提升直流接觸器滅弧能力和減小體積的設(shè)計(jì)分析 *

李 懂，梁亞鵬，賈世太

(天水二一三電器集團(tuán)有限公司，甘肅 天水 741000)

0 引 言

隨著國家能源結(jié)構(gòu)的重大調(diào)整,未來低碳電力系統(tǒng)的電源中一半是風(fēng)電和光電，其中光電系統(tǒng)中多是DC440V～1500V的直流電，因此直流負(fù)載設(shè)備的數(shù)目和容量大幅增加，直流接觸器作為直流供配電的關(guān)鍵控制電器元件，需求量隨著直流負(fù)載的發(fā)展而增多。目前國內(nèi)市場上的直流接觸器，采用的滅弧系統(tǒng)是根據(jù)工作電壓的高低而各有不同：①低電壓直流接觸器(DC440V以下)，采用觸頭電動(dòng)力吹弧和永久磁鐵磁吹滅弧結(jié)構(gòu)，由于永久磁鐵磁場方向固定而導(dǎo)致接觸器的接線帶有極性，使用中不太方便，即當(dāng)觸頭上電流反向時(shí)，必須同時(shí)改變永久磁鐵的極性，否則磁吹力就會(huì)反向而無法滅弧；②高電壓直流接觸器(DC440 V～1 500 V及以上)，通常采用迷宮式滅弧罩加磁吹滅弧、惰性氣體氣吹滅弧、真空滅弧等多種方式，其中氣體氣吹滅弧和真空滅弧結(jié)構(gòu)可降低產(chǎn)品體積，但存在壽命低、生產(chǎn)成本高、易爆問題，相比之下，磁吹滅弧結(jié)構(gòu)壽命高、生產(chǎn)成本低而占據(jù)市場主流，但由于其滅弧裝置、磁系統(tǒng)體積大，導(dǎo)致產(chǎn)品體積較大(高度偏大)，不滿足接觸器產(chǎn)品日益小型化發(fā)展需求。

筆者以公司設(shè)計(jì)開發(fā)的GSZ4-250雙極直流接觸器(DC750 V、250 A)為例，介紹一種集磁吹滅弧、永久磁鐵滅弧、觸頭電動(dòng)力滅弧、雙極多斷點(diǎn)觸頭滅弧等多種方式于一體的綜合滅弧方案，結(jié)合雙線圈電磁系統(tǒng)和雙極多斷點(diǎn)觸頭系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，提高了直流接觸器電壽命、減小了直流接觸器產(chǎn)品體積。

1 直流接觸器產(chǎn)生的電弧原因及特點(diǎn)

電弧是一種自持放電現(xiàn)象，不用很高的電壓就能維持相當(dāng)長的電弧穩(wěn)定燃燒而不熄滅，在實(shí)際的電路中，直流接觸器通?？刂聘行灾绷髫?fù)載(主要是直流發(fā)電機(jī)與直流電動(dòng)機(jī))，當(dāng)接觸器瞬間切斷直流電源的RL電路時(shí)(如圖1所示)，接觸器觸頭斷開，電路中的電流從工作穩(wěn)態(tài)值以衰減的形式變到零，如圖2所示，由楞次定律可知：uL=Ldi/dt將隨著電流趨于零而增大，在負(fù)載線圈上會(huì)出現(xiàn)過電壓，電壓方向與圖示標(biāo)注方向相反， 該過電壓不僅會(huì)損害設(shè)備絕緣，而且還會(huì)和直流電源電壓疊加使接觸器設(shè)計(jì)開距形成的電氣間隙被擊穿出現(xiàn)電弧。

圖1 直流接觸器控制直流負(fù)載原理圖

圖2 直流電路電流變化曲線圖

對(duì)于大電流在高電壓下產(chǎn)生的電弧，電壓越高分?jǐn)嚯娀≡诫y，只有把電弧拉的越長，電弧才越容易被熄滅。通常的做法是：設(shè)計(jì)足夠大的滅弧室和冷卻面積，加速熱量散發(fā)和降溫；增大觸頭開距，盡可能拉長電弧加速其熄滅等。對(duì)于直流接觸器而言，因直流電壓不過零點(diǎn)，主觸點(diǎn)斷開電路的瞬間，觸點(diǎn)處的電弧相比交流電更加強(qiáng)烈也更加穩(wěn)定，如交流接觸器滅弧室的結(jié)構(gòu)是無法達(dá)到高電壓、大電流的滅弧要求，必須設(shè)計(jì)專用、可靠的滅弧裝置，同時(shí)盡可能減小產(chǎn)品體積，這也是直流接觸器產(chǎn)品開發(fā)的難點(diǎn)。

2 新的滅弧系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 串勵(lì)磁吹線圈滅弧、永久磁鐵滅弧、觸頭強(qiáng)吹磁滅弧相結(jié)合設(shè)計(jì)

