陳天強(qiáng)，蔡 軍，張勇強(qiáng)，胡 盛，杜 坤

(四川華豐科技股份有限公司；四川綿陽(yáng)，621000；中國(guó)電器科學(xué)研究院股份有限公司；廣東廣州，510300)

1 引言

5G通訊技術(shù)的到來(lái)需要提供更大功率的用電保障及滿足海量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)要求，這會(huì)直接推動(dòng)基站電源極大的擴(kuò)容及未來(lái)數(shù)據(jù)中心超大云計(jì)算的高速發(fā)展。5G通訊集中部署致使數(shù)據(jù)機(jī)房空間的距離可進(jìn)一步增加，高壓直流供電(HVDC)直流拉遠(yuǎn)技術(shù)和分布式供電(DPS)優(yōu)勢(shì)呈現(xiàn)，高壓直流供電技術(shù)是集UPS交流供電技術(shù)和-48V直流供電技術(shù)為一體的一體化供電技術(shù)，具有UPS不可比擬的優(yōu)勢(shì)，能大幅提升系統(tǒng)的可靠性，同時(shí)具有高效率、低成本、擴(kuò)容便捷及可維護(hù)性等優(yōu)勢(shì)，目前高壓交/直流混用技術(shù)主要運(yùn)用在通訊信息技術(shù)(ITC)設(shè)備的服務(wù)器及路由器上，有望成為未來(lái)數(shù)據(jù)中心核心供電技術(shù)。同時(shí)電力電子解決方案在全球范圍內(nèi)的快速發(fā)展，需要結(jié)合通用的智能設(shè)備來(lái)應(yīng)對(duì)先前針對(duì)智能電網(wǎng)環(huán)境所描述的挑戰(zhàn)，固態(tài)變壓器是一種智能化的電能設(shè)備，可提供雙向功率流，是控制電路和常規(guī)高頻變壓器的結(jié)合體，提供無(wú)功功率補(bǔ)償、諧波抑制等多種功能，模塊化固態(tài)變壓器的運(yùn)用范圍非常廣，帶電插拔對(duì)電弧的控制運(yùn)用將成為常態(tài)運(yùn)用。

由于5G技術(shù)我國(guó)一直走在前列，國(guó)內(nèi)高壓交/直流技術(shù)應(yīng)用已進(jìn)入規(guī)模應(yīng)用階段，中國(guó)移動(dòng)主導(dǎo)的336V直流供電技術(shù)正逐步擴(kuò)大使用規(guī)模。高壓直流供電技術(shù)與歐洲標(biāo)準(zhǔn)電信設(shè)備端電源接口(《ETSIEN300132-3-1(2012.4)》和《ITU-TL.1200(2012.5)》)等標(biāo)準(zhǔn)定義電壓有一致性，具有國(guó)際先進(jìn)水平。該系統(tǒng)中國(guó)是走在世界的前列，也是最快實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)和實(shí)際使用的國(guó)家，帶電插拔的運(yùn)用我國(guó)也進(jìn)入了實(shí)際使用階段，最大功率在10000W左右，并還在不斷提高。目前，國(guó)外高壓直流技術(shù)應(yīng)用研究還處于試驗(yàn)階段，有少數(shù)商用解決方案，美國(guó)、日本等國(guó)家都有一些試驗(yàn)性應(yīng)用研究。歐美大部分通訊運(yùn)營(yíng)商采用300-400V直流電壓方案，日本NTT電信公司試用380V高壓直流供電系統(tǒng)，但應(yīng)用電流基本都偏小，基本在3000W功率范圍內(nèi)，沒有實(shí)現(xiàn)目大功率的帶電插拔運(yùn)用。

2 電弧

2.1 電弧的產(chǎn)生原理

兩個(gè)觸頭行將接觸或開始分離時(shí)，只要它們之間的電壓達(dá)12 ～20V、電流達(dá)0.25 ～ lA,觸頭間隙內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生高溫弧光，這就是電弧。

