直流自然換流式接觸器設計與均壓開斷研究

賈博文 武建文 夏尚文 羅曉武 岳云霞

直流自然換流式接觸器設計與均壓開斷研究

賈博文 武建文 夏尚文 羅曉武 岳云霞

（北京航空航天大學自動化科學與電氣工程學院 北京 100191）

該文基于一種直流自然換流式接觸器拓撲結構，采用承載額定電流的通流支路觸頭和實現電路開斷的滅弧支路觸頭相并聯的形式解決航空、航天及新能源等領域向更高電壓等級發展的直流開斷需求。通過理論分析和相應的實驗來研究該并聯拓撲結構不同支路間電流的換流特性及燃弧特性。針對電路開斷過程中滅弧支路串聯多斷口間呈電壓不均勻分布現象，提出結構調控及磁場調控兩種調節方式，使用動態Mayr修正模型研究不同調控方式下滅弧觸頭均壓開斷效果。定義了一種衡量動態開斷過程中串聯多斷口電弧電壓均勻系數，得到優化滅弧觸頭動作特性的結構調控方式，將電壓均勻系數從54.1%提升到80.1%。針對滅弧觸頭動作的分散性，進一步采取磁場調控方式將電壓均勻系數提升到98.05%，均勻的電壓分布提高了串聯多斷口結構的開斷能力及電壽命。

直流開斷 電弧形態 電壓均勻系數 均壓調控方式

0 引言

直流供電系統因具有系統穩定性好、負載特性佳以及控制簡單等顯著特點，在航空、航天、城市軌道牽引、艦船電力系統及新能源等領域得到廣泛應用，而中低壓直流供電系統向更高電壓等級進一步發展亟需直流分斷關鍵技術的突破和耐環境、輕重量直流開關設備的研發。近年來，在航空領域，額定電壓值為270V的高壓直流供電系統已開始為現代多電/全電飛機所使用。其中，我國第四代殲擊機，美軍的F-22、F-35戰斗機及RAH-66直升機等典型多電飛機都裝備了270V高壓直流供電系統。同時，我國中長期科技規劃三個重大專項之一的“大飛機”專項不僅包括“干線飛機”，還包括軍用和民用的大型運輸機，也將高壓直流供電制式列為發展方向[1]。相似地，在航天領域，空間太陽能發電站是目前國際上論證的最大功率的航天器，未來商業化電站的供電功率將達到GW級，采取高壓供電體制成為未來空間技術發展的一個重要方向[2]。在城市軌道牽引、新能源汽車領域及新一代艦艇配電系統，直流系統的電壓等級有發展到數千伏及以上需求的趨勢[3-4]，kV等級的中壓直流供電系統成為發展方向[5-7]。可以預見，高壓大容量直流電源系統必將全面應用于未來的軍用和民用等前沿領域。

對于直流高電壓等級的保護問題，文獻[8-9]提出了一種分布+集中式混合電力傳輸與管理方式的空間太陽能發電站結構，利用±2.5kV高壓直流開關設備可以解決太陽能電池板子陣母線5 000V直流保護的難題。其中，大功率直流接觸器作為關鍵器件，起到了接通、承載和分斷正常電路（包括過載運行條件）的作用，其分斷特性是制約其所在系統性能的重要因素[10]。目前，美國Gigavac、TE Connectivity和法國Leach等專業電氣制造公司均已推出適用于航空航天及軍事領域的大功率高壓直流接觸器產品，其最高額定工作電壓達到了1 800V，而國產化的相應產品由于理論基礎及技術積淀不足，在產品性能和可靠性指標上仍然具有一定的差距。從原理上講，目前的高壓直流斷路器一般均由3條支路組成：通流支路（主支路）、轉移（開斷）支路和吸能支路[11]。由于直流電弧不存在電流過零點，需要采用特殊的方法熄滅電弧。可采取的方法有：利用多組近極壓降提高電弧電壓，提高弧柱電場強度并拉長電弧，利用強迫支路使電流強迫過零等[12-13]。根據分斷原理的區別，目前直流分斷方式包括空氣柵片式、電流注入式及電力電子器件混合式，文獻[14]對以上三種分斷方式的研究和相關仿真與實驗工作進行了綜述，著重分析了直流分斷方面的最新技術及重大突破。文獻[15]通過高、低壓側電抗器耦合的方式提出了一種新型機械式直流斷路器結構方案，與傳統機械式直流斷路器相比，該拓撲結構實現了換流回路的高、低壓側的隔離，斷路器的觸發控制單元及預充電電容位于低壓側，降低了部分元器件的耐壓需求。在機械式直流斷路器方案中，文獻[16]提出一種高壓無弧直流斷路器的設計方式，并采用一種基于一次自然換流和兩次強迫換流的高壓無弧直流斷路器的拓撲結構，此拓撲需要對大功率半導體器件進行精準的控制，不便于調試。文獻[17]利用直流開斷實驗平臺，研究了不同換流時刻、開斷電流幅值、換流頻率、換流電流與開斷電流幅值比下的換流時間和最小安全開距，為換流原理的機械式高壓直流真空斷路器提供了設計參考依據。文獻[18]提出一種采用單向開斷的混合式直流斷路器拓撲結構及隔離保護策略，提升了IGBT的利用率。文獻[19]通過對分合閘操縱機構及柵片系統的優化研制了1 800V/80kA的大容量直流斷路器，但其產品的尺寸和質量在一定程度上限制了應用范圍。

