高壓直流接觸器滅弧技術分析

辜飛 胡鳳生 李杰 陳海林

深圳巴斯巴科技發展有限公司 廣東省深圳市 518118

1 引言

高壓直流接觸器的使用過程中，接觸器是一種電控制元件，當輸入量（激勵量）的變化達到規定要求時，在電氣輸出電路中使被控量發生預定的階躍變化的一種電器。它具有控制系統（又稱輸入回路）和被控制系統（又稱輸出回路）之間的互動關系。直流接觸器可以快速切斷直流的輸出回路，可快速接通或斷開大電流控制電路的特點，常用于電動機為控制系統，如新能源汽車使用環境、電力通信、工廠設備控制及各種電力機組的大電流電力負載之中。實際上是用小電流去控制大電流運作的一種“自動開關”。故在電氣系統中起著自動調節、安全保護、轉換電路等作用，其工作原理：接觸器線圈通電時，線圈電流產生磁場。通過鐵芯產生磁場，產生電磁吸力吸引運動的鐵芯，使接觸器的動觸點與之同時動作。進而使動觸點與靜觸點閉合。當線圈斷電時，電磁吸力消失，在返回力彈簧的作用下釋放，使動觸點與靜觸點處于斷開。然而，當線圈斷電時，此時的輸出回路有高電壓和大電流的存在，使觸點之間會產生電弧，會使動靜觸點燒蝕、熔焊，從而對觸點造成很大的破壞，具有一定的危害性。因此，如何快速滅弧成為接觸器的一個重要問題。

2 接觸器磁吹滅弧技術

2.1 電弧產生的原因

當接觸器切斷電路，如果電路電壓不低于10v，電流不少于100ma時，動靜觸點之間的自由電子和觸點表面的陽極電子（陽極高溫產生熱電子發射），由接觸引起的強烈的電場的作用，使電子高速向陽極方向運動。在電弧的間隙中，不斷與氣體原子發生碰闖，使其分離成為新正離子和自由電子，在電場的作用下，以及熱運動的作用之下，和其他原子形成電離的影響，這是在電弧間隙碰撞電離，電離的結果影響，大量的接觸間隙中電子在電場的作用下流向陽極，這就是為什么電弧產生和持續的原因。電弧產生會燒蝕、熔焊觸頭，也會使觸點斷開時間變長。接觸器內的滅弧裝置主要用于保證接觸器與電路斷開時產生的電弧的可靠熄滅，盡可能的減少電弧對接觸器觸頭的損壞，確保電器的可靠運行和使用。

2.2 磁吹滅弧工作過程

高壓直流接觸器一般都有一個動觸頭和兩個靜觸頭組成的接觸系統，接觸系統在高電壓下接通和斷開的過程中都會產生電弧，在觸頭斷開較為明顯，若設置磁吹滅弧裝置的情況下，繼電器觸頭的工作過程主要表現為以下幾個動作過程，見圖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力滅??；（2）磁吹滅弧；（3）狹縫滅?。唬?）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，有的通過兩種或兩種以上組合方式進行滅弧，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的作用下受洛倫茲力而產生運動。磁吹滅弧能改變電弧運動方向，拉長延伸電弧，使之迅速冷卻電弧，恢復介質的介電擊穿強度，使電弧迅速熄滅。具體實現：在動靜觸點之間的垂直方向上的兩側施加永久磁鐵，使回流電流方向與當前施加的磁場方向垂直于，根據左手定則，電弧在洛倫茲力的作用下，電弧被拉離動靜觸點之間，電弧的運動軌跡被拉長、延展。使之快速冷卻，減少燃弧時間，達到滅弧效果，磁吹滅磁原理圖如圖2所示。實驗結果表明，該滅弧效果良好。

圖2

磁吹滅裝置的勵磁方式有兩種：一種是用通過線圈通電產生磁場進行滅弧，另一種是用永磁體提供磁場進行磁吹滅弧，磁吹滅弧分為串聯和并聯兩種。

串聯勵磁方法：主要由磁吹線圈、鐵芯、導磁片和引弧角組成。激勵線圈是串聯在接觸器輸出回路的觸頭上，線圈串聯電路，電流通過線圈是電弧電流，線圈電流產生磁通，鐵芯的導磁片形成一個磁回路，在動靜觸頭之間形成較強的磁場，電弧在強磁場中洛倫茲力而運動，使電弧迅速被拉到引弧角拉長、冷卻，進而使電弧熄滅。其優點是磁吸方向不隨電流的方便而改變，磁吹產生更大的力。但為了獲得一定的磁吹力，需要增加滅弧線圈匝數和觸頭的GAP距離。

