接觸器發(fā)展方向初探

畢德林

(陜西群力電工有限責(zé)任公司，陜西寶雞，721300)

1 引言

接觸器作為一個(gè)大功率開關(guān)器件，廣泛應(yīng)用于航天、航空、兵器、船舶、電子等系統(tǒng)裝備中，其控制的負(fù)載電流大于25A，電壓為28VDC；115VAC、400Hz;380VAC、50Hz,在裝備中主要作為配電開關(guān)進(jìn)行電源控制或者控制大功率電機(jī)的啟?？刂频龋茄b備中的一個(gè)關(guān)鍵器件，起著重要的作用。近幾年，隨著裝備的發(fā)展，對(duì)接觸器有了新的要求，本文結(jié)合裝備的發(fā)展要求對(duì)今后接觸器發(fā)展方向進(jìn)行簡(jiǎn)述。

2 接觸器的發(fā)展方向

2.1 小型化、輕量化方向發(fā)展

小型化、輕量化一直是接觸器的基本要求，現(xiàn)在隨著裝備的發(fā)展，對(duì)小型化、輕量化的要求愈來(lái)愈顯得重要，特別是航空及無(wú)人裝備方面把接觸器的體積小、重量輕作為使用選型的首要指標(biāo)。

目前，使用的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)型式的接觸器一般為園式、立式兩種，體積大，重量重，如下圖1、圖2所示。

圖1 園式(觸點(diǎn)負(fù)載： 400A )

圖2 立式(觸點(diǎn)負(fù)載：200A)

圖1中的園式400A接觸器：體積為105mm×65mm×101mm，重量為1000g。圖2中立式200A接觸器：體積為124mm×102mm×192mm ，重量為1550g。

有些接觸器重量達(dá)3000g,已經(jīng)不能滿足航空裝備日益發(fā)展的輕量化要求。需要從結(jié)構(gòu)上進(jìn)行創(chuàng)新性改變才能滿足航空要求。現(xiàn)在LEACH公司的新型接觸器采用匯流條式引出端，即開關(guān)接線端子包含了安裝固定功能，與以前傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)型式的接觸器相比，同等帶載能力下體積、重量大大減少，如下圖3LEACH公司匯流條式接觸器：

觸點(diǎn)負(fù)載：400A，體積：73mm×36mm×94mm，重量：320g。

圖3 匯流條式接觸器

與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)型式的400A接觸器相比較，匯流條式接觸器比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)型式接觸器體積減少了64%，重量減少了68%。因此，此結(jié)構(gòu)形式的接觸器將是以后的發(fā)展方向，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)型式的園式、立式接觸器將逐漸淘汰。

2.2 智能型方向發(fā)展

目前，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)型式的接觸器僅具備電氣開斷功能，負(fù)載電流、電壓檢測(cè)及過(guò)流、過(guò)壓保護(hù)、短路保護(hù)等功能由用戶在整機(jī)上完成。現(xiàn)在，隨著裝備小型化發(fā)展要求，這些功能必須進(jìn)行集成，減少裝備體積，因此，這些保護(hù)功能最好和接觸器集成在一起，由接觸器來(lái)完成，從而有效減少整機(jī)體積，達(dá)到裝備小型化目的。因此，接觸器今后必定向智能型方向發(fā)展，即除具備基本的負(fù)載開斷功能外，還應(yīng)具備負(fù)載電流、電壓檢測(cè)及過(guò)流、過(guò)壓保護(hù)、負(fù)載短路保護(hù)、I2t反時(shí)限保護(hù)，總線控制等功能。由于接觸器附加的這些保護(hù)功能對(duì)于不同的用戶都有差異，因此，智能型接觸器將基本上不會(huì)有貨架產(chǎn)品，大多數(shù)會(huì)成為定制專用產(chǎn)品。

有些整機(jī)用戶自己有成熟的上面所講的電氣控制技術(shù)，只需要具有電氣開斷功能的接觸器，因此，綜合考慮，智能型接觸器結(jié)構(gòu)上將分為兩部分，第一部分為只具有電氣開斷功能的機(jī)械開關(guān)，為貨架產(chǎn)品；第二部分為智能型控制模塊，該模塊具有上面所講的保護(hù)、控制功能。這兩部分能很方便可靠的安裝在一起，具有智能型控制功能，又能完全分開，使第一部分單獨(dú)作為機(jī)械開關(guān)使用，滿足不同的用戶要求。今后的接觸器將是真正的機(jī)電一體化、智能化產(chǎn)品。

