引言
在低壓電器中,觸點直接承擔接通和分斷電路負載,并承載額定電流工作的功能,且其在一定的時間內還需具備承載過載電流的能力,由于在接通和分斷電路負載過程中,觸點(電極)間會產生電弧放電現象,這會使得觸點材料受到侵蝕、轉移直至最終消耗殆盡,從而影響到電器產品的使用壽命和可靠性,為此,需要選擇、設計、檢驗符合產品標準要求的電弧故障保護類電器用觸點材料。
觸點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材料是不存在的,只有在滿足產品各項指標要求的前提下,兼顧到AFCI(AFDD)的標準檢驗要求,并通過相關檢測條款考核而確定的觸點材料,才是最佳和最合理的設計與選擇。
1觸點材料的種類和特點
目前,在低壓電器開關中具有實用價值的觸點材料有四大系列: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,本文將選用sno2作為AgMeo系中的金屬元素的代表。
2電弧故障保護插頭觸點材質的設計與選型
(1)根據AFCI(AFDD)產品標準主要要求和規(guī)定:
1)當電弧故障保護插頭檢測到被保護電路中出現電弧故障時,電弧故障保護插頭應能自動切斷供電,斷開故障保護負載電路,也即電弧故障保護插頭需有控制斷路觸點的自由脫扣機構裝置:
2)在消除并聯電弧故障檢測試驗中,斷路觸點將在額定電壓下,經受75A、100A、150A、200A、300A、500A電弧電流等級的分斷電路能力檢測,上述每檔電流各檢測12次,共計72次的過載分斷電路能力考核,產品試后應功能正常并能通過耐壓測試:
3)在短路電流檢測試驗中,斷路觸點將在額定電壓下,經受2kA電流等級的分斷電路能力檢測,產品試后應功能正常并能通過耐壓測試:
4)控制斷路觸點的自由脫扣機構裝置需通過2000次的機械壽命測試和2000次的電氣壽命測試,產品試后應功能正常:
5)電弧故障保護插頭正常工作時,動靜觸點接通可靠,接觸電阻值低,功耗小,溫升達標。
(2)根據上述要求,本研究設計的電弧故障保護插頭機械結構采用了結構簡單、動作快捷、體積小巧、性價比高的螺旋管電磁式自由脫扣機構(圖1)及其控制的觸點機構(圖2),通過分斷能力的測試與考核,實際檢驗觸點材料對上述技術指標的達標能力。
自由脫扣機構(觸點機構)工作原理簡介如下:
正常狀態(tài)時,自由脫扣機構中的機架與推桿在鎖扣的聯動下,借助復位彈簧的壓力,通過陶瓷桿的傳遞,將彈簧銅片上的動觸點與電源插片上的靜觸點接通在一起,使得電弧故障保護插頭能正常工作。
當出現電弧故障時,電弧感應器將向PCB板發(fā)出信號,PCB板上的CPU等電子組件經運算、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,使得機架與推桿分離,這樣,在彈簧銅片的反彈力作用下,動靜觸點分離,從而實現電路的分斷。
(3)針對上述機構,按結構尺寸要求,本文分別采用了如下動靜觸點材料的配對組合進行考核與對比(表1)。
3實驗與分析
3.1實驗設計
根據UL1699標準要求,設計了并聯故障電弧模擬檢測電路,其工作原理圖如圖3所示,按電弧故障保護插頭產品最大額定功率4kw的設定要求,通過調整負載來控制并聯電弧電流從75~500A變化,并通過更換不同的被測樣品,來考核各組觸點材料對過載故障電弧分斷的承受能力,設置的互感器可監(jiān)視電弧電流,示波器可檢測被測樣品的分斷狀況和分斷時間。
3.2實驗數據的統(tǒng)計與分析
表2~5中各項描述的含義:序號1~12表示進行的12次分斷試驗:電流75~500A表示分斷試驗所設定的電流值:時間為該次試驗的電流接通后的分斷時間:均值表示在該檔分斷電流值下的平均分斷時間:結果表示試后Agsn02動靜觸點組合的功能狀況(合格:表示該組觸點接通與分斷功能正常:不合格:表示該組觸點失去了接通與分斷功能)。
(1)Agsn02動靜觸點組合試驗數據如表2所示。
采用鉚接工藝的Agsn02動靜觸點組合,在經歷了75~300A電流的60次分斷試驗后,動靜觸點功能正常,但在500A電流的第6次分斷試驗后,Agsn02動靜觸點出現了粘連在一起的狀況,觸點失去了接通與分斷功能,可以判定,采用鉚接工藝的Agsn02動靜觸點組合未能滿足UL1699標準的試驗考核要求。
(2)AgNi動靜觸點組合試驗數據如表3所示。
采用鉚接工藝的AgNi動靜觸點組合,在經歷了75~300A電流的60次分斷試驗后,動靜觸點功能正常,但在500A電流的第5次分斷試驗后,AgNi動靜觸點出現了粘連在一起的狀況,觸點失去了接通與分斷功能,可以判定,采用鉚接工藝的AgNi動靜觸點組合未能滿足UL1699標準的試驗考核要求。
(3)AgC動靜觸點組合試驗數據如表4所示。
采用碰焊工藝的AgC動靜觸點組合,在經歷了75~500A電流的72次分斷試驗后,動靜觸點功能仍然正常,據此可以判定,采用碰焊工藝的AgC動靜觸點組合基本滿足UL1699標準的試驗考核要求,可以選擇為電弧故障保護斷路插頭的動靜觸點材料使用。
(4)Agw動靜觸點組合試驗數據如表5所示。
采用碰焊工藝的Agw動靜觸點組合,在經歷了75~500A電流的72次分斷試驗后,動靜觸點功能仍然正常,據此可以判定,采用碰焊工藝的Agw動靜觸點組合基本滿足UL1699標準的試驗考核要求,可以選擇為電弧故障保護斷路插頭的動靜觸點材料使用。
上述所有四種實驗數據,僅僅是一組試品的對比數據,事實上,在經過多次重復試驗(在此不再重復羅列)后,獲得了與上述結果相同的結論,也即在大分斷電流狀態(tài)下,觸點材料Agw合金和AgC合金的分斷能力、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。
在此基礎上,又對Agw合金和AgC合金觸點進行了電弧故障特性試驗、接觸電阻試驗、溫升試驗和機電壽命試驗等相關比對、交叉測試(在此不再展開),可以確認的是:在既考慮到極限狀態(tài)下的分斷能力又考慮到正常使用中低溫升、低功耗狀況的前提下,本產品機構設計的最佳方案是Agw合金和AgC合金的自配對組合,這完全能達到并滿足ULl699標準對電弧故障保護插頭的考核要求。
4結語
電弧故障保護插頭觸點材料的選擇,不但要考慮到滿足電弧故障保護產品標準的要求,通過其嚴格的技術性能測試和環(huán)境條件考核,還需考慮到材料的環(huán)保性和工業(yè)化大批量生產的可行性,且更應考慮到產品自由脫扣機構的匹配性和實際加工中的工藝可操作性,只有可靠性高、性價比合理、經濟實用和通過產品型式試驗的設計方案才是最佳和最合適的方案。在本自由脫扣機構的設計方案中,經試驗考核證明:動靜觸點材料的最佳選擇是Agw合金和AgC合金的自配對組合,且采用以上材料設計的電弧故障保護插頭能通過UL安全認證檢測,也完全證明了本方案的可靠性和可行性。
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