,觸點(diǎn)間會被熔化的金屬焊接住,也就是發(fā)生動(dòng)熔焊現(xiàn)象。觸點(diǎn)間發(fā)生動(dòng)熔焊后若分?jǐn)鄷r(shí)機(jī)械系統(tǒng)提供的分?jǐn)嗔^小,則會出現(xiàn)分?jǐn)嗍?兩個(gè)觸點(diǎn)無法正常被分開?；靥^程中熔化的表層金屬會在觸點(diǎn)間發(fā)生轉(zhuǎn)移,從而形成針刺或者圓坑[4]。另外,發(fā)生動(dòng)熔焊現(xiàn)象的觸點(diǎn)分?jǐn)嗨查g,熔焊金屬也會附著在某個(gè)觸點(diǎn)表面并再次電弧放電,從而導(dǎo)致觸點(diǎn)表面粗糙,下次無法正常接觸。

在電弧放電的過程中,若環(huán)境中氧氣的濃度較大,還會導(dǎo)致觸頭表面因被氧化而形成氧化膜,進(jìn)而影響觸點(diǎn)的電接觸性能甚至導(dǎo)致觸點(diǎn)因性能不符合要求而失效[5]。

1.2.3浪涌電流分析

機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)器線路模型圖如圖4所示。

圖4　機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)線路供電原理圖

圖4中: K——磁保持繼電器觸點(diǎn)；

R0——供電線路印制線等等效限流電阻；

C——繞組并聯(lián)泄放電容；

rc——電容等效串聯(lián)電阻。

代入R0實(shí)測值為1.2 Ω, rc電容等效串聯(lián)電阻手冊值為100 mΩ,浪涌電流理論計(jì)算值為21.5 A。

采用電流鉗對供電線路浪涌電流進(jìn)行了實(shí)際測試,得到峰值電流接近20 A,到達(dá)峰值的時(shí)間約為10 μs,與理論計(jì)算值基本一致,測試結(jié)果如圖5所示。

圖5　浪涌電流

1.2.4繼電器觸點(diǎn)回跳波形監(jiān)測

用Agillent DSO7014B數(shù)字示波器對失效繼電器動(dòng)合觸點(diǎn)回跳波形進(jìn)行監(jiān)測,監(jiān)測結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出,動(dòng)合觸點(diǎn)閉合到第一次斷開的時(shí)間約為8 μs,與浪涌電流到達(dá)峰值所需要的時(shí)間接近。

圖6　觸點(diǎn)回跳波形圖

1.2.5綜合分析

繼電器加電不動(dòng)作一般與線圈故障、活動(dòng)部件的卡滯和觸點(diǎn)粘連有關(guān)。該繼電器失效后線圈電阻的阻值正常,施加額定工作電壓后,工作電流正常但故障保持,因而可以排除線圈故障。內(nèi)部目檢未發(fā)現(xiàn)可動(dòng)多余物,銜鐵、轉(zhuǎn)軸等活動(dòng)部件也未見異常,因而可以排除活動(dòng)部件的卡滯故障。內(nèi)部目檢觀察到使用的兩付動(dòng)合觸點(diǎn)均有明顯的金屬物轉(zhuǎn)移現(xiàn)象,因而可以判斷該繼電器的失效與觸點(diǎn)粘連有關(guān)。

對使用線路的浪涌電流進(jìn)行了實(shí)際測試,得到峰值電流接近20 A,到達(dá)峰值的時(shí)間約10 μs；對失效繼電器觸點(diǎn)回跳波形進(jìn)行了監(jiān)測,得到觸點(diǎn)閉合到第一次斷開的時(shí)間約為8 μs,這表明失效繼電器觸點(diǎn)在第一次斷開時(shí)是對一個(gè)較大的電流進(jìn)行了分?jǐn)?而磁保持繼電器的觸點(diǎn)在分?jǐn)噍^大的電流時(shí)會產(chǎn)生熔化,從而使觸點(diǎn)發(fā)生粘連,一旦觸點(diǎn)粘連后所需的分?jǐn)嗔Τ^了繼電器驅(qū)動(dòng)部分所能提供的分?jǐn)嗔?繼電器就會出現(xiàn)線圈激勵(lì)后無法動(dòng)作的故障。

