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一种新型大负载继电器研制中的几个问题
元则继电器厂 小殷编著
一、前言
我们元则继电器厂为某用户研制一新产品，该新产品的主要性能指标如下：
寿命：15A 、220d.c. ， L=300mH共5000次 冲击：294m/s2
振动：10～500Hz，58.8m/s2（6g） 触点形式：一组动合 耐压：2000Vr.m.s.
体积：100mm×100mm ×100mm
分析该产品的技术指标，考虑到感性负载的浪涌电流、触点实际切换负载最大已达220Vd.c.×50A。该产品的结构初步定为拍合式电磁系统、接触系统为多个触点间隙串联的桥式接触形式。 二、试验过程
限于我厂的试验条件，实际摸底试验中负载最大只能做到110Vd.c.×40A（阻性）。首先选用我厂的某产品做摸底试验，该产品的结构为拍合式电磁系统，接触系统为桥式一组动合接触形式，额定负载为28Vd.c.×30A（阻性）。两只继电器触点串联，线圈并联，两个继电器当做一个继电器使用，继电器由两个断点变成4个断点。试验结果能通过110Vd.c.×40A（阻性）试验。但是，这种继电器振动指标较低，线圈加激励时，当振动至100Hz左右触点出现断故障。这是由于弹簧谐振引起的。考虑到弹簧做复原反力
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无法满足振动试验的要求，改用磁钢提供反力。将平衡旋转式电磁结构的衔铁改制成一头大、另一头小的结构。考虑到产品的耐电压指标高，研制周期短，底板选用玻璃布板材料。接触形式采用桥式4个动合触点串联的形式。继电器拿到用户处做试验，继电器实际线路如图1 所示。220Va.c.经整流、滤波后输出实测空载电压为330Vd.c.，这样继电器的实际切换负载已达330Vd.c.×10A（感性）。考虑感性负载的浪涌电流，负载实际最大切换已达330Vd.c.×30A。继电器动作了二十几下后，衔铁不转换，触点停在释放位置。4只某产品产品触点串联，在用户处做试验，试验通过。回来后自己搭接线路，绕制电感，将该产品两只继电器合为一只继电器，继电器由4个断点变成8个断点，体积增大一倍，功耗由8W增大至18W。重新做试验（未装罩子）做了七百多次后出现动合断故障。
～220Va.c.CRLC=4700μF R=27KΩL=300mH R内=34Ω 图1 试验线路 三、试验情况分析
首先对比某产品与该新产品的参数
功耗 触点间隙 跟踪 某产品 1.44W 0.7mm ≥0.12mm
新产品 18W 1.2mm ≥0.5mm - zj.
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触点材料 触点尺寸 复合AgSnO2 动触点φ6.5平头，厚1.4 静触点φ6.5平头，厚1.4 纯AgSnO2 同左 由参数对比看，新产品的负载能力应比某产品强，为什么会出现动合断故障呢？
第一，考虑感性负载的浪涌电流、切换负载最大可达330Vd.c.×30A。触点开始断开的瞬间面积急剧减小，电流密度急剧增大（可达几千安培/厘米2），致使触点表面急剧发热（温度可达6000K以上）。在触点间产生液体金属桥，一部分金属变成蒸汽进入触头间隙中，另一部分随着触点的逐渐分开，金属桥被逐渐拉长，最后被机械拉断。由于温度在液体桥的全长上分布是不平衡的，而且温度最高点在阳极。因此，液体桥极易在阳极处变细而被拉断，从而使阳极金属转移到阴极上。经过多次寿命试验，金属转移不断累积，即阳极形成凹坑，阴极形成针状凸起。在寿命试验中，形成凹坑的触点接线柱与火线连接，即为阳极，与它配对的触头因为电压降即为阴极。
第二，该产品的结构为一组动合，8对触点串联的接触形式。该结构如图所示。
