高電圧 DC リレーの寿命に影響を与える要因は何ですか?

高電圧 DC リレーは、もともと主に電力産業や航空宇宙産業で使用されていました。近年、電気自動車の普及が徐々に進んでおり、配電システムの駆動は高電圧 DC リレーの非常に重要なアプリケーション シナリオとなっています。高電圧は、24V、48V の低電圧システムを基準としています。一部の低速電気自動車は、60V および 72V システムの電源構成を選択します。一般に高速乗用車の電圧は200V以上ですが、バスでは600V以上に達する場合もあります。この電圧位相の要件を満たすリレーは、高電圧 DC リレーと呼ばれます。

高電圧 DC リレーの寿命には、機械的寿命と電気的寿命の 2 つのパラメータが含まれます。機械的寿命に影響を与える要因としては、接点の材質、開閉機構の設計・製造レベルなどが挙げられます。電気的寿命のボトルネックは主に接点寿命です。

1.磁界アーキングが接点の電気的寿命に及ぼす影響

下図に示すように、リレーにおける磁気ブロー設計の原理を説明します。左側の静的接点は、図に示されている電流の方向に従って、右手の法則を使用してコイル磁界の方向を決定します。アークは、静的接点間の媒体を突き破る電圧によって形成されるイオン化チャネル内の電流です。電磁相互作用の法則に完全に従います。アークによって発生する磁場を図に示します。左手の法則を使用して、円弧の力の方向を決定します。力の方向は図の F で示されます。

磁気吹きとは、永久磁石や電磁石を利用して磁界を発生させることです。磁場がアークと相互作用する方向は、回路を動的および静的接点から引き離す方向です。

可動接点の急激な動きと磁気吹き付け効果により、アークが伸びてアーク抵抗が急激に増加し、アーク電流が急激に低下し、アークの熱効率が低下します。温度が低下すると媒体のイオン化度が低下し、アーク チャネルの導電率が低下します。アークが外側に移動する過程で、アークを切断し、アークを冷却する他の手段を同時に使用してアークを引っ張ると、アークはより早く消えます。

アーク時間を短縮することは、接点を保護する重要な手段です。優れた磁気ブロー設計はリレーの寿命を確実に延ばします。磁気ブローは、スペース要件がそれほど厳しくない高出力リレーやコンタクタで広く使用されていますが、小型リレーでは、同様のデバイスが個別の製品用に設計されています。

2. 周囲気圧が接点の電気的寿命に及ぼす影響

アーク時間を短縮するために、上記の磁気吹き付けによるアークの吸引方法の他に、接点の開閉環境を変更したり、密閉されたアーク消弧室にガスを充填したりするなど、狭い空間でのアークを消弧する方法がよく行われます。イオン化エネルギーの高いガス、または消弧室が真空にされている。

高圧ガスアークの原因

イオン化エネルギー。ガス原子が電子を失ってカチオンになる過程では、原子核の電子への引力、つまり電子を原子軌道から引き抜いて自由電子にするエネルギーに打ち勝つ必要があります。これは、そのような元素のイオン化エネルギーです。イオン化エネルギーが高いほど、原子はイオン化しにくくなり、陽イオンになりにくくなり、金属性が弱くなります。逆に、電子を失いやすく陽イオンになりやすいほど、金属性が強くなります。周期表では、最も高いイオン化エネルギーはヘリウムであるため、密閉されたアーク消弧室にヘリウムを充填することができ、これによりリレーのアーク消弧能力が向上します。

高圧ガス環境におけるアーク放電の原因を説明する研究は数多くあります。一般的なポイントは次のとおりです。高圧ガス室では、アーキングは 2 段階で実行されます。カソード接点は、温度または電圧の作用下で電子を放出し、アノードによって受け取られて最初の降伏が形成されます。アークの初期形成により高温のイオン化ガス陽イオンがもたらされ、アークのイオン経路がさらに拡張されて、より大規模なアークが形成されます。

真空アークの原因

真空条件下では、イオン化できる媒体は存在しません。アークを燃やすのは難しいですが、それでも燃える可能性はあります。動的接点と静的接点が分離される瞬間に、接点上の金属が蒸発して金属イオンチャネルが形成され、チャネル内にアークが形成されます。このようなイオンチャネルがどのように形成されるかについては、いくつかの異なる説明があります。

