直流接触器开断性能研究

直流接触器开断性能研究

宋小勇王勇张弘文

（陕西群力电工有限责任公司陕西宝鸡721300）

摘要：直流接触器在使用过程中，频繁开断会导致触头表面受碰撞和电弧烧蚀作用的影响而出现凹凸不平的情况，加上触头本身接触位置接触电阻的存在，即便处于正常工作状态，也容易因为局部高温导致触头表面氧化，进而对接触器的开断性能及使用寿命产生影响。本文从直流接触器的特点出发，对其开断性能进行了研究。

关键词：直流接触器；开断性能；触头

前言：直流接触器是一种泛用性控制元件，能够对直流电路的开断与导通进行远程控制，控制对象类型繁多，如电动车、电热装置、机械工程装置、照明系统等，一般情况下，直流接触器在电机启动与停止控制中比较常见，可以对正常工作状态下的直流电路进行频繁切断和导通，也可以配合其他开关装置，实现电路保护与连锁控制。紧急状态下，直流接触器也可以对故障回路进行紧急切除，方便线路的保护与维修。

1直流接触器的特点

直流接触器是运用在直流回路中的接触器，可以对直流电路进行有效控制，其在一些需要频繁启停的场合有着良好的适用性。直流接触器的工作原理，是当接触器线圈通电后，产生相应的磁场，于静铁芯上产生电磁吸力，在吸引动铁芯的同时，推动触点动作，令常闭触点断开，常开触点闭合，两者属于联动关系。而当接触器线圈电流断开后，电磁吸力消失，在弹簧的作用下，衔铁得以释放，触点恢复到初始位置[1]。

直流接触器大致包含了三个组成部分，分别是触头系统、灭弧装置和电磁系统。其中，触头系统中设置有若干对常开常闭触点，静触头的位置固定不变，动触头则可以相对于静触头来回移动，通过动静触头的闭合与分离，可以控制直流回路中电流的通断；灭弧装置主要是通过电弧本身具备的电动力，或者利用外加磁场，令电弧受力，将其引入到灭弧室中，强化冷却效果，提升灭弧能力；电磁系统则是驱动直流接触器的装置，结合相应的电磁原理，将电磁线圈中流通的电能转换为动能，推动衔铁运动。

2直流接触器开断性能研究

2.1触头系统

通常来讲，接触器的使用寿命是由触头系统的使用寿命决定的，而由于机械碰撞、电弧烧蚀等因素的影响，直流接触器触头在长期使用的过程中触头表面会出现氧化的现象，导致其接触电阻增加，影响直流接触器的开断性能。对此，技术人员针对直流接触器的触头系统开展了诸多研究和探索，最终提出了一种全新的触头结构，在原本触头的基础上，增加了软连接装置及片弹簧，这种触头系统在使用过程中可以利用动静触点之间的接触压力实现相对滑动，在滑动过程中可以清除表面氧化物，有效减小接触电阻，使得触头系统具备相应的自清洁功能，促进其使用寿命的提高[2]。

2.2结构形变分析

在直流接触器运行过程中，电弧的产生难以避免，而多次开断后，触头表面可能会被电弧烧损，出现材料流失，还会在触头表面形成氧化膜，导致接触电阻的增大，影响触头工作的稳定性与可靠性。对此，可以采用上文提到的软连接触头结构来保证触头使用寿命，这里就其结构形变进行分析。构建形变前触头模型，动触头以软连接的接触方式绑定，不可分离，也不会发生有摩擦的相对位移，同时将片弹簧与动触头的接触方式设置为绑定，不可分离但是可以发生带有摩擦力的相对位移。为了能够更加直观的对触头闭合过程进行分析，假定动触头静止，静触头上移，推动“动触头——软连接系统”弯折，对片弹簧进行压缩，然后针对片弹簧顶部以及软连接装置相连的动触头内侧，分别施加X轴、Y轴和Z轴方向自由度0的约束条件，然后对静触头施加Y轴方向的2mm位移载荷，以此来实现对触头系统从点刚接触初位置到完全闭合位置的结构形变[3]。参考仿真结果分析，带有软连接装置的触头结构在闭合过程中，触头之间存在附带有接触压力的相对滑动，能够实现自清洁，提高触头系统的使用寿命。不过，需要通过合理的调试，将相对滑动的距离控制在一定范围内，确保动静触头不会因为表面相对位移过大而引发接触不良问题。

