提升直流接觸器滅弧能力和減小體積的設計分析 *

李 懂，梁亞鵬，賈世太

(天水二一三電器集團有限公司，甘肅 天水 741000)

0 引 言

隨著國家能源結構的重大調整,未來低碳電力系統的電源中一半是風電和光電，其中光電系統中多是DC440V～1500V的直流電，因此直流負載設備的數目和容量大幅增加，直流接觸器作為直流供配電的關鍵控制電器元件，需求量隨著直流負載的發展而增多。目前國內市場上的直流接觸器，采用的滅弧系統是根據工作電壓的高低而各有不同：①低電壓直流接觸器(DC440V以下)，采用觸頭電動力吹弧和永久磁鐵磁吹滅弧結構，由于永久磁鐵磁場方向固定而導致接觸器的接線帶有極性，使用中不太方便，即當觸頭上電流反向時，必須同時改變永久磁鐵的極性，否則磁吹力就會反向而無法滅??；②高電壓直流接觸器(DC440 V～1 500 V及以上)，通常采用迷宮式滅弧罩加磁吹滅弧、惰性氣體氣吹滅弧、真空滅弧等多種方式，其中氣體氣吹滅弧和真空滅弧結構可降低產品體積，但存在壽命低、生產成本高、易爆問題，相比之下，磁吹滅弧結構壽命高、生產成本低而占據市場主流，但由于其滅弧裝置、磁系統體積大，導致產品體積較大(高度偏大)，不滿足接觸器產品日益小型化發展需求。

筆者以公司設計開發的GSZ4-250雙極直流接觸器(DC750 V、250 A)為例，介紹一種集磁吹滅弧、永久磁鐵滅弧、觸頭電動力滅弧、雙極多斷點觸頭滅弧等多種方式于一體的綜合滅弧方案，結合雙線圈電磁系統和雙極多斷點觸頭系統的設計方案，提高了直流接觸器電壽命、減小了直流接觸器產品體積。

1 直流接觸器產生的電弧原因及特點

電弧是一種自持放電現象，不用很高的電壓就能維持相當長的電弧穩定燃燒而不熄滅，在實際的電路中，直流接觸器通?？刂聘行灾绷髫撦d(主要是直流發電機與直流電動機)，當接觸器瞬間切斷直流電源的RL電路時(如圖1所示)，接觸器觸頭斷開，電路中的電流從工作穩態值以衰減的形式變到零，如圖2所示，由楞次定律可知：uL=Ldi/dt將隨著電流趨于零而增大，在負載線圈上會出現過電壓，電壓方向與圖示標注方向相反， 該過電壓不僅會損害設備絕緣，而且還會和直流電源電壓疊加使接觸器設計開距形成的電氣間隙被擊穿出現電弧。

圖1 直流接觸器控制直流負載原理圖

圖2 直流電路電流變化曲線圖

對于大電流在高電壓下產生的電弧，電壓越高分斷電弧越難，只有把電弧拉的越長，電弧才越容易被熄滅。通常的做法是：設計足夠大的滅弧室和冷卻面積，加速熱量散發和降溫；增大觸頭開距，盡可能拉長電弧加速其熄滅等。對于直流接觸器而言，因直流電壓不過零點，主觸點斷開電路的瞬間，觸點處的電弧相比交流電更加強烈也更加穩定，如交流接觸器滅弧室的結構是無法達到高電壓、大電流的滅弧要求，必須設計專用、可靠的滅弧裝置，同時盡可能減小產品體積，這也是直流接觸器產品開發的難點。

2 新的滅弧系統設計

2.1 串勵磁吹線圈滅弧、永久磁鐵滅弧、觸頭強吹磁滅弧相結合設計

如圖3所示，該滅弧系統由串勵磁吹線圈滅弧、永久磁鐵滅弧、觸頭強吹磁滅弧三種方式組合而成。區域①由串勵磁吹線圈滅弧、永久磁鐵滅弧組成，區域②為觸頭強吹磁滅弧。其工作原理為：當電源供電觸頭通電后，因電流流過串勵磁吹線圈而產生磁場較大磁場，而永久磁鐵和觸頭強吹磁結構均加強了磁場強度，觸頭在斷開時產生的電弧受到磁場的作用力迅速被拉長而熄滅。

圖3 新滅弧系統原理圖

(1) 串勵磁吹線圈滅弧

如圖3所示，串勵磁吹線圈滅弧系統主要由磁吹線圈、電工純鐵鐵芯、導磁片、黃銅棒等組成。該吹磁線圈串聯在主回路中用于產生磁場，該磁場通過由鐵芯、導磁片組成的磁路，分布在平行的兩塊導磁片中間，接觸器主觸頭分斷電流時產生的電弧，會受到該磁場的作用力F，沿著圖示箭頭的方向迅速拉長并使之進入滅弧罩內，使電弧與滅弧罩(由滅弧性能好的DMC材料壓制而成)內壁接觸，對電弧的表面進行冷卻和吸附，產生強烈的去游離，使電弧很快冷卻，進而迅速熄滅。

該滅弧系統中，串勵磁吹線圈滅弧能產生較大力，其主要動力來源于負載電流，電流越大吹弧能力越強，一般大安培直流接觸器采用這種滅弧方式，其中：

H=KIN[1]

F=IHS=KI2NS[1]

