高壓直流繼電器的振動危害分析

黃 宇

（沈陽特種設備檢測研究院， 遼寧 沈陽 110035）

0 引言

繼電器結構復雜并且涉及到眾多交叉學科，高壓直流繼電器作為一個具有高效處理能力的高功率控制元件，在高電壓、強電流等高頻的條件下擁有普通的電磁繼電器所無可代替的高壽命和堅固可靠等優點， 在新能源設備以及充電配套設備、風力發電、光能發電、云盤系統服務的電源及大型的機械動力設備等高壓直流的領域方面取得了越來越多的使用與發展。本文依托動力學方程，進行關于造成高壓直流繼電器危害性的因素進行分析研究。

1 高壓直流繼電器結構原理及危害分析

高壓直流繼電器接觸器的電磁部分由線圈、動鐵芯、上軛鐵、孔軛鐵、外殼等構成該類型繼電器的其工作原理為：對線圈通電產生磁場，動鐵芯磁化并受到電磁吸力向上運動，帶動推動機構向上運動，在向上運動的過程中返回彈簧壓縮，隨著動觸點與靜觸點的接觸，動鐵芯繼續向上運動此時超程彈簧開始壓縮， 直到動鐵芯與軛鐵板完全吸合，繼電器完成其閉合動作。

高壓直流電磁繼電器的驅動線圈通電后動觸點向上運動與靜觸點接合使主電路從斷開狀態切換到導通狀態，動觸點與靜觸點發生接觸后發生碰撞，觸點多次彈跳后才能達到穩定的接觸狀態，這段過程會造成觸點間的磨損，在兩觸點表面接觸和分離的時候，由于主電路的電流較大，會在觸點間產生熾熱電弧，腐蝕動觸點和靜觸點的表面，使表面變得凹凸不平，影響觸點間的接觸，嚴重時還可能出現觸點間的“粘連”現象使繼電器失效。 另外，在繼電器向上運動的過程中，由于動鐵芯和軛鐵板的碰撞可能使本已經穩定接觸的觸點表面間再次發生分離現象。

2 繼電器動力學運動方程

2.1 分段線性動力學方程

由分析可知， 高壓直流繼電器閉合過程中動觸點與靜觸點， 動鐵芯與軛鐵在拉斷過程中推動桿系統與軛鐵板等部件在運動過程發生碰撞， 使得繼電器整個運動過程具有分斷線性的特點。 同時高壓直流電磁繼電器的運動過程可以近似看作是沿著豎直方向上下運動， 忽略其他方向上的運動。 對繼電器運動簡化后可以近似將其看成一種，每個運動部件均具有單自由度，且存在相同類型間隙的碰撞沖擊系統。

圖1 高壓直流繼電器結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of high voltage DC relay structure

為處理動鐵芯與上軛鐵間的碰撞接觸， 引入等效接觸剛度來描述其間的接觸狀態， 建立如圖1 所示的高壓直流電磁繼電器的在電磁激勵的作用下運動部件構成的分段線性碰撞彈跳的動力學模型，根據運動形式，將整個動鐵芯的吸合運動過程中，等效為以下形式。

（1）當0

動鐵芯受到的合力F1和動觸點受到超程彈簧的推力F2，如式（2）所示：

式中：Fm—動鐵芯受到的電磁力；ff—返回彈簧的預壓力；fd—U 型支架和動觸點間的作用力；fp2—動觸點和靜觸點間的接觸力。

動觸點與靜觸點間的接觸力fp2，如式（3）所示：

其中：kj2—兩觸點間的接觸剛度；n—力的指數；δ—動觸頭和靜觸頭之間的相對滲透深度；Cj2—等效接觸阻尼系數。

（2）當yk

式中：F3—作用在動鐵芯上的受迫力，可表示為：

式中：fp1—鐵芯與軛鐵之間的接觸力，其表達式可用分段函數來表示：

式中：kj1—動鐵芯和軛鐵之間的等效接觸剛度， 其大小與接觸兩物體的曲率半徑以 及材料屬性有關；δ—動鐵芯和軛鐵之間的相對滲透深度；Cj1—等效接觸阻尼系數。

2.2 碰撞彈跳的運動學動力方程

考慮到動鐵芯與軛鐵， 動觸頭與靜觸頭間具有可分合的接觸特征，其碰撞接觸面都為平面，因此其碰撞類型為面-面碰撞，此時其力的指數n=1。 假設接觸面是方形的，其邊長為2a，其平均變形可表示為：