電弧分類

1〉按電流種類可分為：交流電弧、直流電弧和脈沖電弧。

2〉按電弧的狀態(tài)可分為：自由電弧和壓縮電弧(如等離子弧)。

3〉按電極材料可分為：熔化極電弧和不熔化極電弧。

當(dāng)用開關(guān)電器斷開電流時(shí)，如果電路電壓不低于10-20伏，電流不小于80～100mA，電器的觸頭間便會(huì)產(chǎn)生電弧。電弧的形成是觸頭間中性質(zhì)子(分子和原子)被游離的過(guò)程。開關(guān)觸頭分離時(shí)，觸頭間距離很小，電場(chǎng)強(qiáng)度E很高(E = U/d)。從陰極表面發(fā)射出來(lái)的自由電子和觸頭間原有的少數(shù)電子，在電場(chǎng)力的作用下向陽(yáng)極作加速運(yùn)動(dòng)，途中不斷地和中性質(zhì)點(diǎn)相碰撞。只要電子的運(yùn)動(dòng)速度v足夠高，電子的動(dòng)能A=1/2mv^2足夠大，就可能從中性質(zhì)子中打出電子，形成自由電子和正離子。這種現(xiàn)象稱為碰撞游離。觸頭間電弧燃燒的間隙稱為弧隙。電弧形成后，弧隙間的高溫使陰極表面的電子獲得足夠的能量而向外發(fā)射，形成熱電場(chǎng)發(fā)射。

圖1 電弧產(chǎn)生原理

同時(shí)在高溫的作用下(電弧中心部分維持的溫度可達(dá)10000℃以上)，氣體中性質(zhì)點(diǎn)的不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)速度增加。當(dāng)具有足夠動(dòng)能的中性質(zhì)點(diǎn)相互碰撞時(shí)，將被游離而形成電子和正離子，這種現(xiàn)象稱為熱游離。

2.2 電弧的特性和方程

2.2.1 電弧的電壓方程

電弧電壓包括近陰極區(qū)電壓降Uc、近陽(yáng)極區(qū)電壓降Ua和弧柱電壓降Up，即 UA= Uc+ Ua+ Up兩近極區(qū)壓降基本不變(見圖1)，故以Uo = Uc+ Ua表示，稱為近極區(qū)壓降；弧柱區(qū)內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度E又近乎恒值，約(1 ～5)×103V/m，在特殊介質(zhì)內(nèi)還可達(dá)(10～ 20)×103V/m，故電弧電壓計(jì)算如下：

UA= U0+ El

(1)

式中，l為弧柱區(qū)長(zhǎng)度，可近似地取它為整個(gè)電弧的長(zhǎng)度。

2.2.2 直流電弧的伏安特性

伏安特性為電弧的重要特性之一，它表示電弧電壓與電弧電流間的關(guān)系。當(dāng)外施電壓達(dá)到燃弧(擊穿)電壓Ub、電流亦達(dá)到燃弧電流Ib后，電弧便產(chǎn)生了，而且隨著電流的增大，電弧電壓反而降低(見圖2)。這是因?yàn)殡娏髟龃髸?huì)使弧柱內(nèi)熱電離擲劇、離子濃度加大，故維持穩(wěn)定燃弧所需電壓反而減小。

圖2 電弧的電壓及場(chǎng)強(qiáng)分布

2.2.3 交流電弧的伏安特性

交流電弧的伏安特性不同于直流的伏安特性，因?yàn)榻蛔冸娏骺偸请S著時(shí)間變化，所以伏安特性只能是動(dòng)態(tài)的。值得注意的，是交變電流每個(gè)周期有兩次自然通過(guò)零值，而電弧也通常在電流過(guò)零時(shí)自行熄滅。

圖3 直流電弧伏安特性

圖4 交流電弧伏安特性

2.2.4 電弧的能量平衡

電弧的功率為 PA= UAIA= U0lA+ E I lA 按UO和El在UA中所占比例，電弧有長(zhǎng)弧與短弧之分。若UO在UA中占主要地位，電弧就是短弧;反之，則是長(zhǎng)弧。短弧的能量損耗是轉(zhuǎn)化為熱能、并經(jīng)電極和與之連接的金屬件散往周圍介質(zhì)。長(zhǎng)弧的能量損耗可近似地認(rèn)為是轉(zhuǎn)化為熱能、并經(jīng)弧柱散往周圍介質(zhì)。就一般工業(yè)電器而論，弧柱的散熱具有重要意義?；≈歉邷氐入x子體。燃弧時(shí)的弧柱溫度通常為(4～20)×103K，熄弧時(shí)則僅有(3 ～4) )×103K?；≈鶞囟扰c電極材料、滅弧介質(zhì)種類和壓力以及其冷卻作用的強(qiáng)烈程度等有關(guān)。若以QA表示電弧能量、以Pd表示電弧散出的功率，電弧的動(dòng)態(tài)熱平衡方程便是：dQA/dt=PA-Pd。若dQA/dt>0，即PA >Pd，說(shuō)明電弧能量在增大，使燃弧更加熾烈；若dQA/dt<0，即PA