如圖3所示，該滅弧系統(tǒng)由串勵(lì)磁吹線圈滅弧、永久磁鐵滅弧、觸頭強(qiáng)吹磁滅弧三種方式組合而成。區(qū)域①由串勵(lì)磁吹線圈滅弧、永久磁鐵滅弧組成，區(qū)域②為觸頭強(qiáng)吹磁滅弧。其工作原理為：當(dāng)電源供電觸頭通電后，因電流流過串勵(lì)磁吹線圈而產(chǎn)生磁場較大磁場，而永久磁鐵和觸頭強(qiáng)吹磁結(jié)構(gòu)均加強(qiáng)了磁場強(qiáng)度，觸頭在斷開時(shí)產(chǎn)生的電弧受到磁場的作用力迅速被拉長而熄滅。

圖3 新滅弧系統(tǒng)原理圖

(1) 串勵(lì)磁吹線圈滅弧

如圖3所示，串勵(lì)磁吹線圈滅弧系統(tǒng)主要由磁吹線圈、電工純鐵鐵芯、導(dǎo)磁片、黃銅棒等組成。該吹磁線圈串聯(lián)在主回路中用于產(chǎn)生磁場，該磁場通過由鐵芯、導(dǎo)磁片組成的磁路，分布在平行的兩塊導(dǎo)磁片中間，接觸器主觸頭分?jǐn)嚯娏鲿r(shí)產(chǎn)生的電弧，會(huì)受到該磁場的作用力F，沿著圖示箭頭的方向迅速拉長并使之進(jìn)入滅弧罩內(nèi)，使電弧與滅弧罩(由滅弧性能好的DMC材料壓制而成)內(nèi)壁接觸，對(duì)電弧的表面進(jìn)行冷卻和吸附，產(chǎn)生強(qiáng)烈的去游離，使電弧很快冷卻，進(jìn)而迅速熄滅。

該滅弧系統(tǒng)中，串勵(lì)磁吹線圈滅弧能產(chǎn)生較大力，其主要?jiǎng)恿碓从谪?fù)載電流，電流越大吹弧能力越強(qiáng)，一般大安培直流接觸器采用這種滅弧方式，其中：

H=KIN[1]

F=IHS=KI2NS[1]

式中：H為磁場強(qiáng)度；I為流過電弧的電流；N為線圈匝數(shù)；S為電弧長度；K為常數(shù)；F為作用在電弧上的力。

由公式可看出，作用在電弧上的力F與電流的平方成正比，電流方向改變對(duì)力F的方向沒有影響，串勵(lì)是無極性的。

(2) 永久磁鐵滅弧

采用磁吹線圈滅弧的產(chǎn)品，在出現(xiàn)輕載小電流時(shí)，其滅弧能力迅速下降，存在不能正常滅弧的問題，因此在小電流時(shí)，為產(chǎn)生足夠的作用力F，N必須選得較大或加大開距，這是缺點(diǎn)；我們的產(chǎn)品為了克服這種缺點(diǎn)，采用雙線圈磁吹滅弧加永久磁鐵滅弧配合解決了此問題。永久磁鐵滅弧是由永久磁鐵產(chǎn)生的磁場對(duì)電弧產(chǎn)生吹弧的電動(dòng)力，加強(qiáng)了產(chǎn)品的滅弧效果，更重要的是串勵(lì)磁吹線圈滅弧會(huì)隨電流減小迅速降低作用在電弧上的電磁力，影響電弧正常的熄滅，而永磁鐵產(chǎn)生吹弧的電動(dòng)力不隨分?jǐn)嚯娏鳒p小而減弱，達(dá)到更好的滅弧效果。

永久磁鐵產(chǎn)生的磁場方向如圖4所示，電弧將受到該磁場的作用力，沿垂直于磁力線的方向被拉長并使之進(jìn)入滅弧罩兩側(cè)內(nèi)壁，熄滅電弧。

圖4 永磁滅弧原理圖

(3) 觸頭結(jié)構(gòu)采用強(qiáng)吹磁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

一般情況下，觸頭結(jié)構(gòu)多設(shè)計(jì)為“一”字型結(jié)構(gòu)，如圖5所示，這種結(jié)構(gòu)對(duì)電弧無磁吹作用，僅依靠觸頭開距拉長電弧滅弧，燃弧時(shí)間長、觸頭燒損嚴(yán)重。我們改進(jìn)設(shè)計(jì)的觸頭結(jié)構(gòu)如圖6所示，靜觸頭采用U型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以增強(qiáng)觸頭回路的磁場強(qiáng)度，同時(shí)靜觸頭底部增加的鐵質(zhì)引弧片，使磁場更加集中，特別是在小電流情況下，增大了吹弧力。由圖可以看出，動(dòng)觸頭、靜觸頭、電弧三部分電流產(chǎn)生的電磁場相互疊加，相應(yīng)產(chǎn)生的電動(dòng)力F迫使電弧按箭頭方向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)引弧片對(duì)電弧具有引力作用，更加大了電弧受力。