綜上所述，通過多個開關設備的級聯能夠解決高電壓等級的直流開斷問題，但較高的額定通態損耗將一定程度限制電流等級的提升。另外，為了實現雙向導通關斷功能，傳統的混合式直流開關設備對功率半導體器件數量需求較多，且同步控制精度要求也較高。因此，本文在解決高壓大電流直流開斷需求的前提下，提出了一種直流自然換流式接觸器拓撲結構并設計了原理性樣機，使得承載額定電流時機械觸頭能夠維持較低的通態壓降。當分斷電路時，異步動作的觸頭實現電流的自然轉移，由具有高電壓開斷能力的滅弧觸頭完成電路的開斷。

1 直流自然換流式接觸器結構設計

1.1 觸頭結構設計及自然換流過程分析

直流自然換流式接觸器的觸頭結構包含兩個部分：承載額定電流的通流支路主觸頭和用于開斷電路的滅弧支路滅弧觸頭，通流支路和滅弧支路在結構上形成并聯形式。不同支路觸頭的參數及數值見表1，通流支路由一組雙斷口觸頭A1-A2構成，通過設計較大的主觸頭直徑及觸頭彈簧剛度，在合閘狀態下，提供較小的主觸頭接觸電阻。滅弧支路由三組雙斷口觸頭B1-B2-C2-C1-D1-D2串聯構成，通過設計較小的觸頭直徑及觸頭彈簧剛度，提供較大的滅弧支路的觸頭接觸電阻。已裝配的接觸器樣機及承載電流階段接觸器內部電流分布如圖1所示。在額定情況下，較大比例的回路電流流經通流支路觸頭，限制了接觸壓降的提高，解決了直流大電流條件下額定溫升問題。在開斷電路時，主回路電流會在接觸器內部發生自然換流。由于觸頭超程設置的差異性，在主觸頭剛分時刻，滅弧觸頭仍具有一定的超程，在一定的條件下，換流過程期間主觸頭不產生電弧。換流完成后，串聯的多斷口結構在密封氣體環境下通過增加等效電弧長度及近極壓降的方式能夠提高額定電壓等級。

表1 各組觸頭裝配參數

Tab.1 Assembly parameters of each group of contacts

接觸器分閘時由電磁操縱機構帶動觸頭連桿實現主觸頭和滅弧觸頭同步分閘，由于觸頭超程設計的差異性，實現不同組觸頭的異步分斷，因此，在分閘過程中，通流支路和滅弧支路上承載的電流會存在自然換流過程。換流過程中，觸頭壓力和支路電流隨分閘位移的變化如圖2所示。在接觸器分閘初期，由于觸頭超程的存在，通流支路和滅弧支路均能正常導通回路，但隨著主觸頭接觸壓力t的減小，通流支路電流t逐漸轉移到滅弧支路上。