2.3稳态温度场分析

在通电后，直流接触器触头材料会因为自身电阻的存在以及动静触头接触面接触电阻的存在，出现发热问题，也就是通常所说的触头温升，其会对触头系统的稳定性和可靠性造成一定威胁：若触头温升达到其材料的软化点，则触头的机械强度会有所降低，甚至可能引发熔焊现象，同时过高的温度也会进一步加剧触头材料的氧化作用，增加触头电阻，导致温度继续升高。通过对触头系统温度场的模拟分析，可以得到触头模型的发热特性、散热特性以及温升情况，以此来对直流接触器触头结构的合理性进行验证。可以构建起直流接触器触头系统热分析有限元模型，对触头的接触电阻进行计算，配合仿真分析来计算稳态工作温升，在明确触头结构温度场分布及温升情况的基础上，构建起传统触头结构模型，将接触电阻控制在同等数值，然后计算传统触头结构的温度场分布，对比两种触头结构，可以看出，改进后的触头结构稳态温升数值处于相关产品允许范围内，能够保证直流接触器的稳定安全运行[4]。

2.4三维静电场分析

静电场数值模拟是对电器开关元件电场分布状况以及绝缘性性能验证的有效方法，也是产品技术指标和开断能力检验中的关键环节。直流接触器触头结构三维电场分析可以帮助技术人员对开关电器元件的绝缘性能进行优化，在保证基本性能的前提下，缩小产品体积。电场数值模拟结果可以将元件内部电场分布直观展示出来，也可以帮助技术人员找出结构设计中存在的缺陷，提升接触器绝缘性能，确保其具备良好的开断能力。开关电器在运行过程中，电场强度会集中在尖角位置，引发尖角放电，而在静态分析环节，从电场强度分布可知，分析结果中，电场强度远低于一般理论下击穿空气的电场强度，因此保证了直流接触器具备较强的开断能力，动静触点之间的电弧熄灭后，不容易出现重击穿的问题，接触器运行的稳定性和可靠性有所保障。而从实际生产的角度，考虑电弧本身的滞后性和电场动静态特性的差异，在对直流接触器触头系统进行设计的过程中，一般都会在允许范围内，尽可能选择较大开距，确保接触器可以实现稳定熄弧[5]。

对比传统直流接触器，在触头结构改进后，接触器的开断性能得到了显著提升，能够更好地适应实际应用需求，保证使用安全。

3结语

总而言之，直流接触器在许多电气设备中都有着良好的适用性，能够远程控制回路的开断，而针对传统直流接触器触头系统中存在的问题，本文在传统触头系统的基础上，增加了软连接装置和片弹簧，构建起了一种全新的双断点低压接触器触头结构，能够对两侧接触压力进行平衡，也可以实现触头表面自清洁，减小接触电阻，在增加触头寿命的同时，能够提升直流接触器的开断性能，保证其使用安全。

参考文献：

[1]苏景贤，王建生，林木峰，等.基于LabVIEW的SIZE3直流接触器性能检测系统[J].计量技术，2015，（2）：27-30.

[2]胡方，杨文英，赵瑞平，等.大功率直流接触器温度场仿真及影响因素分析[J].电器与能效管理技术，2011，（23）：1-6.

[3]朱作滨，黄邵平，李振兴.电动汽车充电机高压直流接触器及其控制电路性能测试分析[J].湖南工程学院学报（自科版），2018，（2）：6-10.

[4]赵鹤然.直流接触器开断性能研究[D].沈阳工业大学，2013.

[5]苏景贤，谢惠琴.一种直流接触器与NI数据采集卡接口转换电路设计[J].机械工程与自动化，2014，（5）：157-158.