鄭鎧

（廈門(mén)芯陽(yáng)科技股份有限公司，福建 廈門(mén) 361022）

1 電弧產(chǎn)生的原因和及相應(yīng)的材料轉(zhuǎn)移

電弧到底是什么?它是如何點(diǎn)燃的，又是什么導(dǎo)致了它的熄滅?電弧如何影響繼電器觸點(diǎn)的壽命?這些是我們將在這里討論的一些問(wèn)題。首先定義幾個(gè)我們將使用的術(shù)語(yǔ)。收縮指的是接觸表面最初形成的微小面積，以及最后斷裂的地方。熔體電壓是指在收縮處存在的能產(chǎn)生足以使接觸材料在收縮處液化的電流的電壓。電弧電壓是存在于被一個(gè)小間隙隔開(kāi)的觸點(diǎn)上的電壓，它會(huì)在間隙中引起放電，電弧電流是維持由電弧電壓放電引起的電弧所必需的電流?，F(xiàn)在從微觀上看一下接觸電弧的影響。觸點(diǎn)電弧的最終結(jié)果是縮短觸點(diǎn)壽命。根據(jù)電弧的嚴(yán)重程度和持續(xù)時(shí)間，每次電弧點(diǎn)火時(shí)，接觸腐蝕就會(huì)發(fā)生。這種侵蝕導(dǎo)致接觸材料的損失，這將導(dǎo)致兩種情況之一。條件#1 是在接點(diǎn)丟失了大量的材料，導(dǎo)致它們無(wú)法電性地關(guān)閉負(fù)載電路。第二種情況是一個(gè)觸點(diǎn)對(duì)另一個(gè)觸點(diǎn)失去了大量的物質(zhì)，從而導(dǎo)致了“尖峰- 隕石坑”。

電弧的產(chǎn)生原因?yàn)樵谟|點(diǎn)斷開(kāi)時(shí)隨著觸點(diǎn)開(kāi)始分離，攜帶負(fù)載電流的接觸面積越來(lái)越小。負(fù)載電流開(kāi)始進(jìn)入這個(gè)狹窄的區(qū)域，接觸點(diǎn)開(kāi)始產(chǎn)生熱量。隨著接觸點(diǎn)繼續(xù)分離，熔融金屬的薄橋在接觸點(diǎn)之間繼續(xù)拉伸。間隙中的空氣開(kāi)始電離。電橋中的觸點(diǎn)材料接觸點(diǎn)部分產(chǎn)生大量的熱量，以至于電橋爆炸，金屬離子傾瀉在電橋間隙中。如果接觸電壓足夠高，電弧會(huì)點(diǎn)燃。根據(jù)查看相關(guān)的文獻(xiàn)材料了解到不同的觸點(diǎn)材料有不同的電弧額定電壓。對(duì)于純銀材料，產(chǎn)生電弧電壓最低為12V;對(duì)于鎘材料是10V。若觸點(diǎn)是純銀，在熔橋爆炸后的納秒內(nèi)，如果電路負(fù)載兩端電壓大于等于12 伏，就會(huì)產(chǎn)生電弧。如果電路負(fù)載電壓小于12 伏，則不能產(chǎn)生電弧。

如果觸點(diǎn)的能量足夠，電弧的溫度可能達(dá)到5000 開(kāi)爾文或更高的溫度并可能爆炸，在接觸點(diǎn)之間的間隙中留下過(guò)熱的、電離的空氣和金屬離子。根據(jù)接觸材料和空氣間隙上的電壓應(yīng)力，即爆炸瞬間的接觸電壓，電離的氣隙可以開(kāi)始從陰極到陽(yáng)極傳導(dǎo)電子電流。接觸點(diǎn)之間的放電實(shí)際上是電弧的開(kāi)始。如果負(fù)載電流超過(guò)觸點(diǎn)材料的額定電弧電流，電弧將有足夠的能量來(lái)維持電弧的持續(xù)，否則，觸點(diǎn)之間的放電不會(huì)引起引弧。如果電弧著火，沿電弧柱有一個(gè)溫度梯度，陰極是較熱端，也就是說(shuō)，熱量會(huì)從陰極流向陽(yáng)極，并且熱量最大的陰極點(diǎn)可能沸騰，從而釋放原子甚至分子的輻射，這些排放物被拉過(guò)弧柱，沉積在稍冷的陽(yáng)極觸點(diǎn)上。所有這一切發(fā)生在大約10 納秒左右。當(dāng)觸點(diǎn)強(qiáng)有力地移動(dòng)到一起時(shí)，這種液態(tài)金屬可能會(huì)飛濺，導(dǎo)致物質(zhì)的流失。

