吳溫龍

（廈門(mén)宏發(fā)電聲股份有限公司，福建 廈門(mén) 361000）

0 引言

預(yù)計(jì)2030年非化石能源在一次能源中的占比將提高至20%以上。在此背景下，光伏發(fā)電、風(fēng)電、核電等新能源迎來(lái)了飛速的發(fā)展，電源的充放電安全問(wèn)題也提上了新的議程。繼電器作為充放電回路的主要開(kāi)關(guān)之一，能否抗短路電流、是否帶有可監(jiān)控以及能否主觸點(diǎn)回路黏接故障的繼電器已成為各大電源廠商重要的關(guān)注點(diǎn)。目前，市場(chǎng)上暫未發(fā)現(xiàn)帶有監(jiān)控作用的輔助觸點(diǎn)且主觸點(diǎn)具有抗短路電流功能的小型繼電器。針對(duì)市場(chǎng)需求，該文介紹了一款滿足上述要求的小型繼電器。其主要性能指標(biāo)如下：主觸點(diǎn)與輔助觸點(diǎn)間具有強(qiáng)制導(dǎo)向功能；主觸點(diǎn)抗短路電流：1.5 kA 6000 A2s；主觸點(diǎn)間隙：≥2.3 mm；主觸點(diǎn)負(fù)載：277 Va.c.32 A；輔助觸點(diǎn)負(fù)載：12 Vd.c.1 A；主觸點(diǎn)與線圈/輔助觸點(diǎn)間耐壓：4000 Va.c.1 min；線圈與輔助觸點(diǎn)間耐壓：2000 Va.c.1 min；外形尺寸：35 mm×16 mm×28 mm。

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該文的繼電器整體結(jié)構(gòu)為左右分立式結(jié)構(gòu)，左邊為線圈驅(qū)動(dòng)及輔助觸點(diǎn)部分，即低壓系統(tǒng)，主要功能為對(duì)繼電器的線圈驅(qū)動(dòng)及對(duì)主觸點(diǎn)部分是否有效斷開(kāi)進(jìn)行監(jiān)控；右邊為主觸點(diǎn)部分，即高壓系統(tǒng)，主要功能為主負(fù)載切換。繼電器的外殼擋墻與底座墻相互配合，有效隔離高低壓系統(tǒng)。繼電器的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 帶輔助觸點(diǎn)抗短路電流小型繼電器整體結(jié)構(gòu)圖

2 繼電器的工作機(jī)理及強(qiáng)制導(dǎo)向功能的實(shí)現(xiàn)

2.1 繼電器的工作機(jī)理

初始時(shí)線圈未加激勵(lì)，繼電器處于釋放狀態(tài)，如圖2（a）所示。

動(dòng)作過(guò)程如下：當(dāng)線圈施加預(yù)定電壓，線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)通過(guò)鐵芯、空氣間隙、銜鐵及軛鐵形成回路。此時(shí)，電磁力大于系統(tǒng)反力和，銜鐵部分以軛鐵刀口為支點(diǎn)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，最終銜鐵與鐵芯貼合。銜鐵旋轉(zhuǎn)時(shí)，銜鐵尾部將推動(dòng)卡往右推動(dòng)，帶動(dòng)動(dòng)簧運(yùn)動(dòng)，最終主觸點(diǎn)系統(tǒng)接通，且動(dòng)、靜觸點(diǎn)間具有一定的壓縮力。同時(shí)，銜鐵將輔助動(dòng)簧片往下壓，輔助動(dòng)靜觸點(diǎn)斷開(kāi)，如圖2（b）所示。

釋放過(guò)程如下：當(dāng)線圈電壓小于預(yù)定值，線圈產(chǎn)生的力小于反力和，銜鐵脫開(kāi)，動(dòng)簧片將推動(dòng)卡往左推動(dòng)，主觸點(diǎn)斷開(kāi)，同時(shí)輔助動(dòng)簧片將銜鐵往上推，輔助動(dòng)、靜觸點(diǎn)接通，如圖2（a）所示。

圖2 繼電器工作機(jī)理示意圖

2.2 強(qiáng)制導(dǎo)向功能要求

根據(jù)IEC 61810-3的相關(guān)要求，強(qiáng)制導(dǎo)向繼電器是指繼電器觸點(diǎn)之間相互連鎖，當(dāng)常閉觸點(diǎn)出現(xiàn)黏接時(shí)，繼電器線圈施加激勵(lì)后，常開(kāi)觸點(diǎn)不允許接通且必須具有一定的間隙；當(dāng)常開(kāi)觸點(diǎn)出現(xiàn)黏接時(shí)，繼電器線圈去除激勵(lì)后，常閉觸點(diǎn)不允許接通且必須具有一定的間隙。

