چه عواملی بر عمر رله DC ولتاژ بالا تأثیر می گذارد؟

رله های ولتاژ بالا DC در ابتدا عمدتاً در صنعت برق و صنایع هوانوردی و هوافضا استفاده می شدند. در سال‌های اخیر، وسایل نقلیه الکتریکی به تدریج افزایش یافته‌اند و سیستم‌های توزیع نیرو به یک سناریوی کاربردی بسیار مهم برای رله‌های DC ولتاژ بالا تبدیل شده‌اند. ولتاژ بالا نسبت به سیستم های ولتاژ پایین 24 ولت، 48 ولت است. برخی از خودروهای الکتریکی کم سرعت، پیکربندی قدرت سیستم های 60 ولت و 72 ولت را انتخاب می کنند. به طور کلی، ولتاژ خودروهای سواری پرسرعت بالای 200 ولت است و اتوبوس می تواند به بیش از 600 ولت برسد. رله هایی که الزامات این فاز ولتاژ را برآورده می کنند، رله های ولتاژ بالا DC نامیده می شوند.

رله DC ولتاژ بالا، عمر شامل دو پارامتر عمر مکانیکی و عمر الکتریکی است. عواملی که بر عمر مکانیکی تأثیر می گذارند عبارتند از مواد نقاط تماس، طراحی و سطح ساخت مکانیسم باز و بسته شدن و غیره. گلوگاه عمر الکتریکی عمدتاً عمر تماس است.

1. اثر قوس میدان مغناطیسی بر عمر الکتریکی کنتاکت ها

همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است، اصل طراحی ضربه مغناطیسی در رله توضیح داده شده است. کنتاکت استاتیک چپ، با توجه به جهت جریان نشان داده شده در شکل، از قانون دست راست برای تعیین جهت میدان مغناطیسی سیم پیچ استفاده می کند. قوس جریانی در یک کانال یونیزاسیون است که توسط ولتاژی ایجاد می شود که از محیط بین کنتاکت های ساکن می شکند. کاملاً از قانون برهمکنش الکترومغناطیسی پیروی می کند. میدان مغناطیسی ایجاد شده توسط قوس در شکل نشان داده شده است. از قانون سمت چپ برای تعیین جهت نیروی قوس استفاده کنید. جهت نیرو با F در شکل نشان داده شده است.

دمیدن مغناطیسی استفاده از آهنربای دائمی یا آهنربای الکتریکی برای تولید میدان مغناطیسی است. جهتی که میدان مغناطیسی با قوس برهمکنش می‌کند، دور کردن مدار از کنتاکت‌های پویا و استاتیک است.

با حرکت سریع کنتاکت متحرک و اعمال اثر دمیدن مغناطیسی، قوس کشیده می شود و مقاومت قوس به سرعت افزایش می یابد که باعث می شود جریان قوس به شدت کاهش یابد و بازده حرارتی قوس کاهش یابد. درجه یونیزاسیون محیط با کاهش دما کاهش می یابد و هدایت الکتریکی کانال قوس کاهش می یابد. اگر قوس به طور همزمان کشیده شود، در روند حرکت قوس به سمت بیرون، با سایر ابزارهای برش قوس و خنک کردن قوس، قوس سریعتر خاموش می شود.

کاهش زمان ایجاد قوس وسیله ای مهم برای محافظت از کنتاکت ها است. یک طراحی ضربه مغناطیسی خوب قطعا عمر رله را افزایش می دهد. دمیدن مغناطیسی به طور گسترده در رله‌های پرقدرت و کنتاکتورهایی با فضای کمتر حساس استفاده می‌شود، در حالی که در رله‌های کوچک، دستگاه‌های مشابهی برای محصولات جداگانه طراحی شده‌اند.

2. تاثیر فشار هوای محیط بر عمر الکتریکی کنتاکت ها

به منظور کوتاه کردن زمان قوس، علاوه بر استفاده از روش دمش مغناطیسی فوق برای کشیدن قوس، روش هایی که اغلب برای خاموش کردن قوس در فضاهای باریک استفاده می شود شامل تغییر محیط باز و بسته شدن تماس، پر کردن محفظه خاموش کننده قوس مهر و موم شده با قوس می باشد. یک گاز با انرژی یونیزاسیون بالا، یا محفظه خاموش کننده قوس تخلیه می شود.

