直流大功率繼電器電弧研究綜述

發布日期：2018-01-17 來源：電氣瀏覽次數：620

直流繼電器是直流配電、管理及控制等系統中完成執行分斷、功率切換及故障保護等功能的關鍵元器件之一。按電路負荷特征分類，直流繼電器主要包括微功率繼電器（被控容量直流Pc＜5W、小功率繼電器（被控容量直流Pc＜50W、中功率繼電器（被控容量直流Pc＜150W、大功率繼電器（被控容量直流Pc＞150W和高壓繼電器（幾千伏至上萬伏）。

一方面，隨著新型飛機（如多電、全電飛機）和航天器（如空間站）供電容量的增加和電源體制的改革，直流供電系統功率大幅增加，例如多電和全電飛機的供電電壓已經增加到270V，國際空間站也已采用270V電源，電流等級增加到幾千安培。

另一方面，近年來，由于混合動力汽車、光伏發電及風電等新能源產業的快速發展也推動了直流開斷技術的研發，例如新能源汽車的高壓回路電壓已達到450V，這無疑對其中在電池組管理、風電變槳及光伏匯流等系統中完成執行控制、功率切換及故障保護等功能的重要電氣設備——直流大功率繼電器類直流開關電器提出了新的要求。

目前中小功率繼電器正逐步被固態繼電器和電力電子元器件替代，但是高壓繼電器、大功率繼電器因其轉換深度高、物理隔離性好、性價比高等優勢，在大功率、高電壓、強電流領域目前及短期內仍不可替代。綜上所述，高性能（更高電壓等級、更大分斷電流）、高可靠性、長壽命及小尺寸成為直流大功率繼電器類開關電器的迫切發展要求，直流大功率繼電器未來將在電磁繼電器領域中占據重要份額。

在直流繼電器執行分斷操作的過程中觸頭間形成電弧，由于直流系統與交流系統相比不存在自然過零點，必須采取一定的技術手段強制熄弧。隨著分斷電壓、電流等級的增加，直流大功率繼電器類開關電器中的電弧快速、可靠熄滅變得極其困難。因此其中涉及的直流電弧特性和電弧侵蝕研究已成為限制大功率直流繼電器發展過程中亟待解決的關鍵課題。

本文主要圍繞直流大功率繼電器類開關電器展開，特別是對高壓充氣式繼電器、高壓直流大功率電磁繼電器及密封直流接觸器等熱點繼電器類開關電器的相關研究有所側重。

直流大功率繼電器需要在有限的體積和重量范圍內切換高電壓（200V以上）大電流（100～1 500A）直流功率負載。因此，必須具有較高的觸頭分斷速度并提供較強的直流電弧熄弧能力，大功率直流繼電器普遍采用的典型結構如圖1所示。

直流大功率繼電器一般采用密封充氣式結構，滅弧室中充入非助燃惰性氣體（如1～10atm的氮氣、氫氣等）（1atm=101 325Pa）用于熄弧和絕緣。直動式電磁驅動機構可提供較大的分斷速度，橋式雙斷口接觸系統可提高電弧電壓，滅弧室外置或內置永磁體提供磁場進行磁吹滅弧（磁場強度為10～100mT量級）。

密封充氣式直流大功率繼電器具有以下優勢：①尺寸小，質量輕，分斷能力強；②結構緊湊密封，幾乎不受外界環境影響，且無電弧泄露及火災隱患；③密封的滅弧室結構及惰性介質可以有效避免觸頭出現氧化等問題，降低侵蝕，接觸電阻較低且相對穩定。因此，直流大功率繼電器在電動汽車、風電、光伏、航空、航天、武器裝備等領域取得廣泛應用。

對直流電弧特性及電弧導致的電接觸材料侵蝕的研究是眾多電器工作者所關心的內容之一。直流繼電器的可靠性和觸頭電壽命與電弧問題息息相關，尤其是密封充氣式結構的直流大功率繼電器滅弧室尺寸小、結構緊湊難以通過柵片、產氣材料等措施提高分斷能力，在一定壓力的滅弧介質中完成高電壓、大電流電弧的分斷過程，電弧特性、電弧侵蝕等問題均具有一定的特殊性。

直流電弧的調控技術難度大、要求高，牽涉到在非平衡態電弧放電等離子體作用下材料從固態到液態、氣態的快速轉變過程，包含電磁學、等離子體物理、傳熱學、流體力學及冶金學等大量基礎科學問題。開展直流分斷電弧特性及電弧侵蝕數學模型的研究對提高直流繼電器電壽命及其定量評估預測技術，保障其可靠運行進而對系統的安全穩定都具有重要意義。本文從理論分析和試驗測試兩個方面綜述了該問題的國內外研究進展。

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