孙宗先，崔 韬，顿明真，王晓明
（中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛 266111）
近年来，中国的城市轨道交通取得了高速的发展。车辆的功能也越来越完善，车辆的控制功能也越来越复杂。车辆控制功能的实现，主要是通过继电器实现的。作为城轨车辆中常用的一种电控制器件，继电器在电路中常起着转换电路的作用［1-3］。城轨车辆的控制电路越来越复杂，加之继电器所带的车辆负载特性也越来越复杂，使得继电器的质量及特性对车辆整体质量的影响也越来越大。由于城市交通的运量在急剧上升，运营压力也急剧增加，这就需要对车辆选用的继电器进行详细的校核，尤其是重点继电器的重点部件。
目前城轨车辆中常用的继电器有电磁式继电器和固态继电器两种。近年来，固态继电器（及LCU）的应用范围有逐步扩大的趋势，但是由于电磁式继电器具有独特的优势（如低残留输出电压、无漏电流、兼容AC/DC且不需要单独的散热装置等），所以电磁式继电器在城轨车辆中仍有大量的应用。本文对车辆常用的电磁式继电器的选用做详细的说明。为使所选继电器适应于电路环境提供参考。
城轨车辆在选用电磁继电器时首先需确认产品是否满足车辆的相关标准及工作环境需求。在满足标准及工作环境需求的前提下，再结合电路特性选取合适的继电器。
1.1 城轨车辆用继电器应满足的标准
（1）强度方面，冲击振动应满足IEC61373或国标GB21563的1B级要求。
（2）防火性能应满足EN45545-2的R26要求。
（3）电磁兼容性能应满足EN50121-3-2或GB/T 24338.4的标准要求。
（4）线圈工作电压范围应满足IEC60077-1的宽电压标准要求（标准电压的70%～125%）。
（5）继电器工作温度应满足GB/T32347.1标准要求。
以上标准是城轨车辆用继电器的门槛标准，满足标准需求的继电器可以进入选型范围，进行特性校核；
不满足任意一项标准需求的继电器，不得上车应用。
1.2 继电器工作环境的确认
（1）确认环境温度，核对产品是否能够在特定环境温度中正常工作。
（2）确定海拔高度，核对产品是否能够在特定海拔高度正常工作。
（3）根据安装位置，确定其振动等级，核对继电器是否能够安装在选定位置。
（4）其他环境确认，如高风沙等影响。
在确认继电器满足标准、环境要求后，首先需要对继电器所带的负载特性进行确定。由于车辆负载众多，其特性也不同，所以需要逐一进行分析。若同一个继电器同时带有多个不同的负载，需要综合考虑。车辆常见的负载包含感性、阻性及容性等特性负载，如图1～3所示。阻性负载相对简单，继电器一般会提供阻性负载下的电寿命曲线，在应用时根据实际电路参数进行校核即可。感性负载是城轨车辆中常见的负载类型，启动时会产生一个较大的瞬态电流，继电器选型时需考虑瞬态电流。一般的继电器厂家会提供感性负载下的电寿命曲线，校核时需注意核对电流、电压、时间常数等参数。容性负载在断开、接通过程会产生充放电，由于电阻约等于触点的接触电阻（毫欧级，数量极小），导致瞬态电流极大，电容存储的能量在极短的时间内通过触点释放，从而极大地影响继电器触点寿命［4］，所以各型继电器一般不推荐带容性负载，也不提供容性负载下的寿命曲线。
图1 阻性负载
图2 感性负载
图3 容性负载
负载特性确认后，需要根据负载对选用继电器的触点材料、触点结构、触点镀层关键部件进行校核。
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3.1 触点材料选择
在继电器中，触点是最为重要的部件。触点的主要功能是接通和分断电路，并承载工作电流（正常或过载）。继电器的关键功能（含电气寿命及可靠性等）均取决于触点的性能。同时，由于触点是继电器负载电流的主要通过部件以及继电器动作的主要部件，使得触点成为继电器结构中最薄弱的环节和最容易出故障的部分。而一旦触点系统不能正常工作，继电器的功能也就完全丧失［5-7］。
在闭合状态下承载电流时，继电器触点是一种固定接触的电接触工况。在这种情况下，电触点的主要功能是承载电流并起信号输送的作用。在此工况下，要求触点的接触电阻低并且比较稳定。负载电流通过触点时，由于接触电阻的存在，会产生焦耳热效应。当热效应严重时，将导致触点导电斑点区域的材料熔进而化使得触点焊接在一起，引起“静熔焊”现象。当触点的熔焊力超过继电器的机械分断力时，触点无法断开，引起所谓的触点“黏连”现象；
