Предупреждение и устранение неисправностей СЦБ - Характерные отказы РЗА и способы их предупреждения

Глава IV
ХАРАКТЕРНЫЕ ОТКАЗЫ АППАРАТУРЫ, ОБОРУДОВАНИЯ И СПОСОБЫ ИХ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ
РЕЛЕЙНАЯ АППАРАТУРА
Отказы элементов релейной аппаратуры распределяются следующим образом: 31 % отказов аппаратуры падает на контактную систему, 28 % на обмотки и монтаж, 21 % на диоды, 8 % на конденсаторы и др.
Большое количество отказов аппаратуры приходится на май, июнь, июль (рис. 7). Увеличение отказов в этот период связано в основном с появлением повышенного числа отказов в штепсельных разъемах из-за некачественной их замены и невыполнения требований по проверке работоспособности устройств после замены приборов. Рост числа отказов в этот период является также следствием влияния грозовых перенапряжений, особенно на приборы, содержащие полупроводниковые элементы.
Другой максимум отказов приходится на декабрь, январь, и увеличение числа отказов в этот период объясняется примерзанием якоря и индевением контактной системы реле из-за отсутствия обогрева в релейных шкафах, реле ППРЗ-5000 или путевых коробках.
Наиболее часто встречающимися отказами реле являются обгорание и стирание контактов, разрегулировка контактных пружин, пробой изоляции обмотки на корпус. Реже встречаются отказы из-за обрывов и межвитковых замыканий обмотки, отклонения параметров установленных допусков, плохого центрирования контактов и снижения упругости пружин. Причиной отказов может быть большой ток включаемой сети или установившийся, а также скачок тока при размыкании индуктивной цепи. В результате переходных процессов коммутируемых цепей контакты могут испытывать значительные кратковременные перегрузки.
Определенное число отказов приборов автоблокировки (табл. 4) приходится на аппаратуру, работающую в импульсно-кодовом режиме, главным образом на трансмиттеры, импульсные и трансмиттерные реле, дешифраторные ячейки.

Рис. 7. Распределение отказов релейной аппаратуры по месяцам
Отказы импульсных реле составляют 11 % общего числа отказов приборов и 2,35 % общего числа отказов систем автоблокировки, т. е. надежность этих реле относительно невысока по сравнению с нейтральными реле НМШ.
Таблица 4

Результаты обработки данных по отказам элементов импульсных реле показывают, что 46,7 % отказов происходят вследствие электрического износа материала контактов (эрозия), разрегулировки электрических характеристик реле, увеличения переходного сопротивления контактов, связанного главным образом с эрозионными процессами на контактах и дефектами регулировки контактного нажатия в РТУ. Определенное число отказов импульсных реле (6,89 %) происходит вследствие попадания продуктов износа контакта и металлической стружки из магнитного материала между якорем и полюсными наконечниками реле. Неисправности реле ИРВ-110 происходят также вследствие пробоя выпрямителей при грозовых разрядах, обрыва обмоток и монтажных проводов в местах пайки, боя стеклянного колпака, коррозии деталей и др.
Распределение характерных отказов аппаратуры в процентах общего числа отказов приведено ниже.
Причина отказа реле                                                                 Число отказов, %
Эрозия контактов...................................................................... 46,7
Повышенное переходное сопротивление
контактов.................................................................................. 6,9
Регулировка электрических характеристик                         12,64
Электрический пробой выпрямителей при
грозе или приварка соединителей........................................... 12,64
, Попадание продуктов износа контактов
и стружки в зазоры.............................................................. 6,89
Дефекты пайки монтажа...................................................... 4,59
Износ антимагнитного упора............................................... 1,5
Обрыв обмотки..................................................................... 2,3
Бой колпаков........................................................................ 2,35
Прочие (в том числе неустановленные)                          ....             3,45

