提升直流接触器灭弧能力和减小体积的设计分析 *

李 懂，梁亚鹏，贾世太

(天水二一三电器集团有限公司，甘肃 天水 741000)

0 引 言

随着国家能源结构的重大调整,未来低碳电力系统的电源中一半是风电和光电，其中光电系统中多是DC440V～1500V的直流电，因此直流负载设备的数目和容量大幅增加，直流接触器作为直流供配电的关键控制电器元件，需求量随着直流负载的发展而增多。目前国内市场上的直流接触器，采用的灭弧系统是根据工作电压的高低而各有不同：①低电压直流接触器(DC440V以下)，采用触头电动力吹弧和永久磁铁磁吹灭弧结构，由于永久磁铁磁场方向固定而导致接触器的接线带有极性，使用中不太方便，即当触头上电流反向时，必须同时改变永久磁铁的极性，否则磁吹力就会反向而无法灭弧；②高电压直流接触器(DC440 V～1 500 V及以上)，通常采用迷宫式灭弧罩加磁吹灭弧、惰性气体气吹灭弧、真空灭弧等多种方式，其中气体气吹灭弧和真空灭弧结构可降低产品体积，但存在寿命低、生产成本高、易爆问题，相比之下，磁吹灭弧结构寿命高、生产成本低而占据市场主流，但由于其灭弧装置、磁系统体积大，导致产品体积较大(高度偏大)，不满足接触器产品日益小型化发展需求。

笔者以公司设计开发的GSZ4-250双极直流接触器(DC750 V、250 A)为例，介绍一种集磁吹灭弧、永久磁铁灭弧、触头电动力灭弧、双极多断点触头灭弧等多种方式于一体的综合灭弧方案，结合双线圈电磁系统和双极多断点触头系统的设计方案，提高了直流接触器电寿命、减小了直流接触器产品体积。

1 直流接触器产生的电弧原因及特点

电弧是一种自持放电现象，不用很高的电压就能维持相当长的电弧稳定燃烧而不熄灭，在实际的电路中，直流接触器通常控制感性直流负载(主要是直流发电机与直流电动机)，当接触器瞬间切断直流电源的RL电路时(如图1所示)，接触器触头断开，电路中的电流从工作稳态值以衰减的形式变到零，如图2所示，由楞次定律可知：uL=Ldi/dt将随着电流趋于零而增大，在负载线圈上会出现过电压，电压方向与图示标注方向相反， 该过电压不仅会损害设备绝缘，而且还会和直流电源电压叠加使接触器设计开距形成的电气间隙被击穿出现电弧。

图1 直流接触器控制直流负载原理图

图2 直流电路电流变化曲线图

对于大电流在高电压下产生的电弧，电压越高分断电弧越难，只有把电弧拉的越长，电弧才越容易被熄灭。通常的做法是：设计足够大的灭弧室和冷却面积，加速热量散发和降温；增大触头开距，尽可能拉长电弧加速其熄灭等。对于直流接触器而言，因直流电压不过零点，主触点断开电路的瞬间，触点处的电弧相比交流电更加强烈也更加稳定，如交流接触器灭弧室的结构是无法达到高电压、大电流的灭弧要求，必须设计专用、可靠的灭弧装置，同时尽可能减小产品体积，这也是直流接触器产品开发的难点。

2 新的灭弧系统设计

2.1 串励磁吹线圈灭弧、永久磁铁灭弧、触头强吹磁灭弧相结合设计

如图3所示，该灭弧系统由串励磁吹线圈灭弧、永久磁铁灭弧、触头强吹磁灭弧三种方式组合而成。区域①由串励磁吹线圈灭弧、永久磁铁灭弧组成，区域②为触头强吹磁灭弧。其工作原理为：当电源供电触头通电后，因电流流过串励磁吹线圈而产生磁场较大磁场，而永久磁铁和触头强吹磁结构均加强了磁场强度，触头在断开时产生的电弧受到磁场的作用力迅速被拉长而熄灭。

图3 新灭弧系统原理图

(1) 串励磁吹线圈灭弧

如图3所示，串励磁吹线圈灭弧系统主要由磁吹线圈、电工纯铁铁芯、导磁片、黄铜棒等组成。该吹磁线圈串联在主回路中用于产生磁场，该磁场通过由铁芯、导磁片组成的磁路，分布在平行的两块导磁片中间，接触器主触头分断电流时产生的电弧，会受到该磁场的作用力F，沿着图示箭头的方向迅速拉长并使之进入灭弧罩内，使电弧与灭弧罩(由灭弧性能好的DMC材料压制而成)内壁接触，对电弧的表面进行冷却和吸附，产生强烈的去游离，使电弧很快冷却，进而迅速熄灭。

该灭弧系统中，串励磁吹线圈灭弧能产生较大力，其主要动力来源于负载电流，电流越大吹弧能力越强，一般大安培直流接触器采用这种灭弧方式，其中：

H=KIN[1]

F=IHS=KI2NS[1]

