一種帶輔助監控觸點且高抗短路電流的小型繼電器的設計

吳溫龍

（廈門宏發電聲股份有限公司，福建 廈門 361000）

0 引言

預計2030年非化石能源在一次能源中的占比將提高至20%以上。在此背景下，光伏發電、風電、核電等新能源迎來了飛速的發展，電源的充放電安全問題也提上了新的議程。繼電器作為充放電回路的主要開關之一，能否抗短路電流、是否帶有可監控以及能否主觸點回路黏接故障的繼電器已成為各大電源廠商重要的關注點。目前，市場上暫未發現帶有監控作用的輔助觸點且主觸點具有抗短路電流功能的小型繼電器。針對市場需求，該文介紹了一款滿足上述要求的小型繼電器。其主要性能指標如下：主觸點與輔助觸點間具有強制導向功能；主觸點抗短路電流：1.5 kA 6000 A2s；主觸點間隙：≥2.3 mm；主觸點負載：277 Va.c.32 A；輔助觸點負載：12 Vd.c.1 A；主觸點與線圈/輔助觸點間耐壓：4000 Va.c.1 min；線圈與輔助觸點間耐壓：2000 Va.c.1 min；外形尺寸：35 mm×16 mm×28 mm。

1 總體結構設計

該文的繼電器整體結構為左右分立式結構，左邊為線圈驅動及輔助觸點部分，即低壓系統，主要功能為對繼電器的線圈驅動及對主觸點部分是否有效斷開進行監控；右邊為主觸點部分，即高壓系統，主要功能為主負載切換。繼電器的外殼擋墻與底座墻相互配合，有效隔離高低壓系統。繼電器的整體結構如圖1所示。

圖1 帶輔助觸點抗短路電流小型繼電器整體結構圖

2 繼電器的工作機理及強制導向功能的實現

2.1 繼電器的工作機理

初始時線圈未加激勵，繼電器處于釋放狀態，如圖2（a）所示。

動作過程如下：當線圈施加預定電壓，線圈產生的磁場通過鐵芯、空氣間隙、銜鐵及軛鐵形成回路。此時，電磁力大于系統反力和，銜鐵部分以軛鐵刀口為支點進行旋轉運動，最終銜鐵與鐵芯貼合。銜鐵旋轉時，銜鐵尾部將推動卡往右推動，帶動動簧運動，最終主觸點系統接通，且動、靜觸點間具有一定的壓縮力。同時，銜鐵將輔助動簧片往下壓，輔助動靜觸點斷開，如圖2（b）所示。

釋放過程如下：當線圈電壓小于預定值，線圈產生的力小于反力和，銜鐵脫開，動簧片將推動卡往左推動，主觸點斷開，同時輔助動簧片將銜鐵往上推，輔助動、靜觸點接通，如圖2（a）所示。

圖2 繼電器工作機理示意圖

2.2 強制導向功能要求

根據IEC 61810-3的相關要求，強制導向繼電器是指繼電器觸點之間相互連鎖，當常閉觸點出現黏接時，繼電器線圈施加激勵后，常開觸點不允許接通且必須具有一定的間隙；當常開觸點出現黏接時，繼電器線圈去除激勵后，常閉觸點不允許接通且必須具有一定的間隙。

2.3 強制導向功能的實現

強制導向功能（輔助觸點監控功能）的實現過程如下：1）當主觸點出現黏接故障時，線圈激勵去除后，主觸點無法可靠斷開，動簧片處于動作狀態，如圖2（b）所示。動簧片拉住推動卡前擋板，推動卡無法往左移動，并通過后擋板拉住銜鐵部分末端。軛鐵刀口與壓簧限制銜鐵支點上下移動。利用杠桿原理，銜鐵壓住輔助動簧片，輔助動簧片無法向上移動，輔助動觸點無法與靜觸點接通，且具有一定的間隙。即主觸點出現黏接故障時，輔助觸點組無法接通，進而達到監控主觸點是否出現黏接故障的目的。2）當輔助觸點黏接故障時，線圈施加激勵后，銜鐵碰到輔助動簧片，此時克服動簧片變形使銜鐵進行運動的力大于電磁吸力，銜鐵靜止，從而銜鐵部分無法使推動卡向右運動，進而主觸點系統無法接通。