まず、高温放出電子の理論を説明します。カソード接点にはスポットと呼ばれる元々の欠陥があると考えられています。これは、スポット位置抵抗が比較的大きく、通電時の局所温度が比較的高いためと考えられる。動的接点と静的接点が分離されようとしているとき、高温部分は陽極に電子を放出し、最初にアークを形成し、アークが燃焼し、接点材料が蒸発し、さらに金属蒸気を形成し、その後真空中でアークを形成します。

電界放出理論の 2 番目の説明は、動的接点と静的接点の間に印加された電圧が十分に高い場合、カソードには電子を放出する能力があるということです。動的接触と静的接触が分離されようとしているとき、通常、相互に最終的な接触位置があり、この面は確実に小さくなります。電界放出電子流はこの極めて小さな領域を通ってアノードに流れ、巨大な電流密度がカソードとアノードの両方に劇的な熱影響を与え、その点から溶融が徐々に接点全体に広がり、接触面が溶けてしまいます。金属蒸気を発生させます。イオン化環境が改善されると、電子流の規模が拡大し、真空アークが形成されます。

真空度：一般に真空度が高いほど破壊されにくく、アークが発生しにくくなります。理想的な条件下では、絶縁耐力は 0.1 mm あたり 10,000 V のレベルに達します。しかし、真空度が一定のレベルに達すると、それ以上増加しても耐圧は低下しません。上の曲線に示すように、真空度と破壊電圧の関係を示しています。ブレークダウン電圧が低いほど、アークの形成と維持が容易になります。つまり、アーク時間は長くなります。真空度は気圧によって直接測定されます。気圧が低いほど真空度は高くなります。

真空密閉消弧室を実現するには、優れた材料と密閉技術が必要です。セラミックと樹脂の密閉消弧室、2 種類の密閉消弧室技術が同時に使用されており、明確な利点を達成した人はいません。

セラミック密閉アーク消火室はセラミックの耐高温特性を利用しており、アーク温度が非常に高くなります（中心部は5000℃に達する場合もあります）。一般に、材料はそのような温度に耐えることができませんが、セラミックはこの要件を満たすことができます。しかし、セラミックは技術的に封止が困難です。

樹脂製消弧室はセラミックスに比べて封止技術に優れていますが、耐高温性が十分ではありません。

3. 機械的パラメータが接点の電気的寿命に及ぼす影響

コンタクトの電気的寿命に関連する構造パラメータには、接触面積、遮断機構、コンタクト接触圧力などが含まれます。

接触面積、つまり動的接点と静的接点の接触面積が大きいほど、電流の経路が大きくなり、接触抵抗が低減され、温度上昇が低減されます。リレーが閉じるか切断されると、小さなアークからの熱が大きな接点によってより容易に放散されるため、接点が溶融するリスクが軽減されます。

遮断機構はリレー設計におけるもう 1 つの技術的なポイントです。機構自体は安定した動作サイクルを持っています。開始から最大開位置までの最終動作までに必要な時間は、アーク時間に直接影響します。

動的接触と静的接触の接触圧力、動的接触と静的接触の間には常に接触抵抗があり、接触圧力が大きいほど抵抗は小さくなります。接触圧力が大きいと、通常の動作条件下でのリレーの電気損失と温度上昇を軽減できます。接触面の比較的小さな損傷や隆起したバリは、大きな圧力がかかっても重大な悪影響を引き起こしません。いくつかの点が閉じられた後、接触間の衝撃によってこれらの小さな欠陥は滑らかになります。

4.消弧室の気密性

真空遮断器内で完全なシールを達成することは不可能であり、シェルの溶接部から空気漏れが発生する可能性があります。設計指標には許容エア漏れ係数が含まれており、慢性的なエア漏れは避けられません。さらに、電気自動車でのリレーの使用、いつでもどこでも厳しい振動環境では、シールの品質も真剣にテストされます。

密閉キャビティ内に空気が多く入り、ケースの密閉性が悪化すると、消弧室の真空度が徐々に低下し、消弧能力が徐々に低下し、リレーの寿命を左右する重要な要素となります。 .