CN107703444A - 一种磁保持继电器浪涌电流安全曲线的获取方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于磁保持继电器浪涌电流安全曲线的获取方法，选取不同的浪涌电流峰值I和浪涌持续时间t，试验获得指定继电器的不同浪涌持续时间下的浪涌电流安全工作点，结合继电器浪涌电流安全曲线模型，获取所述指定继电器的专用浪涌电流安全曲线。与以往的继电器安全曲线相比，本发明方法考虑了触点电弧浪涌电流对触点熔焊的影响，测试结果曲线更加符合继电器的实际工作状态。同时，经测试获取的浪涌电流安全曲线适用于对存在浪涌电流的电路，可以有效指导继电器的安全使用。

Description

一种磁保持继电器浪涌电流安全曲线的获取方法
技术领域
本发明属于航天技术领域，涉及一种磁保持继电器浪涌电流安全曲线的获取方法。
背景技术
磁保持继电器广泛应用于卫星供配电分系统，其主要功能是控制电源的接通和断开。继电器的安全、可靠性使用接关系到整星的供电安全，甚至整星任务的成败。由于设备厂商出于EMC设计考虑，均在设备输入端并联较大的滤波电容，导致设备加电瞬间产生较大的电容充电浪涌电流而造成的继电器触点粘连损伤故障，目前国内多次出现磁保持继电器触点熔焊粘连的问题。经失效分析，确认出现触点粘连的继电器均是由于过电应力导致触点发生瞬态电弧烧蚀而发生触点熔焊故障。
触点故障率约占整个继电器故障率的90％以上。其中，熔焊故障是继电器最为严重的故障之一。由于设备输入端并联较大的滤波电容，继电器触点闭合瞬间会产生瞬态浪涌电流，导致继电器触点受损伤甚至粘连。出现粘连的继电器均是由于过电应力导致触点发生瞬态电弧烧蚀而发生粘连故障。研究表明继电器触点的粘连既可能发生在触点闭合过程，也可能发生触点分断过程，参见文献1(姜东升，张沛，柳新军.航天继电器浪用电流作用下电接触寿命研究.航天器环境工程，30卷N0.6，2013)。
对于输入端装有滤波电容电路的负载，如图1，由电容充电引起的浪涌电流是造成触点闭合粘连故障的主要因素。继电器闭合瞬间这些电容需要输入电流对其充电直至稳态电压，这充电电流即为浪涌电流。图2展示了一个典型的浪涌电流波形。它有两个尖峰。第一个是滤波电容导致的浪涌电流尖峰；这个峰值由注入滤波电容和负载的输入端电容的电流构成，其对电容充电直至电容电压达到稳态值。第二个电流峰值是负载电压建立时过冲产生的。
解决此类浪涌电流对继电器触点损伤的方法通常有两种，一种是增加浪涌抑制手段，包括采用MOSFET器件构成的浪涌抑制电路或限流电阻，参见文献2(姜东升，张翼，柳新军.航天磁保持继电器触点粘连故障机理分析及保护技术研究。航天器环境工程，30卷N0.6，2016)；但是这种解决方案会导致设备电路复杂、可靠性降低、质量和成本增加。
另一种解决方案是对继电器增加浪涌电流安全线指标，在设计初期即通过设计确保设备电路造成的浪涌电流能量低于继电器浪涌电流安全线，确保不会对继电器造成损伤。该方案对于优化浪涌抑制手段的使用条件，提高继电器的使用安全性具有重要意义。但是继电器常用的安全曲线只适用于稳态工作电压和电流条件，对于存在浪涌电流的电路不适用。因此，如何获取一条合理的继电器浪涌电流安全曲线是本发明的重点。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种磁保持继电器浪涌电流安全曲线的获取方法，能够适用于存在浪涌电流的电路，结合继电器的安全点，获取特定继电器的专用安全使用曲线参数，指导继电器的工程使用，可以有效减少继电器触点熔焊故障的发生。
为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：
一种适用于磁保持继电器浪涌电流安全曲线的获取方法，其特征在于，选取不同的浪涌电流峰值I和浪涌持续时间t，试验获得指定继电器的不同浪涌持续时间下的浪涌电流安全工作点，结合继电器浪涌电流安全曲线模型，获取所述指定继电器的专用浪涌电流安全曲线。
优选地，选取不同的浪涌电流峰值I和浪涌持续时间t为：根据指定继电器触点的额定电流Irate，选取过应力系数K＝2,3,…,m，m为选取的过应力系数最大值，则设定试验所用的浪涌电流峰值电流为KIrate；根据指定继电器的闭合抖动时间Ts选定浪涌电流脉冲宽度参数即浪涌持续时间t＝Ts/N，N＝1,2,…,n，n为设定值。
优选地，m＝6，n＝5。
优选地，所述试验获得指定继电器的不同浪涌持续时间下的浪涌电流安全工作点为：一组I和t构成一对试验参数，令施加在指定继电器上的试验参数变化，针对每一对试验参数，进行继电器触点闭合、断开的循环试验；在设计的闭合试验次数内，若没有发生触点熔焊现象，则当前试验参数是浪涌电流安全工作点。
