¿Qué factores afectan la vida útil del relé de CC de alto voltaje?

Los relés de CC de alto voltaje se utilizaron originalmente principalmente en la industria energética, la aviación y la aeroespacial. En los últimos años, los vehículos eléctricos han aumentado gradualmente y la conducción de sistemas de distribución de energía se ha convertido en un escenario de aplicación muy importante para los relés de CC de alto voltaje. El alto voltaje es relativo a los sistemas de bajo voltaje de 24 V y 48 V. Algunos vehículos eléctricos de baja velocidad eligen la configuración de energía de sistemas de 60V y 72V. Generalmente, el voltaje de los turismos de alta velocidad es superior a 200 V y el autobús puede alcanzar más de 600 V. Los relés que cumplen con los requisitos de esta fase de voltaje se denominan relés de CC de alto voltaje.

Relé de CC de alto voltaje, la vida útil incluye dos parámetros de vida mecánica y vida eléctrica. Los factores que afectan la vida mecánica incluyen el material de los puntos de contacto, el diseño y nivel de fabricación del mecanismo de apertura y cierre, etc. El cuello de botella de la vida eléctrica es principalmente la vida del contacto.

1.Efecto de la formación de arcos magnéticos sobre la vida eléctrica de los contactos.

Como se muestra en la figura siguiente, se explica el principio del diseño de soplado magnético en el relé. El contacto estático izquierdo, según la dirección de la corriente que se muestra en la figura, utiliza la regla de la mano derecha para determinar la dirección del campo magnético de la bobina. Un arco es una corriente en un canal de ionización formada por un voltaje que atraviesa el medio entre los contactos estáticos. Obedece completamente la ley de la interacción electromagnética. El campo magnético generado por el arco se muestra en la figura. Utilice la regla de la mano izquierda para determinar la dirección de la fuerza del arco. La dirección de la fuerza está indicada por F en la figura.

El soplado magnético consiste en utilizar un imán permanente o un electroimán para generar un campo magnético. La dirección en la que el campo magnético interactúa con el arco es alejar el circuito de los contactos dinámicos y estáticos.

Con el rápido movimiento del contacto móvil y la aplicación del efecto de soplado magnético, el arco se estira y la resistencia del arco aumenta rápidamente, lo que hace que la corriente del arco caiga bruscamente y la eficiencia térmica del arco disminuya. El grado de ionización del medio disminuye a medida que disminuye la temperatura y disminuye la conductividad eléctrica del canal de arco. Si se tira del arco al mismo tiempo, en el proceso de movimiento del arco hacia afuera, con otros medios para cortar el arco y enfriarlo, el arco se extinguirá más rápido.

Reducir el tiempo de formación de arco es un medio importante para proteger los contactos. Un buen diseño de soplado magnético definitivamente extenderá la vida útil del relé. El soplado magnético se ha utilizado ampliamente en relés y contactores de alta potencia con requisitos de espacio menos sensibles, mientras que en relés pequeños se han diseñado dispositivos similares para productos individuales.

2. Influencia de la presión del aire ambiente en la vida eléctrica de los contactos.

Para acortar el tiempo de formación de arco, además de utilizar el método de soplado magnético mencionado anteriormente para tirar del arco, los métodos utilizados a menudo para extinguir arcos en espacios estrechos incluyen cambiar el entorno de apertura y cierre del contacto, llenar la cámara de extinción de arco sellada con un gas con alta energía de ionización, o Se evacúa la cámara de extinción del arco.

Causas de los arcos de gas a alta presión.

Energía de ionización. En el proceso en el que los átomos gaseosos pierden electrones y se convierten en cationes, es necesario superar la atracción del núcleo hacia los electrones, es decir, la energía que saca los electrones de los orbitales atómicos para convertirse en electrones libres. Ésta es la energía de ionización de tales elementos. Cuanto mayor es la energía de ionización, menos fácilmente se ionizan los átomos, menos fácilmente se convierten en cationes y más débil es la metalicidad; por el contrario, cuanto más fácilmente pierden electrones y se convierten en cationes, más fuerte es la metalicidad. En la tabla periódica, la energía de ionización más alta es el helio, por lo que se puede llenar con helio la cámara de extinción de arco sellada, lo que mejora la capacidad del relé para extinguir el arco.

Existen muchos estudios que explican las causas de la formación de arcos en entornos de gas a alta presión. El punto general es el siguiente. En una cámara de gas a alta presión, la formación de arcos se realiza en dos etapas. El contacto catódico emite electrones bajo la acción de la temperatura o el voltaje y es recibido por el ánodo para formar la primera ruptura; la formación inicial del arco produce cationes de gas ionizado y de alta temperatura, y la trayectoria iónica del arco se expande aún más para formar un arco más masivo.

Causas del arco de vacío.

En condiciones de vacío, ya no existe ningún medio que pueda ionizarse. Es difícil quemar un arco, pero aún puede arder. En el momento en que se separan los contactos dinámicos y estáticos, el metal de los contactos se vaporiza, formando un canal de iones metálicos y se forma un arco en el canal. Hay varias explicaciones diferentes sobre cómo se forma dicho canal iónico.

