一種耐高壓立方英寸電磁繼電器的研制

孫 超 李 明 郝長(zhǎng)嶺 鄧力明 馬瑞琳

（1.北京航天微機(jī)電技術(shù)研究所，北京 100094；2.桂林航天電子有限公司，廣西 桂林 541002）

隨著用電功率的增大，繼電器的電壓等級(jí)越來越高。用于通斷高壓負(fù)載的電磁繼電器，其觸點(diǎn)間、主觸點(diǎn)與其他部位的耐電壓設(shè)計(jì)直接是影響繼電器的工作可靠性。由于許多場(chǎng)合對(duì)繼電器的尺寸和重量要求比較苛刻，不能一味通過增加繼電器結(jié)構(gòu)尺寸來提高其耐壓等級(jí)。因此，如何在不增加繼電器外形尺寸的情況下，有效提高繼電器的耐電壓能力是高壓繼電器研制的關(guān)鍵問題。

目前電磁繼電器耐壓設(shè)計(jì)方法可分為三大類別：材料耐壓設(shè)計(jì)、耐壓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和絕緣間隙設(shè)計(jì)。材料耐壓設(shè)計(jì)主要針對(duì)體電阻率和擊穿強(qiáng)度參數(shù)來進(jìn)行材料選用。耐壓結(jié)構(gòu)形式主要通過增加結(jié)構(gòu)爬電距離以及進(jìn)行零部件的非均勻電場(chǎng)控制，防止尖角放電來對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行耐壓設(shè)計(jì)。絕緣間隙設(shè)計(jì)主要依據(jù)氣氛的巴申曲線來指導(dǎo)結(jié)構(gòu)間隙大小設(shè)計(jì)。

繼電器底座組的耐壓設(shè)計(jì)是繼電器整體耐壓設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，傳統(tǒng)的電磁繼電器采用玻璃絕緣子來實(shí)現(xiàn)繼電器引出桿和底板外殼之間的耐壓設(shè)計(jì)，技術(shù)可滿足目前1250Vr.m.s.介質(zhì)耐壓設(shè)計(jì)要求。局限于玻璃燒結(jié)工藝的底座組玻璃絕緣子設(shè)計(jì)方法，沿絕緣子環(huán)徑方向尺寸增加有限，并且耐壓結(jié)構(gòu)形式單一，沒有拓展空間，試驗(yàn)表明其無法滿足高介質(zhì)耐壓的設(shè)計(jì)要求。

陶瓷絕緣子在繼電器耐壓設(shè)計(jì)上的應(yīng)用尚不多見，本文通過對(duì)立方英寸電磁繼電器底座組耐壓結(jié)構(gòu)形式的分析，討論了陶瓷絕緣子的耐壓設(shè)計(jì)思路和方法，并試制了陶瓷絕緣子耐高壓繼電器產(chǎn)品，通過試驗(yàn)驗(yàn)證了采用陶瓷絕緣子結(jié)構(gòu)可以大幅提高繼電器產(chǎn)品的耐壓水平。

1 電磁繼電器底座組結(jié)構(gòu)耐壓設(shè)計(jì)計(jì)算

1.1 底座組絕緣子材料耐壓設(shè)計(jì)

絕緣子的尺寸取決于繼電器底座組結(jié)構(gòu)，而繼電器的電氣與機(jī)械特性又受到絕緣子材料和尺寸的牽制。絕緣子用玻璃材料的電壓擊穿強(qiáng)度一般在7000Vd.c./mm左右，常用95瓷材料的擊穿強(qiáng)度能達(dá)到15kVd.c./mm至18kVd.c./mm，不難得知，基于95瓷的陶瓷絕緣子沿厚度方向材料耐壓水平是玻璃絕緣子的2.1～2.5倍。根據(jù)玻璃絕緣子的擊穿電壓計(jì)算公式[1]，可以推得陶瓷絕緣子的擊穿電壓計(jì)算公式：

式中，V為引出端與底板間的擊穿電壓（kV）；A為陶瓷絕緣子與玻璃絕緣子的擊穿電壓強(qiáng)度比值；b為絕緣子的厚度（mm）， b=(D -d )/2；d為引出端直徑（mm）；D為絕緣子外徑（mm）。

通過對(duì)擊穿電壓的計(jì)算，可以初步確定玻璃和陶瓷絕緣子沿環(huán)徑方向的基本厚度尺寸。

1.2 電磁繼電器絕緣子結(jié)構(gòu)爬電距離設(shè)計(jì)

