电磁继电器触点材料在阻性负载下的失效退化评价研究.pdf
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1、第37 卷第3期2023 年 6 月Journal of Jiangsu University of Science and Technology(Natural Science Edition)D0I:10.20061/j.issn.1673-4807.2023.03.011江苏科技大学学报(自然科学版)Vol.37No.3Jun.2023电磁继电器触点材料在阻性负载下的失效退化评价研究李朕,王召斌*,刘百鑫,乔青云,陈康宁(江苏科技大学自动化学院,镇江2 12 10 0)摘要:为了准确评价AgSnO,触点材料电接触性能,设计了触点材料电性能模拟实验系统,通过控制触头对的闭合分断过程来模拟直
2、流继电器的动作过程.通过切换阻性负载进行多组平行对照实验,比较了触点材料在不同带电模式、不同开距以及不同负载电压电流等级下的退化敏感性参数的差异性,并对触点退化参数特征进行分析,完成触点熔焊失效规律的评价研究,最后在不同负载特性下对触点材料的失效影响进行了理论分析.关键词:AgSnO2;阻性负载;敏感参数;失效评价中图分类号:TM241Research on failure degradation evaluation of electromagneticrelay contact material under resistive loadsLI Zhen,WANG Zhaobin*,LIU
3、Baixin,QIAO Qingyun,CHEN Kangning(School of Automation,Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang 212100,China)Abstract:In order to accurately evaluate the electrical contact performance of the AgSnO2 contact material,asimulation experiment system for the electrical performance of the co
4、ntact material is designed to simulate the ac-tion process of the DC relay by controlling the closing and breaking process of the contact pair.On this basis,multiple sets of parallel control experiments are conducted by switching resistive loads,and the differences in thedegradation sensitivity para
5、meters of contact materials under different charging modes,different distances,anddifferent load voltage and current levels are compared.Finally,the characteristics of the degradation parametersof the contact is analyzed,and the evaluation research on the law of contact welding failure completed.Sin
6、ce theload characteristics of electromagnetic relays are very complicated in real life,they may be composed of capaci-tive,inductive loads and nonlinear switches.Therefore,a brief theoretical analysis of the failure effects of con-tact materials under different load characteristics is carried out.Ke
7、y words:AgSnO2,resistive load,sensitive parameter,failure evaluation电磁继电器通过触头连接或断开控制电路,在现代电力系统中可以起到控制和维护电路系统作用.随着现代化电子设备领域以及电气行业的高速发展,现代化电路系统对继电器触头材料性能需求也越来越严格,这关系着电器行业可靠性的发文献标志码:A文章编号:16 7 3-48 0 7(2 0 2 3)0 3-0 6 6-0 7展.电磁继电器内部结构关键的部分是触头,它可以执行触头完成各种高低压电气开关内部电流的传导与切断.目前,银氧化锡触头材料因其材料损失率低以及环保安全等优异性能已