El primero es explicar la teoría de la emisión de electrones a alta temperatura. Se cree que existen defectos originales en los contactos del cátodo, que se denominan manchas. Se considera que la resistencia de la posición puntual es relativamente grande y la temperatura local es relativamente alta durante el proceso de energización. Cuando los contactos dinámicos y estáticos están a punto de separarse, la parte de alta temperatura emite electrones al ánodo, formando inicialmente un arco, el arco se quema, el material de contacto se vaporiza, forma vapor metálico y luego forma un arco en el vacío;

La segunda explicación de la teoría de la emisión de campo es que el cátodo tiene la capacidad de emitir electrones cuando el voltaje aplicado entre los contactos dinámicos y estáticos es lo suficientemente alto. Cuando los contactos dinámicos y estáticos están a punto de separarse, generalmente habrá una posición de contacto final entre sí, y esta cara es positivamente pequeña. El flujo de electrones que emite el campo fluye hacia el ánodo a través de esta área extremadamente pequeña, y la enorme densidad de corriente produce un dramático efecto térmico tanto en el cátodo como en el ánodo, haciendo que la fusión se extienda gradualmente a todo el contacto desde ese punto, y el La superficie de contacto se derrite. Genera vapor de metal. Un mejor entorno de ionización hace que la escala del flujo de electrones se expanda, formando un arco de vacío.

Grado de vacío: en general, cuanto mayor es el grado de vacío, es menos probable que se rompa y más difícil es formar un arco. En condiciones ideales, la rigidez dieléctrica puede alcanzar el nivel de 10.000 V por 0,1 mm. Pero cuando el vacío alcanza un cierto nivel, un mayor aumento no ayudará a reducir el voltaje de ruptura. Como se muestra en la curva anterior, muestra la relación entre el vacío y el voltaje de ruptura. Cuanto menor sea el voltaje de ruptura, más fácil será formar y mantener el arco, es decir, mayor será el tiempo de formación del arco. El grado de vacío se mide directamente por la presión del aire. Cuanto menor sea la presión del aire, mayor será el grado de vacío.

Cámara de extinción de arco sellada al vacío. Para obtener una cámara de extinción de arco al vacío, se requieren buenos materiales y tecnología de sellado. Se están utilizando simultáneamente cámaras de extinción de arco selladas con cerámica y resina, dos tipos de tecnología de cámaras de extinción de arco selladas, y nadie ha logrado ventajas obvias.

La cámara de extinción de arco sellada de cerámica utiliza las características de resistencia a altas temperaturas de la cerámica y la temperatura del arco es extremadamente alta (el centro puede alcanzar los 5000 °C). Generalmente, los materiales no pueden soportar tales temperaturas y la cerámica apenas puede cumplir con este requisito. Sin embargo, las cerámicas son técnicamente difíciles de sellar.

La cámara de extinción de arco hecha de resina tiene una mejor tecnología de sellado que la cerámica, pero su resistencia a altas temperaturas es insuficiente.

3. La influencia de los parámetros mecánicos en la vida eléctrica de los contactos.

Los parámetros estructurales relacionados con la vida eléctrica de los contactos incluyen: área de contacto, mecanismo de ruptura, presión de contacto, etc.

El área de contacto, el área de contacto más grande de los contactos dinámicos y estáticos, puede proporcionar un camino más grande para la corriente, reducir la resistencia del contacto y reducir el aumento de temperatura. Cuando el relé está cerrado o desconectado, el calor del arco pequeño será disipado más fácilmente por el contacto más grande, reduciendo así el riesgo de que el contacto se derrita.

El mecanismo de ruptura es otro punto técnico en el diseño de relés. El mecanismo en sí tiene un ciclo de acción estable. El tiempo requerido desde el inicio hasta el movimiento final hasta la posición de máxima apertura afecta directamente al tiempo de formación del arco.

Presión de contacto de contactos dinámicos y estáticos, siempre existe una resistencia de contacto entre contactos dinámicos y estáticos, cuanto mayor es la presión de contacto, menor es la resistencia. Una presión de contacto grande puede reducir la pérdida eléctrica y el aumento de temperatura del relé en condiciones normales de trabajo; Los daños relativamente pequeños o las rebabas elevadas en la superficie de contacto no causarán efectos adversos significativos bajo una gran presión, y después de cerrar varios puntos, el impacto entre los contactos suavizará estos pequeños defectos.

4.La estanqueidad de la cámara de extinción de arco.

Es imposible lograr un sellado absoluto en el tubo de vacío y existe la posibilidad de que se produzcan fugas de aire en las soldaduras de la carcasa. Se ha incluido un coeficiente de fuga de aire permisible en su índice de diseño, y las fugas de aire crónicas son inevitables. Además, el uso de relés en vehículos eléctricos, el entorno de vibración severa en cualquier momento y lugar, también puso a prueba seriamente la calidad del sello.

A medida que entra más y más aire en la cavidad sellada y el sellado de la carcasa empeora, el grado de vacío en la cámara de extinción del arco disminuye gradualmente y la capacidad de extinción del arco se deteriora gradualmente, lo cual es un factor importante que afecta la vida útil del relé. .