2.3 強(qiáng)制導(dǎo)向功能的實(shí)現(xiàn)

強(qiáng)制導(dǎo)向功能（輔助觸點(diǎn)監(jiān)控功能）的實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：1）當(dāng)主觸點(diǎn)出現(xiàn)黏接故障時(shí)，線圈激勵(lì)去除后，主觸點(diǎn)無(wú)法可靠斷開(kāi)，動(dòng)簧片處于動(dòng)作狀態(tài)，如圖2（b）所示。動(dòng)簧片拉住推動(dòng)卡前擋板，推動(dòng)卡無(wú)法往左移動(dòng)，并通過(guò)后擋板拉住銜鐵部分末端。軛鐵刀口與壓簧限制銜鐵支點(diǎn)上下移動(dòng)。利用杠桿原理，銜鐵壓住輔助動(dòng)簧片，輔助動(dòng)簧片無(wú)法向上移動(dòng)，輔助動(dòng)觸點(diǎn)無(wú)法與靜觸點(diǎn)接通，且具有一定的間隙。即主觸點(diǎn)出現(xiàn)黏接故障時(shí)，輔助觸點(diǎn)組無(wú)法接通，進(jìn)而達(dá)到監(jiān)控主觸點(diǎn)是否出現(xiàn)黏接故障的目的。2）當(dāng)輔助觸點(diǎn)黏接故障時(shí)，線圈施加激勵(lì)后，銜鐵碰到輔助動(dòng)簧片，此時(shí)克服動(dòng)簧片變形使銜鐵進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的力大于電磁吸力，銜鐵靜止，從而銜鐵部分無(wú)法使推動(dòng)卡向右運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而主觸點(diǎn)系統(tǒng)無(wú)法接通。

該文設(shè)計(jì)的繼電器利用推動(dòng)卡、銜鐵部分使輔助觸點(diǎn)系統(tǒng)和主觸點(diǎn)系統(tǒng)相互連鎖，實(shí)現(xiàn)輔助觸點(diǎn)和主觸點(diǎn)間的強(qiáng)制導(dǎo)向功能。

3 抗短路電流研究及主接觸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電流通過(guò)接觸系統(tǒng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)斥力，這種電動(dòng)由兩部分組成：觸點(diǎn)接觸點(diǎn)附近電流線收縮產(chǎn)生的電動(dòng)力和接觸系統(tǒng)回路產(chǎn)生的電動(dòng)力。

3.1 觸點(diǎn)間Holm力估算

在觸點(diǎn)間接觸點(diǎn)附近電流線收縮產(chǎn)生的電動(dòng)力，又稱(chēng)Holm力。Holm力與電流的瞬時(shí)值以及觸點(diǎn)間的預(yù)壓縮力、觸點(diǎn)材料的硬度、觸點(diǎn)形狀及觸點(diǎn)表面的導(dǎo)電斑點(diǎn)分布有關(guān)。Holm力經(jīng)驗(yàn)計(jì)算如公式（1）、公式（2）所示。

式中：為空氣磁導(dǎo)率；=4π10H/m；為觸點(diǎn)接觸位置電流大?。粸橛|點(diǎn)半徑；為接觸斑點(diǎn)的半徑；為觸點(diǎn)表面情況經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，一般取值在0.3~0.6；為觸點(diǎn)間的預(yù)壓縮力；為觸點(diǎn)材料的硬度。

假定觸點(diǎn)間的壓縮壓力控制值F≥0.8 N，取F的最小值0.8 N；查詢相關(guān)資料可知，選用觸點(diǎn)材料為某牌號(hào)銀合金，其硬度為65 HV~110 HV，取硬度的最大值110 HV；觸點(diǎn)表面情況系數(shù)取最大經(jīng)驗(yàn)值0.6。將上述值代入公式（2），估算觸點(diǎn)接觸點(diǎn)的最小等效半徑如公式（3）所示。

3.2 主觸點(diǎn)系統(tǒng)洛倫磁力的計(jì)算

當(dāng)兩條導(dǎo)線通電時(shí)，導(dǎo)線間產(chǎn)生的電動(dòng)力，即為洛倫磁力。洛倫磁力可以采用畢奧-薩伐爾定律計(jì)算，電動(dòng)力的方向由右手螺旋定則決定。

該文介紹的高抗短路電流主接觸系統(tǒng)如圖3所示，其動(dòng)簧引出片和靜簧片均為較厚的銅合金，且固定在繼電器底座上。利用動(dòng)簧引出片和動(dòng)簧片電流流向相反，電流產(chǎn)生的洛倫磁力相斥，將動(dòng)觸點(diǎn)往靜觸點(diǎn)推動(dòng)，即往閉合方向。