式中：H为磁场强度；I为流过电弧的电流；N为线圈匝数；S为电弧长度；K为常数；F为作用在电弧上的力。

由公式可看出，作用在电弧上的力F与电流的平方成正比，电流方向改变对力F的方向没有影响，串励是无极性的。

(2) 永久磁铁灭弧

采用磁吹线圈灭弧的产品，在出现轻载小电流时，其灭弧能力迅速下降，存在不能正常灭弧的问题，因此在小电流时，为产生足够的作用力F，N必须选得较大或加大开距，这是缺点；我们的产品为了克服这种缺点，采用双线圈磁吹灭弧加永久磁铁灭弧配合解决了此问题。永久磁铁灭弧是由永久磁铁产生的磁场对电弧产生吹弧的电动力，加强了产品的灭弧效果，更重要的是串励磁吹线圈灭弧会随电流减小迅速降低作用在电弧上的电磁力，影响电弧正常的熄灭，而永磁铁产生吹弧的电动力不随分断电流减小而减弱，达到更好的灭弧效果。

永久磁铁产生的磁场方向如图4所示，电弧将受到该磁场的作用力，沿垂直于磁力线的方向被拉长并使之进入灭弧罩两侧内壁，熄灭电弧。

图4 永磁灭弧原理图

(3) 触头结构采用强吹磁结构设计

一般情况下，触头结构多设计为“一”字型结构，如图5所示，这种结构对电弧无磁吹作用，仅依靠触头开距拉长电弧灭弧，燃弧时间长、触头烧损严重。我们改进设计的触头结构如图6所示，静触头采用U型结构设计，以增强触头回路的磁场强度，同时静触头底部增加的铁质引弧片，使磁场更加集中，特别是在小电流情况下，增大了吹弧力。由图可以看出，动触头、静触头、电弧三部分电流产生的电磁场相互叠加，相应产生的电动力F迫使电弧按箭头方向运动，同时引弧片对电弧具有引力作用，更加大了电弧受力。

图5 一字型触头结构图1.静触头 2.电弧 3.动触头

图6 U型触头结构图1.连接板 2.引弧片 3.静触头 4.电弧 5.动触头 F.电弧受到触头回路的电动力 I.电流及方向

2.2 双极双断点触头形式增强灭弧能力

普通的直流接触器为单极型，触头系统一般为单极拍合式或单极双断点直动式。而该系列双极直流接触器触头系统采用双极双断点直动式，两个触头串联在电源与负载之间，如图3所示，较之单极性灭弧能力强。原因分析如下：双极双断点触头分离时，会同时产生4个断口，分断电压自行分布在这4个断口上，防止触头间隙被击穿，电弧重燃。再者，四个断口的开距之和比1个断口(拍合式)或2个断口(单极双断点直动式)的开距之和大(产品体积相差不大的情况下)，有利于拉长、分割电弧，当然就有利于灭弧。GSZ4系列产品触头为双极、直动式、双断点结构，相比单断点结构的产品，触头系统高度降低，触头串联可达到DC1500 V分断能力。

3 双线圈结构设计有效降低产品高度

为了能降低产品高度，单线圈结构变为双线圈结构是最为有效的设计方案，如图7所示，双线圈高度仅为单线圈的1/2，产品体积可降低40%，详见表1。线圈串联被釉电阻结构设计，减小了产品吸合时间，降低线圈温升，提高了产品寿命。

图7 直流双线圈结构

产品型号长(A)宽(D)高(H)GSZ4-250240136238国内某品牌(250 A)307154291

图8 国内某品牌外形尺寸

4 试验验证

根据GB/T14048.4-2016《低压开关设备和控制设备 接触器和电动机起动器 机电式接触器和电动机起动器(含电动机保护器)》的标准规定，我们对GSZ4-400双极直流接触器产品分别进行了DC-1/DC750 V、DC-5/750 V使用类别下的接通分断和约定操作试验，验证结果见表2。图10、11为产品接通分断和约定操作试验波形图。

表2 GSZ4-400双极直流接触器产品接通分断和约定操作试验结果

图9 GSZ4-250外形尺寸

图10 接通分断能力试验波形图

图11 约定操作试验波形图

经过测试，产品触头的燃弧时间基本在12 ms以内，在DC-1/750 V、400 A条件下，电寿命可达30万次，DC-5/440 V、400 A的条件下，电寿命达5万次；相比国内单断点拍合式的直流产品，在同等的条件下其燃弧时间为24 ms，DC-1条件下电寿命为20万次，DC-5下电寿命为8 000次。

5 结 语

通过试验验证，磁吹灭弧方式能迅速分断高电压、大电流下的直流电弧，随着分断电弧过程中的电流不断减小，磁吹灭弧能力降低，为能保证产品可靠分断电弧、减小燃弧时间，则配合永久磁铁灭弧以及触头强吹磁结构的综合应用是一种必要手段，在以后直流接触器的设计制造中，可以将这四种灭弧方式根据接触器电流等级的大小，随机组合设计，灭弧能力可以相互叠加、相互补充。