圖1 接觸器樣機及承載電流階段接觸器內部電流分布

圖2 換流過程中觸頭壓力及電流變化

在分閘位移達到D1時，通流支路觸頭斷開形成開距，若此時觸頭上的壓降小于接觸材料的最小升弧電壓，則實現了自然無弧換流的過程。分閘位移在D1～D2期間，滅弧觸頭由于超程的存在短暫承載線路上的電流，在分閘位移達到D2時，串聯的滅弧支路觸頭依次斷開并在滅弧室內密封的滅弧介質和磁吹系統共同的作用下熄滅電弧，完成電路的 開斷。

1.2 換流過程實驗驗證

為了驗證接觸器樣機的換流功能，首先對通流支路和滅弧支路的動作特性進行實驗驗證。實驗中斷開所有觸頭間的導電元件，并在四組觸頭上分別接入15V電壓源，安裝分閘位移傳感器測量分閘信號。由操縱機構帶動四組觸頭同時進行分閘動作，分別測量通流支路和滅弧支路斷口的電壓可以得到不同組觸頭斷開的時刻，操縱機構的總行程為5mm，測試結果如圖3所示。

圖3 不同組觸頭斷開時刻及分閘時間

從實驗結果可以看出，通流支路觸頭在=2.1ms時刻打開。滅弧支路觸頭在=5.4ms時刻打開，且動作一致性高。操縱機構在=7.8ms時刻分閘到位。經過計算可以得到通流、滅弧觸頭間動作延時為3.3ms，總分閘時間為7.8ms左右。因此，通過觸頭的超程設計可以實現主觸頭和滅弧觸頭異步分閘，且滅弧觸頭在垂直方向分閘動作一致性較高，滿足實驗設計要求，能夠實現電流從通流支路轉移到滅弧支路的功能。

2 直流自然換流式接觸器實驗研究

采用如圖4所示的實驗電路對直流自然換流式接觸器樣機進行實驗研究。

圖4 實驗原理

實驗回路由儲能電容1、采樣電阻s、接觸器樣機K、負載電阻L、大功率半導體器件GTO、線路等效電感1組成。其中，采樣電阻s=1mW，線路等效電感1=14mH。預充電電容1的容值為0.25F，耐壓1 200V，負載電阻L=1W。GTO續流支路由2、2組成，通過電容2對電阻2放電產生的電流2維持燃弧后期回路電流較小時GTO導通狀態，使得弧后恢復電壓施加在觸頭兩端，確保實驗結果的等價性。同時，可關斷器件GTO可以在回路導通一段時間后關斷，當接觸器樣機無法完成正常分斷時，能夠起到保護回路中器件的作用。接觸器在直流1 100V、1 000A實驗條件下換流開斷波形及滅弧觸頭燃弧情況如圖5所示。

圖5 1 100V、1 000A實驗條件下換流開斷波形及滅弧觸頭燃弧情況

在承載電流階段，滅弧觸頭僅承載了280A左右的總電流，隨著通流支路觸頭開距的釋放，分斷過程進入電流轉移階段，在t時刻通流支路觸頭完全打開，由滅弧支路觸頭承載整個回路的電流。回路電流按照儲能電容1的放電規律指數下降。在a時刻，第一組滅弧觸頭首先分斷形成電弧，其余各組滅弧觸頭在圖5a中②和③時刻依次打開，相應時刻的滅弧觸頭燃弧情況如圖5b所示。隨著開距的進一步增加，電弧受電動力和磁吹作用使得電弧電壓迅速上升并產生氣相電弧，總燃弧時間約為2ms。通過實驗結果可以得到，異步分斷的觸頭結構能夠實現電流自然轉移，但多組滅弧觸頭存在燃弧能量不均等的現象，容易對首先打開的觸頭造成更嚴重的燒蝕，需要額外采取相應的調控措施使得滅弧觸頭實現均壓分斷。