Анализ результатов статистической обработки данных по отказам и физических явлений, происходящих при работе импульсных реле, позволяет выделить параметры, от которых зависит надежность работы реле ИМВШ-110. К ним относятся: эрозионный износ материала контактов реле, переходное сопротивление контактов, электрические характеристики — напряжения срабатывания и отпускания якоря, контактное нажатие, магнитная индукция в рабочей точке постоянных магнитов, механический износ контактов автоматического упора, релаксация пружин и их механическая прочность.
В импульсном реле при замыкании контактов, когда расстояние между ними становится малым, напряженность поля резко возрастает и может возникнуть явление автоэлектронной эмиссии; электроны вырываются с поверхности контакта, имеющего более низкий потенциал. В результате этого возникает искра, которая гасится замкнувшимся контактом. Это не приводит к заметной эрозии (износу) контактов, однако способствует протеканию окислительных процессов и образованию на поверхности контактов различных соединений, вызывающих увеличение переходного сопротивления.
Наиболее трудным этапом работы контактов является процесс их размыкания. Поверхность соприкосновения контактов при размыкании быстро уменьшается, что приводит к росту переходного сопротивления. Ток в цепи почти не успевает уменьшаться, поэтому резко увеличивается выделяемая в контактах мощность. Контакты сильно разогреваются, металл в точке соприкосновения оплавляется, что приводит к постепенному их разрушению.
Исследования импульсных реле, работающих в схеме управления дешифраторными ячейками, показывают, что переходное сопротивление контактов постепенно возрастает и к концу года эксплуатации может на 10-15 % превзойти установленную норму (0,05 Ом). В результате примерно 40 % контактов после года эксплуатации имеют завышенное переходное сопротивление, достигающее 0,07 - 0,08 Ом.
Возрастание сопротивления контактов объясняется следующими причинами. У твердых контактирующих материалов практически невозможны идеально плоские поверхности, поэтому считают, что контакт в момент соприкосновения создается не более чем в трех точках. Сумма всех поверхностей соприкосновения, воспринимающих контактные нажатия, намного меньше кажущейся площади соприкосновения. При сближении и скольжении контактов неровности поверхности приходят в соприкосновение, деформируются и образуют наклепы, создающие металлический контакт и увеличивающие общую площадь соприкосновения контактов.
Окисные пленки черного цвета, появляющиеся на контактах, обладают высоким удельным сопротивлением, легко продавливаются или пробиваются электрически. Однако по мере эрозийного износа материала вследствие мостиковой эрозии и кратковременных дуг накапливаются абразивные (твердые) частицы на поверхности контактов. Образующиеся наклепы повышают твердость и удельную проводимость материала контактов, процесс окисления частиц металла контактов ускоряется. Процесс оплавления контактов из сплава СРКД-96-14 и коррозия деталей импульсных реле проходят более интенсивно при наличии в атмосфере серы из отходов предприятий, появлении озона при искрении контактов и т. д. В результате этих причин число металлических поверхностей соприкосновения при замыкании сокращается и сопротивление контактов растет.
Переходное сопротивление контактов зависит от контактного нажатия и состояния контактных поверхностей. В процессе работы реле изменяются контактное нажатие (в результате уменьшения совместного хода) и состояние поверхности контактов из-за механических, химических, электрохимических и других процессов. В замкнутом состоянии контакты, как бы тщательно ни были отполированы их поверхности, соприкасаются только в одной или нескольких выступающих точках. Ток проходит через небольшие контактные поверхности, в которых и создается металлический или квазиметаллический (через мономолекулярные поверхностные пленки) контакт. При соударении контактных пружин слабо связанные углеграфитовые компоненты материала выкрашиваются и на поверхности остаются более крупные и прочные включения серебра.
Это приводит к уменьшению площади соприкосновения и возрастанию переходного сопротивления. Однако при замыкании и размыкании контактов под нагрузкой параллельные линии тока в металле контактов искривляются и стягиваются к точкам с высокой проводимостью, в которых плотность тока может быть значительной (10* А/мм2). Образовавшиеся контактные мостики сгорают, разрушаются выступы крупных включений вследствие оплавления или окисления. Это приводит к увеличению площади соприкосновения контактов и падению переходного сопротивления. В зависимости от характера и значения нагрузки между процессами выкрашивания и оплавления устанавливается динамическое равновесие, которым и определяется переходное сопротивление.
Переходное сопротивление контактов зависит от значения и характера нагрузки и изменяется обратно пропорционально ее разрушающей способности. При достаточно большой нагрузке переходное сопротивление в первый момент падает, затем стабилизируется, так как преобладает процесс электроэрозии. При малой нагрузке происходит механическое разрушение контакта, поэтому сопротивление растет. Контакты, работающие без нагрузки, не подвержены процессам электроэрозии, их сопротивление возрастет, превышая норму (0,3 Ом). Это явление не должно вызывать опасения, так как при включении таких контактов на нагрузку происходит пробой поверхностных пленок и переходное сопротивление контакта резко снижается.
При работе без нагрузки переходное сопротивление контактов после 3—4 млн. циклов срабатываний остается постоянным. Некоторое увеличение сопротивления в начале работы можно объяснить оседанием продуктов износа фронтовых контактов, а также окислительными процессами с образованием на поверхности тылового контакта сернистого серебра, так как в присутствии кислорода и влаги серебро взаимодействует с сероводородом, который всегда имеется в воздухе. Превышение нормального значения переходного сопротивления контактов 0,03 Ом объясняется интенсивным процессом образования окисной пленки, об падающей меньшей проводимостью, а также некоторым снижением контактного нажатия. Увеличение переходного сопротивления контактов на 10-15 %, как показали расчеты для токов, коммутируемых в схемах автоматики, не изменяет режим цепи.
При замыкании тыловых контактов нейтральных реле наблюдается вибрация, когда замыкание не заканчивается при первом соприкосновении, а вследствие соударения контакты 2—3 раза замыкаются прежде, чем достигнут постоянного соприкосновения. Вибрация в релейных контактах увеличивает перенос материала дугами и мостиками, так как каждый отскок означает новую коммутационную операцию. Время ударов и отскоков контактов, как показали осциллограммы, мало (0,5 + 1,5)10-3 с, поэтому инерционные нейтральные реле не реагируют на отскоки контактов. Явление вибрации нежелательно для контактных схем со счетными на бесконтактных элементах, которые будут реагировать на каждый отскок контактов, фиксируя его как очередное включение или отключение.

