接触器发展方向初探

2021-03-08毕德林

机电元件 2021年1期

毕德林

(陕西群力电工有限责任公司，陕西宝鸡，721300)

1 引言

接触器作为一个大功率开关器件，广泛应用于航天、航空、兵器、船舶、电子等系统装备中，其控制的负载电流大于25A，电压为28VDC；115VAC、400Hz;380VAC、50Hz,在装备中主要作为配电开关进行电源控制或者控制大功率电机的启停控制等，是装备中的一个关键器件，起着重要的作用。近几年，随着装备的发展，对接触器有了新的要求，本文结合装备的发展要求对今后接触器发展方向进行简述。

2 接触器的发展方向

2.1 小型化、轻量化方向发展

小型化、轻量化一直是接触器的基本要求，现在随着装备的发展，对小型化、轻量化的要求愈来愈显得重要，特别是航空及无人装备方面把接触器的体积小、重量轻作为使用选型的首要指标。

目前，使用的传统结构型式的接触器一般为园式、立式两种，体积大，重量重，如下图1、图2所示。

图1 园式(触点负载： 400A )

图2 立式(触点负载：200A)

图1中的园式400A接触器：体积为105mm×65mm×101mm，重量为1000g。图2中立式200A接触器：体积为124mm×102mm×192mm ，重量为1550g。

有些接触器重量达3000g,已经不能满足航空装备日益发展的轻量化要求。需要从结构上进行创新性改变才能满足航空要求。现在LEACH公司的新型接触器采用汇流条式引出端，即开关接线端子包含了安装固定功能，与以前传统结构型式的接触器相比，同等带载能力下体积、重量大大减少，如下图3LEACH公司汇流条式接触器：

触点负载：400A，体积：73mm×36mm×94mm，重量：320g。

图3 汇流条式接触器

与传统结构型式的400A接触器相比较，汇流条式接触器比传统结构型式接触器体积减少了64%，重量减少了68%。因此，此结构形式的接触器将是以后的发展方向，传统结构型式的园式、立式接触器将逐渐淘汰。

2.2 智能型方向发展

目前，传统结构型式的接触器仅具备电气开断功能，负载电流、电压检测及过流、过压保护、短路保护等功能由用户在整机上完成。现在，随着装备小型化发展要求，这些功能必须进行集成，减少装备体积，因此，这些保护功能最好和接触器集成在一起，由接触器来完成，从而有效减少整机体积，达到装备小型化目的。因此，接触器今后必定向智能型方向发展，即除具备基本的负载开断功能外，还应具备负载电流、电压检测及过流、过压保护、负载短路保护、I2t反时限保护，总线控制等功能。由于接触器附加的这些保护功能对于不同的用户都有差异，因此，智能型接触器将基本上不会有货架产品，大多数会成为定制专用产品。

有些整机用户自己有成熟的上面所讲的电气控制技术，只需要具有电气开断功能的接触器，因此，综合考虑，智能型接触器结构上将分为两部分，第一部分为只具有电气开断功能的机械开关，为货架产品；第二部分为智能型控制模块，该模块具有上面所讲的保护、控制功能。这两部分能很方便可靠的安装在一起，具有智能型控制功能，又能完全分开，使第一部分单独作为机械开关使用，满足不同的用户要求。今后的接触器将是真正的机电一体化、智能化产品。

2.3 开断的负载电压向直流高压方向发展

以前，传统结构型式的接触器的开断的电压、电流一般为28VDC，1000A；115VAC、400Hz、420A;380VAC、50Hz、100A，属于低电压、大电流范围。近几年，随着装备系统电压向高压直流方向的应用，对配电系统的接触器提出了新的要求，要求能开断270VDC系列(包含400VDC、500VDC、600VDC)直流电压，我们称为“高压接触器”。

我们现在所说的“高压接触器”并不是真正的开断高压，国际标准(IEC)定义了电压等级：

电压范围缩写功能低压≤1kVLV配电中压>1kVMV配电高压≥70 kVHV输电超高压>550 kVEHV输电特高压>1000 kVUHV输电

因此，我们现在所说的“高压接触器”只能算是“中压接触器”，开断较高电压负载。能开断直流高压的高压接触器从技术上已经与传统的接触器有很大的区别，基本动作方式还是采用螺线管式结构，区别是触点采用了真空断路器技术，对触点进行了密封及磁灭弧处理，如下图4所示：

