引言

在低壓電器中,觸點直接承擔(dān)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(nèi)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(chǎn)生電弧放電現(xiàn)象,這會使得觸點材料受到侵蝕、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、檢驗符合產(chǎn)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(chǎn)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(guān)檢測條款考核而確定的觸點材料,才是最佳和最合理的設(shè)計與選擇。

1觸點材料的種類和特點

目前,在低壓電器開關(guān)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(zhì)的設(shè)計與選型

(1)根據(jù)AFCI(AFDD)產(chǎn)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(xiàn)電弧故障時,電弧故障保護插頭應(yīng)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(gòu)裝置:

2)在消除并聯(lián)電弧故障檢測試驗中,斷路觸點將在額定電壓下,經(jīng)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(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中,斷路觸點將在額定電壓下,經(jīng)受2kA電流等級的分斷電路能力檢測,產(chǎn)品試后應(yīng)功能正常并能通過耐壓測試:

4)控制斷路觸點的自由脫扣機構(gòu)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(chǎn)品試后應(yīng)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(jù)上述要求,本研究設(shè)計的電弧故障保護插頭機械結(jié)構(gòu)采用了結(jié)構(gòu)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(gòu)(圖1)及其控制的觸點機構(gòu)(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(shù)指標的達標能力。

自由脫扣機構(gòu)(觸點機構(gòu))工作原理簡介如下:

正常狀態(tài)時,自由脫扣機構(gòu)中的機架與推桿在鎖扣的聯(lián)動下,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(xiàn)電弧故障時,電弧感應(yīng)器將向PCB板發(fā)出信號,PCB板上的CPU等電子組件經(jīng)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(xiàn)電路的分斷。

(3)針對上述機構(gòu),按結(jié)構(gòu)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(shè)計

根據(jù)UL1699標準要求,設(shè)計了并聯(lián)故障電弧模擬檢測電路,其工作原理圖如圖3所示,按電弧故障保護插頭產(chǎn)品最大額定功率4kw的設(shè)定要求,通過調(diào)整負載來控制并聯(lián)電弧電流從75~500A變化,并通過更換不同的被測樣品,來考核各組觸點材料對過載故障電弧分斷的承受能力,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斷狀況和分斷時間。

3.2實驗數(shù)據(jù)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(shè)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(jié)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(shù)據(jù)如表2所示。

采用鉚接工藝的Agsn02動靜觸點組合,在經(jīng)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(xiàn)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(shù)據(jù)如表3所示。

采用鉚接工藝的AgNi動靜觸點組合,在經(jīng)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(xiàn)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(shù)據(jù)如表4所示。

采用碰焊工藝的AgC動靜觸點組合,在經(jīng)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(jù)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(shù)據(jù)如表5所示。

采用碰焊工藝的Agw動靜觸點組合,在經(jīng)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(jù)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(shù)據(jù),僅僅是一組試品的對比數(shù)據(jù),事實上,在經(jīng)過多次重復(fù)試驗(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(chǔ)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(guān)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(chǎn)品機構(gòu)設(shè)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(jié)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(chǎn)品標準的要求,通過其嚴格的技術(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)品自由脫扣機構(gòu)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(jīng)濟實用和通過產(chǎn)品型式試驗的設(shè)計方案才是最佳和最合適的方案。在本自由脫扣機構(gòu)的設(shè)計方案中,經(jīng)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(shè)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。