高壓直流接觸器滅弧技術(shù)分析

辜飛 胡鳳生 李杰 陳海林

深圳巴斯巴科技發(fā)展有限公司 廣東省深圳市 518118

1 引言

高壓直流接觸器的使用過(guò)程中，接觸器是一種電控制元件，當(dāng)輸入量（激勵(lì)量）的變化達(dá)到規(guī)定要求時(shí)，在電氣輸出電路中使被控量發(fā)生預(yù)定的階躍變化的一種電器。它具有控制系統(tǒng)（又稱(chēng)輸入回路）和被控制系統(tǒng)（又稱(chēng)輸出回路）之間的互動(dòng)關(guān)系。直流接觸器可以快速切斷直流的輸出回路，可快速接通或斷開(kāi)大電流控制電路的特點(diǎn)，常用于電動(dòng)機(jī)為控制系統(tǒng)，如新能源汽車(chē)使用環(huán)境、電力通信、工廠(chǎng)設(shè)備控制及各種電力機(jī)組的大電流電力負(fù)載之中。實(shí)際上是用小電流去控制大電流運(yùn)作的一種“自動(dòng)開(kāi)關(guān)”。故在電氣系統(tǒng)中起著自動(dòng)調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用，其工作原理：接觸器線(xiàn)圈通電時(shí)，線(xiàn)圈電流產(chǎn)生磁場(chǎng)。通過(guò)鐵芯產(chǎn)生磁場(chǎng)，產(chǎn)生電磁吸力吸引運(yùn)動(dòng)的鐵芯，使接觸器的動(dòng)觸點(diǎn)與之同時(shí)動(dòng)作。進(jìn)而使動(dòng)觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)閉合。當(dāng)線(xiàn)圈斷電時(shí)，電磁吸力消失，在返回力彈簧的作用下釋放，使動(dòng)觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)處于斷開(kāi)。然而，當(dāng)線(xiàn)圈斷電時(shí)，此時(shí)的輸出回路有高電壓和大電流的存在，使觸點(diǎn)之間會(huì)產(chǎn)生電弧，會(huì)使動(dòng)靜觸點(diǎn)燒蝕、熔焊，從而對(duì)觸點(diǎn)造成很大的破壞，具有一定的危害性。因此，如何快速滅弧成為接觸器的一個(gè)重要問(wèn)題。

2 接觸器磁吹滅弧技術(shù)

2.1 電弧產(chǎn)生的原因

當(dāng)接觸器切斷電路，如果電路電壓不低于10v，電流不少于100ma時(shí)，動(dòng)靜觸點(diǎn)之間的自由電子和觸點(diǎn)表面的陽(yáng)極電子（陽(yáng)極高溫產(chǎn)生熱電子發(fā)射），由接觸引起的強(qiáng)烈的電場(chǎng)的作用，使電子高速向陽(yáng)極方向運(yùn)動(dòng)。在電弧的間隙中，不斷與氣體原子發(fā)生碰闖，使其分離成為新正離子和自由電子，在電場(chǎng)的作用下，以及熱運(yùn)動(dòng)的作用之下，和其他原子形成電離的影響，這是在電弧間隙碰撞電離，電離的結(jié)果影響，大量的接觸間隙中電子在電場(chǎng)的作用下流向陽(yáng)極，這就是為什么電弧產(chǎn)生和持續(xù)的原因。電弧產(chǎn)生會(huì)燒蝕、熔焊觸頭，也會(huì)使觸點(diǎn)斷開(kāi)時(shí)間變長(zhǎng)。接觸器內(nèi)的滅弧裝置主要用于保證接觸器與電路斷開(kāi)時(shí)產(chǎn)生的電弧的可靠熄滅，盡可能的減少電弧對(duì)接觸器觸頭的損壞，確保電器的可靠運(yùn)行和使用。

2.2 磁吹滅弧工作過(guò)程

高壓直流接觸器一般都有一個(gè)動(dòng)觸頭和兩個(gè)靜觸頭組成的接觸系統(tǒng)，接觸系統(tǒng)在高電壓下接通和斷開(kāi)的過(guò)程中都會(huì)產(chǎn)生電弧，在觸頭斷開(kāi)較為明顯，若設(shè)置磁吹滅弧裝置的情況下，繼電器觸頭的工作過(guò)程主要表現(xiàn)為以下幾個(gè)動(dòng)作過(guò)程，見(jiàn)圖1：

圖1

2.3 滅弧裝置

通常滅弧裝置采用的滅弧方式有：（1）利用觸頭的回路本身電動(dòng)力滅??；（2）磁吹滅??；（3）狹縫滅??；（4）滅弧柵片滅??；（5）多斷口滅弧等等多種滅弧方式。滅弧的方式有多種多樣，有的通過(guò)兩種或兩種以上組合方式進(jìn)行滅弧，使滅弧效果更加有效。

