一種耐高壓立方英寸電磁繼電器的研制

2012-09-22 02:45:22郝長嶺鄧力明馬瑞琳

電氣技術 2012年11期

孫超李明郝長嶺鄧力明馬瑞琳

（1.北京航天微機電技術研究所，北京 100094；2.桂林航天電子有限公司，廣西桂林 541002）

隨著用電功率的增大，繼電器的電壓等級越來越高。用于通斷高壓負載的電磁繼電器，其觸點間、主觸點與其他部位的耐電壓設計直接是影響繼電器的工作可靠性。由于許多場合對繼電器的尺寸和重量要求比較苛刻，不能一味通過增加繼電器結構尺寸來提高其耐壓等級。因此，如何在不增加繼電器外形尺寸的情況下，有效提高繼電器的耐電壓能力是高壓繼電器研制的關鍵問題。

目前電磁繼電器耐壓設計方法可分為三大類別：材料耐壓設計、耐壓結構設計和絕緣間隙設計。材料耐壓設計主要針對體電阻率和擊穿強度參數來進行材料選用。耐壓結構形式主要通過增加結構爬電距離以及進行零部件的非均勻電場控制，防止尖角放電來對結構進行耐壓設計。絕緣間隙設計主要依據氣氛的巴申曲線來指導結構間隙大小設計。

繼電器底座組的耐壓設計是繼電器整體耐壓設計的關鍵，傳統的電磁繼電器采用玻璃絕緣子來實現繼電器引出桿和底板外殼之間的耐壓設計，技術可滿足目前1250Vr.m.s.介質耐壓設計要求。局限于玻璃燒結工藝的底座組玻璃絕緣子設計方法，沿絕緣子環徑方向尺寸增加有限，并且耐壓結構形式單一，沒有拓展空間，試驗表明其無法滿足高介質耐壓的設計要求。

陶瓷絕緣子在繼電器耐壓設計上的應用尚不多見，本文通過對立方英寸電磁繼電器底座組耐壓結構形式的分析，討論了陶瓷絕緣子的耐壓設計思路和方法，并試制了陶瓷絕緣子耐高壓繼電器產品，通過試驗驗證了采用陶瓷絕緣子結構可以大幅提高繼電器產品的耐壓水平。

1 電磁繼電器底座組結構耐壓設計計算

1.1 底座組絕緣子材料耐壓設計

絕緣子的尺寸取決于繼電器底座組結構，而繼電器的電氣與機械特性又受到絕緣子材料和尺寸的牽制。絕緣子用玻璃材料的電壓擊穿強度一般在7000Vd.c./mm左右，常用95瓷材料的擊穿強度能達到15kVd.c./mm至18kVd.c./mm，不難得知，基于95瓷的陶瓷絕緣子沿厚度方向材料耐壓水平是玻璃絕緣子的2.1～2.5倍。根據玻璃絕緣子的擊穿電壓計算公式[1]，可以推得陶瓷絕緣子的擊穿電壓計算公式：

式中，V為引出端與底板間的擊穿電壓（kV）；A為陶瓷絕緣子與玻璃絕緣子的擊穿電壓強度比值；b為絕緣子的厚度（mm）， b=(D -d )/2；d為引出端直徑（mm）；D為絕緣子外徑（mm）。

通過對擊穿電壓的計算，可以初步確定玻璃和陶瓷絕緣子沿環徑方向的基本厚度尺寸。

1.2 電磁繼電器絕緣子結構爬電距離設計

絕緣子的爬電距離是絕緣子的重要尺寸參數，在一定程度上它表征了絕緣子的電氣性能和經濟性能。高壓絕緣子爬電距離是指正常承受運行電壓的兩極間沿絕緣件外表面輪廓的最短距離。