8、被低压电器领域大量应用,因此在目前市面上贵金属行业以及电收稿日期:2 0 2 1-0 8-0 7基金项目:国家自然科学基金资助项目(5150 7 0 7 4);国防基础科研计划稳定支持专题项目(JCKYS2020604SSJS010);江苏省研究生科研与实践创新计划资助项目(KYCX21_3468,KYCX21_3478)作者简介:李朕(1994一),男,硕士研究生*通信作者:王召斌(198 2 一),男,副教授,研究方向为电器可靠性理论及其测试技术E-mail:w a n g z b j u s t.e d u.c n引文格式:李朕,王召斌,刘百鑫,等.电磁继电器触点材料在阻性负载下的失效退
9、化评价研究J.江苏科技大学学报(自然科学版),2 0 2 3,37(3):66-72.D0I:10.20061/j.issn.1673-4807.2023.03.011.Ua第3期器能效领域成为较为广泛的金属材料2-5.在继电器闭合分断动作中,触头可能会发生电弧腐蚀,这会加重触头外貌形态的劣化,从而致使触头由于熔焊粘接而失效.若电磁继电器触头发生熔焊粘接故障,甚至会威胁到电路乃至整个低压继电器系统的安全可靠运转.文中利用自行研发的电接触材料模拟实验系统,主要分析敏感性参数退化的变化特征,然后逐步对比失效参数的差异性,最后结合触头失效参数的变化特征进行机理分析.1实验设计文中设计一种绝缘推杆式触
10、头材料电性能模拟实验系统,主要包含3个部分:机械装置、调理测量单元和系统软件,可以即时监测触头材料的电性能参数.机械装置主要由电磁阀驱动装置、触头材料夹紧装置、触头机械参数旋钮装置以及碰撞力传感器构成;调理测量单元主要包括触头分断闭合动作控制电路、退化参数以及传感器力信号测量电路;上位机软件部分主要基于LabVIEW图形化编程环境,可以实现在模拟实验系统的控制面板界面上显示和存储所收集的敏感参数.实验选用的银氧化锡触点材料为机械合金化法工艺制造,具体制备工艺见文献7-9.在对AgSnO,触头材料进行耐久性实验之前,先用浓度为9 0%酒精和蒸馏水分别清洗触头表面,除去机件表面残余的污染物,等各组
11、件完全干燥后,然后将动静触点铆接在系统底座上,将各个机械参数和初始静压力设置初始值,最后通电以及加阻性负载进行实验.图1为实验系统机械装置结构,详细实验条件如表1.银氧化锡触头外观尺寸如图2,实验电路图如图3.直动式电磁铁电磁铁驱动机构绝缘推杆推杆作用点调节机构Y轴位移滑台Z超距调整机构X轴位移滑台1?XY图1触点材料电性能模拟实验机械装置结构Fig.1 Mechanical device for the electrical performancesimulation test of the contact material李朕,等:电磁继电器触点材料在阻性负载下的失效退化评价研究R12/2
12、2.504.80(a)静触点R2.5002.6图2 角触点几何尺寸(单位:mm)Fig.2Contact geometry(unit:mm)R=1.62E-24 V动静触点对力传感器(E为直流电源,R为负载电阻)图3实验电路图Fig.3Experimental circuit diagram2试验结果分析开距调整X轴位机构移滑台2?67表1阻性负载下实验条件Table 1 Experimental conditions resistive load实验条件实验环境触点材料动作频率触点电压电流等级/(V/A)初始静压力/N触点开距/mm带电模式电阻/2.1不同开距下退化参数比较分析选取触头对的开
13、距参数为研究对象,控制变量与对照组保持一致,然后采取触点实验模拟系统进行平行对照实验。如图4、5,燃弧时间的平均值伴随开距的增大而单调减小,平均值从2 30 0 s降低到150 0 s,燃弧能量和燃弧时间趋势相似,也是呈单调递减,且燃弧能量均值由2 0 0 mJ变化到150 mJ左右.图数值温度:室温/19 2 2;湿度:45%50%AgSnO21s 通/1s 断24/15,20/12、15/101.50.6,0.8、1.0、1.2全过程、仅分断、仅闭合1.6,、1.6 7、1.5531.2(b)动触点a684表明各开距下的燃弧时间具有一定的离散性,数值都在350 0 s以下.文献10 通过建
14、立接触系统的力学模型表明,燃弧时间主要取决于动簧片分断过程中的运动速度,动簧片的断开速度大小与触头稳定闭合后推杆的反作用力大小有关,触点间间距越大,动簧片分离速度越快,推杆压缩动簧片所产生的弹性形变越小,燃弧时间就越小.随着开距的增大,燃弧时间单调递减.由于燃弧时间与燃弧能量成正比关系,因此燃弧能量也呈单调递减的趋势,从而验证了实验所得的结果。6.000200000.6图4燃弧时间箱线图Fig.4Arcing time box diagram50040030020010000.6图5燃弧能量箱线图Fig.5Arcing energy box diagram如图6、7 可知,接触电阻密集分布具有
15、一定的离散性,且整体均值变化不大,大概都在8 m2以下.静压力整体过程中平均值几乎没变化.随着开距的不断增大,静压力呈缓慢下降趋势,这与接触电阻的变化基本一致.文献11 表明静压力与继电器触头结构中动簧片限位弹簧有关.动簧片与静触点接触距离越大,触头闭合时动簧片所产生弹性形变越小,静压力则越大.文献12 通过计算触点接触弹簧系统行程的方法,可以看出在不同的接触距离下,接触电阻与静压力的变化方向大致相同.1510500.6图6 接触电阻箱线图Fig.6Contact resistance box diagram江苏科技大学学报(自然科学版)2.52.01.00.50.6图7 静压力箱线图Fig.
