摘 要： 密封直流接觸器開斷負(fù)載時(shí)，滅弧室內(nèi)觸頭噴濺不可避免。通過(guò)分組試驗(yàn)的方法來(lái)驗(yàn)證觸頭倒角及中心磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)電壽命的影響。結(jié)果表明，增大觸頭中心磁感應(yīng)強(qiáng)度，總開斷負(fù)載的次數(shù)會(huì)增加，噴濺也會(huì)增多，從而導(dǎo)致介質(zhì)耐電壓和絕緣電阻降低;增大觸頭倒角，噴濺會(huì)減少，介質(zhì)耐電壓和絕緣電阻會(huì)提高，但總開斷負(fù)載的次數(shù)會(huì)減少。

關(guān)鍵詞： 直流接觸器; 直流開斷; 磁吹滅弧; 電壽命; 觸頭倒角

中圖分類號(hào)： TM572.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 2095-8188（2024）04-0053-04

DOI： 10.16628/j.cnki.2095-8188.2024.04.007

Effect of Chamfer and Center Magnetic Induction on Electrical Life of DC Contactors

CAI Ming， MA Wei， WANG Jianxiong， LI Chao

（Guizhou Zhenhua Qunying Electrical Appliance Co.，Ltd.， Guiyang 550018， China）

Abstract： When the sealed DC contactor breaks the load， the splashing of contacts in the arc extinguishing chamber is inevitable. The influence of contact chamfering and center magnetic induction on electrical life is verified by grouping test. The results show that with the increasing of contact center magnetic induction， the total number of breaking load will be increased， but the spattering will also be increased， which will lead to the decrease of dielectric voltage resistance and insulation resistance. The spattering will be decreased with the increasing of contact chamfer， the dielectric voltage and insulation resistance will be increased， but the total number of breaking load will be reduced.

Key words： DC contactor; DC breaking; magnetic blow arc extinguishing; electric life; contact chamfering

0 引 言

在直流接觸器中，直流電流不存在交流電流的過(guò)零點(diǎn)，無(wú)法應(yīng)用交流電流的成熟滅弧技術(shù)來(lái)提高直流接觸器的電壽命性能。對(duì)于直流電流的分?jǐn)?，目前高可靠性的直流接觸器主要以密封滅弧室內(nèi)部填充滅弧氣體，外加橫向磁吹滅弧磁場(chǎng)的形式實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)階段，對(duì)于直流接觸器電壽命相關(guān)的參數(shù)已有許多研究，如橫向磁場(chǎng)和分?jǐn)嗨俣葘?duì)觸頭燃弧時(shí)間的影響［1-4］。這些研究為直流接觸器的設(shè)計(jì)初步提供了一些方向性的指導(dǎo)，但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，直流接觸器電壽命性能的臨界點(diǎn)難以評(píng)估，而在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中，考慮到產(chǎn)品的安全性和穩(wěn)定性，電壽命的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)是通過(guò)開斷一定次數(shù)的規(guī)定負(fù)載后，觸頭間具有高于負(fù)載電壓一定程度的介質(zhì)耐電壓和絕緣電阻，而這些標(biāo)準(zhǔn)無(wú)法通過(guò)燃弧時(shí)間的長(zhǎng)短來(lái)直接衡量。

觸頭開斷電流后產(chǎn)生電弧，在電弧的高溫作用下，觸頭表面會(huì)形成熔融區(qū)域，觸頭材料在橫向磁吹滅弧磁場(chǎng)的作用下發(fā)生噴濺，噴濺的觸頭材料以金屬蒸氣的形態(tài)進(jìn)入電弧中［5］，電弧熄滅后金屬蒸氣冷卻成金屬顆粒堆積在觸頭邊緣及滅弧室內(nèi)壁，使得本身絕緣的滅弧室基體內(nèi)表面具有一定的導(dǎo)電性，其絕緣性能降低。在橫向磁吹滅弧磁場(chǎng)的作用下，觸頭開斷一定次數(shù)直流電流后，直流接觸器觸頭噴濺冷卻后的金屬顆粒分布X光圖如圖1所示。觸頭噴濺后冷卻的金屬顆粒堆積在觸頭邊緣，使得觸頭間物理距離變小，擊穿電壓變小，達(dá)到一定程度后就會(huì)造成介質(zhì)耐電壓超差。當(dāng)金屬顆粒在滅弧室內(nèi)壁堆積一定厚度時(shí)，就會(huì)同時(shí)造成其介質(zhì)耐電壓和絕緣電阻超差。對(duì)直流接觸器而言，在動(dòng)靜觸頭開斷情況下，當(dāng)觸頭兩端出現(xiàn)過(guò)電壓時(shí)，觸頭間的介質(zhì)耐電壓和絕緣電阻超差會(huì)導(dǎo)致觸頭導(dǎo)通，極具安全隱患。

