一種高壓直流接觸器的設計

辜飛 胡鳳生 李杰

深圳巴斯巴汽車電子有限公司 廣東省深圳市 518118

將 S=120.7mm2，δ=1.8mm 代入上式；得：

再計算漏磁通產生的力Fdn，漏磁通產生的力是為漏磁通與線圈作用而產生的電動力，其公式簡要如下：

式中：IW——為線圈磁勢；

LP——銜鐵鏈入線圈的長度；

LK——線圈長度

g——單位長度的漏磁導

同軸圓柱體的單位長度漏磁導：

其中，rm為繞后線圈半徑，rn=骨架內徑

將rm=17mm；rn=6.8mm代入（5）式，

得 g=8.57×10-6Hm

再將Lp=29.7，LK=30.1，IW=465（安匝）代入（4）式，得

計算出，產品起始電磁吸力為FC=Fdm+Fdn=4.5N

通過計算得出FC=4.5N大于初始彈簧反力（3.2N）。理論計算驗證滿足產品設計要求。

2 接觸系統設計

接觸系統主要從觸點材料的選擇、觸點的接觸形式與帶載能力、接觸電阻、接觸壓力、觸點溫升等幾個方面進行設計。

2.1 觸頭材料的選擇

從通斷電流、電壓、觸點壓力、通斷頻率、電流的性質（直流或交流）以及環境氣氛等方面來選擇觸點材料。接觸器在正常情況下，承載和分斷的電流不大于額定值，但有時會遇到過電流和短路情況。觸點接通時會發生因彈跳造成的機械磨損、電弧造成的燒損和熔焊。觸點閉合狀態下會發生負載電流時的接觸電阻增高和發熱問題，過電流和短路造成的熔焊，以及因電壓釋放時觸點斷開燃弧造成的熔焊，觸點斷開時會發生機械磨損的熔焊，以及燃弧造成的熔焊，這些都與接觸器的結構有關，也與閉合和斷開速度、觸點壓力、觸點形狀、負載電流、電壓以及滅弧方式有關。但是不同的觸點材料在各種情況下的表現是不相同的。因此，在選用觸點材料的時候，必須盡詳細考慮這些條件，特別采用不同的滅弧方式時需要選擇不同的觸點材料，例如，采用電弧自熱滅弧方式的接觸器，不宜選用熱離子發射型材料，如銀鎢、銀石墨等，而用采用銀氧化鎘、銀氧化錫氧化銦、銀鎳、銀等材料。

觸頭材料的選取，一般是根據負載類別選擇相應的觸點材料，如下表1，為汽車繼電器使用負載及對應使用的觸頭材料。

在不同應用中繼電器觸頭材料的選用（表1）。

根據接觸器電壽命和電性能要求，經理論分析和試驗的篩選驗證，該接觸器設計觸點材料選用鎢銅，其軟化溫度可達到1000℃、電導率為42S/m、熱導率為220W/（m·K）、硬度達到235HB，具有耐高溫及抗電弧能力強的特點。

2.2 觸點接觸形式與帶載能力

接觸器的觸點接觸形式有點接觸、線接觸、面接觸三種形式。點接觸觸點在接觸處平均壓強比較大，容易破壞觸點表面的污染物，但散熱面積小，觸點磨損較快，由于壓強大，可以克服觸點表面膜引起的接觸不可靠的影響。適宜作小電流負荷的觸點。面接觸觸點接觸面平均壓強比較小，但散熱面積大，觸點磨損較慢，適宜于大電流負荷。線接觸觸點特點介于點接觸和面接觸二者之間。因本文講述的接觸器設計為大電流（150A），觸點接觸采用面接觸方式。接觸器動，靜觸點直徑φ8.6mm，動、靜觸點接觸面積達到58mm，載流密度為（5～8）A/mm2，按最少計算載流為290A，約為設計額定載流的2倍，有效地保證了觸點承受負載的能力。

