具有觸橋結構的大功率電磁繼電器電壽命分析

任萬濱，何育斌，鄭 哲

（哈爾濱工業大學 電氣工程及自動化學院，哈爾濱 150001）

引言

當前，電磁繼電器在汽車、新能源、工業控制、家居等領域的應用廣泛且多樣。根據切換負載電流的等級可將電磁繼電器分為信號型和功率型兩種，而當切換負載電流值大于10 A以上時，該種繼電器稱為大功率類型。近年來，各類電氣系統中控制和保護電路中所需切換的容量不斷提高，配套應用的電磁繼電器切換能力和電壽命也相應大幅提高。如用于控制新能源汽車電源主回路的直流繼電器切換電壓為450 V/電流為150 A，電壽命可以達到1000次；光伏儲能用直流繼電器負載電壓為1500 V/電流為100 A，可靠分斷次數不少于5000次。

以高壓直流大功率電磁繼電器產品為例，極限分斷能力、長壽命、浪涌性質電氣負載等特殊設計需求已成為電器開關產品開發的熱點與難點[1‐3]。針對其分斷能力、電壽命以及可靠性提高的技術方法亦層出不窮，如在繼電器腔體內灌封氫氣、應用耐電弧燒蝕能力強的銅鉬合金觸頭以及引入永磁體吹弧等方法已得到成功驗證，并在大功率電磁繼電器產品中廣泛應用，由此也誕生了形式各異的電磁繼電器結構。值得注意的是，經典的觸橋結構是上述所有大功率電磁繼電器的基本特征。多斷口結構具有在燃弧期間可以有效提高電弧電壓的能力，是無滅弧室結構熄弧的重要措施[4,5]。大量試驗結果已證實，雙斷口觸橋結構和四斷口觸橋結構均可提高繼電器的分斷能力和電壽命[6‐8]。

然而，具有多斷口觸橋結構的繼電器在應用中也存在多段電弧不同步、不平衡燃燒的實際問題，文獻[9]報道了單觸橋結構的繼電器在分斷電弧時兩個斷點中出現的不平衡燃弧現象，發現兩段電弧中較大能量的電弧總是在固定的一對觸點出現，因而不平衡的燃弧現象使觸點燒蝕程度出現差異。電弧不平衡燃燒的問題可直接導致該類繼電器無法分斷電弧或熔焊失效等故障模式。目前對于具有觸橋結構的繼電器電氣退化過程和失效機理的理解還不深入，進一步限制了繼電器抗電弧侵蝕能力的提高。本研究針對一種具有雙觸橋結構的大功率電磁繼電器開展研究，通過電壽命試驗獲取了繼電器性能退化的關鍵參數，從而明確了其失效誘因和影響因素。

1 觸橋結構繼電器的電氣切換過程

本研究對象為具有雙觸橋結構的大功率電磁繼電器，線圈由動作線圈與復位線圈組成，絕緣推桿在電磁吸力的作用下帶動兩組觸橋運動，實現引腳B1/B2和引腳A1/A2的電氣分合。通過調整靜觸點的位置可以改變各觸點的超程和靜壓力大小。該繼電器有兩種接線方式，單獨使用引腳A1/A2或B1/B2，能夠實現兩組回路的分合控制，每組回路將同時出現兩段串聯電弧；若將引腳A2和B2短接后通過引腳A1/B1，能夠實現一組回路的分合控制，此時該組回路分斷電氣負載過程中將同時出現四段串聯電弧。本試驗選擇四斷點連接方式，靜壓力設置為0.6 N。動觸點分別鉚接在動觸橋兩端，靜觸點鉚接在柔性靜簧片上，動觸橋和靜簧片材料均為鈹青銅，觸點材料為銀氧化錫。

圖1 大功率繼電器結構與試驗電路圖

對該大功率繼電器進行了電壽命試驗，負載電壓為DC192 V，負載電流為36.5 A。繼電器的動作頻率為1 s通1 s斷，觸點無法正常切換作為試驗終止條件。試驗中觸橋電流、觸橋A和觸橋B兩端的電壓UA和UB均由霍爾傳感器變送并由高速數據卡采集。

為方便分析，定義觸橋A1A2和觸橋B1B2兩端的電壓為UA和UB，圖2為繼電器閉合過程的典型波形。在t1(13.21 ms)時刻UB迅速下降，表明對應的觸橋B首先閉合。由于觸橋A仍保持分斷，觸點電流為0。這一不同步現象導致觸橋A兩端電壓迅速上升，并在t2(13.32 ms)時刻達到最大值188.2 V。t2時刻后觸橋A閉合，繼電器觸橋間的延時閉合時間可定義為t2-t1=0.11 ms。另外，觸橋A和觸橋B均存在兩次回跳現象。