當(dāng)電弧在觸點(diǎn)分離瞬間點(diǎn)燃時(shí)，只要有足夠的能量給它，它就會(huì)持續(xù)。只要電弧存在，物質(zhì)轉(zhuǎn)移就會(huì)繼續(xù)。在直流電作用下，電弧只能通過(guò)拉伸到自身陰抗使其熄滅的長(zhǎng)度。然而，在許多應(yīng)用中，觸點(diǎn)間隙足夠大，電弧會(huì)在觸點(diǎn)完全打開(kāi)之前熄滅。正是由于這個(gè)原因，一個(gè)給定的接觸額定值的繼電器的額定電壓值，比如說(shuō)，交流電120 伏，但是其直流額定值則要低得多，通常是28 伏或30 伏的直流。也就是說(shuō)，間隙足夠大，給定交流電過(guò)零周期擺動(dòng)，任何交流電弧應(yīng)該很快熄滅。但是這個(gè)間隙不足以讓110 伏的直流電弧熄滅。在交流應(yīng)用中，根據(jù)電離空氣的溫度，即使電弧電流每半個(gè)周期減小到零，電弧可能在電流零后重新點(diǎn)燃。這是因?yàn)檎x子仍然存在之間的接觸，它不需要太多的能量來(lái)重新點(diǎn)燃電弧。與純銀相比，銀- 鎘氧化物觸點(diǎn)在有電弧的情況下具有更高的壽命。有一種理論認(rèn)為，由于氧化膜材料在充分加熱時(shí)會(huì)產(chǎn)生負(fù)離子，銀鎘氧化物產(chǎn)生的負(fù)離子會(huì)導(dǎo)致正離子在電流為零后的早期重組。這種復(fù)合會(huì)使電弧更早地熄滅，并防止電流過(guò)零后再點(diǎn)火。這表明，在可能出現(xiàn)電弧的交流應(yīng)用中，采用適當(dāng)?shù)南》椒ūＷo(hù)銀鎘氧化物觸點(diǎn)應(yīng)能產(chǎn)生良好的觸點(diǎn)壽命。

2 固定電場(chǎng)對(duì)繼電器觸點(diǎn)材料轉(zhuǎn)移的影響

經(jīng)過(guò)實(shí)際的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)即使在一些交流負(fù)載的應(yīng)用場(chǎng)合中，尖峰和隕石坑的物質(zhì)轉(zhuǎn)移也是明顯的。這是因?yàn)樵谶@些應(yīng)用中繼電器的操作與交流線路電壓同步。這種同步通常是控制繼電器的觸點(diǎn)吸合或斷開(kāi)時(shí)都發(fā)生在交流電壓同一個(gè)方向的半波，就會(huì)由于固定電場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下，使觸點(diǎn)材料逐漸進(jìn)行材料轉(zhuǎn)移，進(jìn)而一段時(shí)間后形成“尖峰- 隕石坑”。

關(guān)于本理論，做了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：將繼電器吸合過(guò)程與電源正弦波對(duì)應(yīng)，所有繼電器觸點(diǎn)吸合的瞬間，繼電器觸點(diǎn)兩端都承受負(fù)電壓，且電壓方向始終相同。

當(dāng)繼電器控制外部電路時(shí)，與外部電路正極連接的觸點(diǎn)為正極，另一觸點(diǎn)則為負(fù)極，正、負(fù)極之間形成電場(chǎng)。在電場(chǎng)的作用下，處于負(fù)極的觸點(diǎn)將逐漸失去金屬分子而形成凹陷口子，直至成為洞口，處于正極的觸點(diǎn)將逐漸得到金屬分子而形成微尖峰或鍋底形凸出。隨著密封繼電器動(dòng)作次數(shù)的增加，勢(shì)必引起產(chǎn)品的失效。如圖1 所示為實(shí)際的測(cè)試效果，經(jīng)過(guò)1 萬(wàn)次的動(dòng)作后觸點(diǎn)的材料出現(xiàn)明顯的突起轉(zhuǎn)移。