Осциллограммы токов, коммутируемых фронтовыми контактами нейтральных реле, показывают, что ток при включении изменяется в течение времени установления полного контакта (примерно 2 с). Полного отключения тока здесь не происходит, т. е. отскоки контактов отсутствуют. Изменение сопротивления фронтовых контактов в процессе замыкания вызвано скольжением контакта по отдельным точкам касания (миграция точек касания). Конструкция подвижных контактов нейтральных реле при существующей скорости их замыкания исключает вибрацию фронтовых контактов.

Основные причины отказов электромагнитных реле приведены в табл. 5.
Таблица 5

Рис. 8. Геркон MKCP-45181

В устройствах автоматики находит применение реле ИВГ вместо реле ИМВШ-110. В реле ИВГ установлен жидкометаллический (ртутный) магнитоуправляемый геркон МКСР-45181, коммутационный ресурс которого значительно превышает износостойкость "сухих" герконов и контактов открытого типа. Эго позволяет увеличить в несколько раз межремонтный срок службы импульсных путевых реле числовой кодовой автоблокировки.
Геркон МКСР-45181 (рис. 8) состоит из стеклянной оболочки 1, в торцы которой впаяны неподвижные 4 и подвижная 2 плоские контактные пружины из магнитомягкого металла. При воздействии внешнего магнитного поля подвижной контакт перемещается, размыкая тыловой и замыкая фронтовой контакты. Для обеспечения стабильности переходного сопротивления и износостойкости геркона в зону контактирования 3 под действием силы поверхностного натяжения и давления по капиллярам ("канавкам") на подвижной контакт во время работы геркона поступает ртуть из резервуара. Расход ртути в течение одного цикла коммутации электрической цепи компенсируется подъемом ртути в зону контактирования по капиллярам.
Смачивание контактов ртутью обеспечивает их низкое и стабильное переходное сопротивление в течение всего ресурса. Герметичная оболочка геркона заполнена водородом под давлением 1,7 е 106 Па, что создает высокую электрическую прочность рабочего зазора (0,7мм), равную не менее 2500 В.
Из-за большого разброса характеристик герконов по магнитодвижущей силе (мдс) срабатывания завод выпускает реле ИВГ с разными обмоточными данными (провод ПЭВ-1), приведенными ниже.

