电弧故障保护插头触点选型研究

引言

在低压电器中,触点直接承担接通和分断电路负载,并承载额定电流工作的功能,且其在一定的时间内还需具备承载过载电流的能力,由于在接通和分断电路负载过程中,触点(电极)间会产生电弧放电现象,这会使得触点材料受到侵蚀、转移直至最终消耗殆尽,从而影响到电器产品的使用寿命和可靠性,为此,需要选择、设计、检验符合产品标准要求的电弧故障保护类电器用触点材料。

触点材料的选择要求是面广而苛刻的,而且上述要求有些是相互矛盾的,所以理论上满足所有要求的触点材料是不存在的,只有在满足产品各项指标要求的前提下,兼顾到AFCI(AFDD)的标准检验要求,并通过相关检测条款考核而确定的触点材料,才是最佳和最合理的设计与选择。

1触点材料的种类和特点

目前,在低压电器开关中具有实用价值的触点材料有四大系列: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,为满足保护环境和可持续发展要求,业界已形成用sno2逐步取代Cdo的共识,本文将选用sno2作为AgMeo系中的金属元素的代表。

2电弧故障保护插头触点材质的设计与选型

(1)根据AFCI(AFDD)产品标准主要要求和规定:

1)当电弧故障保护插头检测到被保护电路中出现电弧故障时,电弧故障保护插头应能自动切断供电,断开故障保护负载电路,也即电弧故障保护插头需有控制断路触点的自由脱扣机构装置:

2)在消除并联电弧故障检测试验中,断路触点将在额定电压下,经受75A、100A、150A、200A、300A、500A电弧电流等级的分断电路能力检测,上述每档电流各检测12次,共计72次的过载分断电路能力考核,产品试后应功能正常并能通过耐压测试:

3)在短路电流检测试验中,断路触点将在额定电压下,经受2kA电流等级的分断电路能力检测,产品试后应功能正常并能通过耐压测试:

4)控制断路触点的自由脱扣机构装置需通过2000次的机械寿命测试和2000次的电气寿命测试,产品试后应功能正常:

5)电弧故障保护插头正常工作时,动静触点接通可靠,接触电阻值低,功耗小,温升达标。

(2)根据上述要求,本研究设计的电弧故障保护插头机械结构采用了结构简单、动作快捷、体积小巧、性价比高的螺旋管电磁式自由脱扣机构(图1)及其控制的触点机构(图2),通过分断能力的测试与考核,实际检验触点材料对上述技术指标的达标能力。

自由脱扣机构(触点机构)工作原理简介如下:

正常状态时,自由脱扣机构中的机架与推杆在锁扣的联动下,借助复位弹簧的压力,通过陶瓷杆的传递,将弹簧铜片上的动触点与电源插片上的静触点接通在一起,使得电弧故障保护插头能正常工作。

当出现电弧故障时,电弧感应器将向PCB板发出信号,PCB板上的CPU等电子组件经运算、判别和处理后,将打开可控硅使电磁线圈通电,在电磁力的作用下,拉杆将锁扣解锁,使得机架与推杆分离,这样,在弹簧铜片的反弹力作用下,动静触点分离,从而实现电路的分断。

(3)针对上述机构,按结构尺寸要求,本文分别采用了如下动静触点材料的配对组合进行考核与对比(表1)。

3实验与分析

3.1实验设计

根据UL1699标准要求,设计了并联故障电弧模拟检测电路,其工作原理图如图3所示,按电弧故障保护插头产品最大额定功率4kw的设定要求,通过调整负载来控制并联电弧电流从75~500A变化,并通过更换不同的被测样品,来考核各组触点材料对过载故障电弧分断的承受能力,设置的互感器可监视电弧电流,示波器可检测被测样品的分断状况和分断时间。

3.2实验数据的统计与分析

表2~5中各项描述的含义:序号1~12表示进行的12次分断试验:电流75~500A表示分断试验所设定的电流值:时间为该次试验的电流接通后的分断时间:均值表示在该档分断电流值下的平均分断时间:结果表示试后Agsn02动静触点组合的功能状况(合格:表示该组触点接通与分断功能正常:不合格:表示该组触点失去了接通与分断功能)。

(1)Agsn02动静触点组合试验数据如表2所示。

采用铆接工艺的Agsn02动静触点组合,在经历了75~300A电流的60次分断试验后,动静触点功能正常,但在500A电流的第6次分断试验后,Agsn02动静触点出现了粘连在一起的状况,触点失去了接通与分断功能,可以判定,采用铆接工艺的Agsn02动静触点组合未能满足UL1699标准的试验考核要求。

(2)AgNi动静触点组合试验数据如表3所示。

采用铆接工艺的AgNi动静触点组合,在经历了75~300A电流的60次分断试验后,动静触点功能正常,但在500A电流的第5次分断试验后,AgNi动静触点出现了粘连在一起的状况,触点失去了接通与分断功能,可以判定,采用铆接工艺的AgNi动静触点组合未能满足UL1699标准的试验考核要求。

(3)AgC动静触点组合试验数据如表4所示。

采用碰焊工艺的AgC动静触点组合,在经历了75~500A电流的72次分断试验后,动静触点功能仍然正常,据此可以判定,采用碰焊工艺的AgC动静触点组合基本满足UL1699标准的试验考核要求,可以选择为电弧故障保护断路插头的动静触点材料使用。

(4)Agw动静触点组合试验数据如表5所示。

采用碰焊工艺的Agw动静触点组合,在经历了75~500A电流的72次分断试验后,动静触点功能仍然正常,据此可以判定,采用碰焊工艺的Agw动静触点组合基本满足UL1699标准的试验考核要求,可以选择为电弧故障保护断路插头的动静触点材料使用。

上述所有四种实验数据,仅仅是一组试品的对比数据,事实上,在经过多次重复试验(在此不再重复罗列)后,获得了与上述结果相同的结论,也即在大分断电流状态下,触点材料Agw合金和AgC合金的分断能力、烧灼损耗和阻抗特征等性能要明显优于Agsno2和AgNi合金的相同性能。

在此基础上,又对Agw合金和AgC合金触点进行了电弧故障特性试验、接触电阻试验、温升试验和机电寿命试验等相关比对、交叉测试(在此不再展开),可以确认的是:在既考虑到极限状态下的分断能力又考虑到正常使用中低温升、低功耗状况的前提下,本产品机构设计的最佳方案是Agw合金和AgC合金的自配对组合,这完全能达到并满足ULl699标准对电弧故障保护插头的考核要求。

4结语

电弧故障保护插头触点材料的选择,不但要考虑到满足电弧故障保护产品标准的要求,通过其严格的技术性能测试和环境条件考核,还需考虑到材料的环保性和工业化大批量生产的可行性,且更应考虑到产品自由脱扣机构的匹配性和实际加工中的工艺可操作性,只有可靠性高、性价比合理、经济实用和通过产品型式试验的设计方案才是最佳和最合适的方案。在本自由脱扣机构的设计方案中,经试验考核证明:动静触点材料的最佳选择是Agw合金和AgC合金的自配对组合,且采用以上材料设计的电弧故障保护插头能通过UL安全认证检测,也完全证明了本方案的可靠性和可行性。