胡國(guó)偉, 張紅偉, 計(jì)新華, 王振坤, 鄭 彬, 榮良章

(浙江天正電氣股份有限公司, 浙江 溫州 325604)

0 引 言

交流接觸器是一種用于遠(yuǎn)距離、頻繁地接通和分?jǐn)嘟弧⒅绷髦麟娐泛痛笕萘靠刂齐娐返碾娖?電壽命是其最重要的性能指標(biāo)之一[1-4]。影響電壽命的主要因素是動(dòng)、靜觸頭的電磨損,因此具有良好滅弧性能的交流接觸器,能快速熄滅電弧,減少觸頭的電氣磨損,對(duì)提高交流接觸器的電壽命,具有重要意義[3-6]。

1 電弧熄滅原理

交流接觸器觸頭在閉合時(shí),觸頭間會(huì)發(fā)生多次的斷續(xù)燃弧,引起電磨損,嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成觸頭的熔焊[7-8]。電弧產(chǎn)生的能量越大,觸頭的磨損越嚴(yán)重[9-12]。電弧產(chǎn)生的能量為

(1)

式中:Ea——電弧能量;

ua——電弧電壓;

ia——電弧電流;

由式(1)可見(jiàn),燃弧時(shí)間越長(zhǎng),電弧產(chǎn)生的能量越大,對(duì)觸頭磨損也就越嚴(yán)重。

電弧存在著游離和消游離兩方面的作用。當(dāng)游離作用占優(yōu)勢(shì)時(shí)電弧就會(huì)產(chǎn)生和擴(kuò)大;當(dāng)消游離作用占優(yōu)勢(shì)時(shí),電弧就趨于熄滅;當(dāng)游離作用和消游離作用處于均衡狀態(tài)時(shí),則弧隙中保持一定數(shù)量的電子流而處于穩(wěn)定燃燒狀態(tài)。從能量的角度來(lái)說(shuō),電弧燃燒時(shí)要從電源不斷向電弧內(nèi)部輸入能量,而這個(gè)能量又不斷轉(zhuǎn)變?yōu)殡娀〉臒崃?通過(guò)傳導(dǎo)、對(duì)流及輻射3種方式消散。

設(shè)輸入弧隙的功率為Ph,電弧散失功率為Ps。當(dāng)Ph=Ps時(shí),電弧電流不變,穩(wěn)定燃燒;當(dāng)Ph>Ps時(shí),電弧電流變大,電弧越燃越烈;當(dāng)Ph

因此,為了減少電弧對(duì)動(dòng)、靜觸頭的燒損和取得較小的滅弧室尺寸,在交流接觸器的滅弧系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),滅弧室基于不同的滅弧原理,設(shè)計(jì)了不同結(jié)構(gòu)類型的滅弧系統(tǒng)來(lái)滿足客戶端實(shí)際使用工況。

2 電弧熄滅方法

改變觸頭接觸情況:動(dòng)觸頭弧面與靜觸頭平面接觸;動(dòng)觸頭狹長(zhǎng),靜觸頭寬于動(dòng)觸頭;接觸部位的選擇,如在后部,利于弧根快速移出。

拉長(zhǎng)電弧:切線方向加大觸頭開(kāi)距,拉長(zhǎng)電弧,增加電弧電阻;法線方向使電弧與周圍介質(zhì)(主要是空氣)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng),冷卻效果好。

氣吹:設(shè)計(jì)合理的氣體流向與通道,促使電弧向滅弧室及柵片運(yùn)動(dòng),加速冷卻并隔斷電弧;與殼體之間留有適當(dāng)空間,作為氣體壓力減壓區(qū)域,形成觸頭生弧區(qū)-減壓區(qū)-出氣孔-殼外的氣壓梯度,避免背后擊穿,有利于氣體排出;設(shè)置適當(dāng)?shù)某鰵饪孜恢门c大小,形成合理的氣體通道。

磁吹:電弧可以看作是一個(gè)柔軟的載流導(dǎo)體,利用觸頭回路及專門(mén)設(shè)計(jì)的磁吹機(jī)構(gòu),加強(qiáng)電弧沿法線方向的運(yùn)動(dòng)能力,并進(jìn)入滅弧室,有利于電弧冷卻和熄弧。