* Для герконов с МДС срабатывания 100—150 А.
** Для герконов с МДС срабатывания 150-200 А.

Герконы с МДС срабатывания 100-150А маркируют черной точкой на оболочке геркона, а 150-200 А — белой.
Реле ИВГ содержит геркон в стеклянной оболочке с ртутным наполнением и поэтому при обращении с ним необходимо исключить возможность ударов и повреждения при транспортировке и эксплуатации. Контакт реле предположительно может обеспечить 5 *10 включений и выключений цепей дешифратора кодовой АБ с частотой 3 Гц. Установленный в реле ИВГ геркон имеет стабильную МДС срабатывания. Поэтому при эксплуатации электрические параметры реле ИВГ не регулируют.
Реле ИВГ является коммутационным прибором первого класса надежности. Поэтому его применяют, как и реле ИМВШ-110, лишь в тех электрических цепях, где неразмыкание тылового контакта и постоянное сообщение между собой всех контактов не приводят к опасному состоянию устройства.
По сравнению с реле ИМВШ-110 реле ИВГ имеет отличительные особенности, обусловленные специфичностью геркона и необходимостью выполнения дополнительных требований. В реле ИВГ установлены не германиевые, а кремниевые диоды, имеющие большее динамическое сопротивление, что изменило индуктивное и активное сопротивления обмотки реле. Но при этом полное сопротивление обмотки и потребляемая мощность реле не возросли, и поэтому перерегулировка рельсовых цепей при замене реле ИМВШ-110 на реле ИВГ не требуется. Магнитодвижущая сила срабатывания реле ИВГ не зависит от колебаний температуры окружающей среды.
При сверхнормативном возрастании напряжения на реле (например, при неисправности защитного фильтра) возможно нарушение шунтового режима рельсовой цепи. Поэтому в реле ИВГ применена магнитная система нейтрального реле, благодаря чему при напряжении на реле, превышающем 9 В, импульсы числового кода значительно удлиняются и наступает защитный отказ дешифратора, при котором зеленый огонь светофора периодически перекрывается на желтый. Здесь следует учитывать, что реле ИВГ с обмоткой 3200 витков меньше удлиняет импульсы и поэтому отказ наступает при большем напряжении на его обмотке.
Реле срабатывает от напряжения переменного тока частоты 50 Гц 2,7—3,2 В, напряжение отпускания 2 В, напряжение перегрузки 12 В.
Перед установкой в эксплуатацию необходимо измерить в РТУ электрические параметры реле: напряжения срабатывания и отпускания переменного тока частоты 50 Гц, переходное сопротивление контактов и длительность мостового переключения геркона. Напряжение срабатывания реле ИВГ по переменному току, определенное по замыканию фронтового контакта, должно быть в пределах 2,7—3,2 В, а отпускания, установленное по размыканию фронтового контакта, — не менее 2 В. Переходное сопротивление контактов реле ИВГ с контактами розетки не должно превышать 0,08 Ом. Эти параметры проверяют на типовом стенде плавным изменением напряжения по методике для реле ИМВШ-110.
Для облегчения режима коммутации, исключения разбрызгивания ртути и разрушения контактирующих поверхностей геркона в реле ИВГ применен искрогасительный контур, состоящий из резистора (47 Ом, 2 Вт) и конденсатора (0,5 мкФ, 160 В).
В реле выпуска 1983 г. и первой половины 1984 г. искрогасительный контур подключался параллельно фронтовому контакту к выводам 13 и 33, что не позволило использовать реле для коммутации цепей переменного тока. Поэтому в реле, выпущенных во второй половине 1984 г., искрогасительный контур выведен на отдельную контактную пружину. Для его подключения необходимо в релейном шкафу устанавливать перемычку между контактами 13 и 72 на штепсельной розетке реле ИВГ. Указанную перемычку не устанавливают, когда реле ИВГ коммутирует цепь переменного тока, например трансмиттерного реле ТШ-2000 В или ТР-2000 В, так как после размыкания фронтового контакта образуется цепь дополнительного питания трансмиттерного реле через искрогасительный контур, что ухудшает временные параметры кода.
Результаты обработки данных по отказам элементов дешифраторных ячеек показали, что наибольшее их число, т. е. почти 60 %, происходит из-за неисправности электролитических конденсаторов, установленных в цепи сигнальных реле (потеря емкости, обрывы электродов, пробой) ; 16,8 % приходится на отказы диодов по причине короткого замыкания и обрыва. Определенное число отказов диодов происходит при грозовых ударах молнии в рельсовые линии или цепи электроснабжения автоблокировки.
Распределение характерных отказов в процентах общего числа отказов в дешифраторной ячейке приведено ниже.