2.3 觸點的接觸電阻

由于電接觸，使得電路的電阻增加。所增加的這部分電阻稱為接觸電阻。接觸電阻為什么會產生，因為無論觸點表面加工如何平整光亮，從微觀上看它仍是凹凸不平的，當有電流流過觸點時，電流線在接觸點附近向接觸點收縮，導致有效的導電截面積會大大縮小，進而產生接觸電阻增加。這部分由于電流收縮增加的電阻，稱之為收縮電阻，用Rt表示。此外接觸表面不可能是完全清潔的，存在一定的雜質，表面形成一層膜，接觸表面的雜質和膜給電流的流通造成阻力，使接觸電阻又增加一個膜電阻，用Rm表示。所以觸點間總的接觸電阻RZ應是：RZ= Rt+Rm，在工程上常用如下經驗公式計算接觸電阻

式中：K——與觸點材料的物理化學性質以及接觸表面狀況有關的系數，見表2和表3

M——與觸點的接觸形式、壓力大小和實際接觸面的數目等因素有關的指數，通常在壓力不是太大的情況下，對于點接觸m=0.5，對于線接觸m=0.7，對于面接觸m=1；

F-觸點終壓力，單位對表2的數據用（克力），對表3用（千克力）。

上述接觸電阻公式，表達了接觸電阻R與壓力、觸點材料、接觸面積狀態等因素的關系，進而得以廣泛應用。然而所給的系數都是在一定條件下做試驗求出來，根據現有150A直流接觸器，觸點壓力取值為：15N～18.2N，由上述公式（6）可知：

表1 在不同應用中繼電器觸頭材料的選用

表2 系數K

表3 系數K

即，理論計算接觸電阻Rz=（0.43-0.52）（mΩ）

理論值Rz=（0.43-0.52）（mΩ）＜要求值1（mΩ），滿足設計要求。

如果，上述公式給出的是室溫條件的接觸電阻。當觸點通過電流而發熱時，其接觸電阻按下列公式變化：

長期負荷造成的發熱

短期負荷造成的發熱

式中：R0—觸點在室溫下的接觸電阻（Ω）；

α—觸點材料的電阻溫度系數（1/℃）；

τ—觸點的溫升（對室溫）（℃）

2.4 觸點接觸壓力

觸點的終壓力是指產品動、靜觸點完全處于閉合狀態時的觸點接觸壓力。其目的是確保動、靜觸點可靠接觸，安全、穩定通過負載額定電流。并且保證觸頭在通過約定發熱電流的持續作用下，觸頭溫升在允許規定范圍內，使觸點溫升不能過高造成對觸點的傷害。主要作用有：一方面，對于容量小的觸點，還具有有一定的清膜作用。另一方面，因產品在吸合狀態下，動、靜觸點受壓力作用及反作用，壓力越大，動、靜觸點就不容易分離，使產品不因振動導致觸點分離的隱患，保證產品安全性；其次，觸頭終壓力的大小會影響動、靜觸點吸合狀態下產生的接觸電阻的大小值，與接觸電阻成反比例關系，即觸點的接觸壓力越大觸點接觸電阻就小，反之會導致接觸電阻值增大，在接觸電阻增大的情況下觸點之間承載額定電流時發熱量也隨之增大，為了使觸點通過電流是發熱量不要過大，應使觸頭的接觸壓降小于觸頭材料的軟化壓降 Um， 并有一定裕度量。接觸壓降值范圍應控制在材料軟化壓降的（1/3～1/2），才能保證產品觸點安全，根據這個原則，接觸壓降公式：

從而，可求得接觸電阻RZ=UZ/Ie（Ω）

接觸電阻除考慮收縮電阻和膜電阻以外，還應考慮接觸部分的結構形式、材料、表面加工情況和通電電流大小等很多因素等影響，要準確地計算接觸電阻是很困難的，在實際工作中利用經驗公式，表示接觸電阻和壓力的函數關系，常用經驗公式為：

式中：F——觸頭壓力（N）

RZ——接觸電阻（μΩ）；

由上式，可計算出觸點壓力F

觸點初壓力是動、靜觸頭剛開始接觸時的觸頭承受的壓力。初壓力大小由觸點彈簧的預壓縮量，它的作用主要是為了減小觸點閉合過程中的振動，為避免觸點熔焊及減少燒蝕程度，觸點初壓力一般依據經驗數據確定，一般可取為（ 0.4～0.7）F終壓力。