圖2 繼電器閉合過程觸橋電壓和觸橋電流波形

圖3為繼電器分斷過程中的典型波形。10 ms時刻繼電器線圈開始通電，此時觸橋仍保持閉合狀態，觸橋A1A2和B1B2電壓均為0。由于兩組觸橋的超程存在差異，分斷過程中的電壓波形呈現階梯式上升狀態。以觸橋A1A2的電壓波形為例，電壓在t3(11.92 ms)時刻首先迅速上升并維持在12 V左右，約為觸點材料的最小起弧電壓，可判定此時觸橋A1A2發生了燃弧。隨后，電壓在t5(12.16 ms)時刻上升至24 V，表明A1A2之間形成了兩段串聯電弧。本研究定義斷點A1A2的分斷時間差為t5-t3=0.24 ms。同理，觸橋B1B2在t4(12.06 ms)時刻開始分斷，t5(12.16 ms)時刻形成兩段電弧。定義觸橋A1A2和B1B2間的分斷時間差為t4-t3=0.14 ms。隨著觸橋的運動電弧被拉長，對應的觸橋B1B2電壓在t6(12.98 ms)時刻達到109 V，此時的觸橋電流為1.98 A，由于各段電弧的串聯關系，所以此時電弧已全部熄滅。觸橋A1A2和B1B2的燃弧時間可分別記為t6-t3=1.06 ms和t6-t4=0.92 ms。

圖3 繼電器分斷過程中觸橋電壓和觸橋電流波形

2 電壽命試驗結果與分析

圖4為電壽命試驗中燃弧能量隨動作次數的變化趨勢，繼電器在動作3048次后無法分斷，壽命試驗終止。繼電器開殼后確認觸橋A1A2發生了熔焊粘接。試驗初期，觸橋A1A2和B1B2的燃弧能量近似相等，在200次后觸橋A1A2燃弧能量約為觸橋B1B2燃弧能量的2～3倍，一直持續到2600次左右。兩組觸橋電弧能量的明顯差異表明電弧對觸點的燒損程度必然不同。隨后，觸橋A1A2的燃弧能量急劇增大，在壽命末期達到了最大值1334.8 mJ，而觸橋B1B2的燃弧能量卻急劇減小，繼電器失效前燃弧能量幾乎為0，這表明繼電器失效前主要依靠觸橋A1A2分斷整個負載回路。

圖4 電壽命試驗中觸橋A1A2和B1B2的燃弧能量對比

為了確定觸橋A1A2在繼電器電壽命試驗末期燃弧能量增大的原因，又分別提取了觸橋A1A2和觸橋B1B2在電壽命試驗中的起弧時刻（即圖3中的t3和t4），并定義了分斷時間差ΔT=t4-t3，ΔT＞0則表明觸橋A1A2慢于觸橋B1B2的分斷。繼電器電壽命試驗中觸橋A1A2和B1B2分斷時間差與動作次數的關系如圖5所示，電壽命試驗初期，兩觸橋接近同步分斷，分斷時間差維持在較低的水平。隨著動作次數的增加，分斷時間差迅速增大，斷點間為異步分斷，并在繼電器動作200次后分斷時間差穩定在0.6 ms左右。繼電器失效前，即繼電器動作2600次后，分斷時間差再次急劇增大直至繼電器最后一次分斷過程中分斷時間差達到最大值1.96 ms。此外，繼電器失效前斷點的分斷時間差具有很大的波動性，波動幅值約為1.2 ms。

圖5 繼電器電壽命試驗中觸橋A1A2和B1B2分斷時間差與動作次數的關系

另提取了觸橋A1A2對應的兩個觸點的分斷時間差，ΔTcontact=|tA1-tA2|，其隨動作次數的變化關系如圖6所示。兩個觸點同樣存在異步分斷的現象，從700次開始兩個斷點的分斷時間差已增加到0.5 ms。動作2600次后，分斷時間差增大至1.4 ms。

圖6 繼電器電壽命試驗中觸點A1和A2分斷時間差與動作次數的關系

綜上可見，多觸橋、多觸點串聯的結構分斷過程中產生了串聯關系的多段電弧，各觸橋、各觸點裝配位置關系的微小差異都會使得個別觸點對的燃弧提前，而最終是同時熄滅。產生的直接結果就是提前分斷的觸點承載的燃弧能量偏大。在繼電器閉合過程中，先分斷的觸點對應的超程可能偏小，這也會引起回跳能量偏大。偏大的燃弧能量和回跳能量將使提前分斷觸點受到的電弧侵蝕程度高于剩余觸點，并直接導致觸點超程減小，進一步加劇了該觸點的提前分斷和靜壓力減小的現象。因此在電壽命試驗中，當出現明顯的觸橋或觸點間異步分斷后，繼電器將迅速趨向失效。

3 結論

針對具有雙觸橋結構的大功率電磁繼電器開展電壽命試驗，通過監測的觸橋電壓、觸橋電流波形，獲得了各觸橋的起弧時刻、燃弧時間以及各觸點、觸橋分斷過程的時間差，發現電壽命與觸橋和觸點異步動作的時間差關系密切。一方面異步動作的時間差過長將導致繼電器及早發生熔焊失效，另一方面繼電器觸點材料受電弧侵蝕作用也會導致觸橋和觸點異步動作時間增長。