一种带辅助监控触点且高抗短路电流的小型继电器的设计

吴温龙

（厦门宏发电声股份有限公司，福建 厦门 361000）

0 引言

预计2030年非化石能源在一次能源中的占比将提高至20%以上。在此背景下，光伏发电、风电、核电等新能源迎来了飞速的发展，电源的充放电安全问题也提上了新的议程。继电器作为充放电回路的主要开关之一，能否抗短路电流、是否带有可监控以及能否主触点回路黏接故障的继电器已成为各大电源厂商重要的关注点。目前，市场上暂未发现带有监控作用的辅助触点且主触点具有抗短路电流功能的小型继电器。针对市场需求，该文介绍了一款满足上述要求的小型继电器。其主要性能指标如下：主触点与辅助触点间具有强制导向功能；主触点抗短路电流：1.5 kA 6000 A2s；主触点间隙：≥2.3 mm；主触点负载：277 Va.c.32 A；辅助触点负载：12 Vd.c.1 A；主触点与线圈/辅助触点间耐压：4000 Va.c.1 min；线圈与辅助触点间耐压：2000 Va.c.1 min；外形尺寸：35 mm×16 mm×28 mm。

1 总体结构设计

该文的继电器整体结构为左右分立式结构，左边为线圈驱动及辅助触点部分，即低压系统，主要功能为对继电器的线圈驱动及对主触点部分是否有效断开进行监控；右边为主触点部分，即高压系统，主要功能为主负载切换。继电器的外壳挡墙与底座墙相互配合，有效隔离高低压系统。继电器的整体结构如图1所示。

图1 带辅助触点抗短路电流小型继电器整体结构图

2 继电器的工作机理及强制导向功能的实现

2.1 继电器的工作机理

初始时线圈未加激励，继电器处于释放状态，如图2（a）所示。

动作过程如下：当线圈施加预定电压，线圈产生的磁场通过铁芯、空气间隙、衔铁及轭铁形成回路。此时，电磁力大于系统反力和，衔铁部分以轭铁刀口为支点进行旋转运动，最终衔铁与铁芯贴合。衔铁旋转时，衔铁尾部将推动卡往右推动，带动动簧运动，最终主触点系统接通，且动、静触点间具有一定的压缩力。同时，衔铁将辅助动簧片往下压，辅助动静触点断开，如图2（b）所示。

释放过程如下：当线圈电压小于预定值，线圈产生的力小于反力和，衔铁脱开，动簧片将推动卡往左推动，主触点断开，同时辅助动簧片将衔铁往上推，辅助动、静触点接通，如图2（a）所示。

图2 继电器工作机理示意图

2.2 强制导向功能要求

根据IEC 61810-3的相关要求，强制导向继电器是指继电器触点之间相互连锁，当常闭触点出现黏接时，继电器线圈施加激励后，常开触点不允许接通且必须具有一定的间隙；当常开触点出现黏接时，继电器线圈去除激励后，常闭触点不允许接通且必须具有一定的间隙。

2.3 强制导向功能的实现

强制导向功能（辅助触点监控功能）的实现过程如下：1）当主触点出现黏接故障时，线圈激励去除后，主触点无法可靠断开，动簧片处于动作状态，如图2（b）所示。动簧片拉住推动卡前挡板，推动卡无法往左移动，并通过后挡板拉住衔铁部分末端。轭铁刀口与压簧限制衔铁支点上下移动。利用杠杆原理，衔铁压住辅助动簧片，辅助动簧片无法向上移动，辅助动触点无法与静触点接通，且具有一定的间隙。即主触点出现黏接故障时，辅助触点组无法接通，进而达到监控主触点是否出现黏接故障的目的。2）当辅助触点黏接故障时，线圈施加激励后，衔铁碰到辅助动簧片，此时克服动簧片变形使衔铁进行运动的力大于电磁吸力，衔铁静止，从而衔铁部分无法使推动卡向右运动，进而主触点系统无法接通。

该文设计的继电器利用推动卡、衔铁部分使辅助触点系统和主触点系统相互连锁，实现辅助触点和主触点间的强制导向功能。

3 抗短路电流研究及主接触系统设计

电流通过接触系统时，会产生电动斥力，这种电动由两部分组成：触点接触点附近电流线收缩产生的电动力和接触系统回路产生的电动力。

3.1 触点间Holm力估算

在触点间接触点附近电流线收缩产生的电动力，又称Holm力。Holm力与电流的瞬时值以及触点间的预压缩力、触点材料的硬度、触点形状及触点表面的导电斑点分布有关。Holm力经验计算如公式（1）、公式（2）所示。