觸點的終壓力是指觸點完全閉合狀態下作用于觸點上的壓力。終壓力大小由觸點壓縮彈簧的最終壓縮量決定，它能使觸點處于閉合狀態時的接觸電阻值保持較低。接觸器經長期使用以后，由于觸點壓縮彈簧彈力減小或觸點磨損等原因，會導致觸點壓力減小，接觸電阻增大，此時應調整觸點彈簧和壓力，使初壓力和終壓力達到規定的數值。但觸點壓力的終壓力應小于電磁吸力的終電磁吸力，從現有產品DC450V 、150 A 理論計算出觸點終壓力為18.2N，通過理論設計和現有產品驗證，對設計壓縮彈簧的形變量和彈性系數決定終壓力的大小。再經過電磁系統中計算電磁吸力大小值（動鐵芯與銜鐵無限貼合），比較終壓力遠遠小于電磁吸力，使電磁系統提供的最終吸合保持力能夠滿足產品設計。

2.5 觸點的溫升

以觸點的長期穩定發熱為例，觸點的穩定溫升取決于它的發熱與散熱之間的熱平衡。這與包括觸點在內的整個載流體的機構尺寸有關。計算一般電器觸點的溫升往往都是很復雜的。我們用一個例子來說明有關觸點溫升的一些重要概念。如圖所示，顯示一對觸點，與其相連的載流體是一對等截面等長直導體。觸點發熱的熱源有二部分：一部分是電流在導體中的能量損耗W1；另一部分是電流在接觸電阻上的能量損耗W2=I2R。這些熱量都通過導體表面散出。通過解熱平衡方程，可求出接觸區與導體區交界處的溫升τ的公式

式中：ρ、λ——導體的電阻系數（歐·厘米）和導熱系數（瓦·度-1·厘米-1）；

K——導體的散熱系數（瓦·厘米-2·度-1）；

m、q——導體的周長（厘米）和截面（厘米2）；

I、UZ——觸點電流（安）和觸點壓降（伏）。

在公式（11）中的第一項

從該公式可以看出由導體中能量損耗所引起的溫升；

在公式（11）中的第二項

從第二項公式可以看出由于接觸電阻上能量損耗在導體中的傳輸和散發，在接觸區與導體區的交界處造成的溫升。

觸點的最高溫升要高于公式（11）所表示的交界處的溫升，這是因為接觸面上以及收縮區內的熱量要向外傳送，接觸區內又造成一個熱的“壓降”。因此觸點的最高溫升是：

其中代表觸點最高溫升點相對于觸點外部的溫度差。

通過對接觸區內電流場和溫度場的分析，可以找出一個的近似表達式

對于不同的觸點，公式（14）中的三項溫升之間的比例也不相同。如在大電流的接觸器中，觸點壓力很大，使UZ很小， 一項所占比例不大。而接觸器導體截面是按發熱條件決定的，電流密度一般很大，因此 一項占比例較大，對于小電流的繼電器觸點則相反，其導體截面是按一些機械性能的要求決定的，電流密度很低 很小。而這種產品往往處于對靈敏度對要求，觸點壓力很低，UZ較大，使 在總溫升中占了主導地位。

3 滅弧系統設計

高電壓、大電流接觸器在直流分斷技術在行業內一直都被視為難點。當動、靜觸點分斷時，在動、靜觸點之間的空氣被擊穿形成帶電離子，并在熱運動的作用下加速了帶電離子之間的相互碰撞，進而使游離產生電弧。所以減少電弧產生頻率，以及快速熄滅電弧是觸點可靠分斷顯得至關重要。