3 均壓開斷仿真研究

本小節應用一種修正電弧散熱系數的Mayr電弧模型建立了滅弧支路串聯多斷口均壓開斷的仿真模型，研究結構調控及磁場調控對于串聯多斷口均壓開斷效果的作用。

3.1 均壓開斷仿真模型的建立

為了研究串聯多斷口滅弧觸頭在燃弧階段的均壓效果，使用Matlab/Simulink搭建如圖6所示的阻性負載仿真模型。圖中，t為通流支路分布電感，h為滅弧支路分布電感，約為0.4mH；t和h為接觸壓力變化情況下采用Holm接觸電阻模型等效的不同支路接觸電阻；為電源電壓。回路電流從通流支路到滅弧支路的換流過程中，將滅弧支路串聯的觸頭依次使用電弧模型等效為arc1、arc2及arc3研究燃弧過程中不同調控方式下斷口的均壓情況，用B1-B2、C1-C2及D1-D2表示。

圖6 換流開斷仿真模型

滅弧支路串聯斷口間的燃弧情況建模過程采用動態修正散熱功率的Mayr模型[22]。將電弧的散熱功率()修正為燃弧過程中的傳導散熱功率及對流散熱功率，有

式中，T為觸頭傳導散熱功率，T=2 700W；2為通過實驗數據整定的電弧修正系數，2=120；為滅弧室內氣體壓強，=5.05×105Pa；()為電弧橫向運動速度；arc()為電弧的動態直徑；為時間（ms）。

對流散熱功率大小受電弧橫向運動速度及電弧的特征面積影響，通過不同斷口間施加差異性磁感應強度實現開斷過程電弧動態均壓的磁場調控 方式。

3.2 均壓開斷仿真研究

根據圖3中不同滅弧觸頭開斷時刻的實驗結果，將仿真模型中相應的觸頭間電弧模塊動作間隔設置為0.03ms和0.3ms。不同調控方式下的動態均壓分斷效果如圖7所示。可以得到在不采用任何調控方式下，滅弧支路串聯多斷口動態均壓開斷效果如圖7a所示，開斷過程中的系統恢復電壓主要由最先動作的兩組滅弧觸頭承擔，最后動作的一組滅弧觸頭僅承擔了81.9V的系統恢復電壓，這與圖5中的實驗結果相一致。其次，對于電磁分合閘機構，可以通過觸頭結構設計和磁路設計使同一機構上的不同組滅弧觸頭實現分斷動作分散性小于0.1ms，以實現結構調控的方式。在結構調控的方式下，將動作間隔設置為0.03ms和0.13ms，滅弧支路串聯多斷口動態均壓開斷效果如圖7b所示。動態開斷過程中，不同組滅弧觸頭間的電弧電壓呈現出趨于均勻的趨勢，但最先斷開的兩組滅弧觸頭仍然承擔了主要的系統恢復電壓，最后動作的一組滅弧觸頭承擔了598.3V的系統恢復電壓。為了定義開斷過程中的動態均壓效果，本文定義了一種歸一化的均勻系數為

式中，n為滅弧觸頭組數，在本文中取3；為第i組觸頭在開斷過程中的動態電壓；為當前時刻n組滅弧觸頭電壓的平均值；為靜態期望均壓值。經計算，在不采取任何調控方式及僅采用結構調控的方式下，電路開斷時刻的滅弧觸頭電壓均勻系數分別為54.1%和80.1%。因此，需要進一步使用磁場調控的方式對滅弧支路串聯多斷口的開斷過程進行均壓調控。

滅弧觸頭間磁感應強度調節方案見表2，1、2、3分別對應施加在依次斷開的滅弧觸頭間的橫向磁場磁感應強度，在結構調控的基礎上再次施加磁場調控，以期達到更好的動態均壓效果。相應的磁場調控下不同方案串聯多斷口電壓分布及電壓均勻系數見表3。

表2 滅弧觸頭間磁感應強度調節方案

Tab.2 Adjustment scheme of magnetic induction intensity between arcing contacts

表3 不同方案下斷口電壓分布

分析不同磁場調控方案下斷口電壓的分布規律與磁感應強度的對應關系可以得到，在優先斷開的滅弧觸頭間施加較小的橫向磁場有利于提高電壓均勻系數。本質上為，較小的磁感應強度降低了優先斷開的滅弧觸頭間電弧的運動速度，使得電弧趨向于穩定燃燒，使之維持較低的燃弧能量。通過結構調控及磁場調控，串聯滅弧觸頭動態均壓開斷效果如圖7c所示，三組斷口間的電弧電壓在燃弧過程中及弧后承受靜態耐壓均呈現出均勻的態勢。

