接觸器發展方向初探

畢德林

(陜西群力電工有限責任公司，陜西寶雞，721300)

1 引言

接觸器作為一個大功率開關器件，廣泛應用于航天、航空、兵器、船舶、電子等系統裝備中，其控制的負載電流大于25A，電壓為28VDC；115VAC、400Hz;380VAC、50Hz,在裝備中主要作為配電開關進行電源控制或者控制大功率電機的啟停控制等，是裝備中的一個關鍵器件，起著重要的作用。近幾年，隨著裝備的發展，對接觸器有了新的要求，本文結合裝備的發展要求對今后接觸器發展方向進行簡述。

2 接觸器的發展方向

2.1 小型化、輕量化方向發展

小型化、輕量化一直是接觸器的基本要求，現在隨著裝備的發展，對小型化、輕量化的要求愈來愈顯得重要，特別是航空及無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。

目前，使用的傳統結構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(觸點負載： 400A )

圖2 立式(觸點負載：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3000g,已經不能滿足航空裝備日益發展的輕量化要求。需要從結構上進行創新性改變才能滿足航空要求。現在LEACH公司的新型接觸器采用匯流條式引出端，即開關接線端子包含了安裝固定功能，與以前傳統結構型式的接觸器相比，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：

觸點負載：400A，體積：73mm×36mm×94mm，重量：320g。

圖3 匯流條式接觸器

與傳統結構型式的400A接觸器相比較，匯流條式接觸器比傳統結構型式接觸器體積減少了64%，重量減少了68%。因此，此結構形式的接觸器將是以后的發展方向，傳統結構型式的園式、立式接觸器將逐漸淘汰。

2.2 智能型方向發展

目前，傳統結構型式的接觸器僅具備電氣開斷功能，負載電流、電壓檢測及過流、過壓保護、短路保護等功能由用戶在整機上完成。現在，隨著裝備小型化發展要求，這些功能必須進行集成，減少裝備體積，因此，這些保護功能最好和接觸器集成在一起，由接觸器來完成，從而有效減少整機體積，達到裝備小型化目的。因此，接觸器今后必定向智能型方向發展，即除具備基本的負載開斷功能外，還應具備負載電流、電壓檢測及過流、過壓保護、負載短路保護、I2t反時限保護，總線控制等功能。由于接觸器附加的這些保護功能對于不同的用戶都有差異，因此，智能型接觸器將基本上不會有貨架產品，大多數會成為定制專用產品。

有些整機用戶自己有成熟的上面所講的電氣控制技術，只需要具有電氣開斷功能的接觸器，因此，綜合考慮，智能型接觸器結構上將分為兩部分，第一部分為只具有電氣開斷功能的機械開關，為貨架產品；第二部分為智能型控制模塊，該模塊具有上面所講的保護、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，使第一部分單獨作為機械開關使用，滿足不同的用戶要求。今后的接觸器將是真正的機電一體化、智能化產品。

2.3 開斷的負載電壓向直流高壓方向發展

以前，傳統結構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，隨著裝備系統電壓向高壓直流方向的應用，對配電系統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”。

我們現在所說的“高壓接觸器”并不是真正的開斷高壓，國際標準(IEC)定義了電壓等級：

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，我們現在所說的“高壓接觸器”只能算是“中壓接觸器”，開斷較高電壓負載。能開斷直流高壓的高壓接觸器從技術上已經與傳統的接觸器有很大的區別，基本動作方式還是采用螺線管式結構，區別是觸點采用了真空斷路器技術，對觸點進行了密封及磁滅弧處理，如下圖4所示：

圖4 觸點密封室

觸點密封室稱為“滅弧室”。“滅弧室”內充有適宜介質。

在當今電力系統斷路器應用中，中壓領域的適宜介質為真空，觸點密封室稱為真空滅弧室(VI)，高壓領域的適宜介質為電負性SF6。

與SF6介質相比，真空介質具有如下優點：

1)開斷壽命長，可達100000次；

2)很高的短路電流，電力配電能通過50次全短路；

3)熄弧能力強；介電強度恢復速度快；

4)高的開斷能力，高達200kA；

5)驅動能量低。

由以上可看出，開斷900V以上直流電壓，采用真空滅弧技術，可以輕松完成。又由于采用真空室，觸點間隙可以很小(高真空下，觸點間隙耐壓可達50000V/mm)，而且驅動能量低，因此，采用真空滅弧技術可以做出體積小、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的高壓接觸器，觸點密封室采用了氫氣介質，能很快將觸點斷開產生的熱量散發出去，配合磁滅弧技術，也能開斷900V甚至更高電壓，但如果采用真空滅弧技術，相同開斷能力下，產品體積可以大大減小；又由于氫氣介質具有爆炸的風險，一般用于裝備需慎重。