3.1 電弧的產生

電弧是一種氣體放電的特殊形式，氣體放電的形式很多，有電暈放電、輝光放電、火花放電和弧光（電弧）放電等等。

電弧的產生條件是電路內的電流和電壓必須大于某一最小起弧電流和最小起弧電壓，電弧的產生是由于氣體的游離，游離的原因有熱發射、冷發射、碰觸游離和熱游離。

（1）熱發射：觸點分開過程中觸點表面溫度劇增，由于熱運動作用，金屬內的自由電子克服了金屬內正離子的吸力而從陰極表面發射，形成熱發射；（2）冷發射：也為高電場發射。觸點剛分開是在氣隙間形成高電場。將電子從陰極表面拉出；（3）碰撞游離：從陰極發射出來的電子，在電場作用下獲得能量而加速，碰撞中性分子而使其游離；（4）熱游離：電弧燃燒時，電弧溫度很高（可達幾千度），氣體分子在高溫作用下，由于強烈的熱運動相互碰撞而游離。

3.2 滅弧措施

通常直流電弧滅弧常用措施可采取以下途徑：

（1）拉長電弧：使電弧伏安特性向上移動，即電弧拉長，使要維持電弧燃燒所需的電弧電壓增大，如電弧電壓超過外施電壓，則電弧就可熄滅。（2）強冷電弧：直流電弧穩定燃燒，電弧功率幾乎全部轉變為熱功率，通過傳導，輻射和對流將熱功率散失到周圍介質中。要使電弧熄滅，應該人為加強傳導、輻射和對流三種散熱的強度，使消游離速度超過游離速度。

3.3 滅弧設計

（1）磁吹滅弧

采用磁吹時，作用在斷開動、靜觸點之間的電弧上的力由下式決定：

式中：B——為磁場強度；

L——為電弧長度（當電弧未離開觸點之前，等于觸點間的距離）；

I——為流過電弧的電流；

此滅弧方式能夠改變電弧運動方向、拉長電弧，起到快速冷卻電弧、快速熄滅電弧的作用。通過試驗驗證可知該滅弧方式滅弧效果非常良好。

（2）窄縫滅弧

在直流電器中，窄縫滅弧室廣泛得到應用，它是有效的滅弧方式，通常由耐弧的絕緣片形成窄縫，斷開時，磁吹使電弧迅速進入窄縫，還配以引弧角使電弧拉長，電弧在其中運動同時與絕緣片接觸而冷卻和散出熱量，因強烈的區游離作用能迅速熄滅電弧。

（3）柵片滅弧

制作柵片滅弧裝置，滅弧柵是由許多銅片或鐵片組成，在這些片之間，電弧被分成若干長度不大（2～3mm）而串聯的短弧，電弧電壓降主要是由陰極和陽極電壓降組成，當電流從極小值到大電流變化時，電弧電壓相應地發生變化。為了在直流電路中可靠地熄滅電弧，必須選擇n片柵片，使滿足下列關系式：

式中：U——電源電壓；

A——靠近電極壓降之和。

（4）真空滅弧

根據真空電擊穿理論得知：真空度＞1.33×10Pa時，絕緣擊穿強度會有明顯變化； 當真空度＜1.33×10Pa時，絕緣擊穿強度保持不變。將高壓直流接觸器的觸點密封在真空室內，密封室內零件進行真空除氣，密封室整體進行烘烤排氣保證產品密封室真空度＞1.0×10Pa，達到真空滅弧。

4 結束語

本文主要闡述了對一種高壓直流接觸器的電磁系統、接觸系統及滅弧系統設計進行了詳細的論述說明，針對電磁系統設計重點描述了電磁吸力原理和理論計算；對接觸系統設計則從五個方面進行了闡述：（1）觸頭材料的選取；（2）觸點的接觸形式與帶載能力；（3）觸點接觸電阻計算；（4）觸點接觸壓力計算描述；（5）觸點的溫升計算；對滅弧系統設計從電弧的產生及表現形式，直流滅弧所采用常用措施介紹，并詳細介紹幾種滅弧方式的設計進行了說明，通過本文對高壓直流接觸器的幾大系統的設計，使廣大讀者在使用和運用過程中更加了解高壓直流接觸器的工作特性，對從事這方面的設計者來說，通過本文的詳細介紹，望能提供有所幫助。