一種高壓直流繼電器的結構及耐高壓的設計

(中國電子科技集團公司第四十研究所，安徽蚌埠，233010)

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一種高壓直流繼電器的結構及耐高壓的設計

(中國電子科技集團公司第四十研究所，安徽蚌埠，233010)

摘要：本文主要介紹50KV高壓繼電器的結構設計。該結構通過陶瓷殼體內部的轉換組件來實現高壓通道的切換，陶瓷殼體內部充入SF6的混合氣體來實現觸點電的耐高壓。通過對混合氣體的耐電壓的理論計算及仿真計算來驗證設計的合理性及可行性，確保產品的電性能指標符合要求。

關鍵詞：高壓繼電器；混合氣體；理論計算；仿真驗證

1引言

高壓直流繼電器屬于設備中的高壓控制器件。高壓直流繼電器與普通繼電器的最大區別在于，超高壓直流繼電器采用了獨特的密封技術，將高壓直流繼電器的接觸點密封在腔體中，與外界空氣隔離，以獲得更高的耐壓，在觸點切換時不采用帶載切換，主要用于需要對高壓通道的備份裝置與機構中。它具有體積小，重量輕、耐電壓高等特點。根據高壓直流繼電器使用要求的不同，密封空間中采用的介質較多采用真空介質及高壓惰性氣體介質；腔體密封形式有玻璃燒結密封、陶瓷燒結密封等。

2技術要求

該類高壓直流繼電器的工作電壓一般從5kVd.c.到70kVd.c.不等。根據其工作電壓的不同，繼電器的體積的大小與繼電器內部所采用的密封方式與充入氣體也不盡相同，本文主要介紹一種工作電壓為50kVd.c.高壓繼電器。其主要性能電指標為：

觸點形式：SPDT；

工作電壓：50kVd.c.；

最大連續電流：10A；

接觸電阻：1.0Ω；

工作溫度：-55℃～+85℃；

外型尺寸：φ50.4mm×72mm。

3結構設計

高壓直流繼電器的結構示意圖見圖1。主要由高壓腔體、銜鐵機構、電磁驅動等部分組成。

主要工作原理為：當電磁驅動部分未加激勵電壓時，線圈內無電流流過，對應的電磁驅動部分不會產生磁通，轉動機構中的銜鐵在彈簧的反力作用下，處于初始狀態，高壓腔體中電極C與電極NC經接觸片連接，形成回路；當電磁驅動部分加上激勵電壓時，線圈內有電流流過，電磁驅動部分產生磁通，轉動機構中的銜鐵克服彈簧的反力作用，銜鐵吸合，此時接觸片隨之發生轉動，與電極NC分離，轉向電極NO，最終與NO電極連接。高壓直流繼電器最關鍵部分，是完成高電壓轉換的接觸部分，被密封在高壓腔體內。

由于受繼電器外形尺寸的約束，陶瓷罩的尺寸受到一定的限制，電極與簧片之間的間距較小，其內部尺寸見圖2所示。

由圖可知，簧片與電極之間的間距在兩種狀態分別為2.61mm與2.64mm。在理論計算時采用2.6mm的近似值進行計算。

4耐高壓設計

為了達到的繼電器的耐電壓性能，陶瓷罩內部通過真空或充入惰性氣體的混合氣體來實現耐電壓。由于在真空條件下，在電場達到一定的強度時，會產生對人體有害的射線。因此，在耐電壓方案中選用充入惰性氣體來實現耐高電壓的性能。

