系统谈谈继电器触点电弧消除

一、继电器电弧的危害

继电器的触点在动作时容易产生电弧，电弧具有热效应容易导致触点烧蚀粘接，缩短继电器的寿命，并且产生电弧的过程中会对外进行电磁辐射，对周围的设备产生干扰。

二、电弧产生的原理

2.1电弧的热电子理论

炽热金属以及其他物体在高度真空或气体中逸出电子的现象，称为热电子发射。在高温的影响下，阴极可发射电子。阴极温度的来源可以是人工加热，或者是游离气体中正离子撞击阴极的结果。

2.2电弧的自动电子理论

这种理论认为：电弧阴极的空间电荷电场对于从金属吸出电子是足够的，在电场作用下金属势垒变狭，电子可穿过势垒逸出。

2.3热粒子理论

这种理论认为：从接近阴极的弧柱层中发射粒子，阴极电流唯一的或主要的是粒子电流。阴极过程决定于位于距阴极表面1～10倍自由行程的高温等离子层，即所谓游离化的空间，该层给予阴极正离子，而在弧柱中则为电子。离子理论不能解释阴极斑点与电压和电流的关系，仅仅适用于高气压下的电弧条件。

三、继电器的电弧及电弧的熄灭

3.1继电器的电弧

继电器闭合触点刚分离时，间隙极小，电路电压几乎全部加在触头之间，形成很强的电场，阴极的自由电子逸出奔向阳极，成为强电场发射。电子高速运动，碰撞中性气体分子，使其电离。电离后正离子向阴极运动，撞击阴极表面使其温度升高，进而形成热电子发射，并再参与碰撞电离，因此会在电极间形成大量带电粒子，使气体导电形成了炽热的电子流即电弧。

继电器在切断电路时常常会产生电弧，这是不可避免的。通常在触点电压达到10V以上，电流在200mA以上，继电器切断电流时就会产生电弧。图1为 继电器触点电路示意图

图1 继电器触点电路示意图

3.2直流电弧的熄灭

触点材料：继电器触点材料采用AgNi、AgPb等高熔点合金材料，可以增强触点的耐电弧腐蚀能力。

触点间距：继电器触点间距要足够大，大于电弧长度（有图2所示为不同电压电流下电弧的长度），才能确保电弧被拉断熄灭。如果电弧持续燃烧，会把继电器触点烧坏熔化。

图2 不同电压电流下电弧的长度

3.3交流电弧的熄灭

对于50Hz交流电，电流每个周期都会过零，电流过零使得交流电弧相比之下较容易熄灭。

如图3所示，交流电弧的电流有偏离正弦波形的畸变形状，在电流过零点以前，它比正弦波下降的快，而在直接过零点附近变化缓慢。因此，电流波形中出现电流“零休”的时间间隔，即在这段时间内电流非常接近于零。 

图3 交流电弧的电压电流波形

四、继电器的电弧消除

4.1阻性负载的安全应用

继电器触点的安全工作区可以方便地用开关容量曲线表示。图4给出了某继电器的开关容量曲线，图中折线左下方的电流电压区域为继电器的安全工作区域。虽然厂家给出的额定负载为DC30V/2A，但从图中可以看出DC100V/0.5A的负载也可以用该继电器来开关。超出开关容量范围应用可能会导致继电器电弧失效。

图4 某继电器的开关容量曲线

4.2 非阻性负载触点保护电路

继电器的开关电压、开关电流指标都是针对电阻性负载提出的，对于非电阻性负载（感性负载、容性负载等等），继电器很容易出现拉弧失效或者触点熔化失效，所以要求采用相应的电路作保护。

4.2.1容性负载和灯负载的电弧消除

当继电器负载是电容负载或者是灯负载时，触点闭合时会出现瞬间大电流（注：电容瞬间充放电会产生大电流；灯负载的初始电阻很小，所以开启瞬间电流远大于稳定工作电流）。电容负载引起的冲击电流一般可以达到20～40倍稳态电流，灯负载引起的冲击电流一般可以达到10～15倍稳态电流，通常脉宽1us的异常大电流就可能损坏继电器触点。可以考虑添加串联电感（如图5所示）或者串联限流电阻和电感（如图6所示）的方法限制瞬间电流，图5和图6两种防护方式均适用于AC和DC电路。

图5 电感方式

图6 电感+电阻方式

4.2.2感性负载的保护电路

继电器触点断开感性负载时，感应电压会加到触点两端，感应电压可用公式e=-Ldi/dt来估计，对较大的电感和电流，感应电压常常会高出稳态电压数十倍，导致继电器拉弧失效。因此常用在触点两端加吸收电路来保护触点，抑制干扰。

 

4.2.2.1 RC保护电路

图7所示电路为触点端的RC保护电路，此电路特点：1）适用于DC电路；2）适用于电源电压为24-48V时；

图8所示电路为负载端的RC保护电路，此电路特点：1）适用于DC和AC电路；2）适用于电源电压为100-200V时。

图7 触点端的RC保护电路

图8 负载端的RC保护电路

R和C的参数选取原则为，R：1V触点电压对应1Ω；C：1A触点电流对应1uF。电容C的耐压一般为200-300V，或负载电压的两倍以上。AC电路需要使用无极性电容器。

4.2.2.2 二极管保护电路

图9所示为二极管保护电路，此电路特点：1）适用于DC电路；2）释放时间较长；3）选用反向击穿电压至少为电路电压的10倍，正向电流至少为电路最大电流的二极管，如果在电子电路中电路电压并不是很高，也可以使用反向耐压为电源电压2-3倍左右的二极管。

图9 二极管保护电路

4.2.2.3 二极管+稳压二极管保护电路

图10 所示为二极管+稳压二极管保护电路，此电路特点：1）适用于DC电路；2）在二极管方式里加入稳压二极管，可以加快释放时间；3）选用与电源电压相近的稳压二极管；

图10二极管+稳压二极管保护电路

 

4.2.2.4 压敏电阻保护电路

 图11 所示为压敏电阻保护电路，此电路特点：1）适用于DC和AC电路；2）降低触点间较高的电压和电流；3）电源电压为24-48V时，压敏电阻并联在触点端较好，电源电压为100-200V时，压敏电阻并联在负载端较好；4）选用限制电压Vc为电源电压峰值1.5倍的压敏电阻，如果限制电压Vc过高，限制反向电压的效果将不理想。

图11 压敏电阻保护电路

4.3 错误的保护电路

不能采用将电容直接与触点或负载并联来保护触点，如图25所示。虽然在触点断开时电容能很好的抑制电压尖峰，但当触点闭合时存贮在电容中的额外能量流过触点，使触点过载，容易出现触点熔接。

图12 错误保护电路