本文通過(guò)分組試驗(yàn)的方法來(lái)驗(yàn)證直流接觸器觸頭倒角和觸頭中心磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)電壽命的影響。

1 模型建立

采用常用的橋式動(dòng)合雙斷點(diǎn)觸頭結(jié)構(gòu)，觸頭采用無(wú)氧銅，滅弧室采用氧化鋁陶瓷，磁吹滅弧永磁體采用釹鐵硼，再加上電磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，建立滅弧室結(jié)構(gòu)模型，滅弧室內(nèi)部填充氫氣，動(dòng)觸頭在電磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的作用下實(shí)現(xiàn)與靜觸頭的閉合與開斷。橋式動(dòng)合雙斷點(diǎn)觸頭結(jié)構(gòu)接觸器模型圖如圖2所示。

觸頭開斷電路時(shí)，如果被開斷的電流超過(guò)1 A，觸頭兩端的電壓超過(guò)20 V，那么在觸頭間隙中就會(huì)產(chǎn)生溫度極高，發(fā)出強(qiáng)光，能導(dǎo)電且外觀近似圓柱體的電?。?］。在橫向磁吹滅弧系統(tǒng)的磁場(chǎng)作用下，電弧向著其所受的安培力方向移動(dòng)，而安培力直接影響電弧的運(yùn)動(dòng)情況。隨著觸頭中心的磁感應(yīng)強(qiáng)度增加，電弧受到的安培力增加［2］。當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度較小時(shí)，觸頭分離時(shí)的部分液態(tài)金屬橋和熄弧過(guò)程中冷卻的金屬顆粒堆積在觸頭邊緣;當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度較大時(shí)，觸頭分離時(shí)的部分液態(tài)金屬橋和熄弧過(guò)程中冷卻的金屬顆粒被安培力拋出觸頭外，使得滅弧室內(nèi)壁堆積。

在橫向磁吹滅弧磁場(chǎng)下開斷直流電流后，調(diào)整靜觸頭和動(dòng)觸頭的邊緣倒角大小，使觸頭間產(chǎn)生的液態(tài)金屬橋和冷卻的金屬顆粒在觸頭邊緣的堆積程度不同，通過(guò)一定負(fù)載開斷次數(shù)后檢測(cè)觸頭之間的介質(zhì)耐電壓和絕緣電阻來(lái)判斷觸頭倒角與電壽命性能之間的關(guān)系。同時(shí)，通過(guò)調(diào)整永磁體表面剩磁來(lái)調(diào)整觸頭中心的磁感應(yīng)強(qiáng)度，進(jìn)而通過(guò)一定負(fù)載開斷次數(shù)后檢測(cè)觸頭之間的介質(zhì)耐電壓和絕緣電阻來(lái)判斷觸頭橫向磁吹滅弧磁場(chǎng)中心磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)電壽命性能的影響。不同觸頭倒角示意圖如圖3所示，不同觸頭中心磁感應(yīng)強(qiáng)度示意圖如圖4所示。

根據(jù)建立的模型，本文采用額定負(fù)載600 A/270 V DC，觸頭中心磁感應(yīng)強(qiáng)度60 mT、80 mT、100 mT，觸頭倒角R1、R2、R3進(jìn)行直流負(fù)載開斷試驗(yàn)。

2 負(fù)載開斷試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 樣品制作及驗(yàn)證

根據(jù)模型制作試驗(yàn)樣品，對(duì)于觸頭中心磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化和觸頭倒角的變化，單獨(dú)制作樣品并進(jìn)行直流電流負(fù)載開斷試驗(yàn)。

