电气参数和机械参数对继电器直流电弧的影响

第26卷第19期中国电机工程学报V ol.26 No.19 Oct. 2006 2006年10月Proceedings of the CSEE ©2006 Chin.Soc.for Elec.Eng.文章编号：0258-8013 (2006) 19-0151-05 中图分类号：TM588 文献标识码：A 学科分类号：470⋅40电气参数和机械参数对继电器直流电弧的影响周玮，臧春艳，何俊佳（华中科技大学电气与电子工程学院，湖北省武汉市430074）Influence of Electric and Mechanism Parameters on DC Arc in RelaysZHOU Wei, ZANG Chun-yan, HE Jun-jia(Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, Hubei Province, China)ABSTRACT: Electric and mechanism parameters are the main factors influencing the direct current arc breaking performance of small relays. In the experiments, the DC(direct current) arc voltage and current waveforms and the rules of the arc duration and energy are measured and concluded by changing the voltage of power supply, load features, the number of contact opening springs and the number of the contacts groups. The research indicate that the arc duration and the energy are greatly enhanced by the larger power supply; the arc duration and energy are increased by current in certain voltage scale; In lower voltage scale, breaking velocity has little influence on the arc duration and energy, but it has great influence on them under high voltage class conditions; It is largely decreased on the arc duration and energy when two groups of contacts dividing loads take replace of single group of contacts situation, and this is helpful to abate the arc erosion on the contacts.KEY WORDS:relay; direct current arc; arc duration; arc energy摘要：电气参数和机械参数是影响小型继电器直流电弧开断性能的主要因素。

在实验中改变电源电压、负载条件、继电器分闸弹簧数量以及触头对数，测量继电器开断过程中直流电弧的电压电流波形，总结电弧燃弧时间和能量的规律。

研究表明：电源电压升高极大地提高了电弧燃弧时间和能量；电源电压一定时，电弧的燃弧时间和能量随电流的上升而增长；电压等级较低时，继电器分断初速度对燃弧时间和电弧能量的影响不大，电压等级较高时，速度对燃弧时间和电弧能量影响较显著；双组触点分断负荷相对于单组触点的情形大大减少了电弧的燃弧时间和电弧能量，有利于减轻电弧对触头侵蚀。

关键词：继电器；直流电弧；燃弧时间；电弧能量0 引言低压继电器分断直流电流时的电弧特征决定了触头表面的热过程，极大程度地影响着触头表面的侵蚀过程。

研究电弧随电气参数和分断速度的变化规律，对于揭示接点电弧开断特性、分析电弧在各种条件下的形态与转变，预测继电器寿命，改善触头工作条件，从而延长其寿命有非常重要的作用。

在功率继电器中，为了减少电弧燃弧时间，降低电弧电流，减轻电弧对触头的侵蚀，多采用双组分断触头的机械结构。

国内外学者曾对低压继电器触头分断直流电弧时的各种影响因素进行了大量实验和分析。

其中有代表性的是Zhuan-Ke Chen和Koichiro Sawa，他们详细列举了继电器开断电弧受到的各种影响因素，基于PSD(particle sputtering and deposition)模型，对电弧的两相转变过程给予了理论解释，从材料特性、气体环境、触头操作、温度、电路参数等方面进行了分析与总结[1-3]。

N.Ben Jemaa，L.Nedelec 和S.Benhenda在实验中证实了金属相电弧和气相电弧的本质区别，从燃弧时间入手，得出了燃弧时间与电路参数、开断速度之间的关系[4-7]。

国内在低压继电器领域，着重于电弧两相转换机理、电气参数的影响，以及对各种材料的侵蚀特性进行实验研究。

梁慧敏、谢国强等曾对触头分离初速度与燃弧时间的关系进行了过大量细致的工作[8-9]。

另外还有不少相关文献对电弧的能量作用过程进行仿真[10]，并尝试建模与计算[11-13]。

也有的结合触头材料对电弧中的转移现象和电弧对不同材料的侵蚀特征进行研究，对侵蚀量进行理论计算[14-18]。

.电弧本身是极其复杂的，受实验条件影响比较大。

国内的研究多设计了专用的装置对触点进行实验，大多在小电流范围(＜10A＝内进行的，一般只涉及到电气参数的影响。

本次实验与前人研究的不同是研究对象载体为一个实际的继电器产品，有助于与其他继电器产品进行对比。

实验是在稍大电流152 中 国 电 机 工 程 学 报 第26卷范围内(5~60A)进行的，同时考虑了分断速度、触头对数的影响。

从实验的结果看，电弧金属相和气相2个状态转换无法直观地从电弧电压电流波形上得到，电弧燃弧时间和能量受到电气参数和机械参数较大的影响。

电弧的形态及其随电路参数变化的规律说明了此继电器采用双分断弹簧、双分断触头的结构对熄弧具有有利的影响，具有一定参考价值。

1 实验方案实验线路示意图如图1所示。

实验中采用12V 蓄电池串联成组作为直流电源，电源电压可选择为24V 、36V 或48V 3个电压等级进行实验。

图中虚线框内示意为负载，可以选择不同阻值的电阻，通过测量取样电阻两端电压以获得电流参数。

图1 实验线路示意图Fig. 1 Circuit sketch map of the experiment实验用继电器为某型号功率继电器，有2组触点和2个分闸弹簧。