絕緣子的爬電距離是絕緣子的重要尺寸參數(shù)，在一定程度上它表征了絕緣子的電氣性能和經(jīng)濟(jì)性能。高壓絕緣子爬電距離是指正常承受運(yùn)行電壓的兩極間沿絕緣件外表面輪廓的最短距離。

傳統(tǒng)的玻璃絕緣子，由于受到玻璃絕緣子燒結(jié)工藝的限制，只能通過增大其在底板平面內(nèi)的環(huán)徑尺寸，來增加有效爬電距離，但是以犧牲繼電器整體結(jié)構(gòu)尺寸和重量為代價(jià)。同時(shí)受到玻璃燒結(jié)工藝的限制，實(shí)際上玻璃絕緣子的環(huán)徑尺寸做大比較困難。陶瓷絕緣子具有易加工，結(jié)構(gòu)多樣化的特點(diǎn)，可以有效增加絕緣子外表面的爬電距離，文獻(xiàn)[2]從理論上推導(dǎo)出絕緣子有效爬電距離與結(jié)構(gòu)參數(shù)及污穢程度的關(guān)系為

式中，Lp為絕緣子有效爬電距離（cm）；D為絕緣子的平均直徑（cm）；dc為量綱常數(shù)；n為常量。ρESDD鹽密度。通過上式，可以初步算得絕緣子的爬電距離，但沒有考慮到結(jié)構(gòu)尖端放電和氣氛氣壓等環(huán)境影響。繼電器接觸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須通過電場(chǎng)模擬技術(shù)、仿真手段等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，避免形成極度梯度集中的部位。

以立方英寸繼電器底座組的耐壓仿真設(shè)計(jì)為例，討論絕緣子爬電距離耐壓仿真設(shè)計(jì)。

在三維電場(chǎng)中，以標(biāo)量電位φ作為待求量，并配以正確的邊界條件作為定解條件。三維電場(chǎng)滿足如下方程：

式中， φ( x, y, z)為三維標(biāo)量電位， εr(x, y, z )為3個(gè)方向矢量上的相對(duì)介電常數(shù)， ε0為真空的介電常數(shù)， ρV(x, y, z)為體電荷密度。

一旦標(biāo)量電位得到求解，可以由麥克斯韋微分方程組直接得到電場(chǎng)強(qiáng)度E。

將空氣介質(zhì)在不同溫度和氣壓環(huán)境下的擊穿場(chǎng)強(qiáng)作為判定依據(jù)，對(duì)耐壓結(jié)構(gòu)電場(chǎng)仿真結(jié)果進(jìn)行分析，來設(shè)計(jì)滿足要求的底座組結(jié)構(gòu)。

擊穿電壓Ud是壓力P和電氣間隙d的函數(shù)，當(dāng)d=1mm，環(huán)境壓力為 105Pa時(shí)，室溫下空氣介質(zhì)在均勻電壓下的擊穿電壓Ud=4kV，對(duì)應(yīng)擊穿場(chǎng)強(qiáng)為Ed=4kV/mm，擊穿電壓Ud與壓力P和溫度T的關(guān)系如下式所示[3]：

式中，Ud0、p0和T0分別為大氣環(huán)境下的擊穿電壓、壓力和溫度。

通過上式我們可以計(jì)算得到環(huán)境溫度為 160℃時(shí)，空氣介質(zhì)對(duì)應(yīng)的擊穿場(chǎng)強(qiáng)Ed=2.7kV。

產(chǎn)品底座組仿真的初始條件：

表1 主要尺寸參數(shù)

給定材料空氣、陶瓷、玻璃以及可伐合金介電常數(shù)，引出桿載荷為3000V直流電壓。底板施加0電壓。對(duì)給定電場(chǎng)分析模型進(jìn)行場(chǎng)強(qiáng)求解。

