交流接觸器滅弧結(jié)構(gòu)對電壽命影響的試驗研究

胡國偉, 張紅偉, 計新華, 王振坤, 鄭 彬, 榮良章

(浙江天正電氣股份有限公司, 浙江 溫州 325604)

0 引 言

交流接觸器是一種用于遠距離、頻繁地接通和分斷交、直流主電路和大容量控制電路的電器,電壽命是其最重要的性能指標之一[1-4]。影響電壽命的主要因素是動、靜觸頭的電磨損,因此具有良好滅弧性能的交流接觸器,能快速熄滅電弧,減少觸頭的電氣磨損,對提高交流接觸器的電壽命,具有重要意義[3-6]。

1 電弧熄滅原理

交流接觸器觸頭在閉合時,觸頭間會發(fā)生多次的斷續(xù)燃弧,引起電磨損,嚴重時會造成觸頭的熔焊[7-8]。電弧產(chǎn)生的能量越大,觸頭的磨損越嚴重[9-12]。電弧產(chǎn)生的能量為

(1)

式中:Ea——電弧能量;

ua——電弧電壓;

ia——電弧電流;

由式(1)可見,燃弧時間越長,電弧產(chǎn)生的能量越大,對觸頭磨損也就越嚴重。

電弧存在著游離和消游離兩方面的作用。當游離作用占優(yōu)勢時電弧就會產(chǎn)生和擴大;當消游離作用占優(yōu)勢時,電弧就趨于熄滅;當游離作用和消游離作用處于均衡狀態(tài)時,則弧隙中保持一定數(shù)量的電子流而處于穩(wěn)定燃燒狀態(tài)。從能量的角度來說,電弧燃燒時要從電源不斷向電弧內(nèi)部輸入能量,而這個能量又不斷轉(zhuǎn)變?yōu)殡娀〉臒崃?通過傳導、對流及輻射3種方式消散。

設(shè)輸入弧隙的功率為Ph,電弧散失功率為Ps。當Ph=Ps時,電弧電流不變,穩(wěn)定燃燒;當Ph>Ps時,電弧電流變大,電弧越燃越烈;當Ph

因此,為了減少電弧對動、靜觸頭的燒損和取得較小的滅弧室尺寸,在交流接觸器的滅弧系統(tǒng)設(shè)計時,滅弧室基于不同的滅弧原理,設(shè)計了不同結(jié)構(gòu)類型的滅弧系統(tǒng)來滿足客戶端實際使用工況。

2 電弧熄滅方法

改變觸頭接觸情況:動觸頭弧面與靜觸頭平面接觸;動觸頭狹長,靜觸頭寬于動觸頭;接觸部位的選擇,如在后部,利于弧根快速移出。

拉長電弧:切線方向加大觸頭開距,拉長電弧,增加電弧電阻;法線方向使電弧與周圍介質(zhì)(主要是空氣)發(fā)生相對運動,冷卻效果好。

氣吹:設(shè)計合理的氣體流向與通道,促使電弧向滅弧室及柵片運動,加速冷卻并隔斷電弧;與殼體之間留有適當空間,作為氣體壓力減壓區(qū)域,形成觸頭生弧區(qū)-減壓區(qū)-出氣孔-殼外的氣壓梯度,避免背后擊穿,有利于氣體排出;設(shè)置適當?shù)某鰵饪孜恢门c大小,形成合理的氣體通道。

磁吹:電弧可以看作是一個柔軟的載流導體,利用觸頭回路及專門設(shè)計的磁吹機構(gòu),加強電弧沿法線方向的運動能力,并進入滅弧室,有利于電弧冷卻和熄弧。

引弧角和引弧片:動觸橋引弧角加速電弧弧根的轉(zhuǎn)移,并使整個弧柱快速運動。由于電弧很快向引弧角轉(zhuǎn)移,可避免觸頭過度燒蝕。

加裝滅弧罩:滅弧罩是一個金屬柵滅弧罩,利用滅弧柵片將電弧分割成多個串聯(lián)的短弧來滅弧。材質(zhì)一般是鋼材,常見的鍍Cu、鍍Zn;滅弧柵片設(shè)置缺口,減少電弧進入柵片的阻力,縮短燃弧時間。

增加斷口:熄弧時,多斷口把電弧分割成多個相串聯(lián)的小電弧段,在觸頭行程、分閘速度相同的情況下,電弧被拉長的速度成倍增加,使弧隙電阻加速增大,提高了介質(zhì)強度的恢復速度,縮短了滅弧時間。采用多斷口時,加在每一斷口上的電壓成倍減少,降低了弧隙的恢復電壓,亦有利于熄滅電弧。

采用高性能絕緣材料:由于產(chǎn)品體積不斷縮小,產(chǎn)品分斷需求指標越來越高,對觸頭附近材料的絕緣性能要求也越來越高,高性能絕緣材料有助于介質(zhì)恢復強度快速增加。

滅弧室可采用上述一種原理進行滅弧,也可采用多種滅弧原理相結(jié)合的方式以增大滅弧效果。

3 試驗研究與分析

3.1 研究對象

本文選用某一額定電流為225 A,額定電壓為220/230 V的交流接觸器進行試驗。交流接觸器觸頭與滅弧系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 交流接觸器觸頭與滅弧系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

交流接觸器不同結(jié)構(gòu)的滅弧系統(tǒng)如圖2所示。其中,結(jié)構(gòu)A最后一片滅弧柵片折彎角度為15°,引弧片為水平結(jié)構(gòu),蓋板無電弧通道;結(jié)構(gòu)B最后一片滅弧柵片折彎角度為5°,引弧片折彎角度為3°,蓋板無電弧通道;結(jié)構(gòu)C與結(jié)構(gòu)B的區(qū)別在于,滅弧室的蓋板設(shè)置有電弧通道。