直流負(fù)載開斷試驗(yàn)前，對(duì)樣品開斷直流負(fù)載的燃弧時(shí)間進(jìn)行測(cè)試，取試驗(yàn)前10次燃弧時(shí)間的平均數(shù)進(jìn)行比較，各樣品開斷600 A/270 V DC的平均燃弧時(shí)間如表1所示。

由表1可知，在觸頭中心磁感應(yīng)強(qiáng)度不變的情況下，改變觸頭的倒角，其樣品的燃弧時(shí)間基本一致，說(shuō)明改變觸頭的倒角對(duì)燃弧時(shí)間無(wú)影響。而隨著觸頭中心磁感應(yīng)強(qiáng)度的增加，觸頭的燃弧時(shí)間減少，與相關(guān)論文研究結(jié)果一致［1-4］。樣品燃弧時(shí)間的規(guī)律說(shuō)明該樣品可用于本研究的試驗(yàn)驗(yàn)證。

2.2 樣品開斷試驗(yàn)及結(jié)果分析

在樣品觸頭兩端施加額定負(fù)載600 A/270 V DC進(jìn)行開斷，每1 000次對(duì)其觸頭間的介質(zhì)耐電壓和絕緣電阻進(jìn)行檢測(cè)，按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，介質(zhì)耐電壓要求為在觸頭兩端加2倍額定負(fù)載電壓再加上1 000 V，其漏電流應(yīng)不超過(guò)1 mA。若負(fù)載開斷試驗(yàn)后其介質(zhì)耐電壓＜1 540 V，則視為樣品失效;若絕緣電阻＜100 MΩ，則也視為失效。不同觸頭倒角和觸頭中心磁感應(yīng)強(qiáng)度下失效前的開斷次數(shù)如表2所示。

由表2可知，在觸頭中心磁感應(yīng)強(qiáng)度不變的情況下，增大觸頭倒角，失效前的負(fù)載開斷次數(shù)減少，其原因?yàn)橛|頭邊緣的倒圓角增大后，靜觸頭與動(dòng)觸頭閉合時(shí)，相互之間的接觸面積減少，載流截面積局部降低。用該樣品的靜觸頭直徑14 mm計(jì)算，當(dāng)觸頭倒角為R1時(shí)，靜觸頭和動(dòng)觸頭閉合后的截面積約為113 mm2;當(dāng)觸頭倒角為R3時(shí)，靜觸頭和動(dòng)觸頭閉合后的截面積約為50 mm2，其接觸面積減少約56%。觸頭閉合后的截面積局部減少，等效于增大了負(fù)載，導(dǎo)致樣品最后的開斷次數(shù)減少。

由表1、表2可知，在觸頭倒角不變的情況下，增大觸頭中心磁感應(yīng)強(qiáng)度，觸頭燃弧時(shí)間變短，失效前的負(fù)載開斷次數(shù)減少。其原因?yàn)橛|頭中心磁感應(yīng)強(qiáng)度加大，電弧所受的安培力變大，電弧運(yùn)動(dòng)速度變快，被快速拉長(zhǎng)至熄弧長(zhǎng)度后熄滅，使得燃弧時(shí)間變短。但過(guò)大的安培力使得熄弧過(guò)程中冷卻的金屬顆粒被拉向滅弧室內(nèi)壁，快速冷卻后附著在滅弧室內(nèi)壁，絕緣性能下降，導(dǎo)致在較少的開斷次數(shù)后，其介質(zhì)耐電壓和絕緣電阻超差。

為了驗(yàn)證上述分析的正確性，對(duì)試驗(yàn)后觸頭倒角為R2的3只不同觸頭中心磁感應(yīng)強(qiáng)度的樣品繼續(xù)進(jìn)行開斷試驗(yàn)至觸頭黏連。不同觸頭中心磁感應(yīng)強(qiáng)度下開斷至觸頭粘連的次數(shù)如表3所示。