圖1 玻璃絕緣子場(chǎng)強(qiáng)分布

從仿真結(jié)果可以看出，通過經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算并加以安全系數(shù)考慮獲得的玻璃絕緣子環(huán)徑尺寸，其絕緣子內(nèi)部的電場(chǎng)強(qiáng)度Ed=3kV/mm，小于7kV/mm滿足絕緣材料的耐壓設(shè)計(jì)要求。但在圖1絕緣子外緣棱邊處電場(chǎng)強(qiáng)度在4kV/mm量級(jí)上，處于空氣擊穿場(chǎng)強(qiáng)常溫臨界狀態(tài)。而且環(huán)境溫度為 160℃時(shí)，大于空氣介質(zhì)對(duì)應(yīng)的擊穿場(chǎng)強(qiáng)Ed=2.7kV，繼電器在局部溫升較高時(shí)，容易擊穿。陶瓷絕緣子其內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)Ed=1.8kV/mm，小于15kV/mm擊穿場(chǎng)強(qiáng)滿足常溫下的耐壓設(shè)計(jì)要求，圖2絕緣子左右下緣空氣處，出現(xiàn)局部3kV/mm的場(chǎng)強(qiáng)分布，大于環(huán)境溫度為160℃時(shí)，空氣介質(zhì)對(duì)應(yīng)的擊穿場(chǎng)強(qiáng)Ed=2.7kV。

圖2 陶瓷絕緣子場(chǎng)強(qiáng)分布

底板平面內(nèi)在布置較多引出桿時(shí)，絕緣子徑向設(shè)計(jì)尺寸有限，同時(shí)受到玻璃燒結(jié)工藝的限制，絕緣子徑向尺寸無法做大，對(duì)陶瓷絕緣子進(jìn)行空間爬電距離設(shè)計(jì)，來滿足高耐壓設(shè)計(jì)要求是一個(gè)很好的解決辦法。圖3給出環(huán)徑尺寸相同，在垂直于底板平面方向加厚并設(shè)有臺(tái)階的陶瓷絕緣子結(jié)構(gòu)。從電場(chǎng)仿真結(jié)果看以看到，經(jīng)過空間爬電距離設(shè)計(jì)的陶瓷絕緣子，絕緣子外緣空氣場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)最大值為1kV/mm，小于環(huán)境溫度為 160℃時(shí)，空氣介質(zhì)對(duì)應(yīng)的擊穿場(chǎng)強(qiáng)Ed=2.7kV。確保了絕緣子的高耐壓設(shè)計(jì)要求。

圖3 經(jīng)爬電設(shè)計(jì)陶瓷絕緣子場(chǎng)強(qiáng)分布

2 電磁繼電器耐壓試驗(yàn)

我們根據(jù)仿真結(jié)果試制了玻璃絕緣子（圖1絕緣子結(jié)構(gòu)）和陶瓷絕緣子（圖3絕緣子結(jié)構(gòu)）兩種耐壓底座組結(jié)構(gòu)。耐壓對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果如下。

圖4 玻璃燒結(jié)底座組

圖5 金屬陶瓷封接底座組

耐壓要求：3000Vd.c.1mA,60s。試制的玻璃燒結(jié)底座組繼電器。其介質(zhì)耐壓測(cè)試結(jié)果見表2。

表2 玻璃燒結(jié)底座組主觸點(diǎn)與外殼、線圈、輔助觸點(diǎn)之間耐壓測(cè)試

從測(cè)試結(jié)果可以看出，主觸點(diǎn)和外殼以及線圈間的介質(zhì)耐壓不能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

表3 陶瓷封接底座組主觸點(diǎn)與外殼、線圈、輔助觸點(diǎn)之間耐壓測(cè)試

從測(cè)試結(jié)果可以看出，金屬陶瓷封接底座組可以滿足耐壓設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)論

通過仿真設(shè)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證，研制了基于陶瓷絕緣子的立方英寸繼電器產(chǎn)品。結(jié)果表明，陶瓷絕緣子可以滿足多引出桿立方英寸繼電器產(chǎn)品的高耐壓設(shè)計(jì)要求，在不改變絕緣子徑向尺寸的前提下增加絕緣子厚度和增設(shè)臺(tái)階，可以大幅提高繼電器產(chǎn)品的耐電壓等級(jí)。有效避免結(jié)構(gòu)尖端放電和氣氛氣壓等環(huán)境影響。

[1] 鄭天丕. 繼電器制造·工藝·使用[M].北京：電子工業(yè)出版社, 1996.

[2] 舒立春,冉啟鵬,蔣興良,等.瓷和玻璃絕緣子人工污穢交流閃絡(luò)特性及有效爬電系數(shù)的比較[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2007,27(9)：6-10.

[3] 陳德桂.低壓斷路器的虛擬樣機(jī)技術(shù)[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社, 2009.