圖5 一字型觸頭結(jié)構(gòu)圖1.靜觸頭 2.電弧 3.動(dòng)觸頭

圖6 U型觸頭結(jié)構(gòu)圖1.連接板 2.引弧片 3.靜觸頭 4.電弧 5.動(dòng)觸頭 F.電弧受到觸頭回路的電動(dòng)力 I.電流及方向

2.2 雙極雙斷點(diǎn)觸頭形式增強(qiáng)滅弧能力

普通的直流接觸器為單極型，觸頭系統(tǒng)一般為單極拍合式或單極雙斷點(diǎn)直動(dòng)式。而該系列雙極直流接觸器觸頭系統(tǒng)采用雙極雙斷點(diǎn)直動(dòng)式，兩個(gè)觸頭串聯(lián)在電源與負(fù)載之間，如圖3所示，較之單極性滅弧能力強(qiáng)。原因分析如下：雙極雙斷點(diǎn)觸頭分離時(shí)，會(huì)同時(shí)產(chǎn)生4個(gè)斷口，分?jǐn)嚯妷鹤孕蟹植荚谶@4個(gè)斷口上，防止觸頭間隙被擊穿，電弧重燃。再者，四個(gè)斷口的開距之和比1個(gè)斷口(拍合式)或2個(gè)斷口(單極雙斷點(diǎn)直動(dòng)式)的開距之和大(產(chǎn)品體積相差不大的情況下)，有利于拉長、分割電弧，當(dāng)然就有利于滅弧。GSZ4系列產(chǎn)品觸頭為雙極、直動(dòng)式、雙斷點(diǎn)結(jié)構(gòu)，相比單斷點(diǎn)結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品，觸頭系統(tǒng)高度降低，觸頭串聯(lián)可達(dá)到DC1500 V分?jǐn)嗄芰Α?/p>

3 雙線圈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有效降低產(chǎn)品高度

為了能降低產(chǎn)品高度，單線圈結(jié)構(gòu)變?yōu)殡p線圈結(jié)構(gòu)是最為有效的設(shè)計(jì)方案，如圖7所示，雙線圈高度僅為單線圈的1/2，產(chǎn)品體積可降低40%，詳見表1。線圈串聯(lián)被釉電阻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，減小了產(chǎn)品吸合時(shí)間，降低線圈溫升，提高了產(chǎn)品壽命。

圖7 直流雙線圈結(jié)構(gòu)

產(chǎn)品型號(hào)長(A)寬(D)高(H)GSZ4-250240136238國內(nèi)某品牌(250 A)307154291

圖8 國內(nèi)某品牌外形尺寸

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)GB/T14048.4-2016《低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備 接觸器和電動(dòng)機(jī)起動(dòng)器 機(jī)電式接觸器和電動(dòng)機(jī)起動(dòng)器(含電動(dòng)機(jī)保護(hù)器)》的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，我們對(duì)GSZ4-400雙極直流接觸器產(chǎn)品分別進(jìn)行了DC-1/DC750 V、DC-5/750 V使用類別下的接通分?jǐn)嗪图s定操作試驗(yàn)，驗(yàn)證結(jié)果見表2。圖10、11為產(chǎn)品接通分?jǐn)嗪图s定操作試驗(yàn)波形圖。

表2 GSZ4-400雙極直流接觸器產(chǎn)品接通分?jǐn)嗪图s定操作試驗(yàn)結(jié)果

圖9 GSZ4-250外形尺寸

圖10 接通分?jǐn)嗄芰υ囼?yàn)波形圖

圖11 約定操作試驗(yàn)波形圖

經(jīng)過測試，產(chǎn)品觸頭的燃弧時(shí)間基本在12 ms以內(nèi)，在DC-1/750 V、400 A條件下，電壽命可達(dá)30萬次，DC-5/440 V、400 A的條件下，電壽命達(dá)5萬次；相比國內(nèi)單斷點(diǎn)拍合式的直流產(chǎn)品，在同等的條件下其燃弧時(shí)間為24 ms，DC-1條件下電壽命為20萬次，DC-5下電壽命為8 000次。

5 結(jié) 語

通過試驗(yàn)驗(yàn)證，磁吹滅弧方式能迅速分?jǐn)喔唠妷?、大電流下的直流電弧，隨著分?jǐn)嚯娀∵^程中的電流不斷減小，磁吹滅弧能力降低，為能保證產(chǎn)品可靠分?jǐn)嚯娀　p小燃弧時(shí)間，則配合永久磁鐵滅弧以及觸頭強(qiáng)吹磁結(jié)構(gòu)的綜合應(yīng)用是一種必要手段，在以后直流接觸器的設(shè)計(jì)制造中，可以將這四種滅弧方式根據(jù)接觸器電流等級(jí)的大小，隨機(jī)組合設(shè)計(jì)，滅弧能力可以相互疊加、相互補(bǔ)充。