即使能够断开，也会使得触点接触电阻增加，并延缓继电器的分断动作［8］。在长时间的作用下，势必会引发触点黏连。继电器触点接触电阻会随使用时间的增长而增加，除了各种环境影响（如氧化、硫化、吸附等作用外），主要是存在因分断、接通电路过程中触点间产生的拉弧现象。拉弧会造成触点材料侵蚀、转移、材料的相变以及高温下发生的化学反应，这些变化均会使接触电阻增加。接触电阻的增加会加剧某些环境应力的作用，从而加速触点失效。一般情况下，车辆继电器所带的负载电流较小，“静熔焊”现象极其罕见。
接通及分断电路是继电器的主要功能，是实现车辆控制逻辑功能的基础。在动作过程中触点是直接执行的重要机构，除了触点动作过程中发生短时电弧放电外，还存在由于触点机械冲击或触点机构机械冲击引起的弹跳现象，尤其是在感性负载电路中，触点接通时会产生较大的短时冲击电流，从而造成在较短的时间内对触点的连续、多次作用，形成所谓的“动熔焊”［9-10］，并引发触点黏连故障。通过统计车辆继电器的使用情况，继电器主要的失效模式就是由“动熔焊”引起的触点烧损或黏连。所以，继电器选型时重点考虑触点通断引起的后果，而继电器通断能力通过继电器的电寿命曲线展示，即选型时需要重点验证继电器的电寿命参数。
由于不同材料的特性不同，所以能够满足所有工况需求的通用触点材料是不存在的。每一种触点材料在不同工况下，都会表现出相应的优点和缺点。所以，继电器的触点材料，应根据实际应用的要求来决定。城轨车辆常用继电器触点材料如表1所示。
表1 城轨车辆常用继电器触点材料
3.2 触点结构形式选择
（1）密封形式
按密封形式可以分为密闭式及非密闭式结构。密闭式继电器由于其触点密封在结构内，不受环境影响，其接触电阻不会受环境影响改变，密闭式触点继电器经常用在小电流电路中。非密闭型触点一般直接暴露在空气中，其接触电阻受环境影响会逐渐增大。在电流较大的回路中拉弧现象较严重，可利用电弧去除氧化层，从而降低接触电阻，而较小电路环境中，拉弧现象并不严重，无法破坏氧化层，所以非密闭性触点一般用在较大电流的电路中。也有部分非密闭性触点通过镀层以及摩擦接触的方式降低接触电阻，从而适应较小电流的电路。
（2）多触点动作形式
（3）触点镀层选择
城轨常用继电器触点镀层有金等材料，相较于无镀层触点，镀金触点接触电阻更小，适用于电流较小的电路中。但由于镀层存在磨损现象，所以在一定的动作频次后，镀层将磨损殆尽，届时其接触电阻将会增大。所以开放式触点采用镀金的方式来获得较小的接触电阻的效果并非可靠方案，在非必要的情况下，不建议选用此类型继电器。
3.3 辅助灭弧装置设置
为保证负载回路的可靠切换，减少电弧对触点的烧蚀，部分继电器设有辅助灭弧装置，为触点分断时产生的电弧提供冷却通道，实现快速灭弧；
同时，产品动、静触点间设计引弧角，负载切换时，引弧角将电弧拉长，分散电弧能量，将电弧引入灭弧装置，有利于电弧的熄灭和触点间的散热，提升产品使用寿命。灭弧装置选用耐高温性能、绝缘性能、低有机气体挥发的材料一体成型，放置在继电器触点外侧，三面包裹触点，为切断负载产生的电弧提供冷却介质。此装置为继电器非必要装置，但对提高继电器寿命有极大的助力。
3.4 其他部件
一个完整的继电器除去触点及相关的镀层外，还包括磁路系统、接触系统（包含触点，本文中将触点单独说明，不包含在此系统内）以及外罩等部件。
继电器的磁路系统是实现继电器开闭动作的动力机构系统。选型时重点关注线圈的控制电压制式。错误的线圈制式，会引发继电器不动作或烧损等故障。
接触系统是继电器开闭动作的实现机构，通常接触系统由轭铁组合、静接触片组合1（静接触片1、静触点）、静接触片组合2（静接触片2、静触点）、触点引出端、公共引出端、线圈引出端、基座组合、基座铆钉、卡紧簧片等部件组成。此系统的综合性能体现在继电器的机械寿命及电气寿命参数中，选型时需要重点关注。
外罩是继电器IP防护等级的重要实现结构，非金属外壳还涉及产品防火性能，选型时重点关注IP防护等级及防火等级参数。
在城市轨道交通大发展的今天，继电器在城轨车辆中仍有着广泛的应用。作为车辆控制逻辑实现的主要部件，其质量对车辆的质量有着较大的影响。通过不同项目的故障统计信息来看，众多的故障根源在于选型错误，继电器与电路特性不匹配，从而导致继电器在短时间内失效。这就使得继电器的选型成为城轨车辆设计工作中极为重要的一环。选型时首先需要详细了解电路的特性，根据电路特性匹配相应的继电器的结构，尤其是触点的材料、结构形式以及触点镀层信息，只有特性匹配，以能使得所选继电器适应于电路环境。
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