高压直流接触器灭弧技术分析

辜飞 胡凤生 李杰 陈海林

深圳巴斯巴科技发展有限公司 广东省深圳市 518118

1 引言

高压直流接触器的使用过程中，接触器是一种电控制元件，当输入量（激励量）的变化达到规定要求时，在电气输出电路中使被控量发生预定的阶跃变化的一种电器。它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路）之间的互动关系。直流接触器可以快速切断直流的输出回路，可快速接通或断开大电流控制电路的特点，常用于电动机为控制系统，如新能源汽车使用环境、电力通信、工厂设备控制及各种电力机组的大电流电力负载之中。实际上是用小电流去控制大电流运作的一种“自动开关”。故在电气系统中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用，其工作原理：接触器线圈通电时，线圈电流产生磁场。通过铁芯产生磁场，产生电磁吸力吸引运动的铁芯，使接触器的动触点与之同时动作。进而使动触点与静触点闭合。当线圈断电时，电磁吸力消失，在返回力弹簧的作用下释放，使动触点与静触点处于断开。然而，当线圈断电时，此时的输出回路有高电压和大电流的存在，使触点之间会产生电弧，会使动静触点烧蚀、熔焊，从而对触点造成很大的破坏，具有一定的危害性。因此，如何快速灭弧成为接触器的一个重要问题。

2 接触器磁吹灭弧技术

2.1 电弧产生的原因

当接触器切断电路，如果电路电压不低于10v，电流不少于100ma时，动静触点之间的自由电子和触点表面的阳极电子（阳极高温产生热电子发射），由接触引起的强烈的电场的作用，使电子高速向阳极方向运动。在电弧的间隙中，不断与气体原子发生碰闯，使其分离成为新正离子和自由电子，在电场的作用下，以及热运动的作用之下，和其他原子形成电离的影响，这是在电弧间隙碰撞电离，电离的结果影响，大量的接触间隙中电子在电场的作用下流向阳极，这就是为什么电弧产生和持续的原因。电弧产生会烧蚀、熔焊触头，也会使触点断开时间变长。接触器内的灭弧装置主要用于保证接触器与电路断开时产生的电弧的可靠熄灭，尽可能的减少电弧对接触器触头的损坏，确保电器的可靠运行和使用。

2.2 磁吹灭弧工作过程

高压直流接触器一般都有一个动触头和两个静触头组成的接触系统，接触系统在高电压下接通和断开的过程中都会产生电弧，在触头断开较为明显，若设置磁吹灭弧装置的情况下，继电器触头的工作过程主要表现为以下几个动作过程，见图1：

图1

2.3 灭弧装置

通常灭弧装置采用的灭弧方式有：（1）利用触头的回路本身电动力灭弧；（2）磁吹灭弧；（3）狭缝灭弧；（4）灭弧栅片灭弧；（5）多断口灭弧等等多种灭弧方式。灭弧的方式有多种多样，有的通过两种或两种以上组合方式进行灭弧，使灭弧效果更加有效。

2.4 磁吹灭弧原理

磁吹灭弧的原理是电弧在磁场的作用下受洛伦兹力而产生运动。磁吹灭弧能改变电弧运动方向，拉长延伸电弧，使之迅速冷却电弧，恢复介质的介电击穿强度，使电弧迅速熄灭。具体实现：在动静触点之间的垂直方向上的两侧施加永久磁铁，使回流电流方向与当前施加的磁场方向垂直于，根据左手定则，电弧在洛伦兹力的作用下，电弧被拉离动静触点之间，电弧的运动轨迹被拉长、延展。使之快速冷却，减少燃弧时间，达到灭弧效果，磁吹灭磁原理图如图2所示。实验结果表明，该灭弧效果良好。

图2

磁吹灭装置的励磁方式有两种：一种是用通过线圈通电产生磁场进行灭弧，另一种是用永磁体提供磁场进行磁吹灭弧，磁吹灭弧分为串联和并联两种。

串联励磁方法：主要由磁吹线圈、铁芯、导磁片和引弧角组成。激励线圈是串联在接触器输出回路的触头上，线圈串联电路，电流通过线圈是电弧电流，线圈电流产生磁通，铁芯的导磁片形成一个磁回路，在动静触头之间形成较强的磁场，电弧在强磁场中洛伦兹力而运动，使电弧迅速被拉到引弧角拉长、冷却，进而使电弧熄灭。其优点是磁吸方向不随电流的方便而改变，磁吹产生更大的力。但为了获得一定的磁吹力，需要增加灭弧线圈匝数和触头的GAP距离。

图3

并联激励法：其灭弧并联线圈的磁场强度是独立的，并联线圈电流与输出回路触点电弧电流是没有关系的，并联激励可以得到一个恒定的磁场强度，与串联激励线圈相比较：并联激励线圈不因输出回路电流的大小而导致线圈产生的磁场的改变而改变；但改并联激励线圈具有方向性，导致回路电流具有电流方向的规定，若回路电流方向反向，会导致磁吹的方向也跟着反向，引起接触器内部元件烧损，或爆炸的可能。

