交流接觸器載流能力提升研究與試驗

摘 要：

為了滿足電器設(shè)備小型化的需求，解決交流接觸器載流提升后的溫升超標問題，通過分析影響交流接觸器溫升和接觸電阻的主要因素，選擇提升接觸器載流能力的可行途徑。以某型號交流接觸器為對象，對觸點材料、接觸類型、觸頭壓力等進行優(yōu)化，通過理論計算驗證了優(yōu)化方案的可行性，最后通過試驗驗證了方案的有效性。

關(guān)鍵詞：

交流接觸器; 載流能力; 接觸電阻; 觸頭溫升

中圖分類號： TM572.2

文獻標志碼： A

文章編號： 2095-8188（2024）01-0056-04

DOI：

10.16628/j.cnki.2095-8188.2024.01.010

Research and Experiment on Improving Current Carrying Capacity of AC Contactor

HE Wei， JI Hua， GONG Yelin

（Tianshui 213 Electric Group Co.，Ltd.， Tianshui 741001， China）

Abstract：

In order to meet the demand for miniaturization of electrical equipment and solve the problem of temperature rise exceeding the standard after the current carrying capacity of AC contactors was increased，a feasible approach to improve the current carrying capacity of contactors was selected by analyzing the main factors affecting the temperature rise and contact resistance of AC contactors.Taking a certain type of AC contactor as the object，the contact material，contact type，contact pressure，etc.were optimized.The feasibility of the optimization scheme was verified through the theoretical calculation，and the effectiveness of the scheme was finally verified through experiments.

Key words：

AC contactor; current carrying capacity; contact resistance; contact temperature rise

0 引 言

隨著電氣控制設(shè)備的集中化和小型化發(fā)展，接觸器等低壓電器元件也向著小型化、輕量化發(fā)展，用戶在要求交流接觸器體積小型化的同時對載流能力的要求越來越高，在相同殼架下提升載流能力或同等電流規(guī)格下減小產(chǎn)品體積是交流接觸器研究的重要內(nèi)容。交流接觸器工作時，觸頭系統(tǒng)會產(chǎn)生能量損耗，所有損耗幾乎全部轉(zhuǎn)化為熱量，使之溫度升高，過高的溫升將會導(dǎo)致材料軟化、電接觸性能下降、絕緣材料加速老化等不利影響［1-3］。文獻［1］等通過優(yōu)化觸點結(jié)構(gòu)和接線端子材料實現(xiàn)了接觸器觸頭溫升優(yōu)化;文獻［2］通過優(yōu)化接觸橋材質(zhì)和電鍍銀工藝等研究了交流接觸器短時耐受電流能力提升的方向;文獻［3］研究了銅母排不同搭接方案以及緊固力矩對接觸電阻的影響。

對于大電流規(guī)格的交流接觸器而言，接線端子、接觸橋等零部件從材料方面優(yōu)化的空間十分有限，本文將根據(jù)電接觸理論和電器的發(fā)熱理論，從觸點材料、接觸壓力等方面進行研究試驗，在現(xiàn)有交流接觸器的基礎(chǔ)上改進，將交流接觸器在AC-1負載條件下的額定工作電流從1 600 A提升至2 000 A，較大幅度提高交流接觸器的載流性能。

1 影響載流性能的主要因素

1.1 交流接觸器的發(fā)熱及溫升計算

在交流接觸器工作過程中，觸頭系統(tǒng)的能量損耗幾乎全部轉(zhuǎn)化為熱量，如果通電時間足夠長，那么交流接觸器的發(fā)熱與散熱達到平衡，溫升接近于一個穩(wěn)定值，按GB/T 14048.1—2012《低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備 第1部分：總則》要求，交流接觸器的接線端子在鍍銀條件下溫升不得超過70 K，鍍錫情況下不得超過65 K［4］，因此觸頭溫升是衡量載流能力的重要指標。

