Welche Faktoren beeinflussen die Lebensdauer von Hochspannungs-DC-Relais?

Hochspannungs-Gleichstromrelais wurden ursprünglich hauptsächlich in der Energiewirtschaft sowie in der Luft- und Raumfahrtindustrie eingesetzt. In den letzten Jahren hat die Zahl der Elektrofahrzeuge allmählich zugenommen, und der Antrieb von Stromverteilungssystemen ist zu einem sehr wichtigen Anwendungsszenario für Hochspannungs-Gleichstromrelais geworden. Hochspannung ist relativ zu 24-V- und 48-V-Niederspannungssystemen. Einige Elektrofahrzeuge mit niedriger Geschwindigkeit wählen die Leistungskonfiguration von 60-V- und 72-V-Systemen. Im Allgemeinen liegt die Spannung von Hochgeschwindigkeits-Pkw über 200 V und im Bus können mehr als 600 V erreicht werden. Relais, die die Anforderungen dieser Spannungsphase erfüllen, werden Hochspannungs-Gleichstromrelais genannt.

Bei Hochspannungs-Gleichstromrelais umfasst die Lebensdauer zwei Parameter: mechanische Lebensdauer und elektrische Lebensdauer. Zu den Faktoren, die die mechanische Lebensdauer beeinflussen, gehören das Material der Kontaktpunkte, das Design und der Herstellungsgrad des Öffnungs- und Schließmechanismus usw. Der Engpass der elektrischen Lebensdauer ist hauptsächlich die Kontaktlebensdauer.

1. Auswirkung von magnetischen Lichtbögen auf die elektrische Lebensdauer von Kontakten

Wie in der folgenden Abbildung dargestellt, wird das Prinzip des magnetischen Blasdesigns im Relais erläutert. Der linke statische Kontakt verwendet entsprechend der in der Abbildung gezeigten Stromrichtung die rechte Handregel, um die Richtung des Spulenmagnetfelds zu bestimmen. Ein Lichtbogen ist ein Strom in einem Ionisationskanal, der durch eine Spannung entsteht, die das Medium zwischen den statischen Kontakten durchbricht. Es gehorcht vollständig dem Gesetz der elektromagnetischen Wechselwirkung. Das vom Lichtbogen erzeugte Magnetfeld ist in der Abbildung dargestellt. Verwenden Sie die Linke-Hand-Regel, um die Kraftrichtung des Bogens zu bestimmen. Die Kraftrichtung ist in der Abbildung mit F gekennzeichnet.

Beim magnetischen Blasen wird ein Permanentmagnet oder ein Elektromagnet verwendet, um ein Magnetfeld zu erzeugen. Die Richtung, in der das Magnetfeld mit dem Lichtbogen interagiert, besteht darin, den Stromkreis von den dynamischen und statischen Kontakten wegzuziehen.

Durch die schnelle Bewegung des beweglichen Kontakts und die Anwendung des magnetischen Blaseffekts wird der Lichtbogen gedehnt und der Lichtbogenwiderstand steigt schnell an, was dazu führt, dass der Lichtbogenstrom stark abfällt und die thermische Effizienz des Lichtbogens abnimmt. Der Ionisierungsgrad des Mediums nimmt mit sinkender Temperatur ab und die elektrische Leitfähigkeit des Lichtbogenkanals nimmt ab. Wenn der Lichtbogen gleichzeitig gezogen wird, während sich der Lichtbogen nach außen bewegt, mit anderen Mitteln zum Schneiden des Lichtbogens und zum Kühlen des Lichtbogens, wird der Lichtbogen schneller gelöscht.

Die Reduzierung der Lichtbogenzeit ist ein wichtiges Mittel zum Schutz der Kontakte. Ein gutes magnetisches Blasdesign verlängert definitiv die Lebensdauer des Relais. Magnetisches Blasen wird häufig in Hochleistungsrelais und Schützen mit weniger empfindlichem Platzbedarf eingesetzt, während für kleine Relais ähnliche Geräte für einzelne Produkte entwickelt wurden.

2. Einfluss des Umgebungsluftdrucks auf die elektrische Lebensdauer der Kontakte

Um die Lichtbogenzeit zu verkürzen, werden neben der oben genannten magnetischen Blasmethode zum Ziehen des Lichtbogens häufig auch Methoden zum Löschen von Lichtbögen in engen Räumen verwendet, darunter das Ändern der Kontaktöffnungs- und -schließumgebung und das Füllen der versiegelten Lichtbogenlöschkammer mit ein Gas mit hoher Ionisierungsenergie, oder die Lichtbogenlöschkammer wird evakuiert.