圖2 交流接觸器不同結(jié)構(gòu)的滅弧系統(tǒng)

3.2 3種滅弧系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的交流接觸器試驗性能研究

本文主要研究3種滅弧系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對交流接觸器電壽命的影響,電壽命試驗按照GB/T 14048.4—2020中AC-4使用類別下進行。試驗條件:分斷電流Ic為1 350 A;功率因數(shù)為0.35±0.05;操作頻率為30次/h;通電時間為60～80 ms 。

試驗完成后,統(tǒng)計3種不同結(jié)構(gòu)的AC-4使用類別下電壽命次數(shù)。AC-4電壽命試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計如表1所示。對產(chǎn)品進行拆解分析,研究滅弧罩和滅弧柵片的燒蝕情況。滅弧罩和滅弧柵片的燒蝕情況如圖3所示。

表1 AC-4電壽命試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計

圖3 滅弧罩和滅弧柵片的燒蝕情況

結(jié)構(gòu)A電壽命次數(shù)最低,結(jié)構(gòu)B有所提升,結(jié)構(gòu)C電壽命最高。

在電壽命完成后,對滅弧罩、引弧片、滅弧柵片和動、靜觸頭的燒蝕情況進行對比,結(jié)果如下:

(1)圖3(a)中結(jié)構(gòu)A的滅弧罩標記處,燒蝕最為嚴重,同時最端部顆粒殘留最多。推斷應為電弧能量未能及時排出,電弧氣體通過引弧片與最后一片滅弧柵片的間隙,遇冷后停留在滅弧罩的端部位置,導致滅弧罩上留有殘留;滅弧柵片第一片和最后一片燒蝕較為嚴重,其余3片燒蝕程度較為輕微;動、靜觸頭燒損嚴重但仍有裕量。從以上試驗現(xiàn)象可以看出,電弧主要集中在第一片和最后一片滅弧柵片處,并未充分且均勻地進入滅弧室內(nèi),導致滅弧室內(nèi)各處的電弧能量分布不均勻。該種結(jié)構(gòu)滅弧效果較差,仍有較大改進空間。

(2)圖3(b)中結(jié)構(gòu)B的滅弧罩標記處,燒蝕情況較結(jié)構(gòu)A有所改善,滅弧罩端部仍有較多顆粒殘留,但較結(jié)構(gòu)A有所減少。推斷應為由于引弧片向上傾斜,且最后一片滅弧柵片折彎角度減少為5°,引弧片與最后一片滅弧柵片的間隙較結(jié)構(gòu)A有所減小,只有較少部分電弧氣體遇冷后停留在滅弧罩的端部位置,但由于蓋板沒有設(shè)置電弧通道,電弧能量未能及時排出,仍然會導致電弧氣體在滅弧罩上有殘留;該種結(jié)構(gòu)滅弧柵片燒蝕程度較為均勻;因電壽命次數(shù)較結(jié)構(gòu)A增加約47%,故動、靜觸頭燒損較為嚴重,試驗過程中出現(xiàn)B相進線端動觸橋熔斷。由于引弧片向上傾斜,電弧與滅弧室距離變近,該種結(jié)構(gòu)更有利于電弧均勻地進入滅弧室,最后一片滅弧柵片折彎角度為5°,與傾斜的引弧片配合后,能形成較好的電弧運動通道,使得電弧運動更加順暢。

(3)圖3(c)中結(jié)構(gòu)C的滅弧罩標記處,燒蝕情況同結(jié)構(gòu)B幾乎相當,但滅弧罩的端部幾乎無顆粒殘留。推斷應為引弧片與最后一片滅弧柵片的間隙較小,同時蓋板上設(shè)置有電弧通道,電弧氣體通過滅弧柵片后能由蓋板的電弧通道及時排出;滅弧柵片燒蝕程度較為均勻;因電壽命次數(shù)較結(jié)構(gòu)A增加約一倍,故動、靜觸頭燒損更為嚴重,試驗過程中出現(xiàn)B相、C相進線端動觸橋熔斷。由于引弧片向上傾斜,電弧距離滅弧室距離變近,該種結(jié)構(gòu)有利于電弧進入滅弧室,最后一片滅弧柵片折彎角度為5°,與引弧片配合后,形成較好的電弧運動通道,使得電弧運動更加順暢,經(jīng)蓋板上設(shè)置的電弧通道排出。通過電壽命試驗驗證,結(jié)構(gòu)C為3種結(jié)構(gòu)中電壽命次數(shù)最高的。

從上述3種試驗結(jié)果可知,結(jié)構(gòu)C具有更好的滅弧效果。重新更換3臺再次驗證,結(jié)構(gòu)C電壽命次數(shù)在1.5～1.7萬次,試驗結(jié)果再次證明結(jié)構(gòu)C的滅弧系統(tǒng)設(shè)計更為合理。引弧片具有一定的上翹角度,直接影響交流接觸器的電壽命;此外,電弧能量的及時排出,對交流接觸器電壽命的提高,具有重要意義。

4 結(jié) 語

(1)引弧片具有一定的上翹角度對電弧的運動有很大影響。最后一片滅弧柵片的折彎角度、其與引弧片的配合關(guān)系,對電弧的運動起到至關(guān)重要的作用。

(2)蓋板上設(shè)置合理的電弧通道,有利于電弧能量的散失,能提高交流接觸器的電壽命。

(3)本文所提及的引弧片上翹角度與滅弧柵片的折彎角度對電壽命有很大影響,但是否是最佳折彎角度仍需要不斷論證,在產(chǎn)品設(shè)計時,需具體問題具體分析。