由表3可知，觸頭倒角一定時(shí)，隨著觸頭中心磁感應(yīng)強(qiáng)度的增加，樣品的開斷負(fù)載至觸頭黏連的次數(shù)也增加，說(shuō)明安培力加大后，觸頭邊緣的金屬顆粒堆積減少，有利于觸頭的開斷，與上述分析一致。

同時(shí)將觸頭中心磁感應(yīng)強(qiáng)度為80 mT的3只不同觸頭倒角的樣品繼續(xù)進(jìn)行開斷試驗(yàn)至觸點(diǎn)黏連。不同觸頭倒角下開斷至觸頭黏連的次數(shù)如表4所示。

由表4可知，觸頭中心磁感應(yīng)強(qiáng)度一定時(shí)，隨著觸頭倒角的增大，樣品的開斷負(fù)載至觸頭黏連的次數(shù)減少，說(shuō)明觸頭倒角增大后，靜觸頭和動(dòng)觸頭閉合時(shí)的接觸面變小，等效于加大負(fù)載，與上述分析一致。

3 結(jié) 語(yǔ)

（1）在考慮負(fù)載開斷后的介質(zhì)耐電壓和絕緣電阻的情況下，隨著直流接觸器觸頭中心磁感應(yīng)強(qiáng)度的增大，其開斷直流負(fù)載的次數(shù)減少;隨著觸頭倒角的增大，其開斷直流負(fù)載的次數(shù)減少。

（2）在不考慮負(fù)載開斷后的介質(zhì)耐電壓和絕緣電阻的情況下，隨著直流接觸器觸頭中心磁感應(yīng)強(qiáng)度的增大，其開斷直流負(fù)載的次數(shù)增加;隨著觸頭倒角的增大，其開斷直流負(fù)載的次數(shù)減少。

在直流接觸器中，觸頭倒角和橫向滅弧磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)電壽命性能指標(biāo)的影響研究都是基于理論性的，在實(shí)際應(yīng)用中，會(huì)存在一定的差異性。如增大觸頭中心磁感應(yīng)強(qiáng)度，燃弧時(shí)間減少，其電壽命性能更好，而在實(shí)際應(yīng)用中，直流接觸器縮小了產(chǎn)品體積，其滅弧室的腔體也受限，當(dāng)觸頭中心磁感應(yīng)強(qiáng)度增大時(shí)，不可避免地導(dǎo)致滅弧室內(nèi)壁有觸頭噴濺后冷卻的金屬顆粒堆積以及其介質(zhì)耐電壓和絕緣電阻低于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。增大觸頭倒角，增加了觸頭燒蝕材料在觸頭邊緣堆積的數(shù)量，理論分析應(yīng)是其電壽命性能更好，而實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，其負(fù)載開斷次數(shù)相比較小的觸頭倒角要少，當(dāng)然這跟觸頭本身載流截面、開距、超行程、觸頭壓力、滅弧室空間大小也有一定的關(guān)系。設(shè)計(jì)直流接觸器的電壽命時(shí)，需兼顧考慮各參數(shù)之間的影響。

【參 考 文 獻(xiàn)】

［1］ 廖園，焦琳，鄒竟成，等.橫向磁場(chǎng)與分?jǐn)嗨俣葘?duì)觸頭分?jǐn)嗳蓟√匦院颓治g的試驗(yàn)研究［J］.電器與能效管理技術(shù)，2018（12）：7-14.

［2］ 李思泓.高壓直流接觸器電弧分?jǐn)嚓P(guān)鍵技術(shù)研究［J］.電器與能效管理技術(shù)，2022（6）：15-19.

［3］ 薄凱，喬鑫磊，陳默，等.直流大功率繼電器分?jǐn)嚯娀√匦栽囼?yàn)研究［J］.電器與能效管理技術(shù)，2015（15）：7-10.

［4］ 翟國(guó)富，薄凱，周學(xué)，等.直流大功率繼電器電弧研究綜述［J］.電工學(xué)術(shù)報(bào)，2017，32（22）：251-263.

［5］ 徐軍帥，李靜，劉樹鑫，等.觸頭噴濺對(duì)直流開斷的影響研究［J］.電器與能效管理技術(shù)，2023（1）：16-23.

［6］ 許志紅.電器理論基礎(chǔ)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014.

收稿日期： 20240105