16、7Static pressure box diagram2.2不同带电模式下退化参数比较分析2.2.1角触点燃弧时间由于触点在分断闭合过程中会产生燃弧,根据触点的燃弧情况又可以将燃弧分为正常燃弧和弱燃弧,当起弧时间小于10 0 0 s为弱燃弧,大于1000s为正常燃弧,通常触头随着触点分断而交替产生正常电弧和弱电弧,导致触头发生侵蚀.由图8 可知,在前40 0 0 0 个动作周期过程中,燃弧时间表现出较为稳定的分散性,偶尔出现强燃0.81.0开距/mm0.81.0开距/mm0.81.0开距/mm2023年0.81.0开距/mm1.2弧的现象.在后356 1个动作周期中,燃弧时间激增,在第435
17、6 1次触点发生熔焊失效.如图8 电弧放电时间稳定在大约2 0 0 0 s,并且在发生接触故障之前电弧放电时间变化趋势是稳定的.由图9可知弱燃弧与正常燃弧的比率大致相同,两图均表明触头表面的电弧腐蚀对燃弧时间的影响很小,也没有表明燃弧时间与触头接触粘接失效有直接联系.但是,整个试验过程中燃弧时间出现波动原因可能与触点开距以及超程变化有关,触点表面材料转移1.2的分散性可能导致触点断开速度发生变化,从而导致燃弧时间发生波动.120.0001000600004000020000001234动作周期/10 4图8 触点分断闭合全过程带电燃弧时间Fig.8 Live arcing time durin
18、g the whole process ofcontact breaking and closing801 000us701 000us1001动作周期/10 41.2图9全过程带电燃弧时间的分布百分比Fig.9 Percentage distribution of live arcingtime in the whole process1.2第4356 1次触点熔焊失效234第3期另外,为了消除触点闭合过程中回跳参数对燃弧时间变化规律的影响,在仅分断模式下进行对比分析.由图10 可知,在整个动作周期过程中,触点随机出现弱燃弧和正常燃弧,触点在第6 7 2 6 0 次发生触点熔焊粘接失效.如图
19、11,正常燃弧与弱燃弧比例大致相同,弱燃弧比例略多于正常燃弧比例.回跳参数对于闭合过程中燃弧时间的影响很小,因为在仅分断带电模式下,每个动作次数阶段中燃弧时间所占的百分比并没有发生显著变化.可以得出燃弧时间不能直接反映出触头熔焊粘接失效的发生.600005000040003000020000100000图10 触点分断闭合仅分断带电燃弧时间Fig.10Contact breaks and closes,only breaks the live arcing time1.000us60r12100 us50403020101234566.7动作周期/10 4图11仅分断带电燃弧时间的分布百分比F
20、ig.11 Only break the distribution percentageof live arcing time2.2.2触点接触电阻接触电阻变化波动大是触头材料电接触性能的基本失效模式,同时也是影响触头电气寿命的关键因素13.如图12 14对比分析可知,在全过程带电下,动作次数约36 0 0 0 次左右,接触电阻为2 0m2.在动作周期约40 0 0 0 次左右时,此时触点接近熔焊失效,这时接触电阻出现激增现象,接触电阻约为8 0 m2.在仅分断条件下,其平均值出现常规明显波动,最大值为2 2 mQ且并未出现在触点失效末期.银氧化锡触头材料的表面在发生熔焊失效前被电弧严重腐蚀,
21、导致触头接触时微观熔焊表面积急剧下降.因此这与闭合过程中回跳能量迅速熔化触头的物理机制很类似14.由此推断,在全带电条件下,触头接触时微观表面积在粘接前会迅速缩小.然而在仅分断带电下,触头熔焊接触时微观李朕,等:电磁继电器触点材料在阻性负载下的失效退化评价研究83.0第6 7 2 6 0 次触点熔焊失效动作周期/10 4图12 全过程带电下的接触电阻Fig.12Contact resistance under the whole process of1234567动作周期/10 469表面积迅速缩小与之没有较大的关系.在仅闭合带电条件下,在动作周期前6 50 0 0 次左右,接触电阻保持稳定变
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