当前位置:首页 > 机械资讯 > 机械新闻

新型电子灭弧技术在机械开关中的应用


发布时间:2020-03-25 16:24:42

广州市金矢电子有限公司的研究人员郭桥石、聂嘉、吴世坤,在2020年第2期《电气技术》杂志上撰文,分析了传统灭弧技术实用上的不足,介绍了AST、ASD和AAE这3种新的电子灭弧技术及其实用效果。

AST和ASD技术采用电子开关并联在机械开关两端与机械开关构成复合开关,并联的电子开关能够侦测机械开关的分断,并在机械开关分断的过程中持续导通而达到对机械开关灭弧的效果,AST技术应用在交流灭弧,ASD技术应用在直流灭弧。

AAE技术应用在直流灭弧,它采用储能元件并联在负载两端,在侦测到机械开关分断后,在适当的时机释放储能元件上的能量来降低机械开关两端的电场强度而对机械开关灭弧。利用3种灭弧技术制作的灭弧器件独立于机械开关,通过测试验证了3种器件在各自领域都具有良好的灭弧效果。

近年来随着能源领域持续发展创新,承担电流接通和分断任务的开关成为基础性关键元器件。实际应用中,不论是在电力机车、船舶、航空等传统领域,还是在光伏、电动汽车、储能等新能源领域,绝大多数场合仍然采用机械开关。

机械开关分断电流时产生电弧,受电弧影响,机械开关的触点会溶蚀甚至粘连,触点间的绝缘耐压水平急剧下降而接触阻抗急剧上升,导致机械开关的性能、寿命、可靠性等都存在技术性缺陷。因此,对电弧的控制成为机械开关领域亟待攻克的重大关键技术难点。

随着电力电子技术的不断发展,采用功率半导体器件的电子开关也开始在部分领域应用,但受过载能力、发热量、击穿风险等诸多客观因素制约,电子开关的应用也遇到了瓶颈。

机械开关分断过程中,当触点间电压场强达到一定强度,通常在触点间距很小时只需要十几伏特的电压,就能使触点材料发生电子发射并电离触点间的介质而形成电弧,电弧在触点间产生数千至数万摄氏度的高温,高温使触点间形成热发射和热游离并维持电弧持续放电。如图1所示,电弧一旦形成,主要靠热能维持,电弧之间仅需要很低的维持电压,一般阴极区只需十几伏特,阳极区只需零至十几伏特,弧柱区每厘米仅需几伏特的电压。

图1

根据电弧形成的物理特性,传统机械开关通常采用控制弧隙介质游离程度和去游离程度、控制弧隙温度以及增加弧隙间电压的方法进行灭弧。

采用特定的弧隙介质,例如真空或特定气体,能控制弧隙介质游离程度和去游离程度;增加弧隙距离,如追加灭弧栅或增加触点数量,能增大弧隙电压并改善散热;改变弧柱路径,如采用特定弧柱管道、气吹、油吹、磁吹等,可降低弧温及离子浓度;提高分断速度、增大触点间开距等也能增加电弧发生的难度。

但传统的机械、物理灭弧方法,不仅对机械式开关的结构设计有严格的技术要求,在应用上也存在断弧时间长(毫秒级)、电气寿命短(数次至数千次)、体积大、性价比低的缺点。利用谐振制造电流零点的电子灭弧方法不仅对机械式开关本身有严格的要求,更需要根据机械式开关的实际应用工况来调配谐振参数,应用的普适性受到限制;另外,谐振建立的过程需要耗费长达数个毫秒的时间,导致电弧持续时间比较长,谐振采用的感容元件也导致其体积大、质量重、价格高。

根据机械开关产生的电弧特性,近年来出现了新型的电子灭弧技术,这些电子灭弧技术独立于机械开关本身,可与现有的机械开关配合使用。

基于这些电子灭弧技术的器件或与机械开关并联或与负载并联,与机械开关并联式电子灭弧器件采用功率半导体器件,在机械开关分断过程中分流机械开关上的电流并将机械开关两端的电压限定在数伏特的较低水平,从而阻止了产生电弧必须的强电场发射和热电子发射建立的条件;与负载并联式电子灭弧器件采用储能型电子器件,在机械开关分断过程中适时瞬间提供高能量电压脉冲,以大幅度降低机械开关两端的电场强度,从而加速电弧的去游离过程而阻止电弧的持续燃烧。

