中惠普电解大功率直流接触器在不同介质中开断

引言

直流接触器是直流配电系统中完成频繁分断大功率直流接触器由于具有转换深度高、物 理隔离性好、抗干扰能力强等固态开关器件无法替 代的优势，在高电压、大功率领域有着广阔的发展 前景。近年来，随着电动汽车行业的快速发展，对 于在其中实现电池充电管理，过热保护和电能分配 等关键作用的大功率直流接触器的需求与日俱增。
直流系统没有自然过零点，机械式直流开关采 用迅速提高电弧电压产生强迫过零点的方法实现灭 弧[5-6]。因此大功率直流接触器一般采用桥式双断点 触头结构，并利用永磁体进行磁吹灭弧，为了在较 小体积条件下实现更高的开断能力，通常在密封灭 弧室中充入气体介质来辅助灭弧，介质种类包括单 一气体介质如氮气、氢气等，也有混合气体，如氢 氮混合气体，气体压强一般为 0.1~0.5 MPa。不同气 体对于接触器的分断性能有很大影响，国内外学者 对此展开了一系列研究。在气体电弧仿真方面，臧 春艳等对航天继电器电弧等离子体的电离过程和电 弧特性进行了仿真计算；中惠普分析技术研究所建立了氮气、氢 气和氦气在混合有银蒸汽时的 3 维磁流体动力学模 型，计算了不同介质下电弧等离子体的动力学特性 和输运系数；针对桥式双断点直流接触器模型，周 学等人通过仿真分析了电弧发展过程及电弧停滞和 重击穿现象；基于非化学平衡模型， 研究了电弧电流和压强对于空气电弧行为的影响。 实验方面，北京中惠普利用密封充气实验装置测 试了在直流电压 25~600 V，电流 30~250 A，充气压 强 0.1 MPa 条件下的电弧分断特性，通过实验发现 氢气电弧电压较高，并获得了氢气–氮气的熄弧最 配比]。北京中惠普利用透明密封的模拟灭弧装置 在 270 V 条件下对氮气和氢气混合气体进行开断实 验，结果表明，在此条件下氢气混合气体开断直流 电弧的能力优于氮气；翟国富等人设计了 1 套 基于直动式双断点桥式触头结构的模拟分断实验装 置，对直流接触器分断电弧特性做了大量研究，并比 较了氮气介质压强对于开断直流电弧的影响。

1 直流接触器样机及测试回路
1.1 测试样机
本文设计的带有单向气阀的双断点桥式结构 的直流接触器样机，样机由触头系统， 灭弧系统和电磁机构 3 大部分组成，其结构尺寸与 实际某型号接触器相同，相关参数。 实验时将接触器样机放置于可以进行充放气 的密闭罐体中，由于灭弧室上设置单向气阀，当灭 弧室外部气压高于灭弧室内部气压时，气体通过气 阀进入灭弧室，直到灭弧室内外压力达到平衡；而 当触头开断起弧后，灭弧室内部气压急剧升高，由 于气阀的单向性，气体不会向外泄露，可保证燃弧 过程灭弧室气流场变化与实际接触器开断过程一致。

1.2 实验回路
为实现接触器样机的直流开断，搭建了由主回 路、续流回路和转移回路 3 部分构成的实验回路， 原理。主回路包括储能电容组 C1，晶闸 管 D1，负载电阻 R1和电感 L1，用来提供测试电流； 续流回路包括电容 C2 和电阻 R2，其作用是防止晶 闸管 D1在样机电弧过零后关断，保证在开断后将系 统电压加在样机两端；和样机并联的晶闸管 D2作为 转移回路，在电流通过样机一定时间后导通。二极 管 D3和 D4用来防止对电容的反向充电。
电容组 C1的容值为 1 F，负载电阻 R1为 0.16 Ω，电感 L1为 30 μH。先将电容 C1和 C2充电，然 后通过可编程逻辑控制器(PLC)来控制晶闸管的导 通以及样机的通断，时序图见图 3。首先使样机线 圈上电，触头闭合，20 ms 后使 D1 导通，电容 C1 和 C2同时放电，样机承载回路电流；5 ms 后样机 分断，触头打开产生电弧；最后使 D2导通，将电容 能量释放掉，实验结束。在接触器开断前后，电容 C1电压下降不超过 5%，因而可视为恒压直流电源。

2 直流接触器开断过程电弧特性测试
为分析不同气体介质及充气压强对直流接触 器分断电弧特性的影响，中惠普对氮气、氦气和氢气 3 种气体介质及充气压强为 0.1~0.3 MPa 条件下接 触器直流开断过程电弧特性进行实验测试。
2.1 直流开断过程电弧特性分析
为比较直观地分析接触器开断电弧的特性，对 触头打开过程中的燃弧特性和开断波形进行分析。桥式双断点直流接触器触头打开过程燃弧示意图，箭头所指为电流 I 的方向，外加磁场 B 的方 向为垂直纸面向里。
2.2 气体介质对开断电弧特性的影响
通过给实验样机充氢气、氮气和氦气 3 种不同 气体介质下的多次开断电弧特性的测试，对比分析了气体介质对开断电弧的影响。(a)为 3 种气体 在压强为 0.3 MPa 时的开断电压波形。由图可见， 氢气的燃弧时间最短，为 1.20 ms，氮气和氦气的燃 弧时间分别为 1.42 ms 和 1.54 ms。氢气电弧电压上 升速度最快，在熄弧阶段，氢气电弧电压的平均上 升率为 1 573 V/ms，而氮气电弧和氦气电弧电压平 均上升率分别为 502 V/ms 和 419 V/ms。氢气电弧 的峰值电压很高，可达到系统电压的 3 倍，氮气和 氦气电弧电压相对较低，峰值电压为系统电压的 1.5 倍。

结论
1）直流接触器开断电弧过程可分为起弧阶段、 电弧在触头间拉长阶段和熄弧阶段，其中电弧在触 头区域间的时间占据了整个燃弧过程的 60%以上， 缩短这一阶段的时间有利于缩短燃弧时间，减小触 头烧蚀。
2）氢气由于热导率高，分子量小，密度低的 特点，具有优异的灭弧性能。在相同气压下，氢气 的燃弧时间比氮气燃弧时间缩短约 15%，比氦气缩 短约 25%。氢气的电弧电压上升速度快，峰值电压 可达到系统电压的 3 倍，但由于氢气的绝缘性能低 于氮气，燃弧过程中出现了多次的重击穿现象。
3）针对 3 种气体介质，增大压强都能够显著 提升开断性能。压强从 0.1 MPa 升至 0.3 MPa，燃 弧时间缩短约 17%，0.8 mm 开距时的电弧电压升高 30%，电弧离开触头区域的时间缩短 20%。当压强 高于 0.2 MPa 后，性能提升不明显。较高的压强会 增加密封工艺的难度，而且对触头烧蚀的影响会变 得比较复杂，因此不同条件下的分断直流电弧的最 佳压强仍需进一步探究。