式中：H為磁場強度；I為流過電弧的電流；N為線圈匝數；S為電弧長度；K為常數；F為作用在電弧上的力。

由公式可看出，作用在電弧上的力F與電流的平方成正比，電流方向改變對力F的方向沒有影響，串勵是無極性的。

(2) 永久磁鐵滅弧

采用磁吹線圈滅弧的產品，在出現輕載小電流時，其滅弧能力迅速下降，存在不能正常滅弧的問題，因此在小電流時，為產生足夠的作用力F，N必須選得較大或加大開距，這是缺點；我們的產品為了克服這種缺點，采用雙線圈磁吹滅弧加永久磁鐵滅弧配合解決了此問題。永久磁鐵滅弧是由永久磁鐵產生的磁場對電弧產生吹弧的電動力，加強了產品的滅弧效果，更重要的是串勵磁吹線圈滅弧會隨電流減小迅速降低作用在電弧上的電磁力，影響電弧正常的熄滅，而永磁鐵產生吹弧的電動力不隨分斷電流減小而減弱，達到更好的滅弧效果。

永久磁鐵產生的磁場方向如圖4所示，電弧將受到該磁場的作用力，沿垂直于磁力線的方向被拉長并使之進入滅弧罩兩側內壁，熄滅電弧。

圖4 永磁滅弧原理圖

(3) 觸頭結構采用強吹磁結構設計

一般情況下，觸頭結構多設計為“一”字型結構，如圖5所示，這種結構對電弧無磁吹作用，僅依靠觸頭開距拉長電弧滅弧，燃弧時間長、觸頭燒損嚴重。我們改進設計的觸頭結構如圖6所示，靜觸頭采用U型結構設計，以增強觸頭回路的磁場強度，同時靜觸頭底部增加的鐵質引弧片，使磁場更加集中，特別是在小電流情況下，增大了吹弧力。由圖可以看出，動觸頭、靜觸頭、電弧三部分電流產生的電磁場相互疊加，相應產生的電動力F迫使電弧按箭頭方向運動，同時引弧片對電弧具有引力作用，更加大了電弧受力。

圖5 一字型觸頭結構圖1.靜觸頭 2.電弧 3.動觸頭

圖6 U型觸頭結構圖1.連接板 2.引弧片 3.靜觸頭 4.電弧 5.動觸頭 F.電弧受到觸頭回路的電動力 I.電流及方向

2.2 雙極雙斷點觸頭形式增強滅弧能力

普通的直流接觸器為單極型，觸頭系統一般為單極拍合式或單極雙斷點直動式。而該系列雙極直流接觸器觸頭系統采用雙極雙斷點直動式，兩個觸頭串聯在電源與負載之間，如圖3所示，較之單極性滅弧能力強。原因分析如下：雙極雙斷點觸頭分離時，會同時產生4個斷口，分斷電壓自行分布在這4個斷口上，防止觸頭間隙被擊穿，電弧重燃。再者，四個斷口的開距之和比1個斷口(拍合式)或2個斷口(單極雙斷點直動式)的開距之和大(產品體積相差不大的情況下)，有利于拉長、分割電弧，當然就有利于滅弧。GSZ4系列產品觸頭為雙極、直動式、雙斷點結構，相比單斷點結構的產品，觸頭系統高度降低，觸頭串聯可達到DC1500 V分斷能力。

3 雙線圈結構設計有效降低產品高度

為了能降低產品高度，單線圈結構變為雙線圈結構是最為有效的設計方案，如圖7所示，雙線圈高度僅為單線圈的1/2，產品體積可降低40%，詳見表1。線圈串聯被釉電阻結構設計，減小了產品吸合時間，降低線圈溫升，提高了產品壽命。

圖7 直流雙線圈結構

產品型號長(A)寬(D)高(H)GSZ4-250240136238國內某品牌(250 A)307154291

圖8 國內某品牌外形尺寸

4 試驗驗證

根據GB/T14048.4-2016《低壓開關設備和控制設備 接觸器和電動機起動器 機電式接觸器和電動機起動器(含電動機保護器)》的標準規定，我們對GSZ4-400雙極直流接觸器產品分別進行了DC-1/DC750 V、DC-5/750 V使用類別下的接通分斷和約定操作試驗，驗證結果見表2。圖10、11為產品接通分斷和約定操作試驗波形圖。

表2 GSZ4-400雙極直流接觸器產品接通分斷和約定操作試驗結果

圖9 GSZ4-250外形尺寸

圖10 接通分斷能力試驗波形圖

圖11 約定操作試驗波形圖

經過測試，產品觸頭的燃弧時間基本在12 ms以內，在DC-1/750 V、400 A條件下，電壽命可達30萬次，DC-5/440 V、400 A的條件下，電壽命達5萬次；相比國內單斷點拍合式的直流產品，在同等的條件下其燃弧時間為24 ms，DC-1條件下電壽命為20萬次，DC-5下電壽命為8 000次。

5 結 語

通過試驗驗證，磁吹滅弧方式能迅速分斷高電壓、大電流下的直流電弧，隨著分斷電弧過程中的電流不斷減小，磁吹滅弧能力降低，為能保證產品可靠分斷電弧、減小燃弧時間，則配合永久磁鐵滅弧以及觸頭強吹磁結構的綜合應用是一種必要手段，在以后直流接觸器的設計制造中，可以將這四種滅弧方式根據接觸器電流等級的大小，隨機組合設計，滅弧能力可以相互疊加、相互補充。