彭長江

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十研究所，安徽蚌埠，233010)

一種高壓直流繼電器的結(jié)構(gòu)及耐高壓的設(shè)計

彭長江

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十研究所，安徽蚌埠，233010)

本文主要介紹50KV高壓繼電器的結(jié)構(gòu)設(shè)計。該結(jié)構(gòu)通過陶瓷殼體內(nèi)部的轉(zhuǎn)換組件來實現(xiàn)高壓通道的切換，陶瓷殼體內(nèi)部充入SF6的混合氣體來實現(xiàn)觸點電的耐高壓。通過對混合氣體的耐電壓的理論計算及仿真計算來驗證設(shè)計的合理性及可行性，確保產(chǎn)品的電性能指標(biāo)符合要求。

高壓繼電器;混合氣體;理論計算;仿真驗證

1 引言

高壓直流繼電器屬于設(shè)備中的高壓控制器件。高壓直流繼電器與普通繼電器的最大區(qū)別在于，超高壓直流繼電器采用了獨特的密封技術(shù)，將高壓直流繼電器的接觸點密封在腔體中，與外界空氣隔離，以獲得更高的耐壓，在觸點切換時不采用帶載切換，主要用于需要對高壓通道的備份裝置與機構(gòu)中。它具有體積小，重量輕、耐電壓高等特點。根據(jù)高壓直流繼電器使用要求的不同，密封空間中采用的介質(zhì)較多采用真空介質(zhì)及高壓惰性氣體介質(zhì);腔體密封形式有玻璃燒結(jié)密封、陶瓷燒結(jié)密封等。

2 技術(shù)要求

該類高壓直流繼電器的工作電壓一般從5kVd.c.到70kVd.c.不等。根據(jù)其工作電壓的不同，繼電器的體積的大小與繼電器內(nèi)部所采用的密封方式與充入氣體也不盡相同，本文主要介紹一種工作電壓為50kVd.c.高壓繼電器。其主要性能電指標(biāo)為:

觸點形式:SPDT;

工作電壓:50kVd.c.;

最大連續(xù)電流:10A;

接觸電阻:1.0Ω;

工作溫度:－55℃～+85℃;

外型尺寸:φ50.4mm×72mm。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

高壓直流繼電器的結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。主要由高壓腔體、銜鐵機構(gòu)、電磁驅(qū)動等部分組成。

圖1 高壓直流繼電器結(jié)構(gòu)示意圖

主要工作原理為:當(dāng)電磁驅(qū)動部分未加激勵電壓時，線圈內(nèi)無電流流過，對應(yīng)的電磁驅(qū)動部分不會產(chǎn)生磁通，轉(zhuǎn)動機構(gòu)中的銜鐵在彈簧的反力作用下，處于初始狀態(tài)，高壓腔體中電極C與電極NC經(jīng)接觸片連接，形成回路;當(dāng)電磁驅(qū)動部分加上激勵電壓時，線圈內(nèi)有電流流過，電磁驅(qū)動部分產(chǎn)生磁通，轉(zhuǎn)動機構(gòu)中的銜鐵克服彈簧的反力作用，銜鐵吸合，此時接觸片隨之發(fā)生轉(zhuǎn)動，與電極NC分離，轉(zhuǎn)向電極NO，最終與NO電極連接。高壓直流繼電器最關(guān)鍵部分，是完成高電壓轉(zhuǎn)換的接觸部分，被密封在高壓腔體內(nèi)。

由于受繼電器外形尺寸的約束，陶瓷罩的尺寸受到一定的限制，電極與簧片之間的間距較小，其內(nèi)部尺寸見圖2所示。

圖2 間距尺寸

由圖可知，簧片與電極之間的間距在兩種狀態(tài)分別為2.61mm與2.64mm。在理論計算時采用2.6mm的近似值進(jìn)行計算。

4 耐高壓設(shè)計

為了達(dá)到的繼電器的耐電壓性能，陶瓷罩內(nèi)部通過真空或充入惰性氣體的混合氣體來實現(xiàn)耐電壓。由于在真空條件下，在電場達(dá)到一定的強度時，會產(chǎn)生對人體有害的射線。因此，在耐電壓方案中選用充入惰性氣體來實現(xiàn)耐高電壓的性能。

在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，常用氣體電介質(zhì)的臨界場強及相對介電常數(shù)如表1所示:

表1 常用氣體介質(zhì)臨界場強及相對介電常數(shù)