以下介绍几种电子灭弧技术及其实用效果。

1 AST技术

专利“CN 106847581 B”描述了一种交流灭弧技术及其实现,称为AST,其原理如图2所示。

图2

AST内含有功率器件Triac和监控驱动模块,监控驱动模块能够识别机械开关SW的分断动作并在分断开始时驱动晶闸管器件Triac导通,机械开关SW分断完毕后晶闸管器件Triac在电流零点时自动截止。

图3是利用AST技术后在机械开关SW分断容性负载过程中各部位的波形图。

图3中各序号代表的时刻分别为:①机械开关SW开始分断;②AST识别机械开关SW分断后驱动晶闸管Triac导通; ③机械开关SW两端电压继续保持约为0,电流变为0;④晶闸管Triac在电流过零时自动截止,机械开关SW两端出现压差。

图3

从图3中可见,在机械开关SW分断时,机械开关SW上的电流瞬间降为零,分断过程所在的半个周期内其两端的电压持续维持在零附近,该半周期内电流经过晶闸管Triac流向负载。

AST技术对负载特性不敏感,可广泛应用在阻性负载、容性负载和感性负载中。AST技术中采用的晶闸管导通时间被限定在半个周期内,由于其过载能力强,即使采用较小额定电流的晶闸管也具有极强的电流灭弧能力。采用AST技术的灭弧器件,其工作电压受晶闸管的额定工作电压限制,因此其适合工作在数千伏特以下的电路中。

2 ASD技术

专利“CN 106783297 B”描述了一种直流灭弧技术及其实现,称为ASD。与AST技术原理类似,ASD内含有全控型功率器件和监视驱动模块,图4是其中的一种实现。

图4

监视驱动模块识别到机械开关SW的分断动作后在分断开始时驱动IGBT导通,机械开关SW分断完毕后监视驱动模块适时关断IGBT。

图5是利用ASD技术后在机械开关SW分断感性负载过程中各部位的波形图。图5中各序号代表的时刻分别为:①机械开关SW分断;②机械开关SW两端电流快速降低为0,IGBT上电流上升;③机械开关SW分断后,其两端电压保持为0,电流持续由IGBT提供;④IGBT关断,感性负载上出现负压导致机械开关SW上出现过压;⑤IGBT上的电流截止。

ASD技术工作的最大电压和最大电流会受内部全控型功率器件规格的限制,其对电流的分断速度快,应用在感性负载的工况时需要在负载端并联电压钳位元件限制反向过压。

图5

3 AAE技术

专利“CN 108962647 A”描述了一种全新直流灭弧技术及其实现,称为AAE。AAE技术是一种基于二端元件的技术。图6是AAE技术实现的核心原理图,AAE技术内含储能电容Cap,机械开关SW闭合时,储能电容Cap充电;机械开关SW分断过程中,监视驱动模块驱动晶闸管SCR导通,储能电容Cap瞬间放电,放电形成的脉冲使得机械开关SW两端的压差远小于电弧的弧隙维持电压而阻断通过机械开关SW上的电流。

图6

基于AAE技术的二端器件(后称AAE器件)并联在负载两端,机械开关SW断开时,AAE器件无静态电流消耗且不影响机械式开关SW的绝缘性和耐压特性;机械开关SW闭合后,AAE器件的静态消耗电流低至0~10A内。

AAE器件内采用晶闸管SCR为放电电子开关元件,通常AAE器件放电时间短至数十至数百个微秒之间,由于晶闸管SCR短时过载力极强,因此很容易达到数千安培电流的灭弧能力。AAE器件内部充放电环路相互独立,通过内部元件的串联提升AAE器件的耐压等级变得非常简单。

AAE器件的监控驱动模块在识别到电弧后,可根据需要设定释放高能脉冲的时机。选择在电弧建立初期即强电场发射的电子碰撞游离期释放高能脉冲时能够将电弧控制在起弧阶段,但是,此时释放的高能脉冲需要有足够的幅度和宽度,足够幅度能阻止机械开关SW的触点之间场电子持续发射,足够宽度能保证有足够的时间实现弧隙间去游离过程以恢复已受到破坏的弧隙间介质强度。为满足对脉冲幅度和宽度的要求,需要储能电容有足够的容量。

在工程实践中,由于受储能电容(或线路本身)分布电感和内阻、机械开关SW分断速度等的影响,在高电压大电流时单纯依靠提升电容容量难以确保灭弧的可靠性。

AAE技术提供了两种解决方案:①AAE器件内部采用倍压技术提升储能电容上的电压使其高于工作电压一定比例;②监控驱动模块在电弧起弧后延迟一定的时间,待弧隙电压升高到一定程度后再释放高能脉冲。