Ursachen von Hochdruck-Gaslichtbögen

Ionisationsenergie. Bei dem Prozess, bei dem gasförmige Atome Elektronen verlieren und zu Kationen werden, ist es notwendig, die Anziehungskraft des Kerns auf die Elektronen zu überwinden, d. h. die Energie, die Elektronen aus den Atomorbitalen zieht, um sie in freie Elektronen umzuwandeln. Dies ist die Ionisierungsenergie solcher Elemente. Je höher die Ionisierungsenergie, desto weniger leicht lassen sich die Atome ionisieren, desto weniger leicht werden sie zu Kationen und desto schwächer ist die Metallizität. im Gegenteil: Je leichter sie Elektronen verlieren und zu Kationen werden, desto stärker ist die Metallizität. Im Periodensystem hat Helium die höchste Ionisierungsenergie, sodass Helium in die versiegelte Lichtbogenlöschkammer gefüllt werden kann, was die Fähigkeit des Relais zum Löschen des Lichtbogens verbessert.

Es gibt viele Studien, die die Ursachen von Lichtbögen in Hochdruckgasumgebungen erklären. Der allgemeine Punkt ist wie folgt. In einer Hochdruckgaskammer erfolgt die Lichtbogenbildung in zwei Stufen. Der Kathodenkontakt gibt unter Einwirkung von Temperatur oder Spannung Elektronen ab und wird von der Anode empfangen, um den ersten Durchschlag zu bilden; Die anfängliche Bildung des Lichtbogens bringt hohe Temperaturen und ionisierte Gaskationen mit sich, und der Ionenweg des Lichtbogens wird weiter ausgedehnt, um einen noch massiveren Lichtbogen zu bilden.

Ursachen des Vakuumlichtbogens

Unter Vakuumbedingungen gibt es kein Medium mehr, das ionisiert werden kann. Es ist schwierig, einen Lichtbogen zu zünden, aber er kann trotzdem brennen. In dem Moment, in dem die dynamischen und statischen Kontakte getrennt werden, verdampft das Metall auf den Kontakten und bildet einen Metallionenkanal, und im Kanal entsteht ein Lichtbogen. Für die Entstehung eines solchen Ionenkanals gibt es verschiedene Erklärungen.

Die erste besteht darin, die Theorie der Hochtemperatur-Emissionselektronen zu erklären. Man geht davon aus, dass es an den Kathodenkontakten ursprüngliche Defekte gibt, die als Spots bezeichnet werden. Es wird davon ausgegangen, dass der Punktpositionswiderstand relativ groß ist und die lokale Temperatur während des Erregungsprozesses relativ hoch ist. Wenn der dynamische und der statische Kontakt kurz vor der Trennung stehen, gibt der Hochtemperaturteil Elektronen an die Anode ab und bildet zunächst einen Lichtbogen. Der Lichtbogen brennt, das Kontaktmaterial verdampft, bildet weiter Metalldampf und bildet dann im Vakuum einen Lichtbogen.

Die zweite Erklärung der Feldemissionstheorie besteht darin, dass die Kathode die Fähigkeit besitzt, Elektronen zu emittieren, wenn die angelegte Spannung zwischen den dynamischen und statischen Kontakten hoch genug ist. Wenn die dynamischen und statischen Kontakte getrennt werden sollen, wird es im Allgemeinen eine endgültige Kontaktposition zueinander geben, und diese Fläche ist positiv klein. Der feldemittierende Elektronenfluss fließt durch diesen extrem kleinen Bereich zur Anode, und die enorme Stromdichte erzeugt einen dramatischen thermischen Effekt sowohl auf der Kathode als auch auf der Anode, wodurch sich das Schmelzen von diesem Punkt aus allmählich auf den gesamten Kontakt ausbreitet Kontaktfläche schmilzt. Metalldampf erzeugen. Eine bessere Ionisierungsumgebung führt dazu, dass sich der Elektronenfluss vergrößert und ein Vakuumbogen entsteht.

