Hoe zijn relais bestand tegen bliksem? Een analyse van innovatief ontwerp in bliksembestendige relais

Wanneer een enorme bliksemschichtstroom in een relais , is het contactsysteem vaak het eerste dat faalt. Op dit moment wordt er een aanzienlijke Holm-kracht gegenereerd op de contactoppervlakken. Deze elektromagnetische kracht stoot de contacten met geweld af, waardoor het circuit – dat gesloten moet blijven – abnormaal wordt geopend, wat leidt tot defecten aan de apparatuur.

Conventionele relais lijken onvoldoende om dit probleem aan te pakken. Recente technische innovaties maken op ingenieuze wijze gebruik van de Lorentz-kracht om de Holm-kracht te verzachten, waardoor een stabiliserend effect wordt bereikt door 'kracht te gebruiken om geweld tegen te gaan'.

Schematisch diagram van het mechanisme voor het genereren van Lorentz-kracht

Bliksemuitdaging: fysiek kernmechanisme van contactafstoting

De dreiging van bliksem voor relais concentreert zich op een onmiddellijke, extreem grote stroom. Wanneer bliksemstroom (die tientallen kiloampère kan bereiken) door het smalle contactoppervlak van een relais stroomt, genereert dit twee belangrijke krachten tussen de contacten.

De eerste is de Holm-kracht (ook wel contactafstotingskracht genoemd). Het komt voort uit het ernstige vernauwingseffect van de stroom op de contactpunten (eigenlijk meerdere microscopische oneffenheden). De stroomlijnen worden extreem samengedrukt bij de microscopische oneffenheden, waardoor een sterke elektrodynamische kracht ontstaat die de contacten uit elkaar probeert te duwen. De omvang ervan is evenredig met het kwadraat van de stroom; tijdens een blikseminslag is de waarde ervan voldoende om de normale contactdruk van de contacten te overwinnen.

De andere is de Lorentzkracht. Dit is de kracht die wordt uitgeoefend op een stroomvoerende geleider in een magnetisch veld. In een relais wordt de stroom die door een speciaal gevormde geleider vloeit onderworpen aan een kracht in het magnetische veld die door hemzelf wordt gegenereerd, en de richting van de kracht volgt de linkerhandregel. De sleutel is dat, door een ingenieus ontwerp, de richting van de Lorentz-kracht tegengesteld kan worden aan die van de Holm-kracht, waardoor de schadelijke effecten ervan worden gecompenseerd.

Tabel 1. Vergelijking van twee belangrijke krachten die inwerken op contacten tijdens een blikseminslag

Industriedilemma: technische beperkingen van traditioneel ontwerp

Lange tijd was het verbeteren van de bliksembestendigheid van relais voornamelijk afhankelijk van "versterkende" benaderingen zoals het verhogen van de hardheid van het contactmateriaal en het verhogen van de contactdruk. Maar ondanks de Holm-kracht, die toeneemt met het kwadraat van de stroom, bereiken deze methoden snel hun grenzen.

Een bijzonder prominente tegenstrijdigheid komt naar voren in pogingen om de Lorentzkracht te gebruiken. Om de boog die ontstaat bij het onderbreken van grote stroom te doven, wordt bij DC-relais vaak gebruik gemaakt van de "magnetic blowout arc-extinction"-technologie, waarbij permanente magneten rond de contacten zijn aangebracht.

Dit magnetische veld zorgt er echter voor dat de stroomvoerende beweegbare veer een extra Lorentz-kracht ervaart, vaak naar beneden. Deze kracht slaagt er niet alleen niet in weerstand te bieden aan de afstotende kracht, maar kan ook een deel van de contactdruk compenseren, waardoor de contacten gemakkelijker uit elkaar kunnen worden getrokken onder bliksemstroom, waardoor het kortsluitvastheidsvermogen van het product feitelijk wordt verminderd.