2.3 開斷的負(fù)載電壓向直流高壓方向發(fā)展

以前，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)型式的接觸器的開斷的電壓、電流一般為28VDC，1000A；115VAC、400Hz、420A;380VAC、50Hz、100A，屬于低電壓、大電流范圍。近幾年，隨著裝備系統(tǒng)電壓向高壓直流方向的應(yīng)用，對(duì)配電系統(tǒng)的接觸器提出了新的要求，要求能開斷270VDC系列(包含400VDC、500VDC、600VDC)直流電壓，我們稱為“高壓接觸器”。

我們現(xiàn)在所說(shuō)的“高壓接觸器”并不是真正的開斷高壓，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)(IEC)定義了電壓等級(jí)：

電壓范圍縮寫功能低壓≤1kVLV配電中壓>1kVMV配電高壓≥70 kVHV輸電超高壓>550 kVEHV輸電特高壓>1000 kVUHV輸電

因此，我們現(xiàn)在所說(shuō)的“高壓接觸器”只能算是“中壓接觸器”，開斷較高電壓負(fù)載。能開斷直流高壓的高壓接觸器從技術(shù)上已經(jīng)與傳統(tǒng)的接觸器有很大的區(qū)別，基本動(dòng)作方式還是采用螺線管式結(jié)構(gòu)，區(qū)別是觸點(diǎn)采用了真空斷路器技術(shù)，對(duì)觸點(diǎn)進(jìn)行了密封及磁滅弧處理，如下圖4所示：

圖4 觸點(diǎn)密封室

觸點(diǎn)密封室稱為“滅弧室”?！皽缁∈摇眱?nèi)充有適宜介質(zhì)。

在當(dāng)今電力系統(tǒng)斷路器應(yīng)用中，中壓領(lǐng)域的適宜介質(zhì)為真空，觸點(diǎn)密封室稱為真空滅弧室(VI)，高壓領(lǐng)域的適宜介質(zhì)為電負(fù)性SF6。

與SF6介質(zhì)相比，真空介質(zhì)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1)開斷壽命長(zhǎng)，可達(dá)100000次；

2)很高的短路電流，電力配電能通過(guò)50次全短路；

3)熄弧能力強(qiáng)；介電強(qiáng)度恢復(fù)速度快；

4)高的開斷能力，高達(dá)200kA；

5)驅(qū)動(dòng)能量低。

由以上可看出，開斷900V以上直流電壓，采用真空滅弧技術(shù)，可以輕松完成。又由于采用真空室，觸點(diǎn)間隙可以很小(高真空下，觸點(diǎn)間隙耐壓可達(dá)50000V/mm)，而且驅(qū)動(dòng)能量低，因此，采用真空滅弧技術(shù)可以做出體積小、重量輕的高壓接觸器，滿足開斷900V以上更高電壓的要求。

目前，用于新能源汽車配電控制及充電開關(guān)的高壓接觸器，觸點(diǎn)密封室采用了氫氣介質(zhì)，能很快將觸點(diǎn)斷開產(chǎn)生的熱量散發(fā)出去，配合磁滅弧技術(shù)，也能開斷900V甚至更高電壓，但如果采用真空滅弧技術(shù)，相同開斷能力下，產(chǎn)品體積可以大大減?。挥钟捎跉錃饨橘|(zhì)具有爆炸的風(fēng)險(xiǎn)，一般用于裝備需慎重。

現(xiàn)在，也有使用高耐壓的IGBT或者FET(耐壓值可達(dá)1600VDC)來(lái)嘗試進(jìn)行高壓負(fù)載控制，缺點(diǎn)是自身?yè)p耗非常大，特別是大電流下發(fā)熱嚴(yán)重，會(huì)影響到周圍其它器件的安全，也對(duì)裝備的熱設(shè)計(jì)提出來(lái)更高的要求，如控制的負(fù)載電流在10A以下的二次配電還是可以考慮使用的；還有一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題就是IGBT或者FET屬于半導(dǎo)體器件，電壓抗干擾能力很差，如果干擾電壓超過(guò)其耐壓值將會(huì)造成擊穿，擊穿后完全導(dǎo)通而不可恢復(fù)，這對(duì)裝備來(lái)講是致命的，將裝備的系統(tǒng)做到無(wú)干擾電壓幾乎是不可能的，所以，雖然高耐壓的IGBT或者FET壽命很長(zhǎng)，但目前不適合進(jìn)行高壓大電流裝備的配電及電機(jī)控制用。因此，采用真空室滅弧技術(shù)的高壓接觸器將是裝備用來(lái)進(jìn)行配電控制的首選產(chǎn)品。

隨著新能源及無(wú)人裝備的發(fā)展，高壓直流系統(tǒng)電壓將會(huì)大量應(yīng)用，作為配電控制用的接觸器要滿足裝備要求，因此，接觸器開斷較高直流電壓負(fù)載是未來(lái)的發(fā)展方向。