Причина отказа ячейки                                                                       Число отказов, %

Потеря емкости конденсаторов, обрыв, пробой -                     58
Нарушение контактов реле-счетчиков, временных характеристик реле, неисправности обмоток (короткое
замыкание, обрыв)...................................................................... 8,3
Неисправности диодов (короткое замыкание,
обрыв)......................................................................................... 16,8
Нарушение контактов в разъемах...................................... 3,9
Прочие (в том числе неустановленные)............................ 13
Отказы реле-счетчиков составляют 8,3 % общего числа отказов ячеек и происходят главным образом из-за нарушений механических и временных характеристик кодовых реле-счетчиков.
Отказы контактов происходят также вследствие возрастания их электрического сопротивления при образовании окисных пленок, эрозии и по другим причинам, 3,0% отказов вызваны нарушением контактов в штепсельных разъемах и 13 % - по неустановленным причинам. К последним относятся отказы типа "сбоев", возникающие при емкостях,
близких к критическим, а также вследствие понижения напряжения, климатических воздействий и др.
В наиболее тяжелых условиях работают реверсивные реле ППРЗ в путевых коробках.
На сети дорог чаще всего происходят изломы латунных болтов реле ППРЗ-5000. В этих реле устанавливают два вида болтов — болты, изготовленные методом холодной высадки из латуни ЛЦ32 и составные из латуни ЛЦ40С, причем стоимость последних в 12 раз больше, чем выездных. Изломы высадных болтов происходят в месте перехода от головки к стержню болта и имеют коррозионно-усталостный характер. Высадные болты, не имеющие следов коррозии, при испытаниях на разрыв разрушались в месте перехода от стержня к резьбовой части, т. е. по наименьшему сечению. Изломы составных болтов всегда происходят в резьбовой части под головкой болта. Во всех случаях разрушений болтов в эксплуатации на поверхности излома наблюдалась коррозия.
По данным дорог, чаще происходят изломы высадных болтов реле ППРЗ-5000, чем составных. Однако первая серия опытов, где испытывались на разрыв недавно изготовленные болты, показала, что высадные болты выдерживают большую нагрузку (950—800 кг) по сравнению с составными (820—650 кг).
Во второй серии опытов были испытаны болты, снятые с различных контактов реле разных лет выпуска (табл. 6).
Таблица 6