選取表3中序號1的調控方案作為僅使用結構調控的均壓分斷結果、選取序號6的調控方案作為同時使用結構調控及磁場調控的均壓分斷結果，與不采用調控方案進行對比，繪制了開斷過程中動態電壓均勻系數與時間之間的關系如圖8所示。

圖8 不同調控方式下的電壓均勻系數

電壓均勻系數可以分為，燃弧過程中的動態電壓均勻系數和弧后靜態電壓均勻系數。經過分析不同調控方式下的電壓均勻系數可以得到，結構調控及磁調控均能夠實現很好的動態及靜態均壓效果。經統計，結構調控將靜態電壓均勻系數從54.1%提升到80.1%，在此基礎上，磁場調控方式能夠將電壓均勻系數進一步提升到98.05%。

4 結論

本文基于一種已提出的直流自然換流式接觸器拓撲結構，對開斷過程中滅弧支路串聯多斷口的異步分斷特性結合不同調控方式進行均壓分斷研究，得到了以下幾點結論：

1）本文提出并聯自然換流式直流開斷拓撲結構，實驗結果表明，通過通流支路和滅弧支路觸頭的異步動作，實現電流自然轉移，滅弧支路串聯多斷口完成了直流高電壓等級的電路開斷。

2）基于動態Mayr電弧修正模型建立滅弧支路串聯多斷口開斷過程的仿真模型，研究由串聯多斷口異步分斷引起的電壓分布不均勻。提出兩種提高各斷口電壓均勻性的調控方式，并采用一種歸一化的動態電壓均勻系數研究結構調控及磁場調控對于動態均壓的效果。

3）采用優化滅弧觸頭動作特性的結構調控均壓開斷方式，電壓均勻系數將從54.1%提升到80.1%。在結構調控的基礎上，針對滅弧觸頭動作的分散性進一步采取磁場調控方式將電壓均勻系數提升到98.05%，提高了串聯多斷口的開斷能力及電壽命。

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Design and Uniform Voltage Breaking Research of a DC Natural Current Commutation Contactor

（School of Automation Science and Electrical Engineering Beihang University Beijing 100191 China）

Based on a DC natural current commutation topology, this paper uses the current-loading branch contacts carrying rated current and multiple sets of series arcing branch contacts in parallel to achieve circuit breaking, which can meet the DC switching demand of higher voltage levels in aviation, aerospace and new energy fields. After theoretical analysis and corresponding experiments, the current commutation characteristics and arcing characteristics of different branches of the topology are studied, and the phenomenon of uneven voltage distribution among the multi-fractures in series of arcing branches during circuit breaking is obtained. Two adjustment methods, structural adjustment and magnetic field adjustment are proposed, and the dynamic Mayr correction model is used to study the equalizing breaking effect of arcing contacts under different adjustment methods. A method to measure the voltage uniformity coefficient of arcs in series with multiple breaks during dynamic breaking process is defined, and a structure control method that optimizes the action characteristics of the arcing contact is obtained. The voltage uniformity coefficient is increased from 54.1% to 80.1%. Aiming at the dispersion of the arcing contact action, the magnetic field control method is further adopted to increase the voltage uniformity coefficient to 98.05%, and the uniform voltage distribution improves the breaking capacity and electrical life of multiple serial connection structures.

DC breaking, arc appearance, voltage uniformity coefficient, uniform-voltage adjustment method

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.L90181

TM561

賈博文 男，1992年生，博士研究生，研究方向為氣體放電理論、高壓直流換流式開斷技術。E-mail: jiabwen109@126.com

武建文 男，1963年生，教授，博士生導師，研究方向為真空電弧理論、氣體放電理論、智能電器及電力電子技術等。E-mail: wujianwen@vip.sina.com（通信作者）

2020-06-30

2020-10-09

國家自然科學基金項目（51977002）和國家自然科學基金重點項目（51937004）資助。

（編輯 崔文靜）