Какие факторы влияют на срок службы реле высокого напряжения постоянного тока?

Высоковольтные реле постоянного тока изначально использовались в основном в энергетике, авиационной и аэрокосмической промышленности. В последние годы постепенно растет популярность электромобилей, и системы распределения энергии стали очень важным сценарием применения высоковольтных реле постоянного тока. Высокое напряжение соответствует системам низкого напряжения 24 В, 48 В. Некоторые тихоходные электромобили выбирают конфигурацию питания систем 60 В и 72 В. Обычно напряжение высокоскоростных легковых автомобилей превышает 200 В, а в автобусах — более 600 В. Реле, соответствующие требованиям этой фазы напряжения, называются высоковольтными реле постоянного тока.

Реле высокого напряжения постоянного тока, срок службы включает в себя два параметра: механический срок службы и электрический срок службы. Факторы, влияющие на механический срок службы, включают материал точек контакта, конструкцию и уровень изготовления механизма открытия и закрытия и т. д. Узким местом электрического срока службы в основном является срок службы контактов.

1. Влияние дугового разряда в магнитном поле на электрический срок службы контактов.

Как показано на рисунке ниже, поясняется принцип конструкции магнитного удара в реле. Левый статический контакт, в соответствии с направлением тока, показанным на рисунке, использует правило правой руки для определения направления магнитного поля катушки. Дуга — это ток в ионизационном канале, образованный напряжением, прорывающим среду между статическими контактами. Оно полностью подчиняется закону электромагнитного взаимодействия. Магнитное поле, создаваемое дугой, показано на рисунке. Используйте правило левой руки, чтобы определить направление силы дуги. Направление силы обозначено на рисунке буквой F.

Магнитная продувка заключается в использовании постоянного магнита или электромагнита для создания магнитного поля. Направление, в котором магнитное поле взаимодействует с дугой, должно отводить цепь от динамических и статических контактов.

При быстром движении подвижного контакта и применении эффекта магнитного обдува дуга растягивается и сопротивление дуги быстро увеличивается, что приводит к резкому падению тока дуги и снижению теплового КПД дуги. С понижением температуры степень ионизации среды уменьшается, а электропроводность дугового канала уменьшается. Если одновременно в процессе движения дуги наружу вытягивать дугу другими средствами резки и охлаждения дуги, то дуга погаснет быстрее.

Сокращение времени горения дуги является важным средством защиты контактов. Хорошая конструкция магнитного удара определенно продлит срок службы реле. Магнитный обдув широко используется в мощных реле и контакторах с менее чувствительными требованиями к пространству, тогда как в небольших реле аналогичные устройства разрабатываются для отдельных изделий.

2. Влияние давления окружающего воздуха на электрический срок службы контактов.

Чтобы сократить время горения дуги, помимо использования вышеупомянутого метода магнитного дутья для вытягивания дуги, методы, часто используемые для гашения дуги в узких пространствах, включают изменение среды размыкания и замыкания контакта, заполнение герметичной дугогасительной камеры газ с высокой энергией ионизации, или Камера гашения дуги вакуумирована.

Причины возникновения газовых дуг высокого давления

Энергия ионизации. В процессе потери электронов газообразными атомами и превращения в катионы необходимо преодолеть притяжение ядра к электронам, то есть энергию, которая вытягивает электроны с атомных орбиталей, чтобы они стали свободными электронами. Это энергия ионизации таких элементов. Чем выше энергия ионизации, тем труднее ионизируются атомы, тем труднее они становятся катионами и тем слабее металличность; наоборот, чем легче они теряют электроны и становятся катионами, тем сильнее металличность. В таблице Менделеева наибольшая энергия ионизации у гелия, поэтому в герметичную дугогасительную камеру можно заливать гелий, что улучшает способность реле тушить дугу.

Существует множество исследований, объясняющих причины возникновения дуги в газовых средах высокого давления. Общая суть заключается в следующем. В газовой камере высокого давления дугообразование осуществляется в два этапа. Контакт катода испускает электроны под действием температуры или напряжения и принимается анодом, образуя первый пробой; Первоначальное формирование дуги приводит к высокой температуре и ионизированным газовым катионам, а путь ионов дуги дополнительно расширяется, образуя более массивную дугу.

Причины вакуумной дуги

В условиях вакуума уже нет среды, которую можно ионизировать. Дугу зажечь трудно, но она все же может гореть. В момент разъединения динамического и статического контактов металл на контактах испаряется, образуя канал ионов металла, и в канале образуется дуга. Существует несколько различных объяснений того, как формируется такой ионный канал.