引弧角和引弧片:動(dòng)觸橋引弧角加速電弧弧根的轉(zhuǎn)移,并使整個(gè)弧柱快速運(yùn)動(dòng)。由于電弧很快向引弧角轉(zhuǎn)移,可避免觸頭過(guò)度燒蝕。

加裝滅弧罩:滅弧罩是一個(gè)金屬柵滅弧罩,利用滅弧柵片將電弧分割成多個(gè)串聯(lián)的短弧來(lái)滅弧。材質(zhì)一般是鋼材,常見(jiàn)的鍍Cu、鍍Zn;滅弧柵片設(shè)置缺口,減少電弧進(jìn)入柵片的阻力,縮短燃弧時(shí)間。

增加斷口:熄弧時(shí),多斷口把電弧分割成多個(gè)相串聯(lián)的小電弧段,在觸頭行程、分閘速度相同的情況下,電弧被拉長(zhǎng)的速度成倍增加,使弧隙電阻加速增大,提高了介質(zhì)強(qiáng)度的恢復(fù)速度,縮短了滅弧時(shí)間。采用多斷口時(shí),加在每一斷口上的電壓成倍減少,降低了弧隙的恢復(fù)電壓,亦有利于熄滅電弧。

采用高性能絕緣材料:由于產(chǎn)品體積不斷縮小,產(chǎn)品分?jǐn)嘈枨笾笜?biāo)越來(lái)越高,對(duì)觸頭附近材料的絕緣性能要求也越來(lái)越高,高性能絕緣材料有助于介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度快速增加。

滅弧室可采用上述一種原理進(jìn)行滅弧,也可采用多種滅弧原理相結(jié)合的方式以增大滅弧效果。

3 試驗(yàn)研究與分析

3.1 研究對(duì)象

本文選用某一額定電流為225 A,額定電壓為220/230 V的交流接觸器進(jìn)行試驗(yàn)。交流接觸器觸頭與滅弧系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 交流接觸器觸頭與滅弧系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

交流接觸器不同結(jié)構(gòu)的滅弧系統(tǒng)如圖2所示。其中,結(jié)構(gòu)A最后一片滅弧柵片折彎角度為15°,引弧片為水平結(jié)構(gòu),蓋板無(wú)電弧通道;結(jié)構(gòu)B最后一片滅弧柵片折彎角度為5°,引弧片折彎角度為3°,蓋板無(wú)電弧通道;結(jié)構(gòu)C與結(jié)構(gòu)B的區(qū)別在于,滅弧室的蓋板設(shè)置有電弧通道。

圖2 交流接觸器不同結(jié)構(gòu)的滅弧系統(tǒng)

3.2 3種滅弧系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的交流接觸器試驗(yàn)性能研究

本文主要研究3種滅弧系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對(duì)交流接觸器電壽命的影響,電壽命試驗(yàn)按照GB/T 14048.4—2020中AC-4使用類別下進(jìn)行。試驗(yàn)條件:分?jǐn)嚯娏鱅c為1 350 A;功率因數(shù)為0.35±0.05;操作頻率為30次/h;通電時(shí)間為60～80 ms 。

試驗(yàn)完成后,統(tǒng)計(jì)3種不同結(jié)構(gòu)的AC-4使用類別下電壽命次數(shù)。AC-4電壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表1所示。對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行拆解分析,研究滅弧罩和滅弧柵片的燒蝕情況。滅弧罩和滅弧柵片的燒蝕情況如圖3所示。

表1 AC-4電壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

圖3 滅弧罩和滅弧柵片的燒蝕情況

結(jié)構(gòu)A電壽命次數(shù)最低,結(jié)構(gòu)B有所提升,結(jié)構(gòu)C電壽命最高。

在電壽命完成后,對(duì)滅弧罩、引弧片、滅弧柵片和動(dòng)、靜觸頭的燒蝕情況進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果如下:

(1)圖3(a)中結(jié)構(gòu)A的滅弧罩標(biāo)記處,燒蝕最為嚴(yán)重,同時(shí)最端部顆粒殘留最多。推斷應(yīng)為電弧能量未能及時(shí)排出,電弧氣體通過(guò)引弧片與最后一片滅弧柵片的間隙,遇冷后停留在滅弧罩的端部位置,導(dǎo)致滅弧罩上留有殘留;滅弧柵片第一片和最后一片燒蝕較為嚴(yán)重,其余3片燒蝕程度較為輕微;動(dòng)、靜觸頭燒損嚴(yán)重但仍有裕量。從以上試驗(yàn)現(xiàn)象可以看出,電弧主要集中在第一片和最后一片滅弧柵片處,并未充分且均勻地進(jìn)入滅弧室內(nèi),導(dǎo)致滅弧室內(nèi)各處的電弧能量分布不均勻。該種結(jié)構(gòu)滅弧效果較差,仍有較大改進(jìn)空間。