式中：为空气磁导率；=4π10H/m；为触点接触位置电流大小；为触点半径；为接触斑点的半径；为触点表面情况经验系数，一般取值在0.3~0.6；为触点间的预压缩力；为触点材料的硬度。

假定触点间的压缩压力控制值F≥0.8 N，取F的最小值0.8 N；查询相关资料可知，选用触点材料为某牌号银合金，其硬度为65 HV~110 HV，取硬度的最大值110 HV；触点表面情况系数取最大经验值0.6。将上述值代入公式（2），估算触点接触点的最小等效半径如公式（3）所示。

3.2 主触点系统洛伦磁力的计算

当两条导线通电时，导线间产生的电动力，即为洛伦磁力。洛伦磁力可以采用毕奥-萨伐尔定律计算，电动力的方向由右手螺旋定则决定。

该文介绍的高抗短路电流主接触系统如图3所示，其动簧引出片和静簧片均为较厚的铜合金，且固定在继电器底座上。利用动簧引出片和动簧片电流流向相反，电流产生的洛伦磁力相斥，将动触点往静触点推动，即往闭合方向。

从图4中可以看出抗短路电流系统短路电流产生的洛伦磁力分布情况。经换算，触点受到的洛伦磁力约为0.8 N。

图4 抗短路电流接触系统洛伦磁力分布

3.3 主触点系统满足短路电流测试的要求

要满足抗短路电流的要求，主触点系统通过短路电流时，触点不能被电动力斥开，否则触点间产生燃弧，导致触点黏接。为满足上述要求，洛伦磁力与触点初始压缩力之和不小于Holm力，如式（5）所示。

当主触点接触系统通过1.5 kA的电流时，从上述计算及图3受力示意可看出，动触点的初始压缩力为0.8 N，动触点受到的洛伦磁力为0.8 N，触点间Holm力为1.48 N，即当短路峰值电流通过接触系统时，动触点受到的合力为0.12N，方向触点闭合方向，触点不会被斥开。即，初始设置的预压力为0.8N是合理的。如果未能满足要求，就需要调整预压力值，并重复上述理论计算，直至满足要求。

图3 抗短路电流接触系统设计示意图

4 测试验证

为验证该文设计的继电器能发满足强制导向功能及具有抗短路电流的要求。按初始的假设条件进行样品装配，其中动触点预压力为0.8 N，并送实验室进行测试验证。

4.1 强制导向功能测试验证

该文介绍的产品通过IEC 61810-3强制导向功能继电器要求的测试。

4.2 抗短路电流功能测试验证

该文介绍的产品通过了IEC 62752：2016条款9.9.2.4的1.5 kA短路电流测试。用市场上体积接近、额定负载接近某常规电磁继电器进行同比测试。参照样品第一次抗短路电流载流测试即出现黏接失效，而该文介绍的产品通过了抗短路电流“载流—切换”整个系列试验，且试验后产品功能正常。试验后样品触点形貌，如图5所示。

图5 试验后样品触点形貌

5 产品亮点

该文设计的带辅助触点且高抗短路电流的小型继电器的主要亮点如下。1）产品功能强大。具有抗短路电流功能，可在充电领域大范围使用，特别是在快速充电应用上，减少客户限制浪涌电流的相关设计，提高客户整机的寿命。具有辅助监控功能，可减少客户对主触点是否反生黏接故障监控的相关硬件电路，减少整机设计的复杂度，有利于提高整机的可靠性，同时也降低了相应成本。2）体积小。可以减少客户的整体体积，节省相应空间，有利于客户产品小型化。3）低压系统和高压系统间大爬电距离，高耐压，可提高整机的高、低压系统间的耐压，提高整机的耐压能力。

6 结语

该文介绍的带辅助监控触点高抗短路电流的小型继电器已成功研发，并取得了相关安全认证。该产品各项指标性能指标符合设计要求，已批量投入市场，已获得了知名厂商的青睐，并在新项目中开始推广应用。