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《銀氧化鎘觸點切換容性負載的試驗研究》
劉凱政1,張旭1,滿思達2,張文聰1,任萬濱1
(1.哈爾濱工業大學電氣工程及自動化學院，哈爾濱 150001；2.國網物資有限公司，北京 100120)
摘要:采用開發的觸點材料電性能試驗系統，提取了銀氧化鎘觸點切換容性負載過程的典型電壓、電流波形，比較分析了壽命試驗過程中燃弧時間、觸點壓力和接觸電阻的變化特征，進而觀察分析了材料表面的微觀燒蝕狀態以及可能的熔焊物理機制。 關鍵詞:銀氧化鎘；容性負載；浪涌電流；電性能；失效機理
0 引言 觸點(亦稱觸頭)是各類高低壓電器開關內部完成導通和分斷電流的直接執行部件。低壓控制類電器的觸點大多采用銀基復合材料,尤其是銀氧化鎘、銀氧化錫等銀金屬氧化物復合材料。自20世紀30年代銀氧化鎘材料問世以來,人們至今仍然一直在努力通過改變制造工藝和添加物等方式使觸負載條件下的電性能現已有基本的認識,但對觸點材料的電性能得到提升,主要體現為提升材料的抗電弧侵蝕能力、溫升、接觸電阻、抗熔焊能力等,相繼出現了銀鎳材料、銀鎢材料和銀氧化錫材料等。銀基復合材料的電性能與低壓電器的壽命/何靠性關系密切,電工合金行業內的研究機構科技公司等通過自主創新研發,跟蹤對比國外先進技術等策略,針對觸點材料的組分優化和制造工藝改進等方面開展了廣泛而又堅實的科研工作,在定程度上已使國產電器開關的電壽命得到了提高。 學術界和工業界對銀基復合觸點材料在阻性負載條件下的性能現已基本的認識，但對觸點材料在容性負載、LED燈負載、感性負載等條件下的退化情況,可供參考的結論和試驗結果卻很少。投切該類非阻性負載的過程中,往往會產生過電流和過電壓(浪涌負荷),使觸點更容易失效,這種嚴苛的電負荷條件對觸點材料的電性能提出了更高的要求。因此,研究觸點材料在浪涌負荷條件下的電性能特點,分析觸點材料在浪涌負荷條件下的退化失效過程和機理,對觸點材料的組分優化和性能的提升具有實際工程價值。 本研究以典型的銀氧化鎘觸點材料為試驗對象,試驗研究了其分斷、閉合容性負載的電性能參數退化過程,并通過掃描電子顯微鏡獲得了材料熔焊失效的微觀照片,進而提出了其可能存在的失效機理。
1 試驗條件 所用的試驗系統前文[12,13]已有詳述,機械系統結構框圖示于圖1。主要技術指標如下:觸點開距、超程、空程等距離調整參數調節精度10m;觸點壓力測量范圍4N;接觸電阻測量分辦率小于0.1mΩ;燃弧時間分辨率4μs;燃狐能量、回跳能量分辨率1mJ。本試驗系統的軟件主要包括電性能綜合參數計算程序和人機交互界面兩大部分。基于 LabVIEW圖形化程序設計環境,編寫了模擬試驗系統的人機交互界面;通過RS232硬件接口與下位機系統進行信息傳遞,實現握手通信、試驗參數設置、觸點分合動作控制等功能;通過PCI通信協議將采集的試驗原始數據讀取至上位機,并進行電性能特性參數計算,在人機交互界面上顯示和存儲,并能實現粘接報警和保護等功能。
圖1 觸點材料電性能模擬試驗系統機械系統結構框圖
詳細試驗條件如表1所示。試驗中選擇AgCdO觸點材料,其外形尺寸如2所示。試驗電路圖如圖3所示。
表1 試驗條件
圖2 觸點幾何尺寸(單位:mm)
圖3 試驗電路圖
2 試驗結果分析 2.1 電性能參數 電壽命試驗中典型的觸點閉合電壓和閉合電流如圖4所示。容性負載下觸點400μs機械回跳與電路中電容放電的結合,由此形成了觸點間浪涌電流的短時放電,電流峰值80A已超過穩定電流18A的4倍。
圖4 閉合容性負載時觸點電壓和觸點電流波形
