一种耐高压立方英寸电磁继电器的研制

2012-09-22郝长岭邓力明马瑞琳

电气技术 2012年11期

孙超李明郝长岭邓力明马瑞琳

（1.北京航天微机电技术研究所，北京 100094；2.桂林航天电子有限公司，广西桂林 541002）

随着用电功率的增大，继电器的电压等级越来越高。用于通断高压负载的电磁继电器，其触点间、主触点与其他部位的耐电压设计直接是影响继电器的工作可靠性。由于许多场合对继电器的尺寸和重量要求比较苛刻，不能一味通过增加继电器结构尺寸来提高其耐压等级。因此，如何在不增加继电器外形尺寸的情况下，有效提高继电器的耐电压能力是高压继电器研制的关键问题。

目前电磁继电器耐压设计方法可分为三大类别：材料耐压设计、耐压结构设计和绝缘间隙设计。材料耐压设计主要针对体电阻率和击穿强度参数来进行材料选用。耐压结构形式主要通过增加结构爬电距离以及进行零部件的非均匀电场控制，防止尖角放电来对结构进行耐压设计。绝缘间隙设计主要依据气氛的巴申曲线来指导结构间隙大小设计。

继电器底座组的耐压设计是继电器整体耐压设计的关键，传统的电磁继电器采用玻璃绝缘子来实现继电器引出杆和底板外壳之间的耐压设计，技术可满足目前1250Vr.m.s.介质耐压设计要求。局限于玻璃烧结工艺的底座组玻璃绝缘子设计方法，沿绝缘子环径方向尺寸增加有限，并且耐压结构形式单一，没有拓展空间，试验表明其无法满足高介质耐压的设计要求。

陶瓷绝缘子在继电器耐压设计上的应用尚不多见，本文通过对立方英寸电磁继电器底座组耐压结构形式的分析，讨论了陶瓷绝缘子的耐压设计思路和方法，并试制了陶瓷绝缘子耐高压继电器产品，通过试验验证了采用陶瓷绝缘子结构可以大幅提高继电器产品的耐压水平。

1 电磁继电器底座组结构耐压设计计算

1.1 底座组绝缘子材料耐压设计

绝缘子的尺寸取决于继电器底座组结构，而继电器的电气与机械特性又受到绝缘子材料和尺寸的牵制。绝缘子用玻璃材料的电压击穿强度一般在7000Vd.c./mm左右，常用95瓷材料的击穿强度能达到15kVd.c./mm至18kVd.c./mm，不难得知，基于95瓷的陶瓷绝缘子沿厚度方向材料耐压水平是玻璃绝缘子的2.1～2.5倍。根据玻璃绝缘子的击穿电压计算公式[1]，可以推得陶瓷绝缘子的击穿电压计算公式：

式中，V为引出端与底板间的击穿电压（kV）；A为陶瓷绝缘子与玻璃绝缘子的击穿电压强度比值；b为绝缘子的厚度（mm）， b=(D -d )/2；d为引出端直径（mm）；D为绝缘子外径（mm）。

通过对击穿电压的计算，可以初步确定玻璃和陶瓷绝缘子沿环径方向的基本厚度尺寸。

1.2 电磁继电器绝缘子结构爬电距离设计

绝缘子的爬电距离是绝缘子的重要尺寸参数，在一定程度上它表征了绝缘子的电气性能和经济性能。高压绝缘子爬电距离是指正常承受运行电压的两极间沿绝缘件外表面轮廓的最短距离。

传统的玻璃绝缘子，由于受到玻璃绝缘子烧结工艺的限制，只能通过增大其在底板平面内的环径尺寸，来增加有效爬电距离，但是以牺牲继电器整体结构尺寸和重量为代价。同时受到玻璃烧结工艺的限制，实际上玻璃绝缘子的环径尺寸做大比较困难。陶瓷绝缘子具有易加工，结构多样化的特点，可以有效增加绝缘子外表面的爬电距离，文献[2]从理论上推导出绝缘子有效爬电距离与结构参数及污秽程度的关系为

式中，Lp为绝缘子有效爬电距离（cm）；D为绝缘子的平均直径（cm）；dc为量纲常数；n为常量。ρESDD盐密度。通过上式，可以初步算得绝缘子的爬电距离，但没有考虑到结构尖端放电和气氛气压等环境影响。继电器接触系统的设计必须通过电场模拟技术、仿真手段等进行优化设计，避免形成极度梯度集中的部位。

以立方英寸继电器底座组的耐压仿真设计为例，讨论绝缘子爬电距离耐压仿真设计。

在三维电场中，以标量电位φ作为待求量，并配以正确的边界条件作为定解条件。三维电场满足如下方程：

式中， φ( x, y, z)为三维标量电位， εr(x, y, z )为3个方向矢量上的相对介电常数， ε0为真空的介电常数， ρV(x, y, z)为体电荷密度。

一旦标量电位得到求解，可以由麦克斯韦微分方程组直接得到电场强度E。

将空气介质在不同温度和气压环境下的击穿场强作为判定依据，对耐压结构电场仿真结果进行分析，来设计满足要求的底座组结构。

击穿电压Ud是压力P和电气间隙d的函数，当d=1mm，环境压力为 105Pa时，室温下空气介质在均匀电压下的击穿电压Ud=4kV，对应击穿场强为Ed=4kV/mm，击穿电压Ud与压力P和温度T的关系如下式所示[3]：

式中，Ud0、p0和T0分别为大气环境下的击穿电压、压力和温度。

通过上式我们可以计算得到环境温度为 160℃时，空气介质对应的击穿场强Ed=2.7kV。

产品底座组仿真的初始条件：

表1 主要尺寸参数

给定材料空气、陶瓷、玻璃以及可伐合金介电常数，引出杆载荷为3000V直流电压。底板施加0电压。对给定电场分析模型进行场强求解。

图1 玻璃绝缘子场强分布

从仿真结果可以看出，通过经验公式计算并加以安全系数考虑获得的玻璃绝缘子环径尺寸，其绝缘子内部的电场强度Ed=3kV/mm，小于7kV/mm满足绝缘材料的耐压设计要求。但在图1绝缘子外缘棱边处电场强度在4kV/mm量级上，处于空气击穿场强常温临界状态。而且环境温度为 160℃时，大于空气介质对应的击穿场强Ed=2.7kV，继电器在局部温升较高时，容易击穿。陶瓷绝缘子其内部场强Ed=1.8kV/mm，小于15kV/mm击穿场强满足常温下的耐压设计要求，图2绝缘子左右下缘空气处，出现局部3kV/mm的场强分布，大于环境温度为160℃时，空气介质对应的击穿场强Ed=2.7kV。

图2 陶瓷绝缘子场强分布

底板平面内在布置较多引出杆时，绝缘子径向设计尺寸有限，同时受到玻璃烧结工艺的限制，绝缘子径向尺寸无法做大，对陶瓷绝缘子进行空间爬电距离设计，来满足高耐压设计要求是一个很好的解决办法。图3给出环径尺寸相同，在垂直于底板平面方向加厚并设有台阶的陶瓷绝缘子结构。从电场仿真结果看以看到，经过空间爬电距离设计的陶瓷绝缘子，绝缘子外缘空气场的场强最大值为1kV/mm，小于环境温度为 160℃时，空气介质对应的击穿场强Ed=2.7kV。确保了绝缘子的高耐压设计要求。