具有觸橋結(jié)構(gòu)的大功率電磁繼電器電壽命分析

任萬(wàn)濱，何育斌，鄭 哲

（哈爾濱工業(yè)大學(xué) 電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院，哈爾濱 150001）

引言

當(dāng)前，電磁繼電器在汽車、新能源、工業(yè)控制、家居等領(lǐng)域的應(yīng)用廣泛且多樣。根據(jù)切換負(fù)載電流的等級(jí)可將電磁繼電器分為信號(hào)型和功率型兩種，而當(dāng)切換負(fù)載電流值大于10 A以上時(shí)，該種繼電器稱為大功率類型。近年來(lái)，各類電氣系統(tǒng)中控制和保護(hù)電路中所需切換的容量不斷提高，配套應(yīng)用的電磁繼電器切換能力和電壽命也相應(yīng)大幅提高。如用于控制新能源汽車電源主回路的直流繼電器切換電壓為450 V/電流為150 A，電壽命可以達(dá)到1000次；光伏儲(chǔ)能用直流繼電器負(fù)載電壓為1500 V/電流為100 A，可靠分?jǐn)啻螖?shù)不少于5000次。

以高壓直流大功率電磁繼電器產(chǎn)品為例，極限分?jǐn)嗄芰Α㈤L(zhǎng)壽命、浪涌性質(zhì)電氣負(fù)載等特殊設(shè)計(jì)需求已成為電器開(kāi)關(guān)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)與難點(diǎn)[1‐3]。針對(duì)其分?jǐn)嗄芰Α㈦妷勖约翱煽啃蕴岣叩募夹g(shù)方法亦層出不窮，如在繼電器腔體內(nèi)灌封氫氣、應(yīng)用耐電弧燒蝕能力強(qiáng)的銅鉬合金觸頭以及引入永磁體吹弧等方法已得到成功驗(yàn)證，并在大功率電磁繼電器產(chǎn)品中廣泛應(yīng)用，由此也誕生了形式各異的電磁繼電器結(jié)構(gòu)。值得注意的是，經(jīng)典的觸橋結(jié)構(gòu)是上述所有大功率電磁繼電器的基本特征。多斷口結(jié)構(gòu)具有在燃弧期間可以有效提高電弧電壓的能力，是無(wú)滅弧室結(jié)構(gòu)熄弧的重要措施[4,5]。大量試驗(yàn)結(jié)果已證實(shí)，雙斷口觸橋結(jié)構(gòu)和四斷口觸橋結(jié)構(gòu)均可提高繼電器的分?jǐn)嗄芰碗妷勖黐6‐8]。

然而，具有多斷口觸橋結(jié)構(gòu)的繼電器在應(yīng)用中也存在多段電弧不同步、不平衡燃燒的實(shí)際問(wèn)題，文獻(xiàn)[9]報(bào)道了單觸橋結(jié)構(gòu)的繼電器在分?jǐn)嚯娀r(shí)兩個(gè)斷點(diǎn)中出現(xiàn)的不平衡燃弧現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)兩段電弧中較大能量的電弧總是在固定的一對(duì)觸點(diǎn)出現(xiàn)，因而不平衡的燃弧現(xiàn)象使觸點(diǎn)燒蝕程度出現(xiàn)差異。電弧不平衡燃燒的問(wèn)題可直接導(dǎo)致該類繼電器無(wú)法分?jǐn)嚯娀』蛉酆甘У裙收夏Ｊ健Ｄ壳皩?duì)于具有觸橋結(jié)構(gòu)的繼電器電氣退化過(guò)程和失效機(jī)理的理解還不深入，進(jìn)一步限制了繼電器抗電弧侵蝕能力的提高。本研究針對(duì)一種具有雙觸橋結(jié)構(gòu)的大功率電磁繼電器開(kāi)展研究，通過(guò)電壽命試驗(yàn)獲取了繼電器性能退化的關(guān)鍵參數(shù)，從而明確了其失效誘因和影響因素。

1 觸橋結(jié)構(gòu)繼電器的電氣切換過(guò)程

本研究對(duì)象為具有雙觸橋結(jié)構(gòu)的大功率電磁繼電器，線圈由動(dòng)作線圈與復(fù)位線圈組成，絕緣推桿在電磁吸力的作用下帶動(dòng)兩組觸橋運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)引腳B1/B2和引腳A1/A2的電氣分合。通過(guò)調(diào)整靜觸點(diǎn)的位置可以改變各觸點(diǎn)的超程和靜壓力大小。該繼電器有兩種接線方式，單獨(dú)使用引腳A1/A2或B1/B2，能夠?qū)崿F(xiàn)兩組回路的分合控制，每組回路將同時(shí)出現(xiàn)兩段串聯(lián)電弧；若將引腳A2和B2短接后通過(guò)引腳A1/B1，能夠?qū)崿F(xiàn)一組回路的分合控制，此時(shí)該組回路分?jǐn)嚯姎庳?fù)載過(guò)程中將同時(shí)出現(xiàn)四段串聯(lián)電弧。本試驗(yàn)選擇四斷點(diǎn)連接方式，靜壓力設(shè)置為0.6 N。動(dòng)觸點(diǎn)分別鉚接在動(dòng)觸橋兩端，靜觸點(diǎn)鉚接在柔性靜簧片上，動(dòng)觸橋和靜簧片材料均為鈹青銅，觸點(diǎn)材料為銀氧化錫。