3 產(chǎn)品應(yīng)用情況

高壓直流供電相關(guān)設(shè)備上采用了模塊化帶電插拔結(jié)構(gòu)，需要高耐壓等級(jí)和滅弧技術(shù)以滿足安全用電，因而可較少電弧的高壓電源連接器成為必需，其應(yīng)用場(chǎng)景如下圖所示：

高壓交/直流該系統(tǒng)具備以下優(yōu)點(diǎn)：(1)可靠性大幅提升；(2)大大節(jié)約能耗；(3)輸入?yún)?shù)大大改善；(4)帶載能力大大提高；(5)割接改造更為方便；(6)帶電插拔更為方便等優(yōu)點(diǎn)。但是，與普通交流供電系統(tǒng)接口裝置的耐壓等級(jí)，滅弧等技術(shù)要求不一致，必須基本該功能：(1)插頭上應(yīng)有標(biāo)記標(biāo)明極性，插頭；(2)插頭插座具有鎖緊結(jié)構(gòu)。

圖5 供電路線圖

3.1 插頭、插座的滅弧功能

插頭、插座具有滅電弧功能，避免帶電插拔時(shí)電弧外泄產(chǎn)生危害。插頭插座直接具有鎖緊裝置，防止松動(dòng)脫落，帶電插拔。涉及的電弧特征為：圖6在接觸金屬件中加入400VDC,然后以75mm/s的速度拔出，圖7電弧會(huì)在開始后的60毫秒，放電形成向上的拱形，拉電弧的距離為20mm。

圖6 供電路線圖

圖7 拉弧參數(shù)

3.2 滅弧的結(jié)構(gòu)原理及其結(jié)構(gòu)

為了滿足金屬接觸件的結(jié)構(gòu)在插入和拔出的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來(lái)消除電弧的高壓電連接器，需要高壓電連接器應(yīng)用過(guò)程產(chǎn)生的電弧問(wèn)題，也就是適用連接器熱插拔要求。

3.2.1 滅弧原理

當(dāng)端子1與端子2插合及分離時(shí)，在端子1和端子2間電壓和距離達(dá)到一定條件時(shí)，端子1基體上的電子能量大于該電子溢出功時(shí)，電子脫離基體向端子2發(fā)射，從而產(chǎn)生電弧。當(dāng)加入固態(tài)磁體后，其產(chǎn)生的磁場(chǎng)6穿過(guò)端子1和端子2產(chǎn)生電弧的區(qū)域，磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)電荷受如圖8所示方向的洛倫茲力，當(dāng)運(yùn)動(dòng)的電子所受洛倫茲力達(dá)到一定值時(shí)，電子的運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生圖4所示的偏轉(zhuǎn)，從而使端子1和端子2之間的空氣不能完全電離，從而使電弧失去起燃條件或者產(chǎn)生的電弧在極短時(shí)間存在；保證了高壓電連接器的可靠性。

圖8 滅弧原理

3.2.2熄滅電弧最簡(jiǎn)單的方式是在其斷開前把電弧拉長(zhǎng)

磁鐵能夠強(qiáng)制電弧拉長(zhǎng)，圖9中磁鐵是安裝在簧片的下面，弧柱在磁場(chǎng)B中的垂直分量受洛倫茲力、感應(yīng)電流與尖端效應(yīng)的作用空氣壓力常常被用于把電弧吹離其原來(lái)位置并發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而把弧柱迅速拉長(zhǎng)，增大了弧柱與周圍介質(zhì)的接觸面積，提高了弧柱與介質(zhì)之間的傳導(dǎo)與對(duì)流散發(fā)功率，當(dāng)弧柱耗散功率大于輸出功率時(shí)，電弧就會(huì)趨于熄滅。

圖9 電弧拉長(zhǎng)示意

3.2.3 接觸對(duì)上額定工作接觸區(qū)與起弧區(qū)分離，保證燃弧區(qū)域只發(fā)生在起弧區(qū)，從而達(dá)到犧牲起弧區(qū)，保護(hù)額定工作接觸區(qū)的目的，實(shí)現(xiàn)接觸對(duì)在多次熱插拔后仍能有效可靠接觸；圖10內(nèi)表示連接器插拔時(shí)候的狀態(tài)：當(dāng)金屬件插針向右運(yùn)動(dòng)到接觸金屬件簧片的時(shí)候，首先接觸的是金屬件插針及金屬件簧片上的兩個(gè)凸點(diǎn)接觸，該接觸能馬上產(chǎn)生電弧，并且會(huì)對(duì)金屬件的凸點(diǎn)進(jìn)行燃燒，當(dāng)金屬件繼續(xù)向右運(yùn)動(dòng)的時(shí)候才接觸到真正滿足產(chǎn)品使用要求的接觸區(qū)內(nèi)進(jìn)行接觸，這時(shí)候的電弧會(huì)比剛開始接觸的時(shí)候電弧小很多，(電磁鐵已經(jīng)拉長(zhǎng)電弧的情況下)。該作用保護(hù)了工作接觸區(qū)的在250次插拔后任能滿足產(chǎn)品的使用要求。