圖3

并聯激勵法：其滅弧并聯線圈的磁場強度是獨立的，并聯線圈電流與輸出回路觸點電弧電流是沒有關系的，并聯激勵可以得到一個恒定的磁場強度，與串聯激勵線圈相比較：并聯激勵線圈不因輸出回路電流的大小而導致線圈產生的磁場的改變而改變；但改并聯激勵線圈具有方向性，導致回路電流具有電流方向的規定，若回路電流方向反向，會導致磁吹的方向也跟著反向，引起接觸器內部元件燒損，或爆炸的可能。

永磁體滅弧的優缺點：缺點，永磁鐵滅弧也具有方向性；優點：（1）可以簡化滅弧系統的機理，而不會使滅弧裝置的結構復雜化；（2）滅弧磁場強度不受勵磁電壓波動的影響；（3）沒有功率損耗；

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，當觸頭間產生電弧時，電弧在磁力線的收縮力作用下被拉入滅弧柵片。一個長弧被分隔成多段短?。ㄈ鐖D所示），電弧在磁吹的作用下使電弧拉長，拉長的目的有兩個：（1）使電弧拉長到滅弧腔內使腔體設置結構切斷電弧，冷卻滅??；（2）另一作用是將燃燒的電弧拉長，使電弧電壓降增加，據有關數據顯示，電弧每拉長1英寸產生的電弧壓降值約25V，根據電弧壓降公式iR=U（電源電壓）-ε（電弧壓降總和），只要所有串聯短弧的起始介質強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，當電弧壓降總和超過電源電壓值時，iR值為負值，說明回路中的介子電流為零，電弧不再燃燒，達到滅弧的作用，見圖3。

3 直流電弧燃燒與滅弧條件分析

3.1 直流電弧的穩定燃燒點

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

在穩態條件公式簡化為，如圖4所示：

圖4 用圖解法求解帶有電弧的電流RL電路穩態過程

ε=iR+Uh

我們知道，這樣一個穩定的非線性電路可以用圖解法來求解。將iR移到左面得

ε-iR=Uh

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

但是圖上有兩個交點：a點和b點。要判斷一下那一個是真正的穩定燃燒點。判斷原則是：假想電路穩定工作于某一點，設外界的某些擾動使工作略向左或向右偏移，看擾動消除后工作點是否能回復原位。

先以b為例，若擾動使工作點向左偏移，這是由圖上看出

Uh〉ε-iR

（由于擾動后電流發生變化，使電路處于動態，故采用公式ε=iR++U進行分h析）。由公式可看出，這時：

即電流具有繼續減小的趨勢。電流越小，兩條曲線的差距越大，di/dt越大，直到電流減少到零為止。同樣，當擾動使工作點右移時，Uh〈（ε-iR），（di/dt）〉0，使電流不斷上升。因此說明，電路在b點不可能穩定工作，即電弧在b點不可能穩定燃燒。

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

3.2 直流電弧的滅弧條件

顯然，當電弧的伏安特性處處都高于電路的伏安特性時，兩條曲線就不會有任何交點，電路不會有穩定的工作點，這就是說電弧不可能穩定燃燒。

這個條件用數學表示就是

Uh〉（ε-iR）當0＜i＜∞

這就是說，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理解這一點，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定燃燒，從而到達滅弧的作用。

4 結語

本文通過對接觸器電弧的產生、磁吹滅弧進行了簡明闡述，并對了滅弧裝置的分類進行了簡單介紹，著重分析了直流電弧的燃燒和滅弧條件通過圖解法、穩態電路及非線性微分方程進行了詳細的論述說明，經對燃燒點的擾動進行左右偏移，確定燃燒的穩定點和不穩定燃燒點，進而推導出，電弧滅弧的條件，其目的使讀者在運用和使用過程中更加了解高壓直流接觸器的工作特性。