将2组触头连接部分用引线引出即可将其中一组触头短路，实现继电器的单触头工作状态，另将其中一个弹簧拆掉可以降低触头开断速度。

其结构见图2。

继电器额定开断电流为100Ａ，触头材料为AgCdO ，表面镀2μm 厚的Au 。

图2 继电器照片Fig. 2 Photos of the relay本实验负载电阻的阻值均很小(＜1Ω，详见 表1)，通流能力为200A ，具有负温度系数。

由于通流时间短，电阻发热少，实验时没有考虑电阻温度系数的影响。

按照表1所示方案，分别对继电器单组触头和双组触头切断负荷的情况，改变电源电压、负载参数和继电器分闸弹簧的数量，分组批次进行实验。

测量电弧电压及相应电流波形，计算出电弧的持续时间和能量，找出它们随电源电压、负载电流、触头开断速度、负载类型等因素的变化规律。

继电器双组触头开断电弧的实验是在36V 和48V 电压等级下进行的，单组触头开断实验是在24V 和36V 电压等级下进行的。

表1 实验方案Tab. 1 Scheme of the experiment参数值 触头材料 AgCdO 直流电源/V 24、36，48电阻/Ω 0.163，0.745,0.872，2.298弹簧 1，2分断触头 双组触头、单组触头重复次数每组15次2 实验结果及分析2.1 实验波形图3所示为电源电压36V 、继电器开断阻性负载时，单组触头和双组触头切断负载时的电弧电压和电流的典型波形。

t 0 t 1 t 2 250µs/格5V /格U /Vt /µs10V /格电流波形电压波形(a)双组触头，36V ，双弹簧(取样电阻0.163Ω)电流波形电压波形t 0 t 1 t 2 500µs/格1V /格U /Vt /µs10V /格(b)单组触头，36V ，双弹簧(取样电阻0.745Ω)图3 阻性负载电弧电压电流波形Fig. 3 The arc voltage and current wave form withresistance load由图3(a)、(b)对比可知，继电器切断的负荷大小相近时，单组触头继电器和双组触头切断电弧有2个显著的不同：①双组触头电弧燃弧时间远小于单组触头；②两者的电压电流波形形状不同。

继电器双组触头同时切断负荷的电压波形t 1时刻有一次跳变，原因是继电器2组触头起弧时间不一致。

电弧的起弧电压大约为11.6V ，只有当电源电第19期 周 玮等： 电气参数和机械参数对继电器直流电弧的影响 153压大于此电压时才有可能起弧。

这个最小起弧电压取决于金属材料，对Ag 来说为12V 左右。

从图3(b)可以知道，阻型负载下，电弧的电压基本是呈线性上升的。

当电弧电流降至最小电弧电流时，电弧熄灭，电弧电压跳变到电源电压。

一般认为电弧的发展存在2个过程：金属相阶段和气相阶段。

两者主要区别是维持电弧燃烧的介质不同。

前者主要是金属蒸气，而后者主要是空 气[19-20]。

图3(b)中的电弧电压波形并不能体现出这2个阶段，这个现象与文献[2]的研究是一致的，作者认为，对于Ag 、Cu 材料的触头，其空气条件下的电弧会受到氧元素影响，电弧电压是稳定增长的。

2.2 电气参数的影响电气参数主要包括电源电压、工作电流和负载类型3个方面。

图4和图5是双组触头与单组触头分断阻性负载的电弧持续时间与电流关系。

从图4、图5中可以看出，电源电压对于电弧持续时间的影响要比工作电流更显著。

例如单组触2000 0 01500 1000 500 6040 20I /At /µs单弹簧，36V ；单弹簧，48V图4 双组触头分断电弧燃弧时间与电流关系Fig. 4 Relationship between arc duration and currentunder double groups of contacts conditionI /A3000 2500 20001500 1000 5000 0252015 10t /µs单弹簧，24V ；单弹簧，36V图5 单组触头分断电弧燃弧时间与电流关系Fig. 5 Relationship between arc duration and currentunder single group of contacts condition头分断电弧，双弹簧工作，工作电流10A 时，电压等级从24V 上升到36V ，其电弧持续时间从500µs 增加到1400µs 左右，约2.5倍以上。