該繼電器出現(xiàn)線圈激勵(lì)后無法動(dòng)作的故障是由于動(dòng)合觸點(diǎn)閉合時(shí)存在回跳,且回跳過程中第一次斷開的時(shí)間接近浪涌電流的峰值時(shí)間,從而使觸點(diǎn)產(chǎn)生粘連所致。

1.3解決方案

1.3.1解決方案1

在驅(qū)動(dòng)線路供電端采用消浪涌電路,如圖7所示。在上電瞬間,利用C1、C2電容兩端的電位差為0的特性,保證PMOS管處于關(guān)斷狀態(tài),之后電容通過R3進(jìn)行放電,在電容放電的過程中, MOS管柵源級電壓差會逐漸地增大,當(dāng)柵源電壓差為-10 V左右時(shí), PMOS管完全導(dǎo)通。因此,選取適合的C1、C2和R2、R3值便可以有效地控制浪涌電流的幅值。

圖7　消浪涌電路

1.3.2解決方案2

采用在電容端串接電阻的方式降低浪涌電流,由于驅(qū)動(dòng)線路并聯(lián)的固體鉭電容的正向耐壓值為63 V,而反向耐壓值僅為1 V,因而將其連接在一次母線電源+29 V端時(shí)會存在可靠性問題。實(shí)際中,可以把兩串兩并鉭電容（CAK-63 V-10 uF±10％）更改為10 Ω電阻串接兩個(gè)瓷介電容器（CT4L-3-2C1-100 V-474-K。）,更改后的驅(qū)動(dòng)線路串電阻電路圖如圖8所示。對改進(jìn)后的供電線路的浪涌電流進(jìn)行測試,測試結(jié)果如圖9所示,從圖9可以看出,更改后的供電線圖的浪涌電流峰值為4 A左右,上升時(shí)間為2 μs。

圖8　驅(qū)動(dòng)線路串電阻電路圖

圖9　浪涌電流

1.3.3方案比較

解決方案1可以最大限度地減小浪涌電流,但是需要增加一部分電路,考慮到驅(qū)動(dòng)線路過流大,因而需要采用MOSFET串接在供電母線上,這樣風(fēng)險(xiǎn)較大,因此不建議采用；解決方案2簡單、易實(shí)施,僅需要在電機(jī)驅(qū)動(dòng)路濾波電容上串接合適的限流電阻即可,并且經(jīng)產(chǎn)品實(shí)際驗(yàn)證,此方案能夠有效地降低浪涌幅值,使得磁保持繼電器的觸點(diǎn)不被燒蝕。

2　結(jié)束語

實(shí)際案例的理論分析和實(shí)際測試均表明,在使用磁保持繼電器的過程中,必須仔細(xì)地考慮天線驅(qū)動(dòng)器加斷電過程中浪涌電流對觸點(diǎn)的影響。通過對解決方案進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)采用驅(qū)動(dòng)線路端串接限流電阻的方案,可以有效地降低浪涌電流的影響,降低觸點(diǎn)被燒蝕的風(fēng)險(xiǎn)。

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Protection Technology of the Contact of Magnetic Latching Relays Used in Spaceborne Antenna Driver

CHEN Wei
（No.805 Research Institute of SAST, Shanghai 201109, China）

Abstract:Magnetic latching relay is widely used in spaceborne antenna driver. But in the process of power outage and power-up of the driver, surge current will have a great impact on the reliability of the contact of magnetic latching relay due to the existence of capacitive load. A specific failure case of the magnetic latching relay used in a spaceborne antenna driver and the correlation analysis are given, and an effective protection technology of the contact of magnetic latching relay is proposed.

Key words:spaceborne antenna driver；magnetic latching relay；failure；contact；protection technology

作者簡介：陳偉（1982-），男，福建漳平人，上海航天八院八O五所工程設(shè)計(jì)中心工程師，碩士，從事星載機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)器的研制開發(fā)工作。

收稿日期：2015-09-07

doi:10.3969/j.issn.1672-5468.2016.01.006

中圖分類號：V 443；TM 581.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-5468（2016）01-0026-04