圖10 接觸區(qū)與起弧區(qū)分離

3.2.4 導(dǎo)弧角是用來(lái)引導(dǎo)電弧很快離開觸頭且按一定方向運(yùn)動(dòng)，以保護(hù)觸頭接觸面免受電弧的燒傷并使已燃起的電弧快速冷卻、熄滅。

圖11中導(dǎo)弧角安裝在簧片的上面，既能增加簧片的彈性也能促使導(dǎo)弧角在磁場(chǎng)的作用下利用尖端放電效應(yīng)引導(dǎo)電弧偏轉(zhuǎn)，進(jìn)一步拉長(zhǎng)電弧，增加弧柱散熱面積，加速電弧熄滅，避免了電弧直接燒蝕接觸對(duì)，進(jìn)而在接觸對(duì)分離過(guò)程中不產(chǎn)生電弧或者產(chǎn)生的電弧在極短時(shí)間存在；也可以實(shí)現(xiàn)當(dāng)電源回路并排排列時(shí)，使電子分別向著互相遠(yuǎn)離的方向偏轉(zhuǎn)，從而保證塑料基座不會(huì)形成碳化回路。

圖11 導(dǎo)弧角的安裝及作用

3.2.5 鎢合金在金屬接觸件上作為耐電弧的材料。

由于鎢合金鍍層中含有重量比為40-95%的鎢元素，利用鎢元素的熔點(diǎn)3410℃及鎢元素低的蒸汽壓和穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，用來(lái)抵抗電弧的燒灼。通過(guò)電鍍的方式，利用金屬誘導(dǎo)共沉積原理，得到高鎢比例的、高熔點(diǎn)、低蒸汽壓的鎢鎳合金，就可以作為抗電弧的連接器接插件導(dǎo)入段鍍層。圖12是局部電鍍鎢鎳合金及銀薄膜的產(chǎn)品和鍍金接觸件產(chǎn)品，在實(shí)驗(yàn)室用450VDC電壓及16A電流負(fù)載做的對(duì)比測(cè)試，該測(cè)試采用了高速相機(jī)進(jìn)行拍攝，明顯看到產(chǎn)品在插入及拔出過(guò)程中，局部電鍍鎢鎳合金及銀薄膜的產(chǎn)品電弧的產(chǎn)生明顯低與常規(guī)鍍金，銀產(chǎn)品的電弧。在實(shí)際使用及運(yùn)用中有明顯的效果。

圖12 銅鎢或者鎳鎢合金

3.2.6 該連接器滿足IEC60320界面尺寸要求，同時(shí)滿足450V直流，25A電流要求(機(jī)械壽命250次)。爭(zhēng)取10KV電壓(機(jī)械壽命50次)

該結(jié)構(gòu)接觸對(duì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工藝性好，固體磁體體積很小，導(dǎo)弧角結(jié)構(gòu)無(wú)限制，可以滿足多種形式的高壓電連接器的需求；圖13中采用金屬件上雙凸點(diǎn)布置結(jié)構(gòu)結(jié)合磁吹與導(dǎo)弧角滅弧原理用來(lái)解決高壓電連接器接觸件插合與分離過(guò)程中產(chǎn)生的電弧問(wèn)題。外面配帶組合塑料件基座(塑料件基座及塑料件底座)，即滿足裝配的方便性又能達(dá)到合理的產(chǎn)品使用性能。

圖13 插頭插座示意圖

4 結(jié)束語(yǔ)

高壓直流系統(tǒng)在電路運(yùn)用上具有高效率、高可靠性、維護(hù)方便、體積小、重量輕等特點(diǎn)，還有比較完善電池管理功能，完善的絕緣監(jiān)測(cè)功能等較多的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)逐步被很多客戶進(jìn)行運(yùn)用和廣泛推廣。該系統(tǒng)的推廣及運(yùn)用將帶來(lái)相應(yīng)高壓直流連接器的廣泛運(yùn)用。目前，該結(jié)構(gòu)是按照IEC60320界面尺寸(C1C2---C23C24)進(jìn)行設(shè)計(jì)及使用,但隨著高壓直流系統(tǒng)的廣泛運(yùn)用，將涉及到印制板電路(PCB板)上電源供電電源、