圖1

所以在一個(gè)交流應(yīng)用控制程序中，若操作是隨機(jī)的或固定控制，正- 負(fù)- 正- 負(fù)半波輪流控制，在動(dòng)作過(guò)程中觸點(diǎn)材料兩邊幾乎等量的交替轉(zhuǎn)移，最終的結(jié)果是任何一邊的接觸點(diǎn)都沒(méi)有明顯的物質(zhì)收獲。但在直流應(yīng)用或繼電器與交流線路同步的應(yīng)用中，材料傳輸總是在同一個(gè)方向上，可能會(huì)出現(xiàn)尖頂和凹坑的情況。

鑒于以上的理論，進(jìn)行如下實(shí)驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證：

2.1 驗(yàn)證電弧對(duì)繼電器觸點(diǎn)的影響

測(cè)試條件：

輸入電壓：120VAC；負(fù)載類型：電熱管；負(fù)載功率：1700W（14A 的負(fù)載電流），在常溫下，繼電器1 秒通1 秒斷2S 周期為1 次動(dòng)作的情況下，在進(jìn)行到13078 次動(dòng)作時(shí)出現(xiàn)繼電器觸點(diǎn)粘連在一起，拆開(kāi)繼電器觀察觸點(diǎn)被燒蝕發(fā)黑嚴(yán)重，詳見(jiàn)如圖2所示。

圖2

結(jié)論：說(shuō)明電弧產(chǎn)生的高溫會(huì)燒蝕繼電器的觸點(diǎn)，對(duì)觸點(diǎn)的使用壽命產(chǎn)生質(zhì)的負(fù)面影響。

2.2 驗(yàn)證在觸點(diǎn)兩端施加同一電場(chǎng)的情況下材料傳輸總是在同一個(gè)方向上，也可能發(fā)生材料轉(zhuǎn)移。

用可控硅對(duì)繼電器滅弧驅(qū)動(dòng)電路圖（如圖3 所示）。

圖3 可控硅滅弧電路圖

2.2.1 驅(qū)動(dòng)原理講解

2.2.1.1 為了保證繼電器壽命，所以增加可控硅回路并聯(lián)，對(duì)繼電器輸出端觸點(diǎn)進(jìn)行保護(hù)。

2.2.1.2 保護(hù)的方式是繼電器“K1”的輸出引腳與雙向可控硅“T”的A1，A2 引腳并聯(lián)。共同驅(qū)動(dòng)熨斗電熱盤(pán)負(fù)載。

2.2.2 具體保護(hù)方式講解

2.2.2.1 對(duì)于繼電器的損害，最嚴(yán)重的是繼電器觸點(diǎn)吸合和斷開(kāi)的瞬間引起的電弧腐蝕。

2.2.2.2 當(dāng)需要繼電器吸合的時(shí)候，主控芯片的“REL”、“TRI-CtL”引腳同時(shí)輸出高電平?？煽毓钑?huì)先導(dǎo)通，繼電器的觸點(diǎn)因?yàn)闄C(jī)械延時(shí)會(huì)滯后5～7ms 才會(huì)閉合?！癟RI-CtL”引腳高電平輸出20ms，確保繼電器觸點(diǎn)已經(jīng)吸合之后，關(guān)閉輸出低電平。繼電器吸合過(guò)程完成。

繼電器觸點(diǎn)吸合過(guò)程，因?yàn)榭煽毓柘葘?dǎo)通，所以觸點(diǎn)吸合瞬間幾乎沒(méi)有電壓，也就沒(méi)有較大的電弧產(chǎn)生。

2.2.2.3 當(dāng)需要繼電器斷開(kāi)的時(shí)候，主控芯片的“REL”輸出低電平，同時(shí)“TRI-CtL”引腳輸出高電平。繼電器觸點(diǎn)因?yàn)闄C(jī)械延時(shí)會(huì)滯后3～5ms 才會(huì)斷開(kāi)。“TRI-CtL”引腳高電平輸出20ms，確保繼電器觸點(diǎn)已經(jīng)斷開(kāi)之后，關(guān)閉輸出低電平。繼電器斷開(kāi)過(guò)程完成。