從圖4中可以看出抗短路電流系統(tǒng)短路電流產(chǎn)生的洛倫磁力分布情況。經(jīng)換算，觸點(diǎn)受到的洛倫磁力約為0.8 N。

圖4 抗短路電流接觸系統(tǒng)洛倫磁力分布

3.3 主觸點(diǎn)系統(tǒng)滿足短路電流測(cè)試的要求

要滿足抗短路電流的要求，主觸點(diǎn)系統(tǒng)通過(guò)短路電流時(shí)，觸點(diǎn)不能被電動(dòng)力斥開(kāi)，否則觸點(diǎn)間產(chǎn)生燃弧，導(dǎo)致觸點(diǎn)黏接。為滿足上述要求，洛倫磁力與觸點(diǎn)初始?jí)嚎s力之和不小于Holm力，如式（5）所示。

當(dāng)主觸點(diǎn)接觸系統(tǒng)通過(guò)1.5 kA的電流時(shí)，從上述計(jì)算及圖3受力示意可看出，動(dòng)觸點(diǎn)的初始?jí)嚎s力為0.8 N，動(dòng)觸點(diǎn)受到的洛倫磁力為0.8 N，觸點(diǎn)間Holm力為1.48 N，即當(dāng)短路峰值電流通過(guò)接觸系統(tǒng)時(shí)，動(dòng)觸點(diǎn)受到的合力為0.12N，方向觸點(diǎn)閉合方向，觸點(diǎn)不會(huì)被斥開(kāi)。即，初始設(shè)置的預(yù)壓力為0.8N是合理的。如果未能滿足要求，就需要調(diào)整預(yù)壓力值，并重復(fù)上述理論計(jì)算，直至滿足要求。

圖3 抗短路電流接觸系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意圖

4 測(cè)試驗(yàn)證

為驗(yàn)證該文設(shè)計(jì)的繼電器能發(fā)滿足強(qiáng)制導(dǎo)向功能及具有抗短路電流的要求。按初始的假設(shè)條件進(jìn)行樣品裝配，其中動(dòng)觸點(diǎn)預(yù)壓力為0.8 N，并送實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。

4.1 強(qiáng)制導(dǎo)向功能測(cè)試驗(yàn)證

該文介紹的產(chǎn)品通過(guò)IEC 61810-3強(qiáng)制導(dǎo)向功能繼電器要求的測(cè)試。

4.2 抗短路電流功能測(cè)試驗(yàn)證

該文介紹的產(chǎn)品通過(guò)了IEC 62752：2016條款9.9.2.4的1.5 kA短路電流測(cè)試。用市場(chǎng)上體積接近、額定負(fù)載接近某常規(guī)電磁繼電器進(jìn)行同比測(cè)試。參照樣品第一次抗短路電流載流測(cè)試即出現(xiàn)黏接失效，而該文介紹的產(chǎn)品通過(guò)了抗短路電流“載流—切換”整個(gè)系列試驗(yàn)，且試驗(yàn)后產(chǎn)品功能正常。試驗(yàn)后樣品觸點(diǎn)形貌，如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)后樣品觸點(diǎn)形貌

5 產(chǎn)品亮點(diǎn)

該文設(shè)計(jì)的帶輔助觸點(diǎn)且高抗短路電流的小型繼電器的主要亮點(diǎn)如下。1）產(chǎn)品功能強(qiáng)大。具有抗短路電流功能，可在充電領(lǐng)域大范圍使用，特別是在快速充電應(yīng)用上，減少客戶限制浪涌電流的相關(guān)設(shè)計(jì)，提高客戶整機(jī)的壽命。具有輔助監(jiān)控功能，可減少客戶對(duì)主觸點(diǎn)是否反生黏接故障監(jiān)控的相關(guān)硬件電路，減少整機(jī)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，有利于提高整機(jī)的可靠性，同時(shí)也降低了相應(yīng)成本。2）體積小?？梢詼p少客戶的整體體積，節(jié)省相應(yīng)空間，有利于客戶產(chǎn)品小型化。3）低壓系統(tǒng)和高壓系統(tǒng)間大爬電距離，高耐壓，可提高整機(jī)的高、低壓系統(tǒng)間的耐壓，提高整機(jī)的耐壓能力。

6 結(jié)語(yǔ)

該文介紹的帶輔助監(jiān)控觸點(diǎn)高抗短路電流的小型繼電器已成功研發(fā)，并取得了相關(guān)安全認(rèn)證。該產(chǎn)品各項(xiàng)指標(biāo)性能指標(biāo)符合設(shè)計(jì)要求，已批量投入市場(chǎng)，已獲得了知名廠商的青睞，并在新項(xiàng)目中開(kāi)始推廣應(yīng)用。