前期設(shè)計時可通過產(chǎn)品設(shè)計參數(shù)對觸頭溫升進行計算，以初步評估產(chǎn)品是否滿足設(shè)計要求。

對于達到熱平衡的電器，可以通過牛頓公式進行計算，同時為了簡化計算需要對發(fā)熱模型進行簡化。交流接觸器的觸頭系統(tǒng)簡化圖和溫升曲線圖如圖1所示。

由式（6）可知，溫升沿導(dǎo)體軸向按指數(shù)曲線降低，溫升降低程度與接線端子及外接導(dǎo)體的截面積、截面周長和綜合散熱系數(shù)有關(guān)。

由式（1）、式（2）可知，穩(wěn)態(tài)溫升τw僅與電流、外部導(dǎo)線的綜合散熱系數(shù)及散熱面積有關(guān)，而最大溫升τmax與觸頭發(fā)熱功率W1、穩(wěn)態(tài)溫升τw、散熱等參數(shù)密切相關(guān)，且觸頭發(fā)熱功率W1對最大溫升τmax的影響占比最大，同時觸頭最大溫升位置距離實際試驗時的測溫點較近，因此在不改變電氣參數(shù)和散熱條件的情況下降低溫升的方法有：

（1） 減小極阻抗，以降低觸頭發(fā)熱功率;

（2） 增加導(dǎo)體截面積和截面周長，增加產(chǎn)品散熱能力。

1.2 交流接觸器的極阻抗

觸頭系統(tǒng)產(chǎn)生的能量損耗主要為電阻損耗，其值為

P=KfI2（Ra+Rj）（7）

式中： Kf——交流附加損耗系數(shù)，其為趨膚損耗系數(shù)和鄰近損耗系數(shù)的乘積。

根據(jù)電接觸理論，交流接觸器的極阻抗中接觸電阻占極大比例，因此設(shè)計時主要考慮降低接觸電阻［5-6］。接觸電阻Rj一般按以下經(jīng)驗公式進行近似計算：

Rj=Kc（0.102F）m（8）

式中： Kc——與觸頭材料、接觸面加工情況以及表面狀況有關(guān)的系數(shù);

F——接觸壓力;

m——與接觸形式有關(guān)的指數(shù)，面接觸m=1;線接觸m在0.5～1，一般取0.7。

由式（8）可知，增加觸頭壓力和優(yōu)化接觸形式均可減小接觸電阻。

2 提升產(chǎn)品載流能力的方法

2.1 增加觸頭壓力參數(shù)

增大產(chǎn)品觸頭超行程和增加觸頭彈簧剛性都可以增加觸頭壓力，但前一種方式涉及調(diào)整產(chǎn)品電磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)件尺寸，簡單可行的辦法是調(diào)整觸頭彈簧剛性。

本文所涉及產(chǎn)品中每相接觸橋為3組并聯(lián)，每組接觸橋有4只觸頭彈簧，彈簧終壓力為23.8 N。交流接觸器觸頭系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

將觸頭彈簧的終壓力調(diào)整至30 N，即單個接觸橋的觸頭壓力達到120 N。3臺樣品共9組觸頭更換觸頭彈簧后進行極阻抗測量，通過WOJ-Ⅱ回路電阻自動測試儀測得產(chǎn)品極阻抗。優(yōu)化觸頭壓力后極阻抗對比如圖3所示。

優(yōu)化前的極阻抗平均值為52.7 μΩ，優(yōu)化后的極阻抗平均值為48.1 μΩ，優(yōu)化后極阻抗降低了約8.7%。

增加觸頭壓力可有效降低極阻抗，但過度增加觸頭壓力可能導(dǎo)致交流接觸器吸反力特性不匹配，出現(xiàn)吸合不可靠、觸頭彈跳加劇等不利影響，因此增大觸頭壓力對降低極阻抗的影響較為有限，須在保證產(chǎn)品可靠吸合的前提下進行優(yōu)化。

2.2 優(yōu)化觸點材料和接觸形式

將觸頭由圓柱型線接觸面優(yōu)化為平面帶壓紋接觸面，同時優(yōu)化銀觸點厚度以降低觸點的體電阻。觸點優(yōu)化前后主要差異如表1所示;觸點優(yōu)化前后對比圖如圖4所示。