該文設計的繼電器利用推動卡、銜鐵部分使輔助觸點系統和主觸點系統相互連鎖，實現輔助觸點和主觸點間的強制導向功能。

3 抗短路電流研究及主接觸系統設計

電流通過接觸系統時，會產生電動斥力，這種電動由兩部分組成：觸點接觸點附近電流線收縮產生的電動力和接觸系統回路產生的電動力。

3.1 觸點間Holm力估算

在觸點間接觸點附近電流線收縮產生的電動力，又稱Holm力。Holm力與電流的瞬時值以及觸點間的預壓縮力、觸點材料的硬度、觸點形狀及觸點表面的導電斑點分布有關。Holm力經驗計算如公式（1）、公式（2）所示。

式中：為空氣磁導率；=4π10H/m；為觸點接觸位置電流大小；為觸點半徑；為接觸斑點的半徑；為觸點表面情況經驗系數，一般取值在0.3~0.6；為觸點間的預壓縮力；為觸點材料的硬度。

假定觸點間的壓縮壓力控制值F≥0.8 N，取F的最小值0.8 N；查詢相關資料可知，選用觸點材料為某牌號銀合金，其硬度為65 HV~110 HV，取硬度的最大值110 HV；觸點表面情況系數取最大經驗值0.6。將上述值代入公式（2），估算觸點接觸點的最小等效半徑如公式（3）所示。

3.2 主觸點系統洛倫磁力的計算

當兩條導線通電時，導線間產生的電動力，即為洛倫磁力。洛倫磁力可以采用畢奧-薩伐爾定律計算，電動力的方向由右手螺旋定則決定。

該文介紹的高抗短路電流主接觸系統如圖3所示，其動簧引出片和靜簧片均為較厚的銅合金，且固定在繼電器底座上。利用動簧引出片和動簧片電流流向相反，電流產生的洛倫磁力相斥，將動觸點往靜觸點推動，即往閉合方向。

從圖4中可以看出抗短路電流系統短路電流產生的洛倫磁力分布情況。經換算，觸點受到的洛倫磁力約為0.8 N。

圖4 抗短路電流接觸系統洛倫磁力分布

3.3 主觸點系統滿足短路電流測試的要求

要滿足抗短路電流的要求，主觸點系統通過短路電流時，觸點不能被電動力斥開，否則觸點間產生燃弧，導致觸點黏接。為滿足上述要求，洛倫磁力與觸點初始壓縮力之和不小于Holm力，如式（5）所示。

當主觸點接觸系統通過1.5 kA的電流時，從上述計算及圖3受力示意可看出，動觸點的初始壓縮力為0.8 N，動觸點受到的洛倫磁力為0.8 N，觸點間Holm力為1.48 N，即當短路峰值電流通過接觸系統時，動觸點受到的合力為0.12N，方向觸點閉合方向，觸點不會被斥開。即，初始設置的預壓力為0.8N是合理的。如果未能滿足要求，就需要調整預壓力值，并重復上述理論計算，直至滿足要求。

圖3 抗短路電流接觸系統設計示意圖

4 測試驗證

為驗證該文設計的繼電器能發滿足強制導向功能及具有抗短路電流的要求。按初始的假設條件進行樣品裝配，其中動觸點預壓力為0.8 N，并送實驗室進行測試驗證。

4.1 強制導向功能測試驗證

該文介紹的產品通過IEC 61810-3強制導向功能繼電器要求的測試。

4.2 抗短路電流功能測試驗證

該文介紹的產品通過了IEC 62752：2016條款9.9.2.4的1.5 kA短路電流測試。用市場上體積接近、額定負載接近某常規電磁繼電器進行同比測試。參照樣品第一次抗短路電流載流測試即出現黏接失效，而該文介紹的產品通過了抗短路電流“載流—切換”整個系列試驗，且試驗后產品功能正常。試驗后樣品觸點形貌，如圖5所示。

圖5 試驗后樣品觸點形貌

5 產品亮點

該文設計的帶輔助觸點且高抗短路電流的小型繼電器的主要亮點如下。1）產品功能強大。具有抗短路電流功能，可在充電領域大范圍使用，特別是在快速充電應用上，減少客戶限制浪涌電流的相關設計，提高客戶整機的壽命。具有輔助監控功能，可減少客戶對主觸點是否反生黏接故障監控的相關硬件電路，減少整機設計的復雜度，有利于提高整機的可靠性，同時也降低了相應成本。2）體積小。可以減少客戶的整體體積，節省相應空間，有利于客戶產品小型化。3）低壓系統和高壓系統間大爬電距離，高耐壓，可提高整機的高、低壓系統間的耐壓，提高整機的耐壓能力。

6 結語

該文介紹的帶輔助監控觸點高抗短路電流的小型繼電器已成功研發，并取得了相關安全認證。該產品各項指標性能指標符合設計要求，已批量投入市場，已獲得了知名廠商的青睞，并在新項目中開始推廣應用。