(2)圖3(b)中結(jié)構(gòu)B的滅弧罩標(biāo)記處,燒蝕情況較結(jié)構(gòu)A有所改善,滅弧罩端部仍有較多顆粒殘留,但較結(jié)構(gòu)A有所減少。推斷應(yīng)為由于引弧片向上傾斜,且最后一片滅弧柵片折彎角度減少為5°,引弧片與最后一片滅弧柵片的間隙較結(jié)構(gòu)A有所減小,只有較少部分電弧氣體遇冷后停留在滅弧罩的端部位置,但由于蓋板沒(méi)有設(shè)置電弧通道,電弧能量未能及時(shí)排出,仍然會(huì)導(dǎo)致電弧氣體在滅弧罩上有殘留;該種結(jié)構(gòu)滅弧柵片燒蝕程度較為均勻;因電壽命次數(shù)較結(jié)構(gòu)A增加約47%,故動(dòng)、靜觸頭燒損較為嚴(yán)重,試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)B相進(jìn)線端動(dòng)觸橋熔斷。由于引弧片向上傾斜,電弧與滅弧室距離變近,該種結(jié)構(gòu)更有利于電弧均勻地進(jìn)入滅弧室,最后一片滅弧柵片折彎角度為5°,與傾斜的引弧片配合后,能形成較好的電弧運(yùn)動(dòng)通道,使得電弧運(yùn)動(dòng)更加順暢。

(3)圖3(c)中結(jié)構(gòu)C的滅弧罩標(biāo)記處,燒蝕情況同結(jié)構(gòu)B幾乎相當(dāng),但滅弧罩的端部幾乎無(wú)顆粒殘留。推斷應(yīng)為引弧片與最后一片滅弧柵片的間隙較小,同時(shí)蓋板上設(shè)置有電弧通道,電弧氣體通過(guò)滅弧柵片后能由蓋板的電弧通道及時(shí)排出;滅弧柵片燒蝕程度較為均勻;因電壽命次數(shù)較結(jié)構(gòu)A增加約一倍,故動(dòng)、靜觸頭燒損更為嚴(yán)重,試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)B相、C相進(jìn)線端動(dòng)觸橋熔斷。由于引弧片向上傾斜,電弧距離滅弧室距離變近,該種結(jié)構(gòu)有利于電弧進(jìn)入滅弧室,最后一片滅弧柵片折彎角度為5°,與引弧片配合后,形成較好的電弧運(yùn)動(dòng)通道,使得電弧運(yùn)動(dòng)更加順暢,經(jīng)蓋板上設(shè)置的電弧通道排出。通過(guò)電壽命試驗(yàn)驗(yàn)證,結(jié)構(gòu)C為3種結(jié)構(gòu)中電壽命次數(shù)最高的。

從上述3種試驗(yàn)結(jié)果可知,結(jié)構(gòu)C具有更好的滅弧效果。重新更換3臺(tái)再次驗(yàn)證,結(jié)構(gòu)C電壽命次數(shù)在1.5～1.7萬(wàn)次,試驗(yàn)結(jié)果再次證明結(jié)構(gòu)C的滅弧系統(tǒng)設(shè)計(jì)更為合理。引弧片具有一定的上翹角度,直接影響交流接觸器的電壽命;此外,電弧能量的及時(shí)排出,對(duì)交流接觸器電壽命的提高,具有重要意義。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)引弧片具有一定的上翹角度對(duì)電弧的運(yùn)動(dòng)有很大影響。最后一片滅弧柵片的折彎角度、其與引弧片的配合關(guān)系,對(duì)電弧的運(yùn)動(dòng)起到至關(guān)重要的作用。

(2)蓋板上設(shè)置合理的電弧通道,有利于電弧能量的散失,能提高交流接觸器的電壽命。

(3)本文所提及的引弧片上翹角度與滅弧柵片的折彎角度對(duì)電壽命有很大影響,但是否是最佳折彎角度仍需要不斷論證,在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí),需具體問(wèn)題具體分析。