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高压直流继电器哪些因素影响寿命?

  高压直流继电器,原本主要在电力行业以及航空、航天行业应用。近年来电动汽车逐渐兴起,驱动配电系统,成了高压直流继电器一个非常重要的应用场景。高压是相对于24V、48V低压系统而言。低速电动车有些选择60V和72V系统的电源配置,一般高速乘用车电压都在200V以上,大巴更是可以达到600V以上。满足这个电压阶段使用要求的继电器,被称为高压直流继电器。

  高压直流继电器,寿命包括机械寿命和电寿命两个参数。机械寿命的影响因素包括触头触点材质、合分机构设计及制造水平等。电寿命的瓶颈主要在触头寿命。

1 磁场吹弧对触头电寿命的影响

如下图所示,解释继电器中磁吹设计的原理。左侧静触头,按照图示电流方向,使用右手定则判断线圈磁场方向,磁场方向指向纸面内侧。电弧,是电压击穿动静触头之间的介质后,形成的电离通道中的一股电流,完全服从电磁作用定律。电弧产生的磁场如图中所示。判断电弧的受力方向,使用左手定则,受力方向如图中F所指。

磁吹,就是利用永磁铁或者电磁铁产生一个磁场,磁场与电弧相互作用的方向是将电路拉向远离动静触头的方向。

随着动触头的快速运动和磁吹作用的施加,电弧被拉长,弧阻迅速增加,使得电弧电流急剧下降,电弧的热效力随之下降。介质电离程度随着温度的下降而下降,电弧通道的导电能力下降。如果在拉弧的同时,在电弧向外移动的过程中,配合其他切割电弧、冷却电弧的手段,则电弧会更快的熄灭。

减少燃弧时间,是对触头的重要保护手段。好的磁吹设计,必然能够延长继电器的寿命。磁吹,已经在空间要求不太敏感的大功率继电器、接触器中广为应用,而在小型继电器中,只是个别产品设计了类似装置。

2 环境气压对触头电寿命的影响

为了缩短燃弧时间,除了使用上述磁吹手段拉弧以外,狭小空间内灭弧常常使用的方法还有,改变触头合分环境,给密封的灭弧室充入电离能高的气体或者将灭弧室抽真空。

高压气体电弧成因

电离能,气态原子失去电子,变成阳离子的过程中,必须克服原子核对电子的吸引力,也就是将电子从原子轨道上拉出去成为自由电子的能量,就是这种元素的电离能。电离能越高,原子越不容易被电离,不容易变成阳离子,金属性越弱;相反则容易失去电子变成阳离子,金属性越强。在元素周期表中,电离能最高的是氦元素,因此氦气可以被充满密封灭弧室,提高继电器灭弧的能力。

有很多研究解释高压气体环境下的燃弧成因,一般观点如下。高压气体腔内,燃弧分两个阶段进行。阴极触头在温度或者电压作用下,向外发射电子,被阳极接收到,形成第一步击穿;电弧的初步形成,带来了高温和电离气体阳离子,电弧的离子通路进一步扩大,形成更大规模的电弧。

真空电弧成因

真空条件下,已经没有可供电离的介质,燃弧的难度很高,但仍然可以燃弧。在动静触头分离的瞬间,触头上的金属气化,形成金属离子通道,电弧在通道内形成。关于如何形成了这样一个离子通道,有几种不同的解释。

第一种解释高温发射电子理论,认为阴极触头上存在着原始的缺陷,称为斑点。认为斑点位置电阻比较大,通电过程中局部温度比较高。在动静触头将要分离的时候,高温部分发射电子到阳极,初步形成电弧,电弧燃烧,触头材料气化,进一步形成金属蒸汽,进而形成真空中电弧;

第二种解释场致发射理论,认为当动静触头之间的外加电压足够高时,阴极就具备了发射电子的能力。当动静触头即将分开的瞬间,相互之间一般会存在最后接触位置,且这个面积极小。场致发射的电子流通过这个极小的面积流向阳极,巨大的电流密度在阴极和阳极上都产生了剧烈的热效应,使得融化从那一个点开始逐渐扩散至整个触头,触头表面融化,产生金属蒸汽。更好的电离环境致使电子流的规模扩大,形成真空电弧。


真空度:一般情形,真空度越高,越不容易被击穿,越难以形成电弧。在理想的状态下,介电强度能够达到每0.1毫米10000V水平。但当真空度达到一定水平以后,进一步的提高将对降低击穿电压没有帮助,如上面曲线所示,体现了真空度与击穿电压的关系。击穿电压越低,电弧越容易形成,并且越容易维持,也就是燃弧时间越长。真空度用气压直接衡量,气压越低真空度越高。

真空密封灭弧室,获得真空灭弧室,需要良好的材质和密封技术去实现。陶瓷密封和树脂密封灭弧室,两种密封灭弧室技术路线正在同时使用,谁也没有取得明显的优势。

陶瓷密封灭弧室,利用陶瓷的耐高温特性,电弧温度极高(中心可以达到5000℃),一般材料承受不了这样的温度,而陶瓷恰好可以满足这个要求。但陶瓷实现密封,技术难度比较高。

树脂材质的灭弧室,密封工艺性远好于陶瓷,但其耐高温特性不足。


3 机械参数对触头电寿命的影响

与触头电寿命相关的结构参数包括:触点面积,分断机构,触头接触压力等。

触点面积,动静触头较大的接触面积,可以给电流提供更大的通路,减少接触电阻,降低温升。当继电器闭合或者分断时,小型燃弧带来的热量,触点越大越容易散发出去,从而降低触点融化的风险。

分断机构,是继电器设计之中的另一个技术要点。机构自身有稳定的动作周期,从出发到最终运动到开距最大位置需要的时间,直接影响燃弧时间。

动静触头的接触压力,动静触头之间始终存在着接触电阻,接触压力越大,电阻越小。较大的接触压力,能够降低继电器正常工作状态下的电损耗和温升;触头表面比较小的破损或者凸起的毛刺,在较大的压力下,不会产生明显的不良影响,并且在多次合分后,触头之间的冲击力会抹平这些小瑕疵。

4 灭弧室的密封性

真空灭弧室不可能达到绝对的密封,壳体焊缝等都存在着漏气的可能。在其设计指标里已经包含了一个允许的漏气系数,慢性漏气是不可避免的。加之,继电器在电动汽车上使用,随时随地的剧烈震动环境,也严重考验着密封质量。

随着进入密封腔的空气越来越多,以及壳体密封性越来越差,灭弧室内的真空度逐渐降低,灭弧能力也会逐渐变差,这是影响继电器寿命的一个重要因素。

5 看一个例子

高压直流继电器的寿命,与控制回路中使用的继电器没有可比性,低压继电器寿命动辄数十万次。上面是一家车用高压直流继电器的选型表,可以看到,承诺的额定带电接通能力是2.5万次,短路分断1次。下面这张抓图是机械寿命,感受一下。

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