圖1 大功率繼電器結(jié)構(gòu)與試驗(yàn)電路圖

對(duì)該大功率繼電器進(jìn)行了電壽命試驗(yàn)，負(fù)載電壓為DC192 V，負(fù)載電流為36.5 A。繼電器的動(dòng)作頻率為1 s通1 s斷，觸點(diǎn)無(wú)法正常切換作為試驗(yàn)終止條件。試驗(yàn)中觸橋電流、觸橋A和觸橋B兩端的電壓UA和UB均由霍爾傳感器變送并由高速數(shù)據(jù)卡采集。

為方便分析，定義觸橋A1A2和觸橋B1B2兩端的電壓為UA和UB，圖2為繼電器閉合過(guò)程的典型波形。在t1(13.21 ms)時(shí)刻UB迅速下降，表明對(duì)應(yīng)的觸橋B首先閉合。由于觸橋A仍保持分?jǐn)啵|點(diǎn)電流為0。這一不同步現(xiàn)象導(dǎo)致觸橋A兩端電壓迅速上升，并在t2(13.32 ms)時(shí)刻達(dá)到最大值188.2 V。t2時(shí)刻后觸橋A閉合，繼電器觸橋間的延時(shí)閉合時(shí)間可定義為t2-t1=0.11 ms。另外，觸橋A和觸橋B均存在兩次回跳現(xiàn)象。

圖2 繼電器閉合過(guò)程觸橋電壓和觸橋電流波形

圖3為繼電器分?jǐn)噙^(guò)程中的典型波形。10 ms時(shí)刻繼電器線圈開(kāi)始通電，此時(shí)觸橋仍保持閉合狀態(tài)，觸橋A1A2和B1B2電壓均為0。由于兩組觸橋的超程存在差異，分?jǐn)噙^(guò)程中的電壓波形呈現(xiàn)階梯式上升狀態(tài)。以觸橋A1A2的電壓波形為例，電壓在t3(11.92 ms)時(shí)刻首先迅速上升并維持在12 V左右，約為觸點(diǎn)材料的最小起弧電壓，可判定此時(shí)觸橋A1A2發(fā)生了燃弧。隨后，電壓在t5(12.16 ms)時(shí)刻上升至24 V，表明A1A2之間形成了兩段串聯(lián)電弧。本研究定義斷點(diǎn)A1A2的分?jǐn)鄷r(shí)間差為t5-t3=0.24 ms。同理，觸橋B1B2在t4(12.06 ms)時(shí)刻開(kāi)始分?jǐn)啵瑃5(12.16 ms)時(shí)刻形成兩段電弧。定義觸橋A1A2和B1B2間的分?jǐn)鄷r(shí)間差為t4-t3=0.14 ms。隨著觸橋的運(yùn)動(dòng)電弧被拉長(zhǎng)，對(duì)應(yīng)的觸橋B1B2電壓在t6(12.98 ms)時(shí)刻達(dá)到109 V，此時(shí)的觸橋電流為1.98 A，由于各段電弧的串聯(lián)關(guān)系，所以此時(shí)電弧已全部熄滅。觸橋A1A2和B1B2的燃弧時(shí)間可分別記為t6-t3=1.06 ms和t6-t4=0.92 ms。

圖3 繼電器分?jǐn)噙^(guò)程中觸橋電壓和觸橋電流波形

2 電壽命試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖4為電壽命試驗(yàn)中燃弧能量隨動(dòng)作次數(shù)的變化趨勢(shì)，繼電器在動(dòng)作3048次后無(wú)法分?jǐn)啵瑝勖囼?yàn)終止。繼電器開(kāi)殼后確認(rèn)觸橋A1A2發(fā)生了熔焊粘接。試驗(yàn)初期，觸橋A1A2和B1B2的燃弧能量近似相等，在200次后觸橋A1A2燃弧能量約為觸橋B1B2燃弧能量的2～3倍，一直持續(xù)到2600次左右。兩組觸橋電弧能量的明顯差異表明電弧對(duì)觸點(diǎn)的燒損程度必然不同。隨后，觸橋A1A2的燃弧能量急劇增大，在壽命末期達(dá)到了最大值1334.8 mJ，而觸橋B1B2的燃弧能量卻急劇減小，繼電器失效前燃弧能量幾乎為0，這表明繼電器失效前主要依靠觸橋A1A2分?jǐn)嗾麄€(gè)負(fù)載回路。

