你的位置:首頁(yè) > 電路保護(hù) > 正文

高壓大電流電路的配電所面臨的挑戰(zhàn)

發(fā)布時(shí)間:2020-06-30 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】天線、雷達(dá)、測(cè)距儀、衛(wèi)星、車(chē)輛、艦船、其他航空和國(guó)防應(yīng)用,以及270 VDC飛機(jī)電源系統(tǒng)里面都有高壓/大電流電路,這給電源管理帶來(lái)了獨(dú)特的挑戰(zhàn)。因此,如何設(shè)計(jì)出能夠在較小的空間內(nèi)更有效地處理高功率的解決方案可謂至關(guān)重要。電動(dòng)汽車(chē)、充電站、電池系統(tǒng)以及太陽(yáng)能和風(fēng)能應(yīng)用的配電也是這種情況。
   
天線、雷達(dá)、測(cè)距儀、衛(wèi)星、車(chē)輛、艦船、其他航空和國(guó)防應(yīng)用,以及270 VDC飛機(jī)電源系統(tǒng)里面都有高壓/大電流電路,這給電源管理帶來(lái)了獨(dú)特的挑戰(zhàn)。因此,如何設(shè)計(jì)出能夠在較小的空間內(nèi)更有效地處理高功率的解決方案可謂至關(guān)重要。電動(dòng)汽車(chē)、充電站、電池系統(tǒng)以及太陽(yáng)能和風(fēng)能應(yīng)用的配電也是這種情況。

本文說(shuō)明了高級(jí)繼電器和接觸器如何應(yīng)對(duì)嚴(yán)苛的配電需求,因此可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)人員的工作;此外,本文還介紹了一種工具,方便對(duì)各種接觸器和繼電器功能做出選擇。

配電技術(shù)有著各種各樣的類(lèi)型。許多露天開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)只能承受幾百伏的電壓。但是,小型、輕巧、密封的設(shè)備若采用具有良好介電性能的氣體或真空,則其開(kāi)關(guān)電壓可以高達(dá)70千伏(kV)。

就接觸器而言,觸點(diǎn)尺寸和壓力增加,再加上采用特殊合金材料,那么可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)1000安的大電流管理。將內(nèi)置霍爾效應(yīng)電流傳感器集成于接觸器,還可以將這些設(shè)備變成“智能”電流感應(yīng)版本。

高壓大電流電路的配電所面臨的挑戰(zhàn)
高壓(1,000 VDC)KILOVAC K1K接觸器的額定連續(xù)電流為1000安

什么時(shí)候考慮真空開(kāi)關(guān)

常規(guī)開(kāi)關(guān)會(huì)產(chǎn)生電弧,因此幾乎不可能斷開(kāi)千伏電路。當(dāng)電壓較高時(shí),填充于開(kāi)路觸點(diǎn)之間的空氣會(huì)迅速電離成為導(dǎo)電路徑。因此,盡管觸點(diǎn)斷開(kāi),但電離氣體仍可維持電路——這個(gè)問(wèn)題在通用繼電器中并不普遍。

真空如何最大程度地減少飛弧問(wèn)題

有一個(gè)解決方案可以解決飛弧問(wèn)題,那便是去除接觸區(qū)域的可電離氣體。因此,高壓開(kāi)關(guān)精心設(shè)計(jì)的目的就是為了在真空中正常工作。舉例來(lái)說(shuō),在10–6毫米汞柱的真空中,介電強(qiáng)度可達(dá)2000伏/密耳。

真空電介質(zhì)還為高壓觸點(diǎn)提供了一個(gè)惰性的環(huán)境。真空實(shí)際上消除了氧化和腐蝕的可能性。當(dāng)真空中出現(xiàn)電弧時(shí),不會(huì)發(fā)生空氣或電介質(zhì)氣體的分解,因此也就不會(huì)產(chǎn)生腐蝕性的副產(chǎn)品。

射頻應(yīng)用

良好的絕緣性能和較低而穩(wěn)定的接觸電阻,是能夠在射頻(RF)開(kāi)關(guān)中使用高壓真空繼電器的兩大原因。然而,任何繼電器在射頻應(yīng)用中都應(yīng)注意電流和電壓的限制。“趨膚效應(yīng)”將會(huì)產(chǎn)生影響,也就是說(shuō)隨著頻率的增加,電流將從導(dǎo)體的中心向表面遷移。頻率越高則導(dǎo)電路徑的趨膚深度越小,迫使更多的電流通過(guò)更小的導(dǎo)體截面。這會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)體表面局部受熱升溫,而高溫有可能損壞繼電器的密封性。

高壓大電流電路的配電所面臨的挑戰(zhàn)
KILOVAC K81A高壓繼電器能夠耐受290°C(554°F)的高溫長(zhǎng)達(dá)500小時(shí)

當(dāng)繼電器用作絕緣體時(shí),開(kāi)路觸點(diǎn)之間和/或觸點(diǎn)與地面之間將會(huì)存在射頻電壓。在所有的實(shí)際應(yīng)用中,繼電器都有一個(gè)1-2皮法的高壓電容。流經(jīng)該電容的泄漏電流會(huì)加熱絕緣體的損耗元件,進(jìn)而限制可以應(yīng)用的射頻電壓。