觸點斷開過程的電壓、電流波形如圖5所示。在觸點分斷初期,觸點壓力逐漸減小,接觸電阻逐漸增大,由于觸點支路線路存在一定的感性阻礙觸點支路電流Ia的減小,觸點電流存在緩慢的減小過程,直至接觸壓力減小為零,觸點完全分斷,持續時間為32μs。在觸點電流Ia緩慢減小的過程中,線路等效電感會產生自感電勢,該過程在觸點電壓Ua上表現為圖5中的凸包,該凸包峰值約為8V,當該自感電壓大于此時的擊穿電壓時產生電弧,否則不會產生電弧。當觸點電流減小為零,線路等效電感所儲存的能量泄放完畢,觸點支路完全斷開,此時觸點兩端電壓Ua等于電容電壓,圖5所示約為5V。該電壓小于此時觸點擊穿電壓,因此沒有電弧產生,觸點仍處于斷開狀態。
圖5 容性負載時分斷電壓、電流波形
在容性負載試驗中后期,分斷過程開始間歇性地出現燃弧現象,如圖6所示。在5550次動作后發生兩次劇烈燃弧,燃弧時間接近8000μs,之后對應的接觸電阻出現了急劇增大,超過了12mΩ。接觸電阻增大與觸點材料成分和接觸面積的退化狀態一定有關,為此將試驗5550次之后200次的碰撞力和靜壓力試驗數據對比分析,如圖7所示。由圖7可知在劇烈燃弧后,碰撞力上升而靜壓力下降,在機械參數未變化的前提下,說明觸點的開距可能發生變化,即觸點的表面因為電弧的燒蝕而發生物質損失,使開距變大,而表面出現凸起物可使接觸面積減小。
圖6 試驗在5500~570次間的燃弧時間和接觸電阻變化
圖7 試驗在5500～5700次間的觸點壓力和碰撞力変化
浪涌電流峰值為50A的容性負載條件下和阻性負載條件下的燃弧時間如圖8所示。容性負載條件下燃弧發生的次數較少但燃弧時間較長,阻性負載條件下燃弧時間較為穩定。兩者的接觸電阻變化如圖9所示。阻性負載條件下的接觸電阻變化劇烈且波動較大,最小為7mΩ,最大為16mΩ。而容性負載條件下的接觸電阻變化較小,維持在6mΩ左右,在試驗超過30000次后波動幅度逐漸增加。 選取浪涌峰值電流幅值為90A和50A兩種容性負載條件進行試驗,統計切換過程中的燃弧時間、接觸電阻、觸點靜壓力(如圖10所示)。從圖10可見,浪涌電流峰值的增大提高了分斷電弧出現的頻數和強度,且接觸電阻也將變化劇烈;同時也造成了觸點靜壓力下降增大,這表明觸點表面侵蝕情況加劇, 觸點磨損增加使觸點間的開距增大,從而超程減小, 觸點壓力減小。
圖8 阻性負載和容性負載燃愧時間比較
2.2 觸點表面微觀形貌分析 將峰值電流峰值為90A條件下切換20 000次熔焊失效的觸點置于掃描電鏡下觀察,照片如圖11。所示。圖11中方框所標為實際 觸點接觸 面積,該 面積與觸點的外形輪廓面積相比不足十分之一。 圖12所示為觸點熔焊面的微觀形瑤照片。由
圖10 浪涌電流峰值對觸點電性能參數退化的影響
圖12(a)和(b)可見 ,實際接觸 面 高于動觸頭原始表面 , 這驗證了前文分析推測的觸點表面材料損耗方式,即觸點材料先形成凸起物后因電弧作用、機械磁撞等原因將凸起物磨損,使觸點表面發生變化。由圖12(c)可見 ,接觸 表面 較為銳利,且有明顯斷層，這說明熔焊面較實際接觸面更小。 將動觸點的實際接觸 面的邊緣放大觀察(如圖13所示) ,可發現觸點表面出現球狀結晶體,推測為觸點閉合分斷運動中,熔融態的觸點材料發生噴濺,濺射到觸點表面形成的,這也是觸點材料損失的另一原因。
圖11 掃描電鏡圖片
圖12 動觸頭實際接觸面的微觀形貌
圖13 接觸面邊緣處微觀形貌照片
3 結論 (1)電性能模擬試驗一方面揭示了觸點閉合容性負載過程中機械回跳與浪涌電流同時發生加劇侵蝕觸點材料的現象,另一方面揭示了觸點斷開容性負載過程中間歇性燃弧的現象。 (2)通過比較不同的電容負載引起的浪涌電流幅值情況,確定浪涌幅值增加提高了分斷電弧出現的頻數和強度,惡化觸點接觸電阻,最終造成觸點表面侵蝕加劇,電接觸狀態惡劣,熔焊概率增加。 (3)觸點熔焊失效的電鏡照片表明觸點的接觸面積遠小于其輪廓視在面積,且熔焊面(即觸點最終失效時的接觸面)的微觀形貌說明了接觸面的急劇減小,導致局部焦耳熱嚴重,是觸點最終熔焊失效的根本原因。 |
