民机变频供电体制对电网接触器的影响分析研究

刘伟

【摘 要】在民用飞机领域，大功率变频供电逐渐成为民用飞机电源系统主流技术，继而对配电系统关键部件的影响分析及设计点优化研究显得日益重要。本文通过理论分析和试验研究，从航空 电网接触器的触点温升和开断能力等方面，对民机变频供电体制下航空接触器的特性进行了研究，定性和定量的给出了变频率供电对航空接触器的性能影响。

【关键词】电源；变频体制；民用飞机；航空接触器

【Abstract】In the civil aircraft field，high power capacity variable frequency（VF）power supply has been a more famous technology，and research on variable frequency impact to key component of power distribution system and its associated optimization of design points becomes more and more critical.This paper presents a research on contact point temperature increase and open capability of aerospace electrical network contactor based on theoretical analysis and testing，characteristics of aerospace contactor under variable frequency power supply has been researched，and performance impact has been presented from quantity and quality consideration.

【Key words】Electrical Power；Variable Frequency Power Supply；Civil Aircraft；Aerospace Contactor

0 引言

目前，出于对变频发电系统在成本、重量、能量可逆性等方面的优势[1-2]，全球飞机制造商们越来越青睐变频发电系统，目前在役的新机型A380，在研机型B787、A350及C系列均选用了变频发电系统。和恒频电源相比，变频交流电源系统具有结构简单、能量转换效率高、功率密度高等优点，但是变频供电系统的应用也带来了一些问题，其中一点就表现在电源频率对配电电网核心部件-配电接触器的影响方面。

由于频率的变化给整个供电及用电系统带来了很大的影响。在变频电源系统中，电弧开断技术受频率影响较大。电源频率越高，电弧电流过零后“零休”时间越短[3]，变频电源最高频率为800Hz是目前在恒速恒频系统电源频率400Hz的两倍，严重影响触头的开断能力，开关触头和引线由于集肤效应和邻近效应，频率增加引起交流电阻增加，进而引起损耗增大。对于电流开断能力一定的开关电器，为保证其正常工作，就需要进一步研究开断性能、温升、负载特性等。

1 配电接触器理论分析

本文从接触器触点温升和开断能力两个方面进行理论分析。

1.1 接触器触点温升理论分析

接触器的主触点在长期导通的状态下，会因通过大电流而发热。当温度过高时，会使触点发生材料的软化和冷焊接。本章将着重研究触点的发热，讨论主电流频率变化对主触点温升的影响。

假设触头为面接触，引进过渡电阻R，其面积等于接触横截面。如图1。

以某型接触器为例，触头材料为银氧化镉，其在电流100A时不同频率对应温度数据如表1所示：

表1 电流为100A时不同频率触头温度计算对比

从计算的结果可以看出电流频率的变化对于触头稳态温升的影响非常小，变化只有5%左右，可以忽略其对接触器性能的影响。

1.2 接触器开断能力的理论分析

1.2.1 电流频率对电弧能量的影响

从公式中看出，电弧能量与电源频率成反比例关系。如果电流第一次过零时电弧熄灭，则频率高时电弧能量比频率低时能量小。变频电源系统的频率范围是360Hz到800Hz。频率为800Hz时能量为400Hz时的50%，而360Hz时电弧能量是400Hz时电弧能量的90%。从能量角度考虑，800Hz时电弧比400Hz时容易熄灭，而360Hz时最难熄灭。

1.2.2 电流频率对开断时截流值的影响

当开断小电流时，由于灭弧装置的作用，在电流没有到达自然零点时，电弧熄灭，电流就被突然降至零点，这就是截流现象。由于电流被截断，电感负载上剩余的电磁能就会引起过电压，所以开断电流过零前的dI/dt会影响开断电流的截流。如果电流的频率变大，电流的 dI/dt变大，使得此点到达电流自然过零点的时间变小，进而提高了电弧的稳定性，进而使电流在幅值更小的时刻熄灭，降低了截流值[5]。

1.2.3 电流频率对电弧伏安特性的影响

电流频率变化，会对电弧的伏安特性产生很大的影响。如图2。

图2 电弧伏安特性

图中曲线（1）为低频下电弧的伏安特性，曲线（2）为高频下电弧的伏安特性，曲线（3）是电弧的静态伏安特性[6]。

从以上的低频和高频下电弧的伏安特性可以看出，电流频率的变化对电弧伏安特性的影响非常大，在中频（360Hz～800Hz）下，电弧的伏安特性会产生很大的变化。

电弧的伏安特性可以反映弧柱的热惯性与电弧熄弧时间的关系以及弧隙电压恢复过程和介质恢复过程的关系，其对开关器件的开断能力产生的影响很大。在电流频率变化而其他条件不变时，弧柱的热惯性不变，弧柱区等离子体扩散的速度是一定的。

1.2.4 电流频率对“零休”时间的影响

电流过零前零休时间的长短，对电弧的熄灭过程有很大的影响。在这期间零休时间的增长，意味着在电流过零前较长一段时间内，弧柱输入功率接近于零。这样，在电流过零时和过零后，弧柱将更冷、更细，更有可能产生弧柱消失、弧隙中气体转变成绝缘状态等现象。显然，这对于防止电弧重燃非常有利。

