電弧故障保護(hù)插頭觸點(diǎn)選型研究

引言

在低壓電器中,觸點(diǎn)直接承擔(dān)接通和分?jǐn)嚯娐坟?fù)載,并承載額定電流工作的功能,且其在一定的時(shí)間內(nèi)還需具備承載過載電流的能力,由于在接通和分?jǐn)嚯娐坟?fù)載過程中,觸點(diǎn)(電極)間會(huì)產(chǎn)生電弧放電現(xiàn)象,這會(huì)使得觸點(diǎn)材料受到侵蝕、轉(zhuǎn)移直至最終消耗殆盡,從而影響到電器產(chǎn)品的使用壽命和可靠性,為此,需要選擇、設(shè)計(jì)、檢驗(yàn)符合產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求的電弧故障保護(hù)類電器用觸點(diǎn)材料。

觸點(diǎn)材料的選擇要求是面廣而苛刻的,而且上述要求有些是相互矛盾的,所以理論上滿足所有要求的觸點(diǎn)材料是不存在的,只有在滿足產(chǎn)品各項(xiàng)指標(biāo)要求的前提下,兼顧到AFCI(AFDD)的標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)要求,并通過相關(guān)檢測條款考核而確定的觸點(diǎn)材料,才是最佳和最合理的設(shè)計(jì)與選擇。

1觸點(diǎn)材料的種類和特點(diǎn)

目前,在低壓電器開關(guān)中具有實(shí)用價(jià)值的觸點(diǎn)材料有四大系列:AgMeo系、AgNi系、AgC系和Agw系,在AgMeo系中,Me常用的元素是Cd、sn和Zn等,由于Cdo分解物的有毒性,為滿足保護(hù)環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展要求,業(yè)界已形成用sno2逐步取代Cdo的共識(shí),本文將選用sno2作為AgMeo系中的金屬元素的代表。

2電弧故障保護(hù)插頭觸點(diǎn)材質(zhì)的設(shè)計(jì)與選型

(1)根據(jù)AFCI(AFDD)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)主要要求和規(guī)定:

1)當(dāng)電弧故障保護(hù)插頭檢測到被保護(hù)電路中出現(xiàn)電弧故障時(shí),電弧故障保護(hù)插頭應(yīng)能自動(dòng)切斷供電,斷開故障保護(hù)負(fù)載電路,也即電弧故障保護(hù)插頭需有控制斷路觸點(diǎn)的自由脫扣機(jī)構(gòu)裝置:

2)在消除并聯(lián)電弧故障檢測試驗(yàn)中,斷路觸點(diǎn)將在額定電壓下,經(jīng)受75A、100A、150A、200A、300A、500A電弧電流等級(jí)的分?jǐn)嚯娐纺芰z測,上述每檔電流各檢測12次,共計(jì)72次的過載分?jǐn)嚯娐纺芰己?產(chǎn)品試后應(yīng)功能正常并能通過耐壓測試:

3)在短路電流檢測試驗(yàn)中,斷路觸點(diǎn)將在額定電壓下,經(jīng)受2kA電流等級(jí)的分?jǐn)嚯娐纺芰z測,產(chǎn)品試后應(yīng)功能正常并能通過耐壓測試:

4)控制斷路觸點(diǎn)的自由脫扣機(jī)構(gòu)裝置需通過2000次的機(jī)械壽命測試和2000次的電氣壽命測試,產(chǎn)品試后應(yīng)功能正常:

5)電弧故障保護(hù)插頭正常工作時(shí),動(dòng)靜觸點(diǎn)接通可靠,接觸電阻值低,功耗小,溫升達(dá)標(biāo)。

(2)根據(jù)上述要求,本研究設(shè)計(jì)的電弧故障保護(hù)插頭機(jī)械結(jié)構(gòu)采用了結(jié)構(gòu)簡單、動(dòng)作快捷、體積小巧、性價(jià)比高的螺旋管電磁式自由脫扣機(jī)構(gòu)(圖1)及其控制的觸點(diǎn)機(jī)構(gòu)(圖2),通過分?jǐn)嗄芰Φ臏y試與考核,實(shí)際檢驗(yàn)觸點(diǎn)材料對(duì)上述技術(shù)指標(biāo)的達(dá)標(biāo)能力。