Первая задача — объяснить теорию высокотемпературной эмиссии электронов. Считается, что на катодных контактах имеются своеобразные дефекты, называемые пятнами. Считается, что сопротивление положения пятна относительно велико, а локальная температура относительно высока во время процесса подачи питания. Когда динамический и статический контакты собираются разъединиться, высокотемпературная часть эмитирует электроны на анод, первоначально образуя дугу, дуга горит, материал контакта испаряется, далее образуются пары металла, а затем образуется дуга в вакууме;

Второе объяснение теории автоэмиссии состоит в том, что катод обладает способностью испускать электроны, когда приложенное напряжение между динамическим и статичным контактами достаточно велико. Когда динамический и статический контакты собираются разделить, обычно существует окончательное положение контакта друг с другом, и эта грань положительно мала. Поток автоэлектронных электронов течет к аноду через эту чрезвычайно небольшую область, а огромная плотность тока оказывает сильное тепловое воздействие как на катод, так и на анод, в результате чего плавление постепенно распространяется на весь контакт от этой точки, и Контактная поверхность плавится. Генерировать пары металла. Улучшение условий ионизации приводит к расширению потока электронов, образуя вакуумную дугу.

Степень вакуума. Как правило, чем выше степень вакуума, тем меньше вероятность поломки и тем труднее сформировать дугу. В идеальных условиях электрическая прочность может достигать уровня 10 000 В на 0,1 мм. Но когда вакуум достигнет определенного уровня, дальнейшее увеличение не поможет снизить напряжение пробоя. Как показано на приведенной выше кривой, она показывает взаимосвязь между вакуумом и напряжением пробоя. Чем ниже напряжение пробоя, тем легче сформировать и поддерживать дугу, то есть тем дольше время дуги. Степень вакуума напрямую измеряется давлением воздуха. Чем ниже давление воздуха, тем выше степень вакуума.

Для создания вакуумной камеры гашения дуги необходимы хорошие материалы и технология герметизации. Керамические и смоляные дугогасительные камеры, два типа технологии герметичных дугогасительных камер используются одновременно, и никто не добился очевидных преимуществ.

Керамическая герметичная камера гашения дуги использует характеристики устойчивости керамики к высоким температурам, а температура дуги чрезвычайно высока (в центре может достигать 5000 ° C). Как правило, материалы не выдерживают таких температур, и керамика как раз может соответствовать этому требованию. Однако керамику технически сложно герметизировать.

Камера гашения дуги, изготовленная из смолы, имеет лучшую технологию герметизации, чем керамика, но ее устойчивость к высоким температурам недостаточна.

3. Влияние механических параметров на электрическую долговечность контактов.

К структурным параметрам, связанным с электрическим сроком службы контактов, относятся: площадь контакта, механизм размыкания, контактное контактное давление и т. д.

Площадь контакта, большая площадь контакта динамических и статических контактов, может обеспечить больший путь для тока, уменьшить сопротивление контакта и уменьшить повышение температуры. Когда реле замкнуто или отключено, тепло от небольшой дуги будет легче рассеиваться большим контактом, тем самым снижая риск плавления контакта.

Механизм отключения – еще один технический момент в конструкции реле. Сам механизм имеет стабильный цикл действия. Время, необходимое от начала до окончательного перемещения до максимально открытого положения, напрямую влияет на время горения дуги.

Контактное давление динамических и статических контактов, между динамическими и статическими контактами всегда существует контактное сопротивление, чем больше контактное давление, тем меньше сопротивление. Большое контактное давление может снизить электрические потери и повышение температуры реле при нормальных рабочих условиях; относительно небольшие повреждения или выступающие заусенцы на контактной поверхности не вызовут значительных негативных последствий при большом давлении, а после закрытия нескольких точек удар между контактами сгладит эти небольшие дефекты.

4.Герметичность дугогасительной камеры.

В вакуумной камере невозможно добиться абсолютной герметичности, а также существует вероятность подсоса воздуха в сварные швы корпуса. В расчетный показатель включен допустимый коэффициент утечки воздуха, поэтому хроническая утечка воздуха неизбежна. Кроме того, использование реле в электромобилях, суровая вибрационная среда в любое время и в любом месте также серьезно проверяют качество уплотнения.

По мере поступления в герметичную полость все большего количества воздуха и ухудшения герметизации корпуса степень вакуума в дугогасительной камере постепенно снижается, и дугогасительная способность постепенно ухудшается, что является важным фактором, влияющим на срок службы реле. .