دلایل ایجاد قوس گازی با فشار بالا

انرژی یونیزاسیون. در فرآیند از دست دادن الکترون های اتم های گاز و تبدیل شدن به کاتیون، لازم است بر جاذبه هسته به سمت الکترون ها غلبه کنیم، یعنی انرژی ای که الکترون ها را از اوربیتال های اتمی بیرون می کشد تا به الکترون های آزاد تبدیل شوند. این انرژی یونیزاسیون چنین عناصری است. هر چه انرژی یونیزاسیون بیشتر باشد، اتم‌ها به راحتی یونیزه می‌شوند، آسان‌تر به کاتیون تبدیل می‌شوند و فلزی بودن ضعیف‌تر است. برعکس، هرچه راحت‌تر الکترون‌ها را از دست بدهند و به کاتیون تبدیل شوند، فلزی بودن آن‌ها قوی‌تر می‌شود. در جدول تناوبی، بالاترین انرژی یونیزاسیون هلیوم است، بنابراین هلیوم را می توان در محفظه خاموش کننده قوس مهر و موم شده پر کرد، که توانایی رله را برای خاموش کردن قوس بهبود می بخشد.

مطالعات زیادی وجود دارد که دلایل ایجاد قوس الکتریکی در محیط های گاز پرفشار را توضیح می دهد. نکته کلی به شرح زیر است. در یک محفظه گاز پرفشار، قوس‌بندی در دو مرحله انجام می‌شود. تماس کاتد تحت تأثیر دما یا ولتاژ الکترون ساطع می کند و توسط آند دریافت می شود تا اولین شکست را تشکیل دهد. تشکیل اولیه قوس دمای بالا و کاتیون های گاز یونیزه را به همراه می آورد و مسیر یونی قوس بیشتر گسترش می یابد تا قوس عظیم تری تشکیل شود.

علل قوس خلاء

در شرایط خلاء، دیگر محیطی وجود ندارد که بتوان آن را یونیزه کرد. سوزاندن قوس دشوار است، اما همچنان می تواند بسوزد. در لحظه ای که کنتاکت های دینامیکی و استاتیکی از هم جدا می شوند، فلز روی کنتاکت ها تبخیر می شود و یک کانال یونی فلزی تشکیل می دهد و یک قوس در کانال ایجاد می شود. چندین توضیح مختلف برای چگونگی تشکیل چنین کانال یونی وجود دارد.

اولین مورد، توضیح تئوری الکترون های گسیلی در دمای بالا است. اعتقاد بر این است که نقص های اصلی در تماس های کاتد وجود دارد که به آنها لکه می گویند. در نظر گرفته می شود که مقاومت موقعیت نقطه ای نسبتاً بزرگ است و دمای محلی در طول فرآیند انرژی دهی نسبتاً بالا است. هنگامی که کنتاکت‌های دینامیکی و استاتیکی در شرف جدا شدن هستند، قسمت با دمای بالا الکترون‌ها را به آند ساطع می‌کند، در ابتدا یک قوس تشکیل می‌دهد، قوس می‌سوزد، ماده تماس تبخیر می‌شود، بخار فلز را بیشتر تشکیل می‌دهد و سپس یک قوس در خلاء تشکیل می‌دهد.

توضیح دوم تئوری انتشار میدان این است که کاتد زمانی که ولتاژ اعمال شده بین کنتاکت های دینامیکی و استاتیک به اندازه کافی زیاد باشد، توانایی انتشار الکترون را دارد. هنگامی که کنتاکت های پویا و استاتیک در شرف جدا شدن هستند، به طور کلی یک موقعیت تماس نهایی با یکدیگر وجود خواهد داشت و این صورت به طور مثبت کوچک است. جریان الکترون ساطع کننده میدان از طریق این ناحیه بسیار کوچک به آند جریان می یابد و چگالی جریان عظیم یک اثر حرارتی چشمگیر بر روی کاتد و آند ایجاد می کند و باعث می شود که ذوب به تدریج از آن نقطه به کل تماس گسترش یابد. سطح تماس ذوب می شود تولید بخار فلزی یک محیط یونیزاسیون بهتر باعث می شود مقیاس جریان الکترون منبسط شود و یک قوس خلاء تشکیل شود.

