技术文章—高压大电流电路的配电所面临的挑战

2020-06-30来源: EEWORLD关键字:真空开关  高级继电器

天线、雷达、测距仪、卫星、车辆、舰船、其他航空和国防应用,以及270 VDC飞机电源系统里面都有高压/大电流电路,这给电源管理带来了独特的挑战。因此,如何设计出能够在较小的空间内更有效地处理高功率的解决方案可谓至关重要。电动汽车、充电站、电池系统以及太阳能和风能应用的配电也是这种情况。

 

本文说明了高级继电器和接触器如何应对严苛的配电需求,因此可以简化设计人员的工作;此外,本文还介绍了一种工具,方便对各种接触器和继电器功能做出选择。

 

配电技术有着各种各样的类型。许多露天开关设计只能承受几百伏的电压。但是,小型、轻巧、密封的设备若采用具有良好介电性能的气体或真空,则其开关电压可以高达70千伏(kV)。

 

就接触器而言,触点尺寸和压力增加,再加上采用特殊合金材料,那么可以实现高达1000安的大电流管理。将内置霍尔效应电流传感器集成于接触器,还可以将这些设备变成“智能”电流感应版本。

 

High-voltage (1,000-VDC) KILOVAC K1K contactor rated for continuous 1,000-A current (Image: TE Connectivity)

 

高压(1,000 VDC)KILOVAC K1K接触器的额定连续电流为1000安

 

什么时候考虑真空开关

 

常规开关会产生电弧,因此几乎不可能断开千伏电路。当电压较高时,填充于开路触点之间的空气会迅速电离成为导电路径。因此,尽管触点断开,但电离气体仍可维持电路——这个问题在通用继电器中并不普遍。

 

真空如何最大程度地减少飞弧问题

 

有一个解决方案可以解决飞弧问题,那便是去除接触区域的可电离气体。因此,高压开关精心设计的目的就是为了在真空中正常工作。举例来说,在10–6毫米汞柱的真空中,介电强度可达2000伏/密耳。

 

真空电介质还为高压触点提供了一个惰性的环境。真空实际上消除了氧化和腐蚀的可能性。当真空中出现电弧时,不会发生空气或电介质气体的分解,因此也就不会产生腐蚀性的副产品。

 

射频应用

 

良好的绝缘性能和较低而稳定的接触电阻,是能够在射频(RF)开关中使用高压真空继电器的两大原因。然而,任何继电器在射频应用中都应注意电流和电压的限制。“趋肤效应”将会产生影响,也就是说随着频率的增加,电流将从导体的中心向表面迁移。频率越高则导电路径的趋肤深度越小,迫使更多的电流通过更小的导体截面。这会导致导体表面局部受热升温,而高温有可能损坏继电器的密封性。

 

KILOVAC K81A high-voltage relay with a high temperature rating of 290°C (554°F) for 500 hours (Image: TE Connectivity)

 

KILOVAC K81A高压继电器能够耐受290°C(554°F)的高温长达500小时

 

当继电器用作绝缘体时,开路触点之间和/或触点与地面之间将会存在射频电压。在所有的实际应用中,继电器都有一个1-2皮法的高压电容。流经该电容的泄漏电流会加热绝缘体的损耗元件,进而限制可以应用的射频电压。

 

电流和电压的限制使得射频应用有必要降低电流和电压规格,同时其工作频率也要控制在32MHz以下。选择特定的继电器时,这些限制因素均应予以考虑。

 

什么时候考虑绝缘开关

 

并非所有的高压继电器/接触器都是真空型的。拥有良好介电性能的惰性气体也可用于高压组件和系统。这种解决方案十分灵活,因为我们可以通过改变气体的混合比例和/或压力来控制受压外壳中的击穿电压。气体加压灭弧是它的另一个优点,因为通常在数微秒时间内就可以完成灭弧。

 

充气式开关设备可用于高压电源开关,其功能是关闭常开触点。这种方案有一个优点:气体的混合比例和压力可以事先设定,以便在触点接触之前就产生电弧。此外,如果电路电压高于3500伏,那么即使因触点弹跳而使电路断开,电弧也仍然保持稳定,足以维持电流。如电容性放电电路所示,这种现象有助于延长充气继电器的使用寿命。

 

KILOVAC K41 high-voltage vacuum dielectric relay for make-and-break load switching (Image TE Connectivity)

 

KILOVAC K41高压真空介电继电器可用于通断负载开关

 