* Болт в тропическом исполнении.
Анализ полученных результатов показывает, что прочность болтов определяется сроком их эксплуатации и местом установки (номером контакта). Выявлены номера контактов - 3, 112, 122,123, на которые в эксплуатации приходится подавляющее число изломов.
Анализируя полученные результаты, приходим к выводу, что составные болты меньше ломаются, так как стоят у менее опасных контактов и, следовательно, их можно заменить высадными. Однако при этом необходимо предусматривать меры по повышению надежности высадных болтов, изготавливая их из латуни ЛЦ32 и увеличив радиус перехода от головки к стержню болта до 2 мм, что потребует увеличения диаметра головки с 9 до 11 мм. Применявшийся на Ленинградском электротехническом заводе МПС отжиг при температуре плюс 600 °С чрезмерно упрочнял латунь, поэтому был применен отжиг при температуре плюс 170- 500 °С. Такой отжиг обеспечил снятие внутренних напряжений и протекание полной рекристаллизации с получением минимального размера зерна и относительно высокой прочности.
Под воздействием температуры и влажности на поверхности деталей внутри реле появляются капельки влаги, что при резких перепадах температуры может привести к примерзанию якоря. В то же время дополнительная герметизация кожуха реле с целью защиты от попадания влаги привела к участившимся случаям поломки болтов и контактных стоек из-за химического взаимодействия латунных деталей с озоном, выделяющимся при дуговом разряде. В связи с этим было принято решение отказаться от практиковавшейся в РТУ дополнительной герметизации корпусов этих реле и ограничиться заводской герметизацией. Из других причин отказов этих реле следует отметить коррозию ярма, ослабление крепящих винтов, подгорание контактов, обрыв обмотки, дефекты покраски и гальванических покрытий.
Значительный процент отказов аппаратуры СЦБ (примерно 10 %) приходится на долю стрелочных пусковых реле СКПШ, ПМПШ, НМПШ, что объясняется в основном тяжелыми токовыми режимами их работы.
Распределение характерных отказов реле в процентах общего числа отказов приведено ниже.
Причина отказа реле                                                             Числоотказов, %

Пробой выпрямителей............................................................................ 9,25
Обрыв обмоток....................................................................................... 6,36
Нарушение механической регулировки............................................... 21,25
Изломы заклепки якоря (СИНИ)............................................................. 6,56
Изломы контактных пружин................................................................... 6,56
Изломы проушины скобы для крепления поляризованного якоря 9,1
Поломка стойки нейтрального якоря..................................................... 9,25
Электрическая эрозия контактов.......................................................... 23,45
Ослабление поля магнитов..................................................................... 8,1

Наименьшее число отказов дают нейтральные реле, коэффициент отказов которых составляет всего 2,5 % отказов реле всех типов. Большинство этих отказов происходит вследствие нарушения контактов в штепсельном разъеме реле, от грозовых разрядов, индевения и обледенения контактов (при установке реле в напольных условиях), из-за разрегулировки реле и др.
Расчетные данные среднего значения параметра потока отказов нейтральных реле показывают, что надежность этих реле высока, а параметр потока отказов находится в пределах (0,018 — 0,17)10_ 6 1/ч. Приведенные цифры. показывают, что отказы нейтральных реле являются в основном внезапными (62 — 72 %) и происходят на отрезке времени, когда число износовых отказов мало. Часть постепенных отказов возникает, как показывает анализ, вследствие недостаточно высокой квалификации работников РТУ и нарушений режима реле.
Отказы из-за потери контакта в съемных штепсельных платах реле HP наблюдаются в основном по двум причинам: из-за некачественной заводской регулировки пружин в гнездах и вследствие плохой фиксации платы на реле.
На ряде дистанций все новые штепсельные платы перед установкой подвергают сплошной разборке. При этом выявляют неотрегулированные пружины и пружины с изломами и трещинами. Для того чтобы улучшить платы на реле и не допустить ее произвольного смещения, применяют различные механические фиксирующие устройства. После установки плату закрепляют гайкой, которую накручивают на сквозной винт.
На сети дорог имеют место случаи отказов реле АСШ-220 по причине пробоя выпрямительных блоков КЦ 402И. Исследования показали, что основными причинами выхода из строя полупроводниковых элементов являются воздействия перенапряжений от грозовых разрядов, от коммутационных перенапряжений ЛЭП, контактной сети, а также от перенапряжений, возникающих при внутренних процессах — включения и выключения напряжения. Усовершенствованная схема включения реле АСШ-220 (рис. 9) обладает повышенной работоспособностью по сравнению с типовой при воздействии перенапряжений.

Рис. 9. Усовершенствованная схема реле АСШ2-220