優(yōu)化觸點后極阻抗對比如圖5所示。

觸點優(yōu)化后的極阻抗平均值為45.5 μΩ，觸點和觸頭壓力同時優(yōu)化后極阻抗為39.5 μΩ，比優(yōu)化前降低了約25%。

低牌號銀氧化錫觸點材料電阻率更低，相比原觸點材料硬度更軟，在有壓紋的情況下更容易產(chǎn)生塑性變形，產(chǎn)生的接觸斑點更多，因此增加觸頭壓力對減小接觸電阻的效果更明顯。

2.3 調(diào)整接線端子尺寸

接線端子既是載流部件，又是重要的散熱部件，同時還是觸頭溫升試驗的溫度監(jiān)測點，適當調(diào)整接線端子尺寸既可以增加載流和導(dǎo)熱能力，又可以優(yōu)化接線端子和銅母排的搭接方式，降低連接部位的接觸電阻［5］。根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)限制，將接線端子截面尺寸由10 mm×60 mm調(diào)整為10 mm×80 mm。

3 溫升計算及試驗

3.1 溫升計算

觸頭溫升計算按式（1）。該式中綜合散熱系數(shù)KT包含了所有的散熱形式，因而各種具體條件對KT數(shù)值影響極大，而KT的實驗數(shù)據(jù)是在特定條件下得到的，選用時必須慎重對待［6-7］。本例中試驗為銅排連接，按電器設(shè)計相關(guān)文獻資料，綜合散熱系數(shù)KT取9。觸頭發(fā)熱功率W1根據(jù)測得的極阻抗和預(yù)期試驗電流按式（2）計算，其他變量為產(chǎn)品零件和試驗?zāi)概畔嚓P(guān)尺寸，將尺寸代入計算可得溫升計算結(jié)果。

τ1=16.6+49.5e－1.66x（9）

τ2=18.4+57e－1.66x（10）

式中： τ1、τ2——預(yù)期電流2 000 A和2 100 A時的溫升計算結(jié)果。

溫升計算曲線如圖6所示。

主回路溫升的測溫點一般位于接線端子末端，取接線端子長度x=24 cm，則當電流為2 000 A、2 100 A時計算溫升分別為49.9 K、56.6 K。

3.2 試驗

為了最終驗證交流接觸器的載流能力，依據(jù)標準對優(yōu)化前后的樣品進行了主回路溫升試驗。優(yōu)化前試品主回路通以交流50 Hz、1 600 A及2 000 A的電流，連接母排為3根100 mm×5 mm銅母排并聯(lián)，優(yōu)化后試品主回路通以交流50 Hz、2 000 A及2 100 A的電流，連接母排為4根100 mm×5 mm銅母排并聯(lián)，通電時間8 h?，F(xiàn)場試驗圖如圖7所示。

優(yōu)化前、優(yōu)化后主回路溫升分別如表2～表5所示。由試驗數(shù)據(jù)可知，優(yōu)化前的試品在試驗電流提升至2000 A后溫升嚴重超標。產(chǎn)品優(yōu)化后試驗電流2 000 A時所有接線端子的溫升均低于60 K，達到國標要求。將試驗電流提升至2 100 A時溫升低于70 K，在接線端子鍍銀的條件下可以進一步提升試品的載流能力。溫升試驗中B相溫升明顯較A、C兩相高，主要原因為B相觸頭處于產(chǎn)品中部，觸頭熱量難以散出，試驗連接母排受到A、C相母排的熱輻射等影響，散熱條件較差。

4 結(jié) 語

通過對交流接觸器觸頭系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計和試驗驗證，分析了降低交流接觸器接觸電阻的可行方法，如增加觸頭壓力、優(yōu)化觸點材料和接觸形式、降低觸點硬度都可以減小接觸電阻，提高產(chǎn)品載流能力。

【參 考 文 獻】

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收稿日期： 20231018