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高压直流大功率继电器电弧研究叙述

  直流继电器是直流配电、管理及控制等系统中完成执行分断、功率切换及故障保护等功能的关键元器件之一。按电路负荷特征分类,直流继电器主要包括微功率继电器(被控容量直流Pc<5W、小功率继电器(被控容量直流Pc<50W、中功率继电器(被控容量直流Pc<150W、大功率继电器(被控容量直流Pc>150W和高压继电器(几千伏至上万伏)[1]。
 
  一方面,随着新型飞机(如多电、全电飞机)和航天器(如空间站)供电容量的增加和电源体制的改革,直流供电系统功率大幅增加,例如多电和全电飞机的供电电压已经增加到270V,国际空间站也已采用270V电源,电流等级增加到几千安培[2,3]。
 
  另一方面,近年来,由于混合动力汽车、光伏发电及风电等新能源产业的快速发展也推动了 直流开断技术的研发[4],例如新能源汽车的高压回路电压已达到450V,这无疑对其中在电池组管理、风电变桨及光伏汇流等系统中完成执行控制、功率切换及故障保护等功能的重要电气设备——直流大功率继电器类直流开关电器提出了新的要求。
 

  目前中小功率继电器正逐步被固态继电器和电力电子元器件替代,但是高压继电器、大功率继电器因其转换深度高、物理隔离性好、性价比高等优势,在大功率、高电压、强电流领域目前及短期内仍不可替代[5]。综上所述,高性能(更高电压等级、更大分断电流)、高可靠性、长寿命及小尺寸成为直流大功率继电器类开关电器的迫切发展要求,直流大功率继电器未来将在电磁继电器领域中占据重要份额。
 
  在直流继电器执行分断操作的过程中触头间形成电弧,由于直流系统与交流系统相比不存在自然过零点,必须采取一定的技术手段强制熄弧。随着分断电压、电流等级的增加,直流大功率继电器类开关电器中的电弧快速、可靠熄灭变得极其困难[6]。因此其中涉及的直流电弧特性和电弧侵蚀研究已成为限制大功率直流继电器发展过程中亟待解决的关键课题。
 
  本文主要围绕直流大功率继电器类开关电器展开,特别是对高压充气式继电器、高压直流大功率电磁继电器及密封直流接触器等热点继电器类开关电器的相关研究有所侧重。
 
  直流大功率继电器需要在有限的体积和重量范围内切换高电压(200V以上)大电流(100~1 500A)直流功率负载。因此,必须具有较高的触头分断速度并提供较强的直流电弧熄弧能力,大功率直流继电器普遍采用的典型结构如图1所示。
 
  直流大功率继电器一般采用密封充气式结构,灭弧室中充入非助燃惰性气体(如1~10atm的氮气、氢气等)(1atm=101 325Pa)用于熄弧和绝缘。直动式电磁驱动机构可提供较大的分断速度,桥式双断口接触系统可提高电弧电压,灭弧室外置或内置永磁体提供磁场进行磁吹灭弧(磁场强度为10~100mT量级)。
 
图1 大功率直流继电器典型结构


  密封充气式直流大功率继电器具有以下优势[5]:①尺寸小,质量轻,分断能力强;②结构紧凑密封,几乎不受外界环境影响,且无电弧泄露及火灾隐患;③密封的灭弧室结构及惰性介质可以有效避免触头出现氧化等问题,降低侵蚀,接触电阻较低且相对稳定。因此,直流大功率继电器在电动汽车、风电、光伏、航空、航天、武器装备等领域取得广泛应用。
 
  对直流电弧特性及电弧导致的电接触材料侵蚀的研究是众多电器工作者所关心的内容之一。直流继电器的可靠性和触头电寿命与电弧问题息息相关,尤其是密封充气式结构的直流大功率继电器灭弧室尺寸小、结构紧凑难以通过栅片、产气材料等措施提高分断能力,在一定压力的灭弧介质中完成高电压、大电流电弧的分断过程,电弧特性、电弧侵蚀等问题均具有一定的特殊性。
 
  直流电弧的调控技术难度大、要求高,牵涉到在非平衡态电弧放电等离子体[7]作用下材料从固态到液态、气态的快速转变过程,包含电磁学、等离子体物理、传热学、流体力学及冶金学等大量基础科学问题。开展直流分断电弧特性及电弧侵蚀数学模型的研究对提高直流继电器电寿命及其定量评估预测技术,保障其可靠运行进而对系统的安全稳定都具有重要意义。本文从理论分析和试验测试两个方面综述了该问题的国内外研究进展。
 
  工作展望
 
  为了不断提高大功率直流继电器的电弧特性的认识水平,国内外学者从理论仿真、试验测量角度以及宏观层面、微观层面,对电弧侵蚀数学模型及分断电弧特性特别是电弧对触头材料的侵蚀和材料转移行为进行了长期、持续的研究,推动了直流大功率继电器类开关电器的电弧理论及调控技术的完善,但是,在以下几个方面仍存在一些问题,需要研究者针对直流大功率继电器的特殊性做进一步的工作,主要包括:
 
1)触头熔融金属液滴溅射烧蚀特性的研究。进一步研究熔池内部动力学数学模型,得到燃弧过程中随时间变化的材料溅射烧蚀特性;进一步研究电弧与触头之间的物质、能量传递过程,建立更为准确的包括电极和电弧的双向耦合磁流体动力学模型,完善热流密度分布等参数与触头表面熔池的相关特性规律。
 
2)进一步深入研究磁吹作用下触头材料侧向堆积特性及形貌演变规律,建立直流电弧作用下触头材料熔化形成熔池及其内部液态金属在洛伦兹力、弧根压力、体积力及表面力等共同作用下非对称微、宏观数值仿真模型,特别是宏观模型与微观模型的耦合/联合计算,研究能够应用于工程实践的触头形貌的数学描述方法,确定触头形貌特性参数变化与负载条件、分断速度及磁场分布等燃弧条件之间的关系,为电寿命预测提供支撑。
 
3)电弧放电等离子体与触头表面金属熔池之间的过渡区物理机理的进一步研究,该区域涉及非平衡态等离子体与液态金属熔池相互耦合作用。现有的鞘层理论等描述还不够准确完善,难以对该区域的微观粒子行为、熔融金属液滴等物理特性做出准确模拟和试验测量。
 
  进行适用于航空航天、高铁、武器装备等特殊环境下的大功率直流继电器中电弧特性、电弧对触头侵蚀机理模拟试验、仿真工作,优化灭弧室、触头系统的结构,提高大功率密封充气式直流继电器的可靠性。

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