自由脫扣機(jī)構(gòu)(觸點(diǎn)機(jī)構(gòu))工作原理簡介如下:

正常狀態(tài)時(shí),自由脫扣機(jī)構(gòu)中的機(jī)架與推桿在鎖扣的聯(lián)動(dòng)下,借助復(fù)位彈簧的壓力,通過陶瓷桿的傳遞,將彈簧銅片上的動(dòng)觸點(diǎn)與電源插片上的靜觸點(diǎn)接通在一起,使得電弧故障保護(hù)插頭能正常工作。

當(dāng)出現(xiàn)電弧故障時(shí),電弧感應(yīng)器將向PCB板發(fā)出信號(hào),PCB板上的CPU等電子組件經(jīng)運(yùn)算、判別和處理后,將打開可控硅使電磁線圈通電,在電磁力的作用下,拉桿將鎖扣解鎖,使得機(jī)架與推桿分離,這樣,在彈簧銅片的反彈力作用下,動(dòng)靜觸點(diǎn)分離,從而實(shí)現(xiàn)電路的分?jǐn)唷?

(3)針對(duì)上述機(jī)構(gòu),按結(jié)構(gòu)尺寸要求,本文分別采用了如下動(dòng)靜觸點(diǎn)材料的配對(duì)組合進(jìn)行考核與對(duì)比(表1)。

3實(shí)驗(yàn)與分析

3.1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)UL1699標(biāo)準(zhǔn)要求,設(shè)計(jì)了并聯(lián)故障電弧模擬檢測電路,其工作原理圖如圖3所示,按電弧故障保護(hù)插頭產(chǎn)品最大額定功率4kw的設(shè)定要求,通過調(diào)整負(fù)載來控制并聯(lián)電弧電流從75~500A變化,并通過更換不同的被測樣品,來考核各組觸點(diǎn)材料對(duì)過載故障電弧分?jǐn)嗟某惺苣芰?設(shè)置的互感器可監(jiān)視電弧電流,示波器可檢測被測樣品的分?jǐn)酄顩r和分?jǐn)鄷r(shí)間。

3.2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)與分析

表2~5中各項(xiàng)描述的含義:序號(hào)1~12表示進(jìn)行的12次分?jǐn)嘣囼?yàn):電流75~500A表示分?jǐn)嘣囼?yàn)所設(shè)定的電流值:時(shí)間為該次試驗(yàn)的電流接通后的分?jǐn)鄷r(shí)間:均值表示在該檔分?jǐn)嚯娏髦迪碌钠骄謹(jǐn)鄷r(shí)間:結(jié)果表示試后Agsn02動(dòng)靜觸點(diǎn)組合的功能狀況(合格:表示該組觸點(diǎn)接通與分?jǐn)喙δ苷?不合格:表示該組觸點(diǎn)失去了接通與分?jǐn)喙δ?。

(1)Agsn02動(dòng)靜觸點(diǎn)組合試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

采用鉚接工藝的Agsn02動(dòng)靜觸點(diǎn)組合,在經(jīng)歷了75~300A電流的60次分?jǐn)嘣囼?yàn)后,動(dòng)靜觸點(diǎn)功能正常,但在500A電流的第6次分?jǐn)嘣囼?yàn)后,Agsn02動(dòng)靜觸點(diǎn)出現(xiàn)了粘連在一起的狀況,觸點(diǎn)失去了接通與分?jǐn)喙δ?可以判定,采用鉚接工藝的Agsn02動(dòng)靜觸點(diǎn)組合未能滿足UL1699標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)考核要求。