Vakuumgrad: Im Allgemeinen gilt: Je höher der Vakuumgrad, desto geringer ist die Wahrscheinlichkeit eines Durchschlags und desto schwieriger ist es, einen Lichtbogen zu bilden. Unter idealen Bedingungen kann die Spannungsfestigkeit einen Wert von 10.000 V pro 0,1 mm erreichen. Wenn das Vakuum jedoch ein bestimmtes Niveau erreicht, hilft eine weitere Erhöhung nicht dabei, die Durchbruchspannung zu senken. Wie in der obigen Kurve dargestellt, zeigt sie die Beziehung zwischen dem Vakuum und der Durchbruchspannung. Je niedriger die Durchschlagspannung ist, desto einfacher lässt sich der Lichtbogen bilden und aufrechterhalten, d. h. desto länger ist die Lichtbogenzeit. Der Grad des Vakuums wird direkt über den Luftdruck gemessen. Je niedriger der Luftdruck ist, desto höher ist das Vakuum.

Um eine Vakuum-Lichtbogenlöschkammer zu erhalten, sind gute Materialien und eine gute Dichtungstechnologie erforderlich. Keramische und harzversiegelte Lichtbogenlöschkammern, zwei Arten der versiegelten Lichtbogenlöschkammertechnologie werden gleichzeitig verwendet, und niemand hat offensichtliche Vorteile erzielt.

Die mit Keramik versiegelte Lichtbogenlöschkammer nutzt die hohen Temperaturbeständigkeitseigenschaften von Keramik und die Lichtbogentemperatur ist extrem hoch (die Mitte kann 5000 ° C erreichen). Im Allgemeinen können Materialien solchen Temperaturen nicht standhalten, und Keramik kann diese Anforderung gerade noch erfüllen. Allerdings ist Keramik technisch schwierig zu versiegeln.

Die aus Harz gefertigte Lichtbogenlöschkammer verfügt über eine bessere Dichtungstechnologie als Keramik, ihre hohe Temperaturbeständigkeit ist jedoch unzureichend.

3. Der Einfluss mechanischer Parameter auf die elektrische Lebensdauer von Kontakten

Zu den strukturellen Parametern im Zusammenhang mit der elektrischen Lebensdauer der Kontakte gehören: Kontaktfläche, Bruchmechanismus, Kontaktkontaktdruck usw.

Die Kontaktfläche, die größere Kontaktfläche der dynamischen und statischen Kontakte, kann einen größeren Pfad für den Strom bereitstellen, den Kontaktwiderstand verringern und den Temperaturanstieg verringern. Wenn das Relais geschlossen oder getrennt ist, wird die Wärme des kleinen Lichtbogens leichter durch den größeren Kontakt abgeleitet, wodurch die Gefahr des Kontaktschmelzens verringert wird.

Der Bruchmechanismus ist ein weiterer technischer Punkt bei der Relaiskonstruktion. Der Mechanismus selbst verfügt über einen stabilen Aktionszyklus. Die Zeit, die vom Start bis zur Endbewegung in die maximale Öffnungsposition benötigt wird, wirkt sich direkt auf die Lichtbogenzeit aus.

Kontaktdruck von dynamischen und statischen Kontakten, zwischen dynamischen und statischen Kontakten besteht immer ein Kontaktwiderstand, je größer der Kontaktdruck, desto kleiner der Widerstand. Ein großer Kontaktdruck kann den Stromverlust und den Temperaturanstieg des Relais unter normalen Betriebsbedingungen verringern; Relativ kleine Schäden oder erhabene Grate auf der Kontaktfläche verursachen bei großem Druck keine nennenswerten negativen Auswirkungen. Nach dem Schließen mehrerer Punkte werden diese kleinen Defekte durch den Aufprall zwischen den Kontakten geglättet.

4. Die Dichtheit der Lichtbogenlöschkammer

Es ist unmöglich, eine absolute Abdichtung der Vakuumschaltröhre zu erreichen, und es besteht die Möglichkeit einer Luftleckage in den Schweißnähten des Gehäuses. In den Konstruktionsindex wurde ein zulässiger Luftleckkoeffizient aufgenommen, und chronische Luftleckagen sind unvermeidlich. Darüber hinaus hat der Einsatz von Relais in Elektrofahrzeugen und die starke Vibrationsumgebung zu jeder Zeit und an jedem Ort auch die Dichtungsqualität ernsthaft auf die Probe gestellt.

Da immer mehr Luft in den abgedichteten Hohlraum eindringt und die Abdichtung des Gehäuses schlechter wird, nimmt der Vakuumgrad in der Lichtbogenlöschkammer allmählich ab und die Lichtbogenlöschfähigkeit verschlechtert sich allmählich, was einen wichtigen Faktor für die Lebensdauer des Relais darstellt .