任萬濱，何育斌，鄭 哲

（哈爾濱工業(yè)大學(xué) 電氣工程及自動化學(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)載電流的等級可將電磁繼電器分為信號型和功率型兩種，而當(dāng)切換負(fù)載電流值大于10 A以上時，該種繼電器稱為大功率類型。近年來，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壽命、浪涌性質(zhì)電氣負(fù)載等特殊設(shè)計需求已成為電器開關(guān)產(chǎn)品開發(fā)的熱點與難點[1‐3]。針對其分?jǐn)嗄芰?、電壽命以及可靠性提高的技術(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，是無滅弧室結(jié)構(gòu)熄弧的重要措施[4,5]。大量試驗結(jié)果已證實，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、不平衡燃燒的實際問題，文獻(xiàn)[9]報道了單觸橋結(jié)構(gòu)的繼電器在分?jǐn)嚯娀r兩個斷點中出現(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觸點出現(xiàn)，因而不平衡的燃弧現(xiàn)象使觸點燒蝕程度出現(xiàn)差異。電弧不平衡燃燒的問題可直接導(dǎo)致該類繼電器無法分?jǐn)嚯娀』蛉酆甘У裙收夏Ｊ?。目前對于具有觸橋結(jié)構(gòu)的繼電器電氣退化過程和失效機理的理解還不深入，進(jìn)一步限制了繼電器抗電弧侵蝕能力的提高。本研究針對一種具有雙觸橋結(jié)構(gòu)的大功率電磁繼電器開展研究，通過電壽命試驗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程

本研究對象為具有雙觸橋結(jié)構(gòu)的大功率電磁繼電器，線圈由動作線圈與復(fù)位線圈組成，絕緣推桿在電磁吸力的作用下帶動兩組觸橋運動，實現(xiàn)引腳B1/B2和引腳A1/A2的電氣分合。通過調(diào)整靜觸點的位置可以改變各觸點的超程和靜壓力大小。該繼電器有兩種接線方式，單獨使用引腳A1/A2或B1/B2，能夠?qū)崿F(xiàn)兩組回路的分合控制，每組回路將同時出現(xiàn)兩段串聯(lián)電??；若將引腳A2和B2短接后通過引腳A1/B1，能夠?qū)崿F(xiàn)一組回路的分合控制，此時該組回路分?jǐn)嚯姎庳?fù)載過程中將同時出現(xiàn)四段串聯(lián)電弧。本試驗選擇四斷點連接方式，靜壓力設(shè)置為0.6 N。動觸點分別鉚接在動觸橋兩端，靜觸點鉚接在柔性靜簧片上，動觸橋和靜簧片材料均為鈹青銅，觸點材料為銀氧化錫。

圖1 大功率繼電器結(jié)構(gòu)與試驗電路圖

對該大功率繼電器進(jìn)行了電壽命試驗，負(fù)載電壓為DC192 V，負(fù)載電流為36.5 A。繼電器的動作頻率為1 s通1 s斷，觸點無法正常切換作為試驗終止條件。試驗中觸橋電流、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為繼電器閉合過程的典型波形。在t1(13.21 ms)時刻UB迅速下降，表明對應(yīng)的觸橋B首先閉合。由于觸橋A仍保持分?jǐn)?，觸點電流為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)時刻達(dá)到最大值188.2 V。t2時刻后觸橋A閉合，繼電器觸橋間的延時閉合時間可定義為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 繼電器閉合過程觸橋電壓和觸橋電流波形

圖3為繼電器分?jǐn)噙^程中的典型波形。10 ms時刻繼電器線圈開始通電，此時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^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)時刻首先迅速上升并維持在12 V左右，約為觸點材料的最小起弧電壓，可判定此時觸橋A1A2發(fā)生了燃弧。隨后，電壓在t5(12.16 ms)時刻上升至24 V，表明A1A2之間形成了兩段串聯(lián)電弧。本研究定義斷點A1A2的分?jǐn)鄷r間差為t5-t3=0.24 ms。同理，觸橋B1B2在t4(12.06 ms)時刻開始分?jǐn)?，t5(12.16 ms)時刻形成兩段電弧。定義觸橋A1A2和B1B2間的分?jǐn)鄷r間差為t4-t3=0.14 ms。隨著觸橋的運動電弧被拉長，對應(yīng)的觸橋B1B2電壓在t6(12.98 ms)時刻達(dá)到109 V，此時的觸橋電流為1.98 A，由于各段電弧的串聯(lián)關(guān)系，所以此時電弧已全部熄滅。觸橋A1A2和B1B2的燃弧時間可分別記為t6-t3=1.06 ms和t6-t4=0.92 ms。

圖3 繼電器分?jǐn)噙^程中觸橋電壓和觸橋電流波形

2 電壽命試驗結(jié)果與分析

圖4為電壽命試驗中燃弧能量隨動作次數(shù)的變化趨勢，繼電器在動作3048次后無法分?jǐn)啵瑝勖囼灲K止。繼電器開殼后確認(rèn)觸橋A1A2發(fā)生了熔焊粘接。試驗初期，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觸點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€負(fù)載回路。

圖4 電壽命試驗中觸橋A1A2和B1B2的燃弧能量對比

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

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

另提取了觸橋A1A2對應(yīng)的兩個觸點的分?jǐn)鄷r間差，ΔTcontact=|tA1-tA2|，其隨動作次數(shù)的變化關(guān)系如圖6所示。兩個觸點同樣存在異步分?jǐn)嗟默F(xiàn)象，從700次開始兩個斷點的分?jǐn)鄷r間差已增加到0.5 ms。動作2600次后，分?jǐn)鄷r間差增大至1.4 ms。

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

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

3 結(jié)論

針對具有雙觸橋結(jié)構(gòu)的大功率電磁繼電器開展電壽命試驗，通過監(jiān)測的觸橋電壓、觸橋電流波形，獲得了各觸橋的起弧時刻、燃弧時間以及各觸點、觸橋分?jǐn)噙^程的時間差，發(fā)現(xiàn)電壽命與觸橋和觸點異步動作的時間差關(guān)系密切。一方面異步動作的時間差過長將導(dǎo)致繼電器及早發(fā)生熔焊失效，另一方面繼電器觸點材料受電弧侵蝕作用也會導(dǎo)致觸橋和觸點異步動作時間增長。