現在，也有使用高耐壓的IGBT或者FET(耐壓值可達1600VDC)來嘗試進行高壓負載控制，缺點是自身損耗非常大，特別是大電流下發熱嚴重，會影響到周圍其它器件的安全，也對裝備的熱設計提出來更高的要求，如控制的負載電流在10A以下的二次配電還是可以考慮使用的；還有一個關鍵問題就是IGBT或者FET屬于半導體器件，電壓抗干擾能力很差，如果干擾電壓超過其耐壓值將會造成擊穿，擊穿后完全導通而不可恢復，這對裝備來講是致命的，將裝備的系統做到無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，但目前不適合進行高壓大電流裝備的配電及電機控制用。因此，采用真空室滅弧技術的高壓接觸器將是裝備用來進行配電控制的首選產品。

隨著新能源及無人裝備的發展，高壓直流系統電壓將會大量應用，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載是未來的發展方向。

2.4 長壽命方向發展

2.4.1 低壓下的壽命要求

接觸器開斷的負載電壓為28VDC；115VAC、400Hz;380VAC、50Hz，我們稱為低壓負載，產品壽命一般不超過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，但現在隨著裝備要求的提高，在一些應用領域已不能滿足壽命要求，特別是兵器工業方面要求裝備要終生服役，因此，現在接觸器的壽命需大幅提高。

2.4.2 高壓下的壽命要求

裝備的系統電壓提高到270VDC以上已成趨勢，使用的高壓接觸器采用真空技術，其壽命包含兩個方面，第一是負載開斷次數要求，現在新能源汽車配電控制及充電開關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時只有200次壽命，900VDC、100A時只有1000次壽命。裝備中使用的高壓接觸器壽命在開斷270VDC、600A；900VDC、100A時要遠遠大于EV500的壽命。第二是時間壽命要求，高壓接觸器的觸點密封在真空室內，真空密封不能達到絕對的密封，肯定有慢性漏氣，即使產品開斷負載次數很少，儲存到一定的時間時，由于慢性漏氣使真空室真空度下降，達不到滅弧要求，產品就會失效。

真空室內的材料會通過原子或者分子排氣使真空室室內壓力升高，為確保接觸器適當的耐電強度和電流開斷能力，真空度及其內部剩余氣體的總壓力水平不能超過10-3hPa。要確保長達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間要滿足武器裝備的服役時間要求。

2.5 防水、防沙塵方面發展

現在，隨著無人裝備的發展，要求作為配電及控制的接觸器要滿足惡劣的環境適應要求，如水下工作、惡劣的沙塵環境下長期工作等。傳統結構型式的接觸器一般是封閉式結構，不能防水，也不能長期在惡劣的沙塵環境下長期工作，因此，要求接觸器要達到防水的密封要求，相應也滿足了防沙塵要求。但密封結構對于接觸器自身散熱是不利因素，對其負載能力、壽命都有影響，需全面考慮。

2.6 其它問題

接觸器由于其開斷的負載電流較大，觸點間能可靠接通和斷開，在裝備中出現失效的次數很少，用戶很少有反映。但有一個問題要引起重視，就是接觸器因為開斷的負載電流較大時，帶螺紋的觸點引出端基本都采用銅材料，優點是導通電阻小、散熱效果好，缺點是機械強度小。在多個用戶使用中已出現接線時引出端接線柱斷裂現象，現在已有產品開始進行改進，就是把觸點部分分為兩部分，接線柱螺紋部分用不銹鋼材料，兩部分進行牢固的焊接。這樣既保證了觸點部分導通電阻小、散熱效果好，又確保了接線端子的機械強度，滿足了用戶要求。

3 結論

傳統結構型式的接觸器已經不能滿足日益發展的裝備要求，將會逐漸淘汰。今后的接觸器要向小型化、輕量化、長壽命、智能型方向發展，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展前景。