常规继电器的接触电阻不断发生着变化,而真空继电器的接触电阻保持恒定且数值较低,在整个使用寿命期间其典型值为0.015欧姆。阻值之所以这么低,是因为真空继电器统一使用清洁部件,没有氧化或污染,而且接触部位使用的是纯金属。由于触点采用真空密封,因此可在易爆或腐蚀性环境中实现安全的开关操作。

 

充气式继电器的接触电阻一般也比较低,但不像真空继电器的接触电阻那么低和那么稳定。此外,其接触电阻还会随着测试方法的不同而发生变化。大容量、大电流的测试电路测得的阻值会比较低。触点镀金可以提高充气式继电器的稳定性,并降低其接触电阻。

 

电源开关的通断和中继负载因素

 

术语“电源开关”和“热开关”是指通过激活继电器来断开或接通电源。对继电器进行开关操作时,触点在闭合的瞬间和随后的弹跳过程中都会产生电弧。电弧会引起触点腐蚀,若不采取一定的预防措施,则电弧有可能导致触点熔结,至少会导致相当程度的触点损坏。因此,电弧的持续时间以及电流和电压的水平都是决定继电器寿命和可靠性的重要因素。

 

高电压电源开关继电器的触点通常使用钨或钼制成,因为这些金属硬度大且熔点高,可以耐受电弧的高温作用。有些毫安级电流的高压继电器使用铜制触点,但它们通常只用于“中继”应用。

 

选择适当的继电器时,电路负载的类型是一个重要的考虑因素。电路负载一般分为电容性负载、电感性负载和电阻性负载。

 

电阻性负载——直流电阻性负载断开时,触点会在分离的瞬间产生电弧,直到触点彻底分离为止。在一定的电压和电流条件下,电弧的持续时间取决于触点的分离速度、冷却速度以及电感和分布电容的消电离作用。在相同电压下,交流负载比直流负载更容易断开,因为交流电流每半个周期就会自行断开一次。极性转换可防止金属一直朝着同一个方向移动,这种情况通常会导致直流负载较早发生触点故障。

 

电感性负载——断开直流电感性负载比断开电阻性负载更难。电感中的存储能量([1/2]LI2,其中L代表电感,单位亨利;I代表电流,单位安培)可以产生一个保持电流不变的电压(–L[di/dt])。电感的能量耗尽,电流才会消失。如果不采用快速断路触点或其他方式来断开电感性负载,那么电弧的持续时间将直接取决于负载的时间常数(L/R,其中R代表电阻,单位欧姆)。交流电感性负载不会出现这个问题,因为每半个周期结束时会发生极性反转,迫使电流过零。同时,电流与电压存在相位差,并且在电流的后半个周期,供电电压反向于自感电压。

 

电容性负载——闭合直流电路中的触点为电容充放电,将会产生大浪涌电流。其对于触点的影响取决于初始峰值电流的幅值和电路的时间常数。类似情况在交流电路中则不常见。要想得到最佳的效果,继电器必须置于负载的接地端;否则,触点与壳体之间会出现大电流电弧,绕过负载。电源是对浪涌电流的唯一限制。

 

在实际应用中通常同时存在这三种负载,但是,具有大电容性负载或大电感性负载的电路由于储有能量,因此比较难以进行开关操作。更为复杂的是,某些电路存在大浪涌电流。在这种情况下,如果触点试图在弹跳期间断开极高的电流,那么就会出现强电弧致使触点金属熔化,最终导致触点熔结。正弦交流电会使情况变得更糟,因为交流电的峰值电压和电流分别比相同负载电压下的等效直流电大41%。

 

拓展思路以应对新的挑战

 

如今,许多应用需要在更小的空间内更有效地利用更高的功率。例如,与传统的115/200V系统相比,270V直流系统可靠性更高、维护更方便、重量更轻且使用寿命更长。这种发展也要求对电源管理技术进行更为细致的选择。

 

设计者应当充分考虑电路条件,以及继电器的电气、机械和环境因素。此外,设计者还应权衡继电器的各种工作特性,并清楚继电器术语是一种具有特殊含义的专业语言。

 

评估与高电压/大电流电路相关的电源管理产品是一个复杂的课题,本文探讨的开关技术的其他方面也莫不如此。为简化设计人员的工作,TE提供了一个“虚拟开发人员工具包”,其中涵盖了高压接触器、高压继电器、电线电缆和连接器。通过该工具包的便捷在线菜单,我们可以快速访问产品功能和优势、图纸、3D PDF和规格。该工具为设计人员提供了宝贵的见解,帮助他们精心选择开关技术来应对如今严苛的配电需求。


关键字:真空开关  高级继电器 编辑:muyan 引用地址:http://news.eeworld.com.cn/dygl/ic501584.html 本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。

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