電流和電壓的限制使得射頻應(yīng)用有必要降低電流和電壓規(guī)格,同時(shí)其工作頻率也要控制在32MHz以下。選擇特定的繼電器時(shí),這些限制因素均應(yīng)予以考慮。

什么時(shí)候考慮絕緣開(kāi)關(guān)

并非所有的高壓繼電器/接觸器都是真空型的。擁有良好介電性能的惰性氣體也可用于高壓組件和系統(tǒng)。這種解決方案十分靈活,因?yàn)槲覀兛梢酝ㄟ^(guò)改變氣體的混合比例和/或壓力來(lái)控制受壓外殼中的擊穿電壓。氣體加壓滅弧是它的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn),因?yàn)橥ǔT跀?shù)微秒時(shí)間內(nèi)就可以完成滅弧。

充氣式開(kāi)關(guān)設(shè)備可用于高壓電源開(kāi)關(guān),其功能是關(guān)閉常開(kāi)觸點(diǎn)。這種方案有一個(gè)優(yōu)點(diǎn):氣體的混合比例和壓力可以事先設(shè)定,以便在觸點(diǎn)接觸之前就產(chǎn)生電弧。此外,如果電路電壓高于3500伏,那么即使因觸點(diǎn)彈跳而使電路斷開(kāi),電弧也仍然保持穩(wěn)定,足以維持電流。如電容性放電電路所示,這種現(xiàn)象有助于延長(zhǎng)充氣繼電器的使用壽命。

高壓大電流電路的配電所面臨的挑戰(zhàn)
KILOVAC K41高壓真空介電繼電器可用于通斷負(fù)載開(kāi)關(guān)

常規(guī)繼電器的接觸電阻不斷發(fā)生著變化,而真空繼電器的接觸電阻保持恒定且數(shù)值較低,在整個(gè)使用壽命期間其典型值為0.015歐姆。阻值之所以這么低,是因?yàn)檎婵绽^電器統(tǒng)一使用清潔部件,沒(méi)有氧化或污染,而且接觸部位使用的是純金屬。由于觸點(diǎn)采用真空密封,因此可在易爆或腐蝕性環(huán)境中實(shí)現(xiàn)安全的開(kāi)關(guān)操作。

充氣式繼電器的接觸電阻一般也比較低,但不像真空繼電器的接觸電阻那么低和那么穩(wěn)定。此外,其接觸電阻還會(huì)隨著測(cè)試方法的不同而發(fā)生變化。大容量、大電流的測(cè)試電路測(cè)得的阻值會(huì)比較低。觸點(diǎn)鍍金可以提高充氣式繼電器的穩(wěn)定性,并降低其接觸電阻。

電源開(kāi)關(guān)的通斷和中繼負(fù)載因素

術(shù)語(yǔ)“電源開(kāi)關(guān)”和“熱開(kāi)關(guān)”是指通過(guò)激活繼電器來(lái)斷開(kāi)或接通電源。對(duì)繼電器進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作時(shí),觸點(diǎn)在閉合的瞬間和隨后的彈跳過(guò)程中都會(huì)產(chǎn)生電弧。電弧會(huì)引起觸點(diǎn)腐蝕,若不采取一定的預(yù)防措施,則電弧有可能導(dǎo)致觸點(diǎn)熔結(jié),至少會(huì)導(dǎo)致相當(dāng)程度的觸點(diǎn)損壞。因此,電弧的持續(xù)時(shí)間以及電流和電壓的水平都是決定繼電器壽命和可靠性的重要因素。

高電壓電源開(kāi)關(guān)繼電器的觸點(diǎn)通常使用鎢或鉬制成,因?yàn)檫@些金屬硬度大且熔點(diǎn)高,可以耐受電弧的高溫作用。有些毫安級(jí)電流的高壓繼電器使用銅制觸點(diǎn),但它們通常只用于“中繼”應(yīng)用。

選擇適當(dāng)?shù)睦^電器時(shí),電路負(fù)載的類(lèi)型是一個(gè)重要的考慮因素。電路負(fù)載一般分為電容性負(fù)載、電感性負(fù)載和電阻性負(fù)載。

電阻性負(fù)載——直流電阻性負(fù)載斷開(kāi)時(shí),觸點(diǎn)會(huì)在分離的瞬間產(chǎn)生電弧,直到觸點(diǎn)徹底分離為止。在一定的電壓和電流條件下,電弧的持續(xù)時(shí)間取決于觸點(diǎn)的分離速度、冷卻速度以及電感和分布電容的消電離作用。在相同電壓下,交流負(fù)載比直流負(fù)載更容易斷開(kāi),因?yàn)榻涣麟娏髅堪雮€(gè)周期就會(huì)自行斷開(kāi)一次。極性轉(zhuǎn)換可防止金屬一直朝著同一個(gè)方向移動(dòng),這種情況通常會(huì)導(dǎo)致直流負(fù)載較早發(fā)生觸點(diǎn)故障。