在標準狀態下，常用氣體電介質的臨界場強及相對介電常數如表1所示：

由表1可知，SF6氣體的在標準狀態下，臨界場強約為空氣的3倍。SF6氣體或混合氣體的絕緣特性高壓電器中絕緣件的設計和絕緣距離的確定是以絕緣件表面、內部，電極表面，或氣體間隙的許用場強為依據的。理想的SF6 氣體臨界擊穿場強88.5kV/mm·MPa，而空氣臨界擊穿場強為29.4kV/mm·MPa。由此推論，在均勻電場下，SF6 氣體的擊穿場強大約是空氣的3倍。但生產實際中，SF6 絕緣結構主要使用的是稍不均勻場，擊穿場強總是低于這一數值，當間隙內最大場強達到某一擊穿場強Eb 時，間隙即被擊穿。影響擊穿電壓的因素較多，如氣體壓力、電壓形式和極性、間隙長度、電場不均勻程度、電極表面粗糙度、電極材料和電極面積等，與間隙中的最大場強密切有關。因此，在計算時應該給予一定的余量。

在均勻電場中，氣體擊穿通常符合巴申定律，即溫度不變時，均勻電場中氣體的擊穿電壓 是氣體壓力和電極間距離乘積 的函數。圖3所示為SF6氣體的巴申曲線。由圖可知，在一定的范圍內，SF6的巴申曲線近似為線性關系。

該高壓繼電器的環境使用溫度是-55℃～85℃,SF6氣體液化溫度,在一個大氣壓下(即0.1MPa)，液化溫度為-62℃；在1.2MPa壓力下，液化溫度為0℃。為了滿足使用條件，常使用SF6混合氣體來降低液化溫度。純SF6與混合氣體的液化溫度如圖4所示。

若以純SF6氣體的耐電強度為基準(為1．0)，N2氣體和SF6氣體以不同的體積比例混合的氣體的相對耐電強度如圖5所示。由圖5可見，當N2氣體的體積含量≤40%時，混合氣體的相對耐電強度降低很少；即使N2氣體的體積含量達80%，其耐電強度還能達到純N2或空氣耐電強度的2倍。

因為混合氣體的滅弧能力要弱于純SF6氣體，故在高壓腔體中使用SF6-N2混合氣體時，SF6的含量不能太低。SF6混合氣體的擊穿電壓符合下公式：

Vm=V1×k0.18

V1為SF6氣體的耐電壓強度；

k為混合氣體的SF6的比例。

通過對混合氣體的液化溫度、耐高壓強度等因素的綜合考慮。在該項目中，選用SF6：N2=60%:40%的比例進行混合，該比例混合氣體的臨界擊穿場強約為：0.60.18×88.5kV/mm·MPa=80 kV/mm·Mpa。

已知電極間的間距為2.6mm，充入0.4Mpa的混合氣體。通過計算可以得到：

80×2.6×0.4=83.2kV>55 kV(常溫條件下時的介質耐電壓)。

由于該項目中混合氣體密封在陶瓷腔體內，如果不考慮氣體泄漏的話，氣體的密度可以近似為恒定不變的。混合氣體的擊穿場強與溫度的關系如圖6所示。

由圖可知，氣體的密度不變時，氣體的擊穿強度時恒定的不受溫度的影響。因此，在不同的溫度氣體的耐高壓強度都是符合設計要求的。

5有限元仿真

在通過有限元軟件進行陶瓷罩內部的電場場強的仿真時，通過對模型簡化。同時，為了達到混合氣體充入密封腔體的使用條件，設定求解區域為充滿氣體的區域。可以得到內部的電場的分布如圖7所示。

由圖中結果可知，充滿混合氣體的高壓腔體內的場強最大值為2.28×107v/m，小于混合氣體的最大擊穿場強3.2×107v/m。因此，產品的結構設計及氣體的耐電壓理論上符合產品要求。

6結論

本文通過對高壓繼電器內部的結構的介紹，通過對SF6/N2的混合氣體絕緣強度的研究，采用理論計算及仿真計算達到其設計要求。并且通過試驗驗證，證明其設計結構及充入氣體的比例及壓力的合理性，達到其主要的電性能指標。

參考文獻

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[3]嚴璋,朱德恒. 高電壓絕緣技術.中國電力出版社,2000.

收稿日期：2015-05-03

Doi:10.3969/j.issn.1000-6133.2015.03.002

中圖分類號：TN784

文獻標識碼：A

文章編號：1000-6133(2015)03-0005-04