永磁体灭弧的优缺点：缺点，永磁铁灭弧也具有方向性；优点：（1）可以简化灭弧系统的机理，而不会使灭弧装置的结构复杂化；（2）灭弧磁场强度不受励磁电压波动的影响；（3）没有功率损耗；

2.5 灭弧栅片灭弧

灭弧栅片是熄灭电弧的基本方法之一。灭弧栅片一般采用钢片制作。在高压直流接触器中，当触头间产生电弧时，电弧在磁力线的收缩力作用下被拉入灭弧栅片。一个长弧被分隔成多段短弧（如图所示），电弧在磁吹的作用下使电弧拉长，拉长的目的有两个：（1）使电弧拉长到灭弧腔内使腔体设置结构切断电弧，冷却灭弧；（2）另一作用是将燃烧的电弧拉长，使电弧电压降增加，据有关数据显示，电弧每拉长1英寸产生的电弧压降值约25V，根据电弧压降公式iR=U（电源电压）-ε（电弧压降总和），只要所有串联短弧的起始介质强度总和大于触头间的外加电压，即ε＞U-iR，（0＜i＜∞）电弧将不再重燃。由上述公式可知，当电弧压降总和超过电源电压值时，iR值为负值，说明回路中的介子电流为零，电弧不再燃烧，达到灭弧的作用，见图3。

3 直流电弧燃烧与灭弧条件分析

3.1 直流电弧的稳定燃烧点

为了找到电路参数与电弧稳定燃烧之间的关系，我们必须求解带有电弧的电路，以下图的直流RL电路为例。这个电路与一般RL电路相比，最主要的特点在于电弧电压随电流的关系呈非线性，因此它是一个非线性电路，其微分方程为：

在稳态条件公式简化为，如图4所示：

图4 用图解法求解带有电弧的电流RL电路稳态过程

ε=iR+Uh

我们知道，这样一个稳定的非线性电路可以用图解法来求解。将iR移到左面得

ε-iR=Uh

公式右面是电弧电压。它与电流的关系就是电弧的静态伏安特性。公式左面表示电路提供给电弧的电压。它随电流的关系称之为电路的伏安特性。我们将这两条曲线Uh=f（i）及ε-iR=f（i）都呈现在图上。显然两条曲线的交点就应该是电路的稳定工作点，也就是电弧的稳定燃烧点。

但是图上有两个交点：a点和b点。要判断一下那一个是真正的稳定燃烧点。判断原则是：假想电路稳定工作于某一点，设外界的某些扰动使工作略向左或向右偏移，看扰动消除后工作点是否能回复原位。

先以b为例，若扰动使工作点向左偏移，这是由图上看出

Uh〉ε-iR

（由于扰动后电流发生变化，使电路处于动态，故采用公式ε=iR++U进行分h析）。由公式可看出，这时：

即电流具有继续减小的趋势。电流越小，两条曲线的差距越大，di/dt越大，直到电流减少到零为止。同样，当扰动使工作点右移时，Uh〈（ε-iR），（di/dt）〉0，使电流不断上升。因此说明，电路在b点不可能稳定工作，即电弧在b点不可能稳定燃烧。

再看a点，若扰动使工作点左移，则ε-iR〉Uh，使电路上升回到a点。如扰动使工作点右移，则（di/dt）〈0使电流下降亦回到a点，因此a点就是电弧的稳定燃烧点。

3.2 直流电弧的灭弧条件

显然，当电弧的伏安特性处处都高于电路的伏安特性时，两条曲线就不会有任何交点，电路不会有稳定的工作点，这就是说电弧不可能稳定燃烧。

这个条件用数学表示就是

Uh〉（ε-iR）当0＜i＜∞

这就是说，电弧电流在不断的减少，直到电流为零。

如何从物理概念上来理解这一点，只要在公式Uh〉（ε-iR）左右两边都乘以电流i就可以得到：Uhi〉（εi-i2R），显然，“Uhi”代表电弧消耗的功率，而（εii2R）代表电源供给电弧的功率，前式说明，电源供给电弧的功率小于电弧消耗的功率。因此，在这样的条件下电弧不可能稳定燃烧，从而到达灭弧的作用。

4 结语

本文通过对接触器电弧的产生、磁吹灭弧进行了简明阐述，并对了灭弧装置的分类进行了简单介绍，着重分析了直流电弧的燃烧和灭弧条件通过图解法、稳态电路及非线性微分方程进行了详细的论述说明，经对燃烧点的扰动进行左右偏移，确定燃烧的稳定点和不稳定燃烧点，进而推导出，电弧灭弧的条件，其目的使读者在运用和使用过程中更加了解高压直流接触器的工作特性。