Dit levert precies een theoretische bevestiging op van de kernuitdaging die in het gebruikersproject wordt beschreven: "de Lorentz-kracht is gemakkelijk te realiseren in situaties met kleine contactopeningen, maar zeer moeilijk te gebruiken in grote contactopeningen." Hoe je de richting en omvang van de Lorentzkracht precies kunt beheersen, zodat deze een ‘bondgenoot’ wordt in plaats van een ‘vijand’, is de grootste moeilijkheid bij het ontwerpen.

Innovatieve doorbraak: ontwerpfilosofie van het gebruik van ‘kracht’ om ‘kracht’ tegen te gaan

Om het bovenstaande dilemma te doorbreken, is het noodzakelijk om verder te gaan dan het lokale optimalisatiedenken en een geïntegreerd innovatief ontwerp van het contactsysteem van het relais uit te voeren. Baanbrekende technische oplossingen draaien voornamelijk rond twee kernideeën.

Idee 1: Reconstructie van het magnetisch veld om de schadelijke Lorentzkracht te neutraliseren

Om de bijwerkingen aan te pakken die worden veroorzaakt door het magnetische blusveld, is een innovatieve oplossing het reconstrueren van de ruimtelijke magnetische veldverdeling door het aantal, de opstelling en de polariteit van permanente magneten te veranderen.

Bijvoorbeeld een lay-out met drie magneten: twee magneten bevinden zich aan de twee zijden van de beweegbare veer in de breedterichting, overeenkomend met één set beweegbare en stationaire contacten; de derde magneet bevindt zich aan één zijde van de beweegbare veer in de lengterichting, overeenkomend met een ander stel contacten.

Het belangrijkste ontwerp is dat het poolvlak van de derde magneet ongeveer loodrecht staat op de poolvlakken van de eerste twee magneten. Door dit speciale magnetische circuitontwerp kan de netto Lorentzkracht die wordt ervaren door de beweegbare veer in het magnetische uitblaasboogdovingsveld ongeveer nul worden gemaakt, waardoor de schadelijke bijwerking fundamenteel wordt geëlimineerd en ervoor wordt gezorgd dat de contactdruk niet wordt verstoord.

schematisch diagram van de Holm-kracht en de Lorentz-kracht

Idee 2: Structurele innovatie om efficiënt gebruik te maken van de gunstige Lorentz-kracht

Om actief een gunstige Lorentz-kracht te genereren om de Holm-kracht te weerstaan, is de sleutel het ontwerpen van een specifieke stroomvoerende geleiderlus. Een geavanceerde oplossing maakt gebruik van een ontwerp dat “meerstrengige flexibele koperdraad combineert die flexibel verbonden is met een stijve beweegbare veer” met een “U-vormige” structuur.

Krachtopwekking: Wanneer bliksemstroom door de “U-vormige” beweegbare veer en de daarmee verbonden flexibele draden vloeit, kunnen, afhankelijk van hun omcirkelende richting, Lorentz-krachten in dezelfde richting en loodrecht op het contactvlak worden gegenereerd op de twee parallelle armen van de U-vormige structuur.

Krachtoverbrenging en omzetting: Deze kracht werkt op het gehele beweegbare veersamenstel. De flexibele verbinding van de meerstrengige flexibele koperdraad is van cruciaal belang, omdat deze ervoor zorgt dat de Lorentz-kracht effectief kan worden overgedragen en omgezet in normale druk op het contactoppervlak, in plaats van een stijve verdraaiing of verplaatsing van de structuur te veroorzaken.

Dynamische compensatie: Wanneer de Holm-kracht de contacten uit elkaar probeert te stoten, neemt de vooraf ontworpen Lorentz-kracht synchroon toe, waardoor een dynamisch, adaptief compensatiemechanisme ontstaat dat de contacten tegen elkaar "drukt". De U-vormige structuur zelf zorgt ook voor een betere mechanische stabiliteit en een hefboomeffect.