采用方案①后,灭弧时电弧间的电场被反向,电弧阴极区电子难以持续发射,电弧弧柱区游离的离子被加速去游离,弧隙介质强度快速恢复;采用方案②后,释放高能脉冲时,机械开关触点间间距已增大到一定程度,弧隙电压强度将超过工作电压。方案①、②的实施,确保了灭弧的可靠性。

图7是普通继电器(型号Churd CHAR-112A150 400V AC T85)采用AAE技术后分断阻性负载的波形图,分断电压DC 800V,分断电流360A。

图7中各序号代表的时刻分别为:①机械开关SW触点开始分断,电弧产生,机械开关SW两端开始出现压差;②AAE器件识别到电弧后延迟约320s释放高能脉冲,高能脉冲比额定电压高10%;③AAE器件释放高能脉冲时机械开关SW两端电场降低到0以下;④机械开关SW上的电流被快速切断;⑤AAE器件持续为负载提供短暂的电流,防止负载电流突变。

由图7可见,采用AAE技术后,原本仅限定在交流中使用的普通继电器具有了可分断电压DC 800V、电流360A的能力,电弧的燃烧时间被稳定地控制在400s以内。

图8是普通继电器(型号Churd CHAR-112A150 400VAC T85)应用AAE技术后进行3000次分断寿命试验后的触点损伤情况,分断电压DC 800V、电流360A。

表1是图8所示普通继电器在应用AAE技术后进行寿命试验前后的部分电气数据。

图7

图8

表1

测试条件:①常温测试(约25℃PH40%);②阻性负载;③继电器驱动电压DC 12V;④电源DC 800V接通后稳定通1ms断30s;⑤接触阻抗采用电流电压法;⑥绝缘阻抗采用电压电流法。

测试表明,AAE技术大幅度地提高了机械开关额定可分断工作电压和分断电流等级,数量级地增加了机械开关的电气寿命,与传统的灭弧方式相比具有明显优势。AAE技术对电弧的运动路径不再需要进行严苛的要求,采用AAE技术,不仅可以简化机械式开关结构的设计,还可以方便地与已有的机械式开关配合使用。

AAE技术实现的难点在于:①针对不同类型的机械式开关特性和不同的应用工况选取合适的参数以确保能正确识别出电弧的发生时刻;②选择合适的储能电容以确保能够释放出足够宽度和幅度的高能脉冲。目前已开发出成熟的可应用技术,能够从大量的纹波和干扰中准确地识别出电弧;对于储能电容,可在控制燃弧持续时间、机械开关的目标电气寿命以及性价比之间进行平衡,选择合适类型的电容。

为了提高储能电容的利用率,出现了一种称为AMU的技术,它通过复用储能电容能够对多路机械开关进行灭弧,并能够对机械开关的通断及故障状态进行管理。

4 结论

本文介绍了3种最新的电子灭弧技术,其中AST技术和ASD技术采用功率器件与机械开关并联的方式,辅以电子识别和控制技术,在机械开关分断时旁路流经机械开关的电流而达到灭弧的效果,AAE技术提出了一种全新的直流电子灭弧理论,即通过在负载端提供高能脉冲来抵消电弧的弧隙电压、加速电弧的复合去游离过程、降低电弧的离子浓度,达到快速灭弧和提高弧隙电压强度的目的。

AST技术应用在交流电路中,ASD技术主要应用在低电压(3kV以下)小电流(数百安培以下)的直流电路中,AAE技术较ASD技术拥有更广的应用领域。

AST技术能极大地提高机械开关的电气寿命;ASD技术不仅能极大地提高机械开关的电气寿命,还能提升机械开关的应用电压、电流等级;AAE技术的灭弧器件结构简单,使用方便,相对地摆脱了对机械开关特性的依赖,可靠性高,它不仅能数量级地提升机械开关的电气寿命,而且能大幅度提升机械式开关的额定分断工作电压和电流,AAE技术众多的优点使其成为一种可广泛推广的电子灭弧技术。



声明:以上内容及图片为用户投稿,版权非音速机械商务网所有,如需转载请获得作者授权。
标签:
本页排名查询:新型电子灭弧技术在机械开关中的应用
本页连接:https://www.lcyinsu.com/news/202003/2054.html