Hvordan "modstår relæer lyn"? En analyse af innovativt design i høje lynmodstandsdygtige relæer

Når en massiv lynstrøm strømmer ind i en relæ , er kontaktsystemet ofte det første, der fejler. I dette øjeblik genereres en betydelig Holm-kraft på kontaktfladerne. Denne elektromagnetiske kraft frastøder kontakterne voldsomt, hvilket får kredsløbet - som bør forblive lukket - til at åbne unormalt, hvilket fører til udstyrsfejl.

Konventionelle relæer synes utilstrækkelige til at løse denne vanskelighed. Nylige tekniske innovationer anvender genialt Lorentz-styrken til at afbøde Holm-styrken, så man opnår en stabiliserende effekt af at "bruge magt til at modvirke magt."

Skematisk diagram af Lorentz kraftgenereringsmekanisme

Lynudfordring: Kernefysisk mekanisme for kontaktafvisning

Truslen fra lyn til relæer er centreret om øjeblikkelig ekstremt stor strøm. Når lynstrømmen (som kan nå titusvis af kiloampere) passerer gennem det smalle kontaktområde på et relæ, genererer det to nøglekræfter mellem kontakterne.

Den første er Holm-kraften (også kaldet kontaktafstødningskraft). Det stammer fra den alvorlige indsnævringseffekt af strøm ved kontaktpunkterne (faktisk flere mikroskopiske skævheder). Strømledningerne er ekstremt klemt ved de mikroskopiske skævheder, hvilket producerer en stærk elektrodynamisk kraft, der forsøger at skubbe kontakterne fra hinanden. Dens størrelse er proportional med strømmens kvadrat; under et lynnedslag er dens værdi tilstrækkelig til at overvinde kontakternes normale kontakttryk.

Den anden er Lorentz-styrken. Dette er den kraft, der udøves på en strømførende leder i et magnetfelt. I et relæ udsættes strømmen, der løber gennem en specielt formet leder, for en kraft i magnetfeltet, som den selv genererer, og kraftens retning følger venstrehåndsreglen. Nøglen er, at Lorentz-kraftens retning gennem genialt design kan styres til at være modsat Holm-kraften og derved opveje dens skadelige virkninger.

Tabel 1. Sammenligning af to nøglekræfter, der virker på kontakter under lynnedslag

Industriens dilemma: Tekniske begrænsninger af traditionelt design

I lang tid var forbedring af relælyn-modstandsevnen hovedsageligt baseret på "forstærkende" tilgange, såsom at øge kontaktmaterialets hårdhed og øge kontakttrykket. Men over for Holm-kraften, som vokser med strømmens kvadrat, når disse metoder hurtigt deres grænser.

En særlig fremtrædende modsigelse viser sig i forsøg på at bruge Lorentz-kraften. I DC-relæer bruges ofte "magnetic blowout arc extinction"-teknologi, for at slukke den lysbue, der genereres ved brydning af stor strøm, hvor permanente magneter er arrangeret omkring kontakterne.

Men dette magnetfelt får den strømførende bevægelige fjeder til at opleve en yderligere Lorentz-kraft, ofte nedadgående. Denne kraft hjælper ikke kun med at modstå frastødningskraften, men kan også udligne en del af kontakttrykket, hvilket gør kontakterne nemmere at afvise fra hinanden under lynstrøm, hvilket faktisk reducerer produktets kortslutningsmodstandsevne.

Dette giver netop en teoretisk bekræftelse af den kerneudfordring, der er beskrevet i brugerens projekt: "Lorentz-kraften er let at realisere i små-gab-situationer, men meget svær at udnytte i store kontaktgab." Hvordan man præcist kan kontrollere retningen og størrelsen af ​​Lorentz-styrken, så den bliver en "allieret" snarere end en "fjende", er den største vanskelighed i design.

Innovativt gennembrud: Designfilosofi om at bruge "Force" til at modvirke "Force"

For at bryde igennem ovenstående dilemma er det nødvendigt at bevæge sig ud over lokal optimeringstænkning og udføre integreret innovativt design af relæets kontaktsystem. Avancerede tekniske løsninger kredser hovedsageligt om to kerneideer.

Idé 1: Magnetisk feltrekonstruktion for at "nulstille" eller vende skadelig Lorentz-kraft

For at imødegå bivirkningerne forårsaget af det magnetiske udblæsningsbue-slukningsfelt er en innovativ løsning at rekonstruere den rumlige magnetiske feltfordeling ved at ændre antallet, arrangementet og polariteten af permanente magneter.

For eksempel et layout med tre magneter: to magneter er placeret på de to sider af den bevægelige fjeder i bredderetningen, svarende til et sæt bevægelige og stationære kontakter; den tredje magnet er placeret på den ene side af den bevægelige fjeder i længderetningen, svarende til et andet sæt kontakter.

