新型電子滅弧技術(shù)在機(jī)械開關(guān)中的應(yīng)用

（文章來(lái)源：電氣新科技）

近年來(lái)隨著能源領(lǐng)域持續(xù)發(fā)展創(chuàng)新，承擔(dān)電流接通和分?jǐn)嗳蝿?wù)的開關(guān)成為基礎(chǔ)性關(guān)鍵元器件。實(shí)際應(yīng)用中，不論是在電力機(jī)車、船舶、航空等傳統(tǒng)領(lǐng)域，還是在光伏、電動(dòng)汽車、儲(chǔ)能等新能源領(lǐng)域，絕大多數(shù)場(chǎng)合仍然采用機(jī)械開關(guān)。

機(jī)械開關(guān)分?jǐn)嚯娏鲿r(shí)產(chǎn)生電弧，受電弧影響，機(jī)械開關(guān)的觸點(diǎn)會(huì)溶蝕甚至粘連，觸點(diǎn)間的絕緣耐壓水平急劇下降而接觸阻抗急劇上升，導(dǎo)致機(jī)械開關(guān)的性能、壽命、可靠性等都存在技術(shù)性缺陷。因此，對(duì)電弧的控制成為機(jī)械開關(guān)領(lǐng)域亟待攻克的重大關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)。

隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，采用功率半導(dǎo)體器件的電子開關(guān)也開始在部分領(lǐng)域應(yīng)用，但受過(guò)載能力、發(fā)熱量、擊穿風(fēng)險(xiǎn)等諸多客觀因素制約，電子開關(guān)的應(yīng)用也遇到了瓶頸。

機(jī)械開關(guān)分?jǐn)噙^(guò)程中，當(dāng)觸點(diǎn)間電壓場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到一定強(qiáng)度，通常在觸點(diǎn)間距很小時(shí)只需要十幾伏特的電壓，就能使觸點(diǎn)材料發(fā)生電子發(fā)射并電離觸點(diǎn)間的介質(zhì)而形成電弧，電弧在觸點(diǎn)間產(chǎn)生數(shù)千至數(shù)萬(wàn)攝氏度的高溫，高溫使觸點(diǎn)間形成熱發(fā)射和熱游離并維持電弧持續(xù)放電。如圖1所示，電弧一旦形成，主要靠熱能維持，電弧之間僅需要很低的維持電壓，一般陰極區(qū)只需十幾伏特，陽(yáng)極區(qū)只需零至十幾伏特，弧柱區(qū)每厘米僅需幾伏特的電壓。

根據(jù)電弧形成的物理特性，傳統(tǒng)機(jī)械開關(guān)通常采用控制弧隙介質(zhì)游離程度和去游離程度、控制弧隙溫度以及增加弧隙間電壓的方法進(jìn)行滅弧。

采用特定的弧隙介質(zhì)，例如真空或特定氣體，能控制弧隙介質(zhì)游離程度和去游離程度；增加弧隙距離，如追加滅弧柵或增加觸點(diǎn)數(shù)量，能增大弧隙電壓并改善散熱；改變弧柱路徑，如采用特定弧柱管道、氣吹、油吹、磁吹等，可降低弧溫及離子濃度；提高分?jǐn)嗨俣取⒃龃笥|點(diǎn)間開距等也能增加電弧發(fā)生的難度。

但傳統(tǒng)的機(jī)械、物理滅弧方法，不僅對(duì)機(jī)械式開關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有嚴(yán)格的技術(shù)要求，在應(yīng)用上也存在斷弧時(shí)間長(zhǎng)（毫秒級(jí)）、電氣壽命短（數(shù)次至數(shù)千次）、體積大、性價(jià)比低的缺點(diǎn)。利用諧振制造電流零點(diǎn)的電子滅弧方法不僅對(duì)機(jī)械式開關(guān)本身有嚴(yán)格的要求，更需要根據(jù)機(jī)械式開關(guān)的實(shí)際應(yīng)用工況來(lái)調(diào)配諧振參數(shù)，應(yīng)用的普適性受到限制；另外，諧振建立的過(guò)程需要耗費(fèi)長(zhǎng)達(dá)數(shù)個(gè)毫秒的時(shí)間，導(dǎo)致電弧持續(xù)時(shí)間比較長(zhǎng)，諧振采用的感容元件也導(dǎo)致其體積大、質(zhì)量重、價(jià)格高。

根據(jù)機(jī)械開關(guān)產(chǎn)生的電弧特性，近年來(lái)出現(xiàn)了新型的電子滅弧技術(shù)，這些電子滅弧技術(shù)獨(dú)立于機(jī)械開關(guān)本身，可與現(xiàn)有的機(jī)械開關(guān)配合使用。