2.4 磁吹滅弧原理

磁吹滅弧的原理是電弧在磁場(chǎng)的作用下受洛倫茲力而產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。磁吹滅弧能改變電弧運(yùn)動(dòng)方向，拉長(zhǎng)延伸電弧，使之迅速冷卻電弧，恢復(fù)介質(zhì)的介電擊穿強(qiáng)度，使電弧迅速熄滅。具體實(shí)現(xiàn)：在動(dòng)靜觸點(diǎn)之間的垂直方向上的兩側(cè)施加永久磁鐵，使回流電流方向與當(dāng)前施加的磁場(chǎng)方向垂直于，根據(jù)左手定則，電弧在洛倫茲力的作用下，電弧被拉離動(dòng)靜觸點(diǎn)之間，電弧的運(yùn)動(dòng)軌跡被拉長(zhǎng)、延展。使之快速冷卻，減少燃弧時(shí)間，達(dá)到滅弧效果，磁吹滅磁原理圖如圖2所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該滅弧效果良好。

圖2

磁吹滅裝置的勵(lì)磁方式有兩種：一種是用通過(guò)線(xiàn)圈通電產(chǎn)生磁場(chǎng)進(jìn)行滅弧，另一種是用永磁體提供磁場(chǎng)進(jìn)行磁吹滅弧，磁吹滅弧分為串聯(lián)和并聯(lián)兩種。

串聯(lián)勵(lì)磁方法：主要由磁吹線(xiàn)圈、鐵芯、導(dǎo)磁片和引弧角組成。激勵(lì)線(xiàn)圈是串聯(lián)在接觸器輸出回路的觸頭上，線(xiàn)圈串聯(lián)電路，電流通過(guò)線(xiàn)圈是電弧電流，線(xiàn)圈電流產(chǎn)生磁通，鐵芯的導(dǎo)磁片形成一個(gè)磁回路，在動(dòng)靜觸頭之間形成較強(qiáng)的磁場(chǎng)，電弧在強(qiáng)磁場(chǎng)中洛倫茲力而運(yùn)動(dòng)，使電弧迅速被拉到引弧角拉長(zhǎng)、冷卻，進(jìn)而使電弧熄滅。其優(yōu)點(diǎn)是磁吸方向不隨電流的方便而改變，磁吹產(chǎn)生更大的力。但為了獲得一定的磁吹力，需要增加滅弧線(xiàn)圈匝數(shù)和觸頭的GAP距離。

圖3

并聯(lián)激勵(lì)法：其滅弧并聯(lián)線(xiàn)圈的磁場(chǎng)強(qiáng)度是獨(dú)立的，并聯(lián)線(xiàn)圈電流與輸出回路觸點(diǎn)電弧電流是沒(méi)有關(guān)系的，并聯(lián)激勵(lì)可以得到一個(gè)恒定的磁場(chǎng)強(qiáng)度，與串聯(lián)激勵(lì)線(xiàn)圈相比較：并聯(lián)激勵(lì)線(xiàn)圈不因輸出回路電流的大小而導(dǎo)致線(xiàn)圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)的改變而改變；但改并聯(lián)激勵(lì)線(xiàn)圈具有方向性，導(dǎo)致回路電流具有電流方向的規(guī)定，若回路電流方向反向，會(huì)導(dǎo)致磁吹的方向也跟著反向，引起接觸器內(nèi)部元件燒損，或爆炸的可能。

永磁體滅弧的優(yōu)缺點(diǎn)：缺點(diǎn)，永磁鐵滅弧也具有方向性；優(yōu)點(diǎn)：（1）可以簡(jiǎn)化滅弧系統(tǒng)的機(jī)理，而不會(huì)使滅弧裝置的結(jié)構(gòu)復(fù)雜化；（2）滅弧磁場(chǎng)強(qiáng)度不受勵(lì)磁電壓波動(dòng)的影響；（3）沒(méi)有功率損耗；

2.5 滅弧柵片滅弧

滅弧柵片是熄滅電弧的基本方法之一。滅弧柵片一般采用鋼片制作。在高壓直流接觸器中，當(dāng)觸頭間產(chǎn)生電弧時(shí)，電弧在磁力線(xiàn)的收縮力作用下被拉入滅弧柵片。一個(gè)長(zhǎng)弧被分隔成多段短?。ㄈ鐖D所示），電弧在磁吹的作用下使電弧拉長(zhǎng)，拉長(zhǎng)的目的有兩個(gè)：（1）使電弧拉長(zhǎng)到滅弧腔內(nèi)使腔體設(shè)置結(jié)構(gòu)切斷電弧，冷卻滅弧；（2）另一作用是將燃燒的電弧拉長(zhǎng)，使電弧電壓降增加，據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，電弧每拉長(zhǎng)1英寸產(chǎn)生的電弧壓降值約25V，根據(jù)電弧壓降公式iR=U（電源電壓）-ε（電弧壓降總和），只要所有串聯(lián)短弧的起始介質(zhì)強(qiáng)度總和大于觸頭間的外加電壓，即ε＞U-iR，（0＜i＜∞）電弧將不再重燃。由上述公式可知，當(dāng)電弧壓降總和超過(guò)電源電壓值時(shí)，iR值為負(fù)值，說(shuō)明回路中的介子電流為零，電弧不再燃燒，達(dá)到滅弧的作用，見(jiàn)圖3。