优选地，所述结合继电器浪涌电流安全曲线模型，获取所述指定继电器的专用浪涌电流安全曲线为：从获得的浪涌电流安全工作点中，选取同一浪涌持续时间t对应的浪涌电流峰值最大值Imax，将选取的所有(t,Imax)作为拟合数据点；利用所述继电器浪涌电流安全曲线模型进行拟合，获得模型参数，即可得到指定继电器的专用浪涌电流安全曲线。
优选地，所述安全曲线模型采用电弧电流的指数曲线：kI2t；其中，k为针对指定继电器待定的模型参数。
优选地，所述令施加在指定继电器上的试验参数变化为：在继电器的负载端使用电阻电容网络匹配实现浪涌电流脉冲的产生，通过调节电阻、电容值使得浪涌电流峰值I和浪涌持续时间t变化。
优选地，所述电阻电容网络包括限流电阻R0、稳流电阻R1、负载电容C和电容等效串联电阻rc；负载电容C与电容等效串联电阻rc串联后与稳流电阻R1并联，并联电路一端连接电源电压V的正极，另一端串联限流电阻R0和指定继电器的触点Kc后连接电源电压V的负极；通过调整稳流电R1和负载电容C的大小，令施加在指定继电器上的试验参数变化。
有益效果：
(1)本发明方法克服了继电器常用安全曲线只适用于稳态工作电压和电流条件，经试验获取的浪涌电流安全曲线适用于对存在浪涌电流的电路，可以有效指导继电器的安全使用。
(2)相对于传统使用两倍继电器触点额定电流方波对继电器触点进行加载的电流过载试验方法，可以更精确的模拟实际电路的状态，对继电器的实际安全使用更有指导意义。
(3)本发明方法考虑了浪涌电流峰值和浪涌电流持续时间两个应力因子对触点熔焊粘连的影响，试验结果曲线更加符合继电器的实际工作状态。
(4)在测试过程中使用试验矩阵表设计试验参数，有效保证试验样本覆盖继电器触点熔焊条件，排除由于试验设计不合理因素对试验结果带来的影响。
附图说明
图1为设备电源输入接口滤波电路；
图2为典型的浪涌电流波形及浪涌电流峰值和持续时间；
图3为继电器安全曲线测试试验装置图；
图4为试验获得数据绘制的继电器安全曲线；
图5为本发明流程图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种磁保持继电器浪涌电流安全曲线的获取方法，其基本思想是，选取不同的浪涌电流峰值I和浪涌持续时间t，试验获得指定继电器的不同浪涌持续时间下的浪涌电流安全工作点，结合继电器浪涌电流安全曲线模型，获取所述指定继电器的专用浪涌电流安全曲线。
与以往的继电器安全曲线相比，本发明方法考虑了触点电弧浪涌电流对触点熔焊的影响，利用浪涌电流峰值和持续时间两个应力因子试验获得继电器的不同浪涌持续时间下的浪涌电流安全工作点，结合继电器的安全点，获取特定继电器的专用安全使用曲线参数，测试结果曲线更加符合继电器的实际工作状态。同时，经测试获取的浪涌电流安全曲线适用于对存在浪涌电流的电路，可以有效指导继电器的安全使用，减少继电器触点熔焊故障的发生。
该方法包括三个主要方面：继电器浪涌电流安全曲线模型选定、继电器浪涌电流损伤及寿命实验测试、继电器浪涌电流安全曲线拟合测试。
下面结合图5对整个方案的实施进行详细描述。
首先，对继电器浪涌电流安全曲线模型函数的选定进行如下分析：
1)分析继电器触点的熔焊模式，触头闭合过程中，由于闭合时的预击穿电弧或触头弹跳过程中形成的电弧能量动、静触头接触面金属熔融而形成熔焊。
2)分析继电器触点的熔焊导致原因，影响熔焊的因素，主要有弹跳特征、触头极性、材料性质、电弧能量、电弧效应。定型的继电器，电弧能量是影响触点粘连的主要因素。
3)分析计算继电器闭合瞬间输入触头表面的电弧能量E：
式中：E—电弧能量；
I—电弧电流峰值；
R—接触电阻；
Ta—电弧持续时间；
t—时间；
4)根据继电器闭合瞬间输入触头表面的电弧能量方程可以确定，继电器触点的熔焊故障与电弧电流的平方值大小相关，浪涌电流安全曲线选用电弧电流的指数表达式：
k(I)2t
式中：t—为浪涌电流持续时间；
k—为系数，也是本发明针对指定继电器待定的模型参数。
接着，继电器浪涌电流损伤及寿命实验测试通过如下步骤进行：
1)选取影响继电器触点熔焊的关键电路参数：选取不同的触点浪涌电流峰值I和浪涌持续时间两个应力因子，制定试验矩阵。
根据继电器触点的额定电流Irate，选取过应力系数K＝2，3，…5，m，m为选取的过应力系数最大值，这里m＝6；设定试验浪涌峰值电流为KIrate。根据继电器闭合抖动时间Ts选定浪涌电流脉冲宽度参数即浪涌持续时间t＝Ts/N,N＝1,2…n。n为设定值，n越大，持续时间划分越细密。
制定如下试验矩阵表1：
表1
2)搭建向继电器施加两个应力因子的硬件电路。