Nøgledesignet er, at polfladen på den tredje magnet er omtrent vinkelret på polfladerne på de to første magneter. Gennem dette specielle magnetiske kredsløbsdesign kan den netto Lorentz-kraft, der opleves af den bevægelige fjeder i det magnetiske udblæsningsbueslukningsfelt, gøres tilnærmelsesvis nul, hvilket fundamentalt eliminerer den skadelige bivirkning og sikrer, at kontakttrykket ikke forstyrres.

kematisk diagram af Holm-kraften og Lorentz-kraften

Idé 2: Strukturel innovation for effektivt at udnytte gavnlig Lorentz-kraft

For aktivt at generere en gavnlig Lorentz-kraft til at modstå Holm-kraften, er nøglen at designe en specifik strømførende ledersløjfe. En avanceret løsning vedtager et design, der kombinerer "flerstrenget fleksibel kobbertråd, der fleksibelt forbinder til en stiv bevægelig fjeder" med en "U-formet" struktur.

Kraftgenerering: Når lynstrømmen strømmer gennem den "U-formede" bevægelige fjeder og dens forbundne fleksible ledninger, kan Lorentz-kræfter i samme retning og vinkelret på kontaktplanet genereres på de to parallelle arme af den U-formede struktur i henhold til deres omkredsretning.

Kraftoverførsel og konvertering: Denne kraft virker på hele den bevægelige fjedersamling. Den fleksible forbindelse af den flerstrengede fleksible kobbertråd er afgørende, da den sikrer, at Lorentz-kraften effektivt kan overføres og omdannes til normalt tryk på kontaktfladen, i stedet for at forårsage stiv vridning eller forskydning af strukturen.

Dynamisk kompensation: Når Holm-kraften forsøger at frastøde kontakterne fra hinanden, øges den prædesignede Lorentz-kraft synkront og danner en dynamisk, adaptiv kompensationsmekanisme, der "presser" kontakterne sammen. Selve den U-formede struktur giver også bedre mekanisk stabilitet og en løftestangseffekt.

Dette design løser genialt problemet med "vanskeligheder ved at bruge Lorentz-kraft under store kontaktgab." Gennem fleksibel forbindelse og overordnet strukturelt design opnår den effektiv opsamling og udnyttelse af Lorentz-kræfter på strømførende ledere over et større område uden for small-gap-effekten (dvs. den nuværende forsnævringszone).

Skematisk diagram af det drejelejede "U-formede" kontaktstrukturdesign

Præcisionsdesign: Støtte fra simuleringsteknologi og materialevidenskab

At realisere ovenstående præcise kraftkontrol er uadskillelig fra avancerede designværktøjer og materialer.

Multifysisk koblingssimulering er blevet en uundværlig F&U-metode på dette område. Inden for områder med høj pålidelighed, såsom rumfart, har analysen af ​​forseglede elektromagnetiske relæer vedtaget en multibody dynamics-elektromagnetisk finite element tovejs interaktiv koblingsberegningsmodel.

Denne metode kan i realtid beregne vekselvirkningerne mellem transient mekanisk drejningsmoment, elektromagnetisk kraft og deformationsparametre, nøjagtigt simulere den komplekse dynamiske proces ved lynnedslag og kontrollere beregningsfejlen for nøgleparametre såsom pull-in-holdekraft på et gennemsnitligt niveau på 2,21 %.

Dette er langt bedre end traditionelle metoder baseret på statiske datatabeller, hvilket giver nøjagtige forudsigelser til optimering af parametre såsom U-formede strukturdimensioner og fleksibel trådlængde og stivhed.

Med hensyn til materialer er den bevægelige fjeder normalt lavet af højelasticitet, høj ledningsevne berylliumkobber eller fosforbronzelegering for at modstå gentagne kræfter og termisk stød. Flerstrenget fleksibel kobbertråd kræver ekstrem høj renhed og fleksibilitet for at sikre pålidelig ledning af strøm og kraft efter langvarig vibration.

Isoleringsmaterialer og boligkonstruktioner skal også genovervejes for at opfylde de højspændingsisoleringskrav, som lynnedslag kan medføre.

Udforsk vores relæprodukter

Vores relæportefølje er bygget til applikationer, hvor højstrøm, overspændingshændelser og langsigtet pålidelighed skal behandles sammen. Fra standard forseglet elektriske låserelæer til tilpassede kontaktsystemer, der tåler høj lynnedslag, hjælper vores løsninger ingeniører med at gå fra passiv beskyttelse til aktiv kontaktstabilisering.

Resumé

Kernenyheden i dette projekt ligger i dybt at studere den mekanisme, hvorved relækontakter svigter på grund af Holm-kraft under stor lynstrøm, og kreativt foreslå designideen med at bruge Lorentz-kraft til aktiv modvirkning. Projektet har med succes designet en nøglemekanisme, der kombinerer en drejebærende "U-formet" bevægelig fjederstruktur med fleksible flerstrengede kobbertrådsforbindelser, der effektivt konverterer den genererede Lorentz-kraft til normalt tryk, der stabiliserer kontakterne.

Under præcis verifikation og optimering af multifysisk koblingssimuleringsteknologi opnår dette design et grundlæggende teknologisk gennembrud fra traditionel "passiv modstå" til "aktiv dynamisk annullering", hvilket væsentligt forbedrer pålideligheden og levetiden af ​​relæer i ekstreme lynmiljøer.