由表1可知，SF6氣體的在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，臨界場強約為空氣的3倍。SF6氣體或混合氣體的絕緣特性高壓電器中絕緣件的設(shè)計和絕緣距離的確定是以絕緣件表面、內(nèi)部，電極表面，或氣體間隙的許用場強為依據(jù)的。理想的SF6氣體臨界擊穿場強88.5kV/mm·MPa，而空氣臨界擊穿場強為29.4kV/ mm·MPa。由此推論，在均勻電場下，SF6氣體的擊穿場強大約是空氣的3倍。但生產(chǎn)實際中，SF6絕緣結(jié)構(gòu)主要使用的是稍不均勻場，擊穿場強總是低于這一數(shù)值，當(dāng)間隙內(nèi)最大場強達(dá)到某一擊穿場強Eb時，間隙即被擊穿。影響擊穿電壓的因素較多，如氣體壓力、電壓形式和極性、間隙長度、電場不均勻程度、電極表面粗糙度、電極材料和電極面積等，與間隙中的最大場強密切有關(guān)。因此，在計算時應(yīng)該給予一定的余量。

在均勻電場中，氣體擊穿通常符合巴申定律，即溫度不變時，均勻電場中氣體的擊穿電壓是氣體壓力和電極間距離乘積 的函數(shù)。圖3所示為SF6氣體的巴申曲線。由圖可知，在一定的范圍內(nèi)，SF6的巴申曲線近似為線性關(guān)系。

圖3 SF6氣體的巴申曲線

該高壓繼電器的環(huán)境使用溫度是 －55℃～85℃，SF6氣體液化溫度，在一個大氣壓下(即0.1MPa)，液化溫度為－62℃;在1.2MPa壓力下，液化溫度為0℃。為了滿足使用條件，常使用SF6混合氣體來降低液化溫度。純SF6與混合氣體的液化溫度如圖4所示。

若以純SF6氣體的耐電強度為基準(zhǔn)(為1.0)，N2氣體和SF6氣體以不同的體積比例混合的氣體的相對耐電強度如圖5所示。由圖5可見，當(dāng)N2氣體的體積含量≤40%時，混合氣體的相對耐電強度降低很少;即使N2氣體的體積含量達(dá)80%，其耐電強度還能達(dá)到純N2或空氣耐電強度的2倍。

圖4 SF6與混合氣體的液化溫度

圖5 SF6、N2混合氣體的相對耐電強度

因為混合氣體的滅弧能力要弱于純SF6氣體，故在高壓腔體中使用SF6－N2混合氣體時，SF6的含量不能太低。SF6混合氣體的擊穿電壓符合下公式:

V1為SF6氣體的耐電壓強度;

k為混合氣體的SF6的比例。

通過對混合氣體的液化溫度、耐高壓強度等因素的綜合考慮。在該項目中，選用SF6:N2=60%:40%的比例進(jìn)行混合，該比例混合氣體的臨界擊穿場強約為:0.60.18×88.5kV/mm·MPa=80 kV/mm·Mpa。

已知電極間的間距為2.6mm，充入0.4Mpa的混合氣體。通過計算可以得到:

80×2.6×0.4=83.2kV＞55 kV(常溫條件下時的介質(zhì)耐電壓)。

由于該項目中混合氣體密封在陶瓷腔體內(nèi)，如果不考慮氣體泄漏的話，氣體的密度可以近似為恒定不變的?；旌蠚怏w的擊穿場強與溫度的關(guān)系如圖6所示。

圖6 混合氣體的擊穿場強與溫度的關(guān)系

由圖可知，氣體的密度不變時，氣體的擊穿強度時恒定的不受溫度的影響。因此，在不同的溫度氣體的耐高壓強度都是符合設(shè)計要求的。

5 有限元仿真

在通過有限元軟件進(jìn)行陶瓷罩內(nèi)部的電場場強的仿真時，通過對模型簡化。同時，為了達(dá)到混合氣體充入密封腔體的使用條件，設(shè)定求解區(qū)域為充滿氣體的區(qū)域?？梢缘玫絻?nèi)部的電場的分布如圖7所示。

圖7 內(nèi)部電場分布示意圖

由圖中結(jié)果可知，充滿混合氣體的高壓腔體內(nèi)的場強最大值為2.28×107v/m，小于混合氣體的最大擊穿場強3.2×107v/m。因此，產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計及氣體的耐電壓理論上符合產(chǎn)品要求。

6 結(jié)論

本文通過對高壓繼電器內(nèi)部的結(jié)構(gòu)的介紹，通過對SF6/N2的混合氣體絕緣強度的研究，采用理論計算及仿真計算達(dá)到其設(shè)計要求。并且通過試驗驗證，證明其設(shè)計結(jié)構(gòu)及充入氣體的比例及壓力的合理性，達(dá)到其主要的電性能指標(biāo)。

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10.3969/j.issn.1000－6133.2015.03.002

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研究與設(shè)計