繼電器釋放過(guò)程，觸點(diǎn)之間形成微小電弧，當(dāng)觸點(diǎn)間電壓升高到1.5V 左右，可控硅導(dǎo)通，觸點(diǎn)間電弧消失。

實(shí)驗(yàn)測(cè)試方案如下：

2.2.3 方案一：驗(yàn)證在觸點(diǎn)兩端施加同一電場(chǎng)的情況下材料傳輸總是在同一個(gè)方向上，也可能發(fā)生材料轉(zhuǎn)移。

如圖4 所示，將繼電器吸合過(guò)程與電源正弦波對(duì)應(yīng)，所有繼電器觸點(diǎn)吸合的瞬間，繼電器觸點(diǎn)兩端都承受負(fù)電壓，且電壓方向始終相同。

圖4 時(shí)序圖

由電子遷移理論分析：當(dāng)用密封繼電器控制外部電路時(shí)，與外部電路正極連接的觸點(diǎn)為正極，另一觸點(diǎn)則為負(fù)極，正、負(fù)極之間形成電場(chǎng)。在電場(chǎng)的作用下，處于負(fù)極的觸點(diǎn)將逐漸失去金屬分子而形成凹陷口子，直至成為洞口，處于正極的觸點(diǎn)將逐漸得到金屬分子而形成微尖峰或鍋底形凸出。隨著密封繼電器動(dòng)作次數(shù)的增加，勢(shì)必引起產(chǎn)品的失效。如圖5 為實(shí)際的測(cè)試效果，經(jīng)過(guò)5 萬(wàn)次的動(dòng)作后觸點(diǎn)的材料出現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)移。

圖5 實(shí)際測(cè)試效果

結(jié)論：證明在沒(méi)有電弧引燃的電路中，在觸點(diǎn)兩端施加同一電場(chǎng)的情況下材料傳輸總是在同一個(gè)方向上，也可能發(fā)生材料轉(zhuǎn)移的這一理論。

2.2.4 方案二

2.2.4.1 如若調(diào)整繼電器和可控硅跟隨電源零點(diǎn)信號(hào)的時(shí)序，第一次繼電器吸合和斷開(kāi)跟隨電源下降沿信號(hào)，第二次跟隨上升沿信號(hào)，時(shí)序圖如圖6。

圖6 時(shí)序圖

2.2.4.2 對(duì)單體繼電器經(jīng)過(guò)50 萬(wàn)次壽命測(cè)試后圖片（圖7）如下，效果改善明顯，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的材料轉(zhuǎn)移現(xiàn)象，同時(shí)也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)繼電器明顯的觸點(diǎn)燒蝕發(fā)黑的現(xiàn)象。

圖7

3 論證結(jié)論

綜合以上的理論和實(shí)際的實(shí)驗(yàn)測(cè)試對(duì)比結(jié)果可以證明：

3.1 電弧的高溫會(huì)燒蝕繼電器的觸點(diǎn)，使觸點(diǎn)燒蝕發(fā)黑，嚴(yán)重影響繼電器的使用壽命。

3.2 在使用可控硅給繼電器觸點(diǎn)滅弧的情況下，沒(méi)有電弧引燃的電路中，在觸點(diǎn)兩端施加同一電場(chǎng)方向的情況下材料傳輸總是往一個(gè)方向轉(zhuǎn)移，不斷的累積造成觸點(diǎn)出現(xiàn)“尖峰- 隕石坑”，進(jìn)而影響繼電器的使用壽命。

3.3 提升繼電器的方法

3.3.1 對(duì)繼電器進(jìn)行滅弧處理。

3.3.2 繼電器的觸點(diǎn)負(fù)載電壓控制不能都在同一個(gè)電場(chǎng)方向，應(yīng)該隨機(jī)或者輪流轉(zhuǎn)換方向，以消除材料定向轉(zhuǎn)移造成觸點(diǎn)出現(xiàn)材料堆積。