Dit ontwerp lost op ingenieuze wijze het probleem op van “de moeilijkheid bij het benutten van de Lorentz-kracht onder grote contactopeningen.” Door een flexibele verbinding en een algeheel structureel ontwerp bereikt het een efficiënte verzameling en benutting van Lorentz-krachten op stroomvoerende geleiders over een groter bereik buiten het kleine spleeteffect (dat wil zeggen de huidige vernauwingszone).

Schematisch diagram van het scharnierdragende "U-vormige" contactstructuurontwerp

Precisieontwerp: ondersteuning van simulatietechnologie en materiaalkunde

Het realiseren van de bovengenoemde precieze krachtcontrole is onlosmakelijk verbonden met geavanceerde ontwerptools en materialen.

Multiphysics-koppelingssimulatie is op dit gebied een onmisbare R&D-methode geworden. In gebieden met hoge betrouwbaarheid, zoals de lucht- en ruimtevaart, is bij de analyse van afgedichte elektromagnetische relais gebruik gemaakt van een multibody-dynamica: elektromagnetisch eindige elementen bidirectioneel interactief koppelingsberekeningsmodel.

Deze methode kan in realtime de interacties berekenen tussen tijdelijke mechanische koppel-, elektromagnetische kracht- en vervormingsparameters, nauwkeurig het complexe dynamische proces simuleren op het moment van blikseminslag en de rekenfout van belangrijke parameters zoals de intrekkracht controleren op een gemiddeld niveau van 2,21%.

Dit is veel beter dan traditionele methoden op basis van statische gegevenstabellen, die nauwkeurige voorspellingen opleveren voor het optimaliseren van parameters zoals U-vormige structuurafmetingen en flexibele draadlengte en stijfheid.

Wat de materialen betreft, is de beweegbare veer meestal gemaakt van een zeer elastische, hooggeleidende berylliumkoper- of fosforbronslegering om herhaalde krachten en thermische schokken te weerstaan. Meeraderige flexibele koperdraad vereist een extreem hoge zuiverheid en flexibiliteit om een ​​betrouwbare stroom- en krachtgeleiding na langdurige trillingen te garanderen.

Isolatiematerialen en behuizingsconstructies moeten ook worden heroverwogen om te voldoen aan de hoogspanningsisolatie-eisen die blikseminslagen met zich mee kunnen brengen.

Ontdek onze relaisproducten

Ons relaisportfolio is gebouwd voor toepassingen waarbij hoge stroomsterkte, overspanningsgebeurtenissen en langdurige betrouwbaarheid samen moeten worden aangepakt. Vanaf standaard verzegeld elektrische vergrendelingsrelais tot op maat gemaakte contactsystemen met een hoge bliksembestendigheid, onze oplossingen helpen ingenieurs bij de overstap van passieve bescherming naar actieve contactstabilisatie.

Samenvatting

De kerninnovatie van dit project ligt in het diepgaand bestuderen van het mechanisme waardoor relaiscontacten falen als gevolg van Holm-kracht onder grote bliksemstroom, en het op creatieve wijze voorstellen van het ontwerpidee van het gebruik van Lorentz-kracht voor actieve tegenactie. Het project ontwierp met succes een sleutelmechanisme dat een draaibare “U-vormige” beweegbare veerstructuur combineert met een flexibele verbinding van meerstrengige flexibele koperdraad, waardoor de gegenereerde Lorentz-kracht efficiënt wordt omgezet in normale druk die de contacten stabiliseert.

Onder nauwkeurige verificatie en optimalisatie door multifysische koppelingssimulatietechnologie bereikt dit ontwerp een fundamentele technologische doorbraak van traditioneel “passief weerstaan” naar “actieve dynamische annulering”, waardoor de betrouwbaarheid en levensduur van relais in extreme bliksemomgevingen aanzienlijk worden verbeterd.