为了令施加在指定继电器上的试验参数变化，本发明在继电器的负载端使用电阻电容网络匹配实现浪涌电流脉冲的产生，同时通过调节电阻、电容的参数确保浪涌峰值电流I、浪涌持续时间t满足试验矩阵的各试验点的要求。
可以按照图3搭建试验电路图，图3中Kc为被测试继电器功率触点，R0为限流电阻，R1为稳流电阻，C为负载电容，rc为电容等效串联电阻；R1、C、R0、rc组成触点电弧电压分压器，V为电源电压。负载电容C与电容等效串联电阻rc串联后与稳流电阻R1并联，并联电路一端连接电源电压的正极，另一端串联限流电阻R0和指定继电器的触点后连接电源电压的负极；调整R1和C的大小，在继电器触点Kc闭合时，回路中就会产生不同浪涌条件下的浪涌电流。
浪涌电流峰值：I峰＝V/(rc+R0)
浪涌时间：
3)按照上述建立的试验矩阵表1，一组I和t构成一对试验参数，针对每一对试验参数，进行继电器触点闭合、断开的循环试验。
4)在设计闭合试验次数内，如果发生触点熔焊现象，则表示出现熔焊故障，当前试验参数对在安全曲线包络范围外；若未发生则表明通过试验，当前试验参数在安全曲线包络范围内，是浪涌电流安全工作点。
最后，结合继电器浪涌电流安全曲线模型，继电器浪涌电流安全曲线获取通过如下步骤进行：
1)从获得的浪涌电流安全工作点中，选取安全曲线拟合数据点，选取原则为：每个浪涌电流脉冲宽度参数(即t)下对应的浪涌电流峰值最大者Imax；将选取的所有(t,Imax)作为拟合数据点。
2)利用继电器浪涌电流安全曲线模型k·(I)2·t对拟合数据点进行拟合，获取模型参数k，即可获得该继电器的专用触点浪涌电流安全曲线。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种适用于磁保持继电器浪涌电流安全曲线的获取方法，其特征在于，选取不同的浪涌电流峰值I和浪涌持续时间t，试验获得指定继电器的不同浪涌持续时间下的浪涌电流安全工作点，结合继电器浪涌电流安全曲线模型，获取所述指定继电器的专用浪涌电流安全曲线。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，选取不同的浪涌电流峰值I和浪涌持续时间t为：根据指定继电器触点的额定电流Irate，选取过应力系数K＝2,3,…,m，m为选取的过应力系数最大值，则设定试验所用的浪涌电流峰值电流为KIrate；根据指定继电器的闭合抖动时间Ts选定浪涌电流脉冲宽度参数即浪涌持续时间t＝Ts/N，N＝1,2,…,n，n为设定值。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，m＝6，n＝5。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述试验获得指定继电器的不同浪涌持续时间下的浪涌电流安全工作点为：一组I和t构成一对试验参数，令施加在指定继电器上的试验参数变化，针对每一对试验参数，进行继电器触点闭合、断开的循环试验；在设计的闭合试验次数内，若没有发生触点熔焊现象，则当前试验参数是浪涌电流安全工作点。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述结合继电器浪涌电流安全曲线模型，获取所述指定继电器的专用浪涌电流安全曲线为：从获得的浪涌电流安全工作点中，选取同一浪涌持续时间t对应的浪涌电流峰值最大值Imax，将选取的所有(t,Imax)作为拟合数据点；利用所述继电器浪涌电流安全曲线模型进行拟合，获得模型参数，即可得到指定继电器的专用浪涌电流安全曲线。
6.如权利要求1至5任意一项所述的方法，其特征在于，所述安全曲线模型采用电弧电流的指数曲线：kI2t；其中，k为针对指定继电器待定的模型参数。
7.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述令施加在指定继电器上的试验参数变化为：在继电器的负载端使用电阻电容网络匹配实现浪涌电流脉冲的产生，通过调节电阻、电容值使得浪涌电流峰值I和浪涌持续时间t变化。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述电阻电容网络包括限流电阻R0、稳流电阻R1、负载电容C和电容等效串联电阻rc；负载电容C与电容等效串联电阻rc串联后与稳流电阻R1并联，并联电路一端连接电源电压V的正极，另一端串联限流电阻R0和指定继电器的触点Kc后连接电源电压V的负极；通过调整稳流电R1和负载电容C的大小，令施加在指定继电器上的试验参数变化。
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