弧隙两端的电压不断减小，当小到最小起弧电压时，电弧熄灭，零休开始。当电流的频率增大，考虑电源电压的波形不变，则达到最小起弧电压的电角度是不变的，零休的电角度不变，零休的时间变短。

1.2.5 电流频率对恢复电压的影响

电压恢复过程中加于弧隙上的电压称之为恢复电压。由于电压恢复过程是电路的一个过渡过程（暂态过程），恢复电压一般都具有两个分量：稳态分量与暂态分量。如图3：

2 变频体制接触器特性试验分析

2.1 接触器稳态温升试验

试验的目的是观察接触器触点稳态温升与电流频率的关系。接触器闭合时触点压降很小，电流很大，只需要模拟出大电流的环境。试验中采用艾普斯AMF-33010电源，此电源为三相400Hz交流电源，每相可以提供140V，25A的电流，可调频率范围是350～450Hz，应用变压器降压升流，以实现大电流。以电流钳测量副边电流。试验原理图如图4所示。

图 4 接触器温升试验电路图

随着通电时间的增长，接触器触点的温度会不断升高，最终达到一个稳定的温度值，这个温度就是触点的稳态温度。分别调节电源频率为350Hz，400Hz，450Hz，记录触点的稳态温度。测试环境温度为25℃，通100A电流。试验数据见表2。

表2 接触器触点温升数据

从试验数据来看，频率变化对稳态温度变化的影响很小，和理论分析的结果相近，频率升高会使得稳态温度升高，变化大约为5%。频率的提高使得触点温度的提高是很有限的，并且远低于银基触点温升的上限，在实际的设计和计算中可以忽略由于频率的升高而导致的温度升高。

2.2 接触器开断试验

试验所用的接触器为国产的H800-A6N型接触器，其额定开断电流为175A，额定开断电压为115V。试验得到典型开断成功波形如图5所示。开断试验开断失败波形如图6所示。

图 5 开断试验开断成功典型波形

图5为420Hz开断试验开断成功的波形，CH1为电容两端电压；CH2为霍尔元件输出信号；CH3为触点两端电压。霍尔元件的输出值表征回路中的电流值，最大量程为500A左右，由于试验中电流过大，出现饱和。

图 6 开断试验开断失败典型波形

从图5和图6可以看出，如果电流开断成功，电流只产生半个波形，燃弧至过零点时电弧熄灭，随后电压保持不变。如果开断失败电流波形会持续两个波形。

以频率415Hz、590Hz和805Hz点为测试工况，测试变频体制下接触器开断成功率，数据如表3所示。

表 3 开断试验数据表

从开断试验的结果可以看出，试验中随着电流值的增加接触器开断的成功率下降，同时可以看出频率在590Hz时开断能力最差，低于415Hz和800Hz时的开断能力，随着电流的增大开断成功率下降最快。415Hz时开断能力强于800Hz时，但是开断能力差别不大。当频率变化，试验中接触器能否开断受很多因素影响。首先当频率升高，电弧能量降低，从这个角度来看，有助于电弧开断。而频率升高使电流过零点的di/dt变大，不利于开断。接触器的开断能力随着频率的变化而变化可以归结为这两个因素的作用的强弱。

试验结果和分析可知，电流频率变化对电流di/dt值的影响和对电弧能量的影响成为影响开断的主要因素。由于电流频率的升高，另一方面，由于频率的升高，在相同电流值的前提下，di/dt值变大，使得电流过零时的时间更短，使得电弧能量未及时散失，弧隙电阻未升高到足够大时便建立起反向电流，从而不利于电流的开断。

随着电流频率的升高，弧隙的开断能力时刻处于上述两方面的作用之下。415Hz时，di/dt值的增大起到了主要的作用，使得接触器的开断能力下降，因此590Hz时接触器开断能力小于415Hz，而805Hz左右时，电弧能量起到了更大的作用，电弧能量对开断能力起到主导的作用，因而开断能力升高，805Hz时接触器的开端能力高于590Hz。

3 结论

本文通过理论分析和实际工程分析，从航空接触器的触点温升和开断能力等方面，对民机变频供电体制下航空接触器的特性进行了研究，定性和定量的给出了变频率供电队航空接触器的性能影响，对于民机变频供电体制下配电系统研制和设计点优化有一定的指导意义。

【参考文献】

[1]David Lazarovich，Mircea Mares，Ileana Rusan，Edwin Yue.Variable frequency use in aerospace electrical power systems[C].PA U.S.A， SAE，1999.

[2]陈伟. 基于多电飞机的先进供电技术研究[J].飞机设计，2006（4）：64-68.

[3]张冠生.电器学[M].机械工业出版社，1979：61-63.

[4]王其平.关于电源频率50赫和60赫对低压开关电器的影响[J].西安交通大学学报，1982（05）.

[5]王季梅.真空开关理论及其应用[M].西安交通大学出版社，1986：49-54.

[6]Cobine J.D.Gaseous conductors[M].1958：348-361.