درجه خلاء: به طور کلی، هر چه درجه خلاء بالاتر باشد، احتمال شکسته شدن آن کمتر و تشکیل قوس دشوارتر است. در شرایط ایده آل، قدرت دی الکتریک می تواند به سطح 10000 ولت در 0.1 میلی متر برسد. اما وقتی خلاء به حد معینی می رسد، افزایش بیشتر کمکی به کاهش ولتاژ شکست نخواهد کرد. همانطور که در منحنی بالا نشان داده شده است، رابطه بین خلاء و ولتاژ شکست را نشان می دهد. هرچه ولتاژ شکست کمتر باشد، شکل گیری و حفظ قوس آسان تر است، یعنی زمان قوس بیشتر می شود. درجه خلاء مستقیماً با فشار هوا اندازه گیری می شود. هرچه فشار هوا کمتر باشد درجه خلاء بیشتر می شود.

محفظه خاموش کننده قوس خلاء، برای به دست آوردن یک محفظه خاموش کننده قوس خلاء، نیاز به مواد خوب و تکنولوژی آب بندی برای رسیدن به آن است. محفظه های خاموش کننده قوس سرامیکی و رزینی مهر و موم شده، دو نوع فناوری محفظه خاموش کننده قوس مهر و موم شده به طور همزمان استفاده می شود و هیچ کس به مزایای آشکاری دست نیافته است.

محفظه خاموش کننده قوس سرامیکی از ویژگی های مقاومت در برابر دمای بالای سرامیک ها استفاده می کند و دمای قوس بسیار بالا است (مرکز می تواند به 5000 درجه سانتیگراد برسد). به طور کلی، مواد نمی توانند چنین دماهایی را تحمل کنند و سرامیک ها فقط می توانند این نیاز را برآورده کنند. با این حال، سرامیک ها از نظر فنی به سختی آب بندی می شوند.

محفظه خاموش کننده قوس ساخته شده از رزین از تکنولوژی آب بندی بهتری نسبت به سرامیک برخوردار است، اما مقاومت آن در دمای بالا کافی نیست.

3. تأثیر پارامترهای مکانیکی بر عمر الکتریکی کنتاکت ها

پارامترهای ساختاری مربوط به طول عمر الکتریکی کنتاکت ها عبارتند از: سطح تماس، مکانیسم شکست، فشار تماس و غیره.

ناحیه تماس، ناحیه تماس بزرگتر کنتاکت های دینامیکی و استاتیک، می تواند مسیر بزرگتری برای جریان فراهم کند، مقاومت تماس را کاهش دهد و افزایش دما را کاهش دهد. هنگامی که رله بسته یا قطع می شود، گرمای قوس کوچک به راحتی توسط تماس بزرگتر دفع می شود و در نتیجه خطر ذوب تماس کاهش می یابد.

مکانیزم شکستن یکی دیگر از نکات فنی در طراحی رله است. خود مکانیسم دارای یک چرخه عمل پایدار است. زمان لازم از شروع تا حرکت نهایی تا حداکثر موقعیت باز به طور مستقیم بر زمان قوس‌بندی تأثیر می‌گذارد.

فشار تماس کنتاکت های پویا و استاتیک، همیشه یک مقاومت تماس بین کنتاکت های دینامیکی و استاتیک وجود دارد، هر چه فشار تماس بیشتر باشد، مقاومت کمتر است. فشار تماس زیاد می تواند تلفات الکتریکی و افزایش دمای رله را در شرایط کاری عادی کاهش دهد. آسیب نسبتاً کوچک یا برآمدگی بر روی سطح تماس تحت فشار زیاد اثرات نامطلوب قابل توجهی ایجاد نمی کند و پس از بسته شدن چندین نقطه، ضربه بین کنتاکت ها این عیوب کوچک را صاف می کند.

4. سفتی محفظه خاموش کننده قوس

دستیابی به آب بندی مطلق در قطع کننده خلاء غیرممکن است و احتمال نشت هوا در جوش های پوسته وجود دارد. ضریب نشت هوای مجاز در شاخص طراحی آن لحاظ شده است و نشت هوای مزمن اجتناب ناپذیر است. علاوه بر این، استفاده از رله در خودروهای الکتریکی، محیط ارتعاش شدید در هر زمان و مکان، کیفیت مهر و موم را نیز به طور جدی مورد آزمایش قرار داد.

با ورود هوای بیشتر به داخل حفره مهر و موم شده و بدتر شدن آب بندی کیس، درجه خلاء در محفظه خاموش کننده قوس به تدریج کاهش می یابد و توانایی خاموش کردن قوس به تدریج بدتر می شود که عامل مهمی در طول عمر رله است. .