電感性負(fù)載——斷開(kāi)直流電感性負(fù)載比斷開(kāi)電阻性負(fù)載更難。電感中的存儲(chǔ)能量([1/2]LI2,其中L代表電感,單位亨利;I代表電流,單位安培)可以產(chǎn)生一個(gè)保持電流不變的電壓(–L[di/dt])。電感的能量耗盡,電流才會(huì)消失。如果不采用快速斷路觸點(diǎn)或其他方式來(lái)斷開(kāi)電感性負(fù)載,那么電弧的持續(xù)時(shí)間將直接取決于負(fù)載的時(shí)間常數(shù)(L/R,其中R代表電阻,單位歐姆)。交流電感性負(fù)載不會(huì)出現(xiàn)這個(gè)問(wèn)題,因?yàn)槊堪雮€(gè)周期結(jié)束時(shí)會(huì)發(fā)生極性反轉(zhuǎn),迫使電流過(guò)零。同時(shí),電流與電壓存在相位差,并且在電流的后半個(gè)周期,供電電壓反向于自感電壓。

電容性負(fù)載——閉合直流電路中的觸點(diǎn)為電容充放電,將會(huì)產(chǎn)生大浪涌電流。其對(duì)于觸點(diǎn)的影響取決于初始峰值電流的幅值和電路的時(shí)間常數(shù)。類(lèi)似情況在交流電路中則不常見(jiàn)。要想得到最佳的效果,繼電器必須置于負(fù)載的接地端;否則,觸點(diǎn)與殼體之間會(huì)出現(xiàn)大電流電弧,繞過(guò)負(fù)載。電源是對(duì)浪涌電流的唯一限制。

在實(shí)際應(yīng)用中通常同時(shí)存在這三種負(fù)載,但是,具有大電容性負(fù)載或大電感性負(fù)載的電路由于儲(chǔ)有能量,因此比較難以進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作。更為復(fù)雜的是,某些電路存在大浪涌電流。在這種情況下,如果觸點(diǎn)試圖在彈跳期間斷開(kāi)極高的電流,那么就會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)電弧致使觸點(diǎn)金屬熔化,最終導(dǎo)致觸點(diǎn)熔結(jié)。正弦交流電會(huì)使情況變得更糟,因?yàn)榻涣麟姷姆逯惦妷汉碗娏鞣謩e比相同負(fù)載電壓下的等效直流電大41%。

拓展思路以應(yīng)對(duì)新的挑戰(zhàn)

如今,許多應(yīng)用需要在更小的空間內(nèi)更有效地利用更高的功率。例如,與傳統(tǒng)的115/200V系統(tǒng)相比,270V直流系統(tǒng)可靠性更高、維護(hù)更方便、重量更輕且使用壽命更長(zhǎng)。這種發(fā)展也要求對(duì)電源管理技術(shù)進(jìn)行更為細(xì)致的選擇。

設(shè)計(jì)者應(yīng)當(dāng)充分考慮電路條件,以及繼電器的電氣、機(jī)械和環(huán)境因素。此外,設(shè)計(jì)者還應(yīng)權(quán)衡繼電器的各種工作特性,并清楚繼電器術(shù)語(yǔ)是一種具有特殊含義的專(zhuān)業(yè)語(yǔ)言。

評(píng)估與高電壓/大電流電路相關(guān)的電源管理產(chǎn)品是一個(gè)復(fù)雜的課題,本文探討的開(kāi)關(guān)技術(shù)的其他方面也莫不如此。為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)人員的工作,TE提供了一個(gè)“虛擬開(kāi)發(fā)人員工具包”,其中涵蓋了高壓接觸器、高壓繼電器、電線電纜和連接器。通過(guò)該工具包的便捷在線菜單,我們可以快速訪問(wèn)產(chǎn)品功能和優(yōu)勢(shì)、圖紙、3D PDF和規(guī)格。該工具為設(shè)計(jì)人員提供了寶貴的見(jiàn)解,幫助他們精心選擇開(kāi)關(guān)技術(shù)來(lái)應(yīng)對(duì)如今嚴(yán)苛的配電需求。
 

免責(zé)聲明:本文為轉(zhuǎn)載文章,轉(zhuǎn)載此文目的在于傳遞更多信息,版權(quán)歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權(quán)問(wèn)題,請(qǐng)聯(lián)系小編進(jìn)行處理。
 
 
推薦閱讀:
由淺入深,手把手教你開(kāi)關(guān)模式下的電源電流檢測(cè)
射極跟隨器的作用是什么
饋通濾波器的五種形式
2020寧波國(guó)際健康照明(防疫)展覽會(huì)
集成自舉二極管和快速過(guò)流保護(hù)的600V三相柵極驅(qū)動(dòng)器加速了三相電機(jī)應(yīng)用
要采購(gòu)繼電器么,點(diǎn)這里了解一下價(jià)格!
特別推薦
技術(shù)文章更多>>
技術(shù)白皮書(shū)下載更多>>
熱門(mén)搜索
?

關(guān)閉

?

關(guān)閉