式中：p—截面所受壓力；E—材料的楊氏模量；μ—材料的泊松比。

結構碰撞的相對滲透深度等于兩碰撞體的變形之和，其表達式為：

兩物體間的接觸力可表示為：

聯立方程式（8）和（9）可得：

其中：

式中：E1、E2—發生碰撞接觸的兩物體的楊氏模量；μ1、μ2—發生碰撞的兩物體的泊松比。

因此，結構等效接觸剛度kji（i=1，2）的表達式如下：

在計算中考慮了接觸阻尼對碰撞接觸的影響， 等效接觸阻尼系數的取值一般為接觸剛度的0.1%～1%。

3 高壓直流繼電器觸點彈跳因素分析

3.1 觸點開距對接觸器碰撞的影響

在高壓直流繼電器工作過程中，動、靜觸點間開距是影響繼電器觸點碰撞的重要因素，如圖2 所示，動、靜觸點間由于開距的不同，會導致彈跳的現象不同。在增加觸點間開距時，會導致銜鐵與軛鐵間碰撞時間和幅值增加，因此在后續考慮碰撞關系過程中， 應去找到合適的觸點開距，已滿足動靜觸點間碰撞最小，且滿足銜鐵與軛鐵間碰撞也為最小。

圖2 觸點開距Fig.2 Contact opening

3.2 超程彈簧預壓力對接觸器碰撞的影響

在閉合過程中由仿真實驗可知，如圖3 所示，在閉合時兩觸點發生接觸，推動桿、動鐵芯、U 型支架等部分繼續向上運動同時超程彈簧壓縮，超程彈簧有抑制振動的作用，隨著超程彈簧預壓力的增加，觸點彈跳時間和幅值逐漸減小。因此，在結構設計過程中應盡可能加大超程彈簧的預壓力， 后續會對超程彈簧預壓力施加進行相關性研究。

圖3 閉合狀態碰撞過程Fig.3 Closed-state collision proc

3.3 返回彈簧預壓力對接觸器碰撞的影響

返回彈簧預壓力在斷開和閉合過程中均對系統跳動存在較大影響。 返回彈簧預壓力對接觸器碰撞的影響也主要表現為對動靜觸點間及軛鐵與銜鐵間碰撞的影響。因此查閱相關資料發現，隨著超程彈簧預壓力的增大，動靜觸點及銜鐵與軛鐵間碰撞都為先增大后減小， 達到一定大小時碰撞彈跳時間與幅值達到最大。因此，在研究超程彈簧對接觸器的碰撞彈跳影響過程中， 應綜合考慮彈簧的彈性屬性，及各件間相互作用關系，已達到動靜觸點及銜鐵與軛鐵間碰撞達到最小。

3.4 U 架與動觸點接觸位置的寬度與動觸點長度的比例

U 架與動觸點接觸位置的寬度越長在跳動過程中動觸點越穩定，但如果寬度過大時容易造成靜觸點的短路，因此應在后續研究中分析U 架與動觸點接觸位置的寬度與動觸點長度的最優比例。

3.5 磁間隙對接觸器彈跳的影響

推動桿與動鐵芯間通過螺紋連接， 動鐵芯與軛鐵板的距離稱為磁間隙如圖4 所示。 磁間大小一方面影響小彈簧的預壓力從而影響彈跳。 一方面磁間隙大小決定動鐵芯的行程動鐵芯帶動推桿和動觸點向上運動， 當動觸點與靜觸點發生碰撞時，動鐵芯在磁力的作用下向上加速運動，磁間隙的大小決定著動鐵芯與軛鐵板發生碰撞前的加速距離。通過研究可知加速距離越大動鐵芯與軛鐵板碰撞時的動能越大產生振動越嚴重。 因此在研究磁間隙對振動的影響時應綜合考慮以上因素得到最佳磁間隙。

圖4 磁間隙Fig.4 Magnetic gap

4 總結

本文主要對高壓直流電磁繼電器的結構及工作原理進行介紹，并對繼電器工作過程中產生的振動危害進行分析；建立高壓直流電磁繼電器的分段運動的動力學方程及觸點間彈跳的動力學方程，最終確定繼電器觸點開距、超程彈簧預壓力、返回彈簧預壓力、U 型支架寬度和磁間隙大小是造成繼電器工作穩定性的重要因素。