(2)AgNi動(dòng)靜觸點(diǎn)組合試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

采用鉚接工藝的AgNi動(dòng)靜觸點(diǎn)組合,在經(jīng)歷了75~300A電流的60次分?jǐn)嘣囼?yàn)后,動(dòng)靜觸點(diǎn)功能正常,但在500A電流的第5次分?jǐn)嘣囼?yàn)后,AgNi動(dòng)靜觸點(diǎn)出現(xiàn)了粘連在一起的狀況,觸點(diǎn)失去了接通與分?jǐn)喙δ?可以判定,采用鉚接工藝的AgNi動(dòng)靜觸點(diǎn)組合未能滿足UL1699標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)考核要求。

(3)AgC動(dòng)靜觸點(diǎn)組合試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示。

采用碰焊工藝的AgC動(dòng)靜觸點(diǎn)組合,在經(jīng)歷了75~500A電流的72次分?jǐn)嘣囼?yàn)后,動(dòng)靜觸點(diǎn)功能仍然正常,據(jù)此可以判定,采用碰焊工藝的AgC動(dòng)靜觸點(diǎn)組合基本滿足UL1699標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)考核要求,可以選擇為電弧故障保護(hù)斷路插頭的動(dòng)靜觸點(diǎn)材料使用。

(4)Agw動(dòng)靜觸點(diǎn)組合試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表5所示。

采用碰焊工藝的Agw動(dòng)靜觸點(diǎn)組合,在經(jīng)歷了75~500A電流的72次分?jǐn)嘣囼?yàn)后,動(dòng)靜觸點(diǎn)功能仍然正常,據(jù)此可以判定,采用碰焊工藝的Agw動(dòng)靜觸點(diǎn)組合基本滿足UL1699標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)考核要求,可以選擇為電弧故障保護(hù)斷路插頭的動(dòng)靜觸點(diǎn)材料使用。

上述所有四種實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),僅僅是一組試品的對(duì)比數(shù)據(jù),事實(shí)上,在經(jīng)過多次重復(fù)試驗(yàn)(在此不再重復(fù)羅列)后,獲得了與上述結(jié)果相同的結(jié)論,也即在大分?jǐn)嚯娏鳡顟B(tài)下,觸點(diǎn)材料Agw合金和AgC合金的分?jǐn)嗄芰?、燒灼損耗和阻抗特征等性能要明顯優(yōu)于Agsno2和AgNi合金的相同性能。

在此基礎(chǔ)上,又對(duì)Agw合金和AgC合金觸點(diǎn)進(jìn)行了電弧故障特性試驗(yàn)、接觸電阻試驗(yàn)、溫升試驗(yàn)和機(jī)電壽命試驗(yàn)等相關(guān)比對(duì)、交叉測試(在此不再展開),可以確認(rèn)的是:在既考慮到極限狀態(tài)下的分?jǐn)嗄芰τ挚紤]到正常使用中低溫升、低功耗狀況的前提下,本產(chǎn)品機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的最佳方案是Agw合金和AgC合金的自配對(duì)組合,這完全能達(dá)到并滿足ULl699標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電弧故障保護(hù)插頭的考核要求。

4結(jié)語

電弧故障保護(hù)插頭觸點(diǎn)材料的選擇,不但要考慮到滿足電弧故障保護(hù)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的要求,通過其嚴(yán)格的技術(shù)性能測試和環(huán)境條件考核,還需考慮到材料的環(huán)保性和工業(yè)化大批量生產(chǎn)的可行性,且更應(yīng)考慮到產(chǎn)品自由脫扣機(jī)構(gòu)的匹配性和實(shí)際加工中的工藝可操作性,只有可靠性高、性價(jià)比合理、經(jīng)濟(jì)實(shí)用和通過產(chǎn)品型式試驗(yàn)的設(shè)計(jì)方案才是最佳和最合適的方案。在本自由脫扣機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案中,經(jīng)試驗(yàn)考核證明:動(dòng)靜觸點(diǎn)材料的最佳選擇是Agw合金和AgC合金的自配對(duì)組合,且采用以上材料設(shè)計(jì)的電弧故障保護(hù)插頭能通過UL安全認(rèn)證檢測,也完全證明了本方案的可靠性和可行性。