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触点在断开电路时，触点间隙起到了串联的作用，有利于断弧。但是，由于装配、校正的原因，触点间隙、动合压力不可能完全一致，触点对在实际接通和断开时，不可能完全同时，存在时间差。触点闭合时，最后闭合的一对触点起着接通电路的作用，而触点断开时，最先断开的触点起到了断开电路的作用。也就是起到了切断电弧的作用。
第三，产品功耗由8W提高到18W，功耗增加，可以加快触点闭合速度，可以使触点压力很快增大，避免出现熔焊现象。但触点闭合速度加大，则会使触点产生严重的回跳。T回∝mV，m、V分别为触点的质量、闭合速度。触点回跳时接触电阻周期性的增大，甚至分离产生电弧，使触点熔焊和烧损，严重影响触头工作。 四、该结构需解决的两个问题
寿命试验时，触点闭弧几乎看不见，触点断弧时，有可见弧光，能听见电弧连续放电的声音。我们知道断弧比闭弧对触点的烧蚀影响更大。
如何保证动合触点断开的同时性是解决寿命试验可靠切换的关键问题。通常我们会用一定的跟踪来保证触点间可靠接触。但是由于该产品结构的特殊性，所测得的真实跟踪只不过是8对触点的跟踪最小值。8个触点对跟踪大的动合压力大，触点先断开，先断开的触点起着切断负载的作用，所以烧蚀严重，出现了金属转移现象，用测量动合压力的方法更能保证断开的同时性，动合压力的测量要注意受力点和受力方向的一致性，避免人为原因造成误差。
电动力的熄弧问题是解决寿命试验又一关键问题。 1. 分析触点对之间的电动力。
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1—动触点 2—受电动力的电弧 3—静触点 I—为切换的电流，箭头所指为电流的方向 F12—电弧Ⅱ受到触点对Ⅰ的电动力 F32—电弧Ⅱ受到触点对Ⅲ的电动力
当动触点向上运动与静触点分离时，断开的间隙中产生被此串联的电弧，电弧受到导体回路中磁场产生的电动力作用，以第Ⅱ对触点为例，分析其电弧受到的电动力。
电弧Ⅱ受到触点对Ⅰ的电动力F12=
?04?0I1I2K12
?电弧Ⅱ受到触点对Ⅲ的电动力F32=
4?I2I3K32
22L?dd???式中K为回路因素，K=?1?????由公式可知，K只与L（导体
d?L??L???长度）d（导体间距离）有关，而触点对之间的L、d分别相等。回路电流I1=I2=I3=I，因此F12=F32。由左手定则可知F12与F32方向相反。由公式可知电动力与d（导体间距离）成反比，因而忽略相隔触点对之间电动力的影响，只考虑相邻触点间电动力的影响，由此而类推，第Ⅱ~第Ⅶ触点对之间产生的电动力因为大小相等、方向相反而抵消了。而只有第Ⅰ、第Ⅸ触点对的电弧因受到相邻触点的作用向外侧作法向运动，使电弧拉长而冷却。
2. 触点间的电动斥力
当电流通过触点，由于电流线在接触面附近发生收缩，因而在触点间会出现电动斥力。这是一种电流自身磁场作用下的电动力，触点间的电动
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斥力，不利于触点间的可靠接触，但是对触点减少断弧燃烧时间、降低触点磨损是有益处的。
3. 磁钢的电动力
由于该结构的独特性，一些灭弧装置并不适用，如磁吹弧线圈，绝缘栅片灭弧装置，利用压缩空气吹弧，利用SF6气体吹弧等。
在触点与罩子之间增加一吹弧磁钢（锶铁氧体）充磁方向为磁钢的长度方向，当截流导体接通，开断电流时，电弧必然受到磁钢产生的磁场的电动力的作用。F=BLIsinβ（β是B 与L之间的夹角），F的方向必然是朝向磁钢或背离磁钢。电弧在这两个方向上被拉长，受到空气的冷却，降低了电弧对触点的烧蚀。 五、小结
该产品的独特性，负载之大，在我厂研制新品中都属首次。该产品的研制，为我厂研制大负载继电器拓宽了思路，开辟了更广阔的空间。
以上观点，有不足之处，还请各位指正。
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