图4 触点密封室

触点密封室称为“灭弧室”。“灭弧室”内充有适宜介质。

在当今电力系统断路器应用中，中压领域的适宜介质为真空，触点密封室称为真空灭弧室(VI)，高压领域的适宜介质为电负性SF6。

与SF6介质相比，真空介质具有如下优点：

1)开断寿命长，可达100000次；

2)很高的短路电流，电力配电能通过50次全短路；

3)熄弧能力强；介电强度恢复速度快；

4)高的开断能力，高达200kA；

5)驱动能量低。

由以上可看出，开断900V以上直流电压，采用真空灭弧技术，可以轻松完成。又由于采用真空室，触点间隙可以很小(高真空下，触点间隙耐压可达50000V/mm)，而且驱动能量低，因此，采用真空灭弧技术可以做出体积小、重量轻的高压接触器，满足开断900V以上更高电压的要求。

目前，用于新能源汽车配电控制及充电开关的高压接触器，触点密封室采用了氢气介质，能很快将触点断开产生的热量散发出去，配合磁灭弧技术，也能开断900V甚至更高电压，但如果采用真空灭弧技术，相同开断能力下，产品体积可以大大减小；又由于氢气介质具有爆炸的风险，一般用于装备需慎重。

现在，也有使用高耐压的IGBT或者FET(耐压值可达1600VDC)来尝试进行高压负载控制，缺点是自身损耗非常大，特别是大电流下发热严重，会影响到周围其它器件的安全，也对装备的热设计提出来更高的要求，如控制的负载电流在10A以下的二次配电还是可以考虑使用的；还有一个关键问题就是IGBT或者FET属于半导体器件，电压抗干扰能力很差，如果干扰电压超过其耐压值将会造成击穿，击穿后完全导通而不可恢复，这对装备来讲是致命的，将装备的系统做到无干扰电压几乎是不可能的，所以，虽然高耐压的IGBT或者FET寿命很长，但目前不适合进行高压大电流装备的配电及电机控制用。因此，采用真空室灭弧技术的高压接触器将是装备用来进行配电控制的首选产品。

随着新能源及无人装备的发展，高压直流系统电压将会大量应用，作为配电控制用的接触器要满足装备要求，因此，接触器开断较高直流电压负载是未来的发展方向。

2.4 长寿命方向发展

2.4.1 低压下的寿命要求

接触器开断的负载电压为28VDC；115VAC、400Hz;380VAC、50Hz，我们称为低压负载，产品寿命一般不超过50000次，有些甚至不到10000次，这在以前的武器装备中可以满足寿命要求，但现在随着装备要求的提高，在一些应用领域已不能满足寿命要求，特别是兵器工业方面要求装备要终生服役，因此，现在接触器的寿命需大幅提高。

2.4.2 高压下的寿命要求

装备的系统电压提高到270VDC以上已成趋势，使用的高压接触器采用真空技术，其寿命包含两个方面，第一是负载开断次数要求，现在新能源汽车配电控制及充电开关的大功率高压接触器的寿命只有几千次，例如TECO公司的EV500接触器在270VDC、600A时只有200次寿命，900VDC、100A时只有1000次寿命。装备中使用的高压接触器寿命在开断270VDC、600A；900VDC、100A时要远远大于EV500的寿命。第二是时间寿命要求，高压接触器的触点密封在真空室内，真空密封不能达到绝对的密封，肯定有慢性漏气，即使产品开断负载次数很少，储存到一定的时间时，由于慢性漏气使真空室真空度下降，达不到灭弧要求，产品就会失效。

真空室内的材料会通过原子或者分子排气使真空室室内压力升高，为确保接触器适当的耐电强度和电流开断能力，真空度及其内部剩余气体的总压力水平不能超过10-3hPa。要确保长达30年以上的终生密封特性，则要将其压力水平控制在10-7hPa以下。因此，真空室的真空度保持时间要满足武器装备的服役时间要求。

2.5 防水、防沙尘方面发展

现在，随着无人装备的发展，要求作为配电及控制的接触器要满足恶劣的环境适应要求，如水下工作、恶劣的沙尘环境下长期工作等。传统结构型式的接触器一般是封闭式结构，不能防水，也不能长期在恶劣的沙尘环境下长期工作，因此，要求接触器要达到防水的密封要求，相应也满足了防沙尘要求。但密封结构对于接触器自身散热是不利因素，对其负载能力、寿命都有影响，需全面考虑。

2.6 其它问题

接触器由于其开断的负载电流较大，触点间能可靠接通和断开，在装备中出现失效的次数很少，用户很少有反映。但有一个问题要引起重视，就是接触器因为开断的负载电流较大时，带螺纹的触点引出端基本都采用铜材料，优点是导通电阻小、散热效果好，缺点是机械强度小。在多个用户使用中已出现接线时引出端接线柱断裂现象，现在已有产品开始进行改进，就是把触点部分分为两部分，接线柱螺纹部分用不锈钢材料，两部分进行牢固的焊接。这样既保证了触点部分导通电阻小、散热效果好，又确保了接线端子的机械强度，满足了用户要求。