(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十研究所，安徽蚌埠，233010)

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一種高壓直流繼電器的結(jié)構(gòu)及耐高壓的設(shè)計(jì)

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十研究所，安徽蚌埠，233010)

摘要：本文主要介紹50KV高壓繼電器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。該結(jié)構(gòu)通過(guò)陶瓷殼體內(nèi)部的轉(zhuǎn)換組件來(lái)實(shí)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(lái)實(shí)現(xiàn)觸點(diǎn)電的耐高壓。通過(guò)對(duì)混合氣體的耐電壓的理論計(jì)算及仿真計(jì)算來(lái)驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性及可行性，確保產(chǎn)品的電性能指標(biāo)符合要求。

關(guān)鍵詞：高壓繼電器；混合氣體；理論計(jì)算；仿真驗(yàn)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(dú)特的密封技術(shù)，將高壓直流繼電器的接觸點(diǎn)密封在腔體中，與外界空氣隔離，以獲得更高的耐壓，在觸點(diǎn)切換時(shí)不采用帶載切換，主要用于需要對(duì)高壓通道的備份裝置與機(jī)構(gòu)中。它具有體積小，重量輕、耐電壓高等特點(diǎn)。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(lèi)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(diǎn)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(jì)

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

主要工作原理為：當(dāng)電磁驅(qū)動(dòng)部分未加激勵(lì)電壓時(shí)，線圈內(nèi)無(wú)電流流過(guò)，對(duì)應(yīng)的電磁驅(qū)動(dòng)部分不會(huì)產(chǎn)生磁通，轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)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(dòng)部分加上激勵(lì)電壓時(shí)，線圈內(nèi)有電流流過(guò)，電磁驅(qū)動(dòng)部分產(chǎn)生磁通，轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的銜鐵克服彈簧的反力作用，銜鐵吸合，此時(shí)接觸片隨之發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，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(jiàn)圖2所示。

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(jì)算時(shí)采用2.6mm的近似值進(jìn)行計(jì)算。

4耐高壓設(shè)計(jì)

為了達(dá)到的繼電器的耐電壓性能，陶瓷罩內(nèi)部通過(guò)真空或充入惰性氣體的混合氣體來(lái)實(shí)現(xiàn)耐電壓。由于在真空條件下，在電場(chǎng)達(dá)到一定的強(qiáng)度時(shí)，會(huì)產(chǎn)生對(duì)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(lái)實(shí)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(chǎng)強(qiáng)及相對(duì)介電常數(shù)如表1所示：

由表1可知，SF6氣體的在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，臨界場(chǎng)強(qiáng)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(jì)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(chǎng)強(qiáng)為依據(jù)的。理想的SF6 氣體臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)88.5kV/mm·MPa，而空氣臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)為29.4kV/mm·MPa。由此推論，在均勻電場(chǎng)下，SF6 氣體的擊穿場(chǎng)強(qiáng)大約是空氣的3倍。但生產(chǎn)實(shí)際中，SF6 絕緣結(jié)構(gòu)主要使用的是稍不均勻場(chǎng)，擊穿場(chǎng)強(qiáng)總是低于這一數(shù)值，當(dāng)間隙內(nèi)最大場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到某一擊穿場(chǎng)強(qiáng)Eb 時(shí)，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(zhǎng)度、電場(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)密切有關(guān)。因此，在計(jì)算時(shí)應(yīng)該給予一定的余量。

在均勻電場(chǎng)中，氣體擊穿通常符合巴申定律，即溫度不變時(shí)，均勻電場(chǎng)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。

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(gè)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(lái)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(qiáng)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(duì)耐電強(qiáng)度如圖5所示。由圖5可見(jiàn)，當(dāng)N2氣體的體積含量≤40%時(shí)，混合氣體的相對(duì)耐電強(qiáng)度降低很少；即使N2氣體的體積含量達(dá)80%，其耐電強(qiáng)度還能達(dá)到純N2或空氣耐電強(qiáng)度的2倍。

因?yàn)榛旌蠚怏w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(shí)，SF6的含量不能太低。SF6混合氣體的擊穿電壓符合下公式：

Vm=V1×k0.18

V1為SF6氣體的耐電壓強(qiáng)度；

k為混合氣體的SF6的比例。

通過(guò)對(duì)混合氣體的液化溫度、耐高壓強(qiáng)度等因素的綜合考慮。在該項(xiàng)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(chǎng)強(qiáng)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(guò)計(jì)算可以得到：

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

由于該項(xiàng)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(chǎng)強(qiáng)與溫度的關(guān)系如圖6所示。

由圖可知，氣體的密度不變時(shí)，氣體的擊穿強(qiáng)度時(shí)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(qiáng)度都是符合設(shè)計(jì)要求的。

5有限元仿真

在通過(guò)有限元軟件進(jìn)行陶瓷罩內(nèi)部的電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)的仿真時(shí)，通過(guò)對(duì)模型簡(jiǎn)化。同時(shí)，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?yàn)槌錆M氣體的區(qū)域。可以得到內(nèi)部的電場(chǎng)的分布如圖7所示。

由圖中結(jié)果可知，充滿混合氣體的高壓腔體內(nèi)的場(chǎng)強(qiáng)最大值為2.28×107v/m，小于混合氣體的最大擊穿場(chǎng)強(qiáng)3.2×107v/m。因此，產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(guò)對(duì)高壓繼電器內(nèi)部的結(jié)構(gòu)的介紹，通過(guò)對(duì)SF6/N2的混合氣體絕緣強(qiáng)度的研究，采用理論計(jì)算及仿真計(jì)算達(dá)到其設(shè)計(jì)要求。并且通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，證明其設(shè)計(jì)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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收稿日期：2015-05-03

Doi:10.3969/j.issn.1000-6133.2015.03.002

中圖分類(lèi)號(hào)：TN784

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-6133(2015)03-0005-04