基于這些電子滅弧技術(shù)的器件或與機(jī)械開關(guān)并聯(lián)或與負(fù)載并聯(lián)，與機(jī)械開關(guān)并聯(lián)式電子滅弧器件采用功率半導(dǎo)體器件，在機(jī)械開關(guān)分?jǐn)噙^(guò)程中分流機(jī)械開關(guān)上的電流并將機(jī)械開關(guān)兩端的電壓限定在數(shù)伏特的較低水平，從而阻止了產(chǎn)生電弧必須的強(qiáng)電場(chǎng)發(fā)射和熱電子發(fā)射建立的條件；與負(fù)載并聯(lián)式電子滅弧器件采用儲(chǔ)能型電子器件，在機(jī)械開關(guān)分?jǐn)噙^(guò)程中適時(shí)瞬間提供高能量電壓脈沖，以大幅度降低機(jī)械開關(guān)兩端的電場(chǎng)強(qiáng)度，從而加速電弧的去游離過(guò)程而阻止電弧的持續(xù)燃燒。

AST內(nèi)含有功率器件Triac和監(jiān)控驅(qū)動(dòng)模塊，監(jiān)控驅(qū)動(dòng)模塊能夠識(shí)別機(jī)械開關(guān)SW的分?jǐn)鄤?dòng)作并在分?jǐn)嚅_始時(shí)驅(qū)動(dòng)晶閘管器件Triac導(dǎo)通，機(jī)械開關(guān)SW分?jǐn)嗤戤吅缶чl管器件Triac在電流零點(diǎn)時(shí)自動(dòng)截止。

AST技術(shù)對(duì)負(fù)載特性不敏感，可廣泛應(yīng)用在阻性負(fù)載、容性負(fù)載和感性負(fù)載中。AST技術(shù)中采用的晶閘管導(dǎo)通時(shí)間被限定在半個(gè)周期內(nèi)，由于其過(guò)載能力強(qiáng)，即使采用較小額定電流的晶閘管也具有極強(qiáng)的電流滅弧能力。采用AST技術(shù)的滅弧器件，其工作電壓受晶閘管的額定工作電壓限制，因此其適合工作在數(shù)千伏特以下的電路中。

專利“CN 106783297 B”描述了一種直流滅弧技術(shù)及其實(shí)現(xiàn)，稱為ASD。與AST技術(shù)原理類似，ASD內(nèi)含有全控型功率器件和監(jiān)視驅(qū)動(dòng)模塊，圖4是其中的一種實(shí)現(xiàn)。監(jiān)視驅(qū)動(dòng)模塊識(shí)別到機(jī)械開關(guān)SW的分?jǐn)鄤?dòng)作后在分?jǐn)嚅_始時(shí)驅(qū)動(dòng)IGBT導(dǎo)通，機(jī)械開關(guān)SW分?jǐn)嗤戤吅蟊O(jiān)視驅(qū)動(dòng)模塊適時(shí)關(guān)斷IGBT。

ASD技術(shù)工作的最大電壓和最大電流會(huì)受內(nèi)部全控型功率器件規(guī)格的限制，其對(duì)電流的分?jǐn)嗨俣瓤?，?yīng)用在感性負(fù)載的工況時(shí)需要在負(fù)載端并聯(lián)電壓鉗位元件限制反向過(guò)壓?；贏AE技術(shù)的二端器件（后稱AAE器件）并聯(lián)在負(fù)載兩端，機(jī)械開關(guān)SW斷開時(shí)，AAE器件無(wú)靜態(tài)電流消耗且不影響機(jī)械式開關(guān)SW的絕緣性和耐壓特性；機(jī)械開關(guān)SW閉合后，AAE器件的靜態(tài)消耗電流低至0～10A內(nèi)。

AAE器件內(nèi)采用晶閘管SCR為放電電子開關(guān)元件，通常AAE器件放電時(shí)間短至數(shù)十至數(shù)百個(gè)微秒之間，由于晶閘管SCR短時(shí)過(guò)載力極強(qiáng)，因此很容易達(dá)到數(shù)千安培電流的滅弧能力。AAE器件內(nèi)部充放電環(huán)路相互獨(dú)立，通過(guò)內(nèi)部元件的串聯(lián)提升AAE器件的耐壓等級(jí)變得非常簡(jiǎn)單。

AAE器件的監(jiān)控驅(qū)動(dòng)模塊在識(shí)別到電弧后，可根據(jù)需要設(shè)定釋放高能脈沖的時(shí)機(jī)。選擇在電弧建立初期即強(qiáng)電場(chǎng)發(fā)射的電子碰撞游離期釋放高能脈沖時(shí)能夠?qū)㈦娀】刂圃谄鸹‰A段，但是，此時(shí)釋放的高能脈沖需要有足夠的幅度和寬度，足夠幅度能阻止機(jī)械開關(guān)SW的觸點(diǎn)之間場(chǎng)電子持續(xù)發(fā)射，足夠?qū)挾饶鼙ＷC有足夠的時(shí)間實(shí)現(xiàn)弧隙間去游離過(guò)程以恢復(fù)已受到破壞的弧隙間介質(zhì)強(qiáng)度。為滿足對(duì)脈沖幅度和寬度的要求，需要儲(chǔ)能電容有足夠的容量。

在工程實(shí)踐中，由于受儲(chǔ)能電容（或線路本身）分布電感和內(nèi)阻、機(jī)械開關(guān)SW分?jǐn)嗨俣鹊鹊挠绊懀诟唠妷捍箅娏鲿r(shí)單純依靠提升電容容量難以確保滅弧的可靠性。
（責(zé)任編輯：fqj）