2.4 長(zhǎng)壽命方向發(fā)展

2.4.1 低壓下的壽命要求

接觸器開斷的負(fù)載電壓為28VDC；115VAC、400Hz;380VAC、50Hz，我們稱為低壓負(fù)載，產(chǎn)品壽命一般不超過(guò)50000次，有些甚至不到10000次，這在以前的武器裝備中可以滿足壽命要求，但現(xiàn)在隨著裝備要求的提高，在一些應(yīng)用領(lǐng)域已不能滿足壽命要求，特別是兵器工業(yè)方面要求裝備要終生服役，因此，現(xiàn)在接觸器的壽命需大幅提高。

2.4.2 高壓下的壽命要求

裝備的系統(tǒng)電壓提高到270VDC以上已成趨勢(shì)，使用的高壓接觸器采用真空技術(shù)，其壽命包含兩個(gè)方面，第一是負(fù)載開斷次數(shù)要求，現(xiàn)在新能源汽車配電控制及充電開關(guān)的大功率高壓接觸器的壽命只有幾千次，例如TECO公司的EV500接觸器在270VDC、600A時(shí)只有200次壽命，900VDC、100A時(shí)只有1000次壽命。裝備中使用的高壓接觸器壽命在開斷270VDC、600A；900VDC、100A時(shí)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于EV500的壽命。第二是時(shí)間壽命要求，高壓接觸器的觸點(diǎn)密封在真空室內(nèi)，真空密封不能達(dá)到絕對(duì)的密封，肯定有慢性漏氣，即使產(chǎn)品開斷負(fù)載次數(shù)很少，儲(chǔ)存到一定的時(shí)間時(shí)，由于慢性漏氣使真空室真空度下降，達(dá)不到滅弧要求，產(chǎn)品就會(huì)失效。

真空室內(nèi)的材料會(huì)通過(guò)原子或者分子排氣使真空室室內(nèi)壓力升高，為確保接觸器適當(dāng)?shù)哪碗姀?qiáng)度和電流開斷能力，真空度及其內(nèi)部剩余氣體的總壓力水平不能超過(guò)10-3hPa。要確保長(zhǎng)達(dá)30年以上的終生密封特性，則要將其壓力水平控制在10-7hPa以下。因此，真空室的真空度保持時(shí)間要滿足武器裝備的服役時(shí)間要求。

2.5 防水、防沙塵方面發(fā)展

現(xiàn)在，隨著無(wú)人裝備的發(fā)展，要求作為配電及控制的接觸器要滿足惡劣的環(huán)境適應(yīng)要求，如水下工作、惡劣的沙塵環(huán)境下長(zhǎng)期工作等。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)型式的接觸器一般是封閉式結(jié)構(gòu)，不能防水，也不能長(zhǎng)期在惡劣的沙塵環(huán)境下長(zhǎng)期工作，因此，要求接觸器要達(dá)到防水的密封要求，相應(yīng)也滿足了防沙塵要求。但密封結(jié)構(gòu)對(duì)于接觸器自身散熱是不利因素，對(duì)其負(fù)載能力、壽命都有影響，需全面考慮。

2.6 其它問(wèn)題

接觸器由于其開斷的負(fù)載電流較大，觸點(diǎn)間能可靠接通和斷開，在裝備中出現(xiàn)失效的次數(shù)很少，用戶很少有反映。但有一個(gè)問(wèn)題要引起重視，就是接觸器因?yàn)殚_斷的負(fù)載電流較大時(shí)，帶螺紋的觸點(diǎn)引出端基本都采用銅材料，優(yōu)點(diǎn)是導(dǎo)通電阻小、散熱效果好，缺點(diǎn)是機(jī)械強(qiáng)度小。在多個(gè)用戶使用中已出現(xiàn)接線時(shí)引出端接線柱斷裂現(xiàn)象，現(xiàn)在已有產(chǎn)品開始進(jìn)行改進(jìn)，就是把觸點(diǎn)部分分為兩部分，接線柱螺紋部分用不銹鋼材料，兩部分進(jìn)行牢固的焊接。這樣既保證了觸點(diǎn)部分導(dǎo)通電阻小、散熱效果好，又確保了接線端子的機(jī)械強(qiáng)度，滿足了用戶要求。

3 結(jié)論

傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)型式的接觸器已經(jīng)不能滿足日益發(fā)展的裝備要求，將會(huì)逐漸淘汰。今后的接觸器要向小型化、輕量化、長(zhǎng)壽命、智能型方向發(fā)展，特別是能開斷900V以上直流電壓的大功率高壓接觸器更具有發(fā)展前景。