3 直流電弧燃燒與滅弧條件分析

3.1 直流電弧的穩(wěn)定燃燒點(diǎn)

為了找到電路參數(shù)與電弧穩(wěn)定燃燒之間的關(guān)系，我們必須求解帶有電弧的電路，以下圖的直流RL電路為例。這個(gè)電路與一般RL電路相比，最主要的特點(diǎn)在于電弧電壓隨電流的關(guān)系呈非線(xiàn)性，因此它是一個(gè)非線(xiàn)性電路，其微分方程為：

在穩(wěn)態(tài)條件公式簡(jiǎn)化為，如圖4所示：

圖4 用圖解法求解帶有電弧的電流RL電路穩(wěn)態(tài)過(guò)程

ε=iR+Uh

我們知道，這樣一個(gè)穩(wěn)定的非線(xiàn)性電路可以用圖解法來(lái)求解。將iR移到左面得

ε-iR=Uh

公式右面是電弧電壓。它與電流的關(guān)系就是電弧的靜態(tài)伏安特性。公式左面表示電路提供給電弧的電壓。它隨電流的關(guān)系稱(chēng)之為電路的伏安特性。我們將這兩條曲線(xiàn)Uh=f（i）及ε-iR=f（i）都呈現(xiàn)在圖上。顯然兩條曲線(xiàn)的交點(diǎn)就應(yīng)該是電路的穩(wěn)定工作點(diǎn)，也就是電弧的穩(wěn)定燃燒點(diǎn)。

但是圖上有兩個(gè)交點(diǎn)：a點(diǎn)和b點(diǎn)。要判斷一下那一個(gè)是真正的穩(wěn)定燃燒點(diǎn)。判斷原則是：假想電路穩(wěn)定工作于某一點(diǎn)，設(shè)外界的某些擾動(dòng)使工作略向左或向右偏移，看擾動(dòng)消除后工作點(diǎn)是否能回復(fù)原位。

先以b為例，若擾動(dòng)使工作點(diǎn)向左偏移，這是由圖上看出

Uh〉ε-iR

（由于擾動(dòng)后電流發(fā)生變化，使電路處于動(dòng)態(tài)，故采用公式ε=iR++U進(jìn)行分h析）。由公式可看出，這時(shí)：

即電流具有繼續(xù)減小的趨勢(shì)。電流越小，兩條曲線(xiàn)的差距越大，di/dt越大，直到電流減少到零為止。同樣，當(dāng)擾動(dòng)使工作點(diǎn)右移時(shí)，Uh〈（ε-iR），（di/dt）〉0，使電流不斷上升。因此說(shuō)明，電路在b點(diǎn)不可能穩(wěn)定工作，即電弧在b點(diǎn)不可能穩(wěn)定燃燒。

再看a點(diǎn)，若擾動(dòng)使工作點(diǎn)左移，則ε-iR〉Uh，使電路上升回到a點(diǎn)。如擾動(dòng)使工作點(diǎn)右移，則（di/dt）〈0使電流下降亦回到a點(diǎn)，因此a點(diǎn)就是電弧的穩(wěn)定燃燒點(diǎn)。

3.2 直流電弧的滅弧條件

顯然，當(dāng)電弧的伏安特性處處都高于電路的伏安特性時(shí)，兩條曲線(xiàn)就不會(huì)有任何交點(diǎn)，電路不會(huì)有穩(wěn)定的工作點(diǎn)，這就是說(shuō)電弧不可能穩(wěn)定燃燒。

這個(gè)條件用數(shù)學(xué)表示就是

Uh〉（ε-iR）當(dāng)0＜i＜∞

這就是說(shuō)，電弧電流在不斷的減少，直到電流為零。

如何從物理概念上來(lái)理解這一點(diǎn)，只要在公式Uh〉（ε-iR）左右兩邊都乘以電流i就可以得到：Uhi〉（εi-i2R），顯然，“Uhi”代表電弧消耗的功率，而（εii2R）代表電源供給電弧的功率，前式說(shuō)明，電源供給電弧的功率小于電弧消耗的功率。因此，在這樣的條件下電弧不可能穩(wěn)定燃燒，從而到達(dá)滅弧的作用。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)接觸器電弧的產(chǎn)生、磁吹滅弧進(jìn)行了簡(jiǎn)明闡述，并對(duì)了滅弧裝置的分類(lèi)進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹，著重分析了直流電弧的燃燒和滅弧條件通過(guò)圖解法、穩(wěn)態(tài)電路及非線(xiàn)性微分方程進(jìn)行了詳細(xì)的論述說(shuō)明，經(jīng)對(duì)燃燒點(diǎn)的擾動(dòng)進(jìn)行左右偏移，確定燃燒的穩(wěn)定點(diǎn)和不穩(wěn)定燃燒點(diǎn)，進(jìn)而推導(dǎo)出，電弧滅弧的條件，其目的使讀者在運(yùn)用和使用過(guò)程中更加了解高壓直流接觸器的工作特性。