圖4 電壽命試驗(yàn)中觸橋A1A2和B1B2的燃弧能量對(duì)比

為了確定觸橋A1A2在繼電器電壽命試驗(yàn)?zāi)┢谌蓟∧芰吭龃蟮脑颍址謩e提取了觸橋A1A2和觸橋B1B2在電壽命試驗(yàn)中的起弧時(shí)刻（即圖3中的t3和t4），并定義了分?jǐn)鄷r(shí)間差ΔT=t4-t3，ΔT＞0則表明觸橋A1A2慢于觸橋B1B2的分?jǐn)唷＠^電器電壽命試驗(yàn)中觸橋A1A2和B1B2分?jǐn)鄷r(shí)間差與動(dòng)作次數(shù)的關(guān)系如圖5所示，電壽命試驗(yàn)初期，兩觸橋接近同步分?jǐn)啵謹(jǐn)鄷r(shí)間差維持在較低的水平。隨著動(dòng)作次數(shù)的增加，分?jǐn)鄷r(shí)間差迅速增大，斷點(diǎn)間為異步分?jǐn)啵⒃诶^電器動(dòng)作200次后分?jǐn)鄷r(shí)間差穩(wěn)定在0.6 ms左右。繼電器失效前，即繼電器動(dòng)作2600次后，分?jǐn)鄷r(shí)間差再次急劇增大直至繼電器最后一次分?jǐn)噙^(guò)程中分?jǐn)鄷r(shí)間差達(dá)到最大值1.96 ms。此外，繼電器失效前斷點(diǎn)的分?jǐn)鄷r(shí)間差具有很大的波動(dòng)性，波動(dòng)幅值約為1.2 ms。

圖5 繼電器電壽命試驗(yàn)中觸橋A1A2和B1B2分?jǐn)鄷r(shí)間差與動(dòng)作次數(shù)的關(guān)系

另提取了觸橋A1A2對(duì)應(yīng)的兩個(gè)觸點(diǎn)的分?jǐn)鄷r(shí)間差，ΔTcontact=|tA1-tA2|，其隨動(dòng)作次數(shù)的變化關(guān)系如圖6所示。兩個(gè)觸點(diǎn)同樣存在異步分?jǐn)嗟默F(xiàn)象，從700次開(kāi)始兩個(gè)斷點(diǎn)的分?jǐn)鄷r(shí)間差已增加到0.5 ms。動(dòng)作2600次后，分?jǐn)鄷r(shí)間差增大至1.4 ms。

圖6 繼電器電壽命試驗(yàn)中觸點(diǎn)A1和A2分?jǐn)鄷r(shí)間差與動(dòng)作次數(shù)的關(guān)系

綜上可見(jiàn)，多觸橋、多觸點(diǎn)串聯(lián)的結(jié)構(gòu)分?jǐn)噙^(guò)程中產(chǎn)生了串聯(lián)關(guān)系的多段電弧，各觸橋、各觸點(diǎn)裝配位置關(guān)系的微小差異都會(huì)使得個(gè)別觸點(diǎn)對(duì)的燃弧提前，而最終是同時(shí)熄滅。產(chǎn)生的直接結(jié)果就是提前分?jǐn)嗟挠|點(diǎn)承載的燃弧能量偏大。在繼電器閉合過(guò)程中，先分?jǐn)嗟挠|點(diǎn)對(duì)應(yīng)的超程可能偏小，這也會(huì)引起回跳能量偏大。偏大的燃弧能量和回跳能量將使提前分?jǐn)嘤|點(diǎn)受到的電弧侵蝕程度高于剩余觸點(diǎn)，并直接導(dǎo)致觸點(diǎn)超程減小，進(jìn)一步加劇了該觸點(diǎn)的提前分?jǐn)嗪挽o壓力減小的現(xiàn)象。因此在電壽命試驗(yàn)中，當(dāng)出現(xiàn)明顯的觸橋或觸點(diǎn)間異步分?jǐn)嗪螅^電器將迅速趨向失效。

3 結(jié)論

針對(duì)具有雙觸橋結(jié)構(gòu)的大功率電磁繼電器開(kāi)展電壽命試驗(yàn)，通過(guò)監(jiān)測(cè)的觸橋電壓、觸橋電流波形，獲得了各觸橋的起弧時(shí)刻、燃弧時(shí)間以及各觸點(diǎn)、觸橋分?jǐn)噙^(guò)程的時(shí)間差，發(fā)現(xiàn)電壽命與觸橋和觸點(diǎn)異步動(dòng)作的時(shí)間差關(guān)系密切。一方面異步動(dòng)作的時(shí)間差過(guò)長(zhǎng)將導(dǎo)致繼電器及早發(fā)生熔焊失效，另一方面繼電器觸點(diǎn)材料受電弧侵蝕作用也會(huì)導(dǎo)致觸橋和觸點(diǎn)異步動(dòng)作時(shí)間增長(zhǎng)。