直流高功率密度继电器触头系统电性能研究

发布时间：2020-03-21 07:29

【摘要】：随着航空航天、新能源汽车等行业的发展及电源体制的改革,直流继电器向着大功率、小型化、高可靠性与长寿命的方向不断发展。直流高功率的使用条件对触头的灭弧,抗侵蚀等电性能提出了更高的要求,影响触头电性能的因素很多,目前国内外在此方面的研究较少。因此在直流高功率条件下研究环境气氛、横向磁场、分断速度等因素对触头电性能的影响,对于提高继电器的各类电性能与工作可靠性具有重要意义。本文首先对课题组已有触头模拟装置存在的问题进行了改进,利用改进后的装置搭建了一套能在直流高功率条件下模拟不同环境气氛,磁感应强度与分断速度下继电器触头分合操作,并能对实验中电压电流信号进行实时采集与存储的继电器触头电性能实验系统。在直流电压200-500V,电流40-150A,一个大气压的Air、N_2、CO_2、O_2、Ar、0.8CO_2+0.2Ar(即CO_2与Ar按4:1混合)、0.5CO_2+0.5Ar(即CO_2与Ar按1:1混合)七种气氛中开展CuW70和CuMo85触头材料通断阻性负载电路的实验,研究了环境气氛对触头材料的分断燃弧时间、侵蚀、表面形貌劣化、接触电阻和动熔焊的影响。结果表明分断燃弧时间CO_2最短,Ar最长,CO_2和Ar的混合气体燃弧时间出现“中间效应”;抗侵蚀性N_2最优,O_2最差;CO_2和Ar混合气体阴阳极总侵蚀率出现“最优效应”。CO_2中触头表面发生变形的面积最小,N_2与Ar中触头表面较平整;触头接触电阻值O_2和Air中较高,变化幅度较大,N_2和CO_2中较低且稳定;触头接通过程中熔焊发生次数大于分断过程,Air抗熔焊性能良好,0.8CO_2+0.2Ar混合气体的抗熔焊性最差。大电流通常比高电压更易造成熔焊发生。在Air中直流电压200-500V,电流40-150A的阻性负载电路中,分别研究了阴阳极触头分断速度70mm/s-100mm/s、磁感应强度50mT-80mT对CuW70触头分断燃弧特性及侵蚀量的影响。结果表明分断速度增大时,触头平均分断燃弧总时间变短,且金、气相燃弧时间均变短。磁感应强度增大时,平均分断燃弧总时间变短,气相燃弧时间变短。当分断速度为85和100mm/s,金相燃弧时间随磁感应强度变大而变短。随着磁感应强度增大,触头阳极侵蚀量变小,分断速度的增大也造成阳极侵蚀量变小。在直流电压电流为270V/100A,环境气氛为Air与N_2的条件下,开展了CuMo85、CuW70与CuCr50三种触头材料对称和非对称配对时的触头抗熔焊能力、分断燃弧时间及侵蚀量实验研究。实验表明,CuW70材料具有很好的抗熔焊能力,但其燃弧时间和抗侵蚀能力不一定有优势,各种材料配对在Air中的燃弧时间、侵蚀量与抗熔焊能力大小顺序和N_2中差别较大。在直流电压电流为270VDC/200A,环境气氛为CO_2与N_2的条件下,开展了AgW60、CuW60和Cu三种触头材料对称和非对称配对时的触头侵蚀量、接触电阻、分断燃弧时间及动熔焊实验研究。实验表明,Cu材料的分断燃弧时间远低于AgW60和CuW60;CO_2中Cu材料的抗侵蚀性明显优于AgW60和CuW60,N_2中AgW60与CuW60的抗侵蚀性明显优于Cu,CO_2和N_2中,三种材料对称配对时的抗熔焊能力由大到小顺序为AgW60CuCuW60。非对称配对的抗熔焊性多出现“中间效应”,平均每发生一次熔焊所需操作次数与总平均熔焊力的关系近似为反比例函数。
【图文】：

燃弧时间,气压,触头,气氛

42VDC/5-88.5 条件下 He 燃弧时间却短于 Air 和 N2，可能原因是气氛的燃弧特性随电压电流的变化而变化。气压的变化会影响气体的灭弧性能，Yoshida K 等[21]在电压100VDC，电流 1-30A 的阻性负载电路测试了 AgNi 在空气、氮气、氦气、氢气中，0.05-0.4Mpa 四个气压下的燃弧时间，，得到如图 1-1 所示的实验结果，结果表明当电流小于15A 时，触头燃弧时间随气压的变化而变化的幅度很小，而当电流超过 20A 后，当气压增高时，燃弧时间显著变短；其中 He 燃弧时间受气压的影响最大，而图 1-1 中 H2燃弧时间受气压的影响不明显，但将不同气压下 H2中的燃弧时间单独画于图中，如图 1-2所示，可见气压对 H2中燃弧时间影响也很大，最高气压 0.4MPa 下 H2中的燃弧时间几乎缩短为最低气压 0.05MPa 下的一半。周学等[13]在电压 400VDC，电流 100A，1-2.5 个大气压条件下分别测试了 Air 和 N2中桥式铜触头的燃弧时间，结果图 1-3 所示，可见随气压增加，燃弧时间并不一定增加，而且可以发现 Air 中燃弧时间的随机性比相同气压下 N2中长，说明 N2中电弧放电过程比 Air 中更稳定。

燃弧时间,气压,分断

42VDC/5-88.5 条件下 He 燃弧时间却短于 Air 和 N2，可能原因是气氛的燃弧特性随电压电流的变化而变化。气压的变化会影响气体的灭弧性能，Yoshida K 等[21]在电压100VDC，电流 1-30A 的阻性负载电路测试了 AgNi 在空气、氮气、氦气、氢气中，0.05-0.4Mpa 四个气压下的燃弧时间，得到如图 1-1 所示的实验结果，结果表明当电流小于15A 时，触头燃弧时间随气压的变化而变化的幅度很小，而当电流超过 20A 后，当气压增高时，燃弧时间显著变短；其中 He 燃弧时间受气压的影响最大，而图 1-1 中 H2燃弧时间受气压的影响不明显，但将不同气压下 H2中的燃弧时间单独画于图中，如图 1-2所示，可见气压对 H2中燃弧时间影响也很大，最高气压 0.4MPa 下 H2中的燃弧时间几乎缩短为最低气压 0.05MPa 下的一半。周学等[13]在电压 400VDC，电流 100A，1-2.5 个大气压条件下分别测试了 Air 和 N2中桥式铜触头的燃弧时间，结果图 1-3 所示，可见随气压增加，燃弧时间并不一定增加，而且可以发现 Air 中燃弧时间的随机性比相同气压下 N2中长，说明 N2中电弧放电过程比 Air 中更稳定。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM58

【参考文献】