傳統的玻璃絕緣子，由于受到玻璃絕緣子燒結工藝的限制，只能通過增大其在底板平面內的環徑尺寸，來增加有效爬電距離，但是以犧牲繼電器整體結構尺寸和重量為代價。同時受到玻璃燒結工藝的限制，實際上玻璃絕緣子的環徑尺寸做大比較困難。陶瓷絕緣子具有易加工，結構多樣化的特點，可以有效增加絕緣子外表面的爬電距離，文獻[2]從理論上推導出絕緣子有效爬電距離與結構參數及污穢程度的關系為

式中，Lp為絕緣子有效爬電距離（cm）；D為絕緣子的平均直徑（cm）；dc為量綱常數；n為常量。ρESDD鹽密度。通過上式，可以初步算得絕緣子的爬電距離，但沒有考慮到結構尖端放電和氣氛氣壓等環境影響。繼電器接觸系統的設計必須通過電場模擬技術、仿真手段等進行優化設計，避免形成極度梯度集中的部位。

以立方英寸繼電器底座組的耐壓仿真設計為例，討論絕緣子爬電距離耐壓仿真設計。

在三維電場中，以標量電位φ作為待求量，并配以正確的邊界條件作為定解條件。三維電場滿足如下方程：

式中， φ( x, y, z)為三維標量電位， εr(x, y, z )為3個方向矢量上的相對介電常數， ε0為真空的介電常數， ρV(x, y, z)為體電荷密度。

一旦標量電位得到求解，可以由麥克斯韋微分方程組直接得到電場強度E。

將空氣介質在不同溫度和氣壓環境下的擊穿場強作為判定依據，對耐壓結構電場仿真結果進行分析，來設計滿足要求的底座組結構。

擊穿電壓Ud是壓力P和電氣間隙d的函數，當d=1mm，環境壓力為 105Pa時，室溫下空氣介質在均勻電壓下的擊穿電壓Ud=4kV，對應擊穿場強為Ed=4kV/mm，擊穿電壓Ud與壓力P和溫度T的關系如下式所示[3]：

式中，Ud0、p0和T0分別為大氣環境下的擊穿電壓、壓力和溫度。

通過上式我們可以計算得到環境溫度為 160℃時，空氣介質對應的擊穿場強Ed=2.7kV。

產品底座組仿真的初始條件：

表1 主要尺寸參數

給定材料空氣、陶瓷、玻璃以及可伐合金介電常數，引出桿載荷為3000V直流電壓。底板施加0電壓。對給定電場分析模型進行場強求解。

圖1 玻璃絕緣子場強分布

從仿真結果可以看出，通過經驗公式計算并加以安全系數考慮獲得的玻璃絕緣子環徑尺寸，其絕緣子內部的電場強度Ed=3kV/mm，小于7kV/mm滿足絕緣材料的耐壓設計要求。但在圖1絕緣子外緣棱邊處電場強度在4kV/mm量級上，處于空氣擊穿場強常溫臨界狀態。而且環境溫度為 160℃時，大于空氣介質對應的擊穿場強Ed=2.7kV，繼電器在局部溫升較高時，容易擊穿。陶瓷絕緣子其內部場強Ed=1.8kV/mm，小于15kV/mm擊穿場強滿足常溫下的耐壓設計要求，圖2絕緣子左右下緣空氣處，出現局部3kV/mm的場強分布，大于環境溫度為160℃時，空氣介質對應的擊穿場強Ed=2.7kV。

圖2 陶瓷絕緣子場強分布

底板平面內在布置較多引出桿時，絕緣子徑向設計尺寸有限，同時受到玻璃燒結工藝的限制，絕緣子徑向尺寸無法做大，對陶瓷絕緣子進行空間爬電距離設計，來滿足高耐壓設計要求是一個很好的解決辦法。圖3給出環徑尺寸相同，在垂直于底板平面方向加厚并設有臺階的陶瓷絕緣子結構。從電場仿真結果看以看到，經過空間爬電距離設計的陶瓷絕緣子，絕緣子外緣空氣場的場強最大值為1kV/mm，小于環境溫度為 160℃時，空氣介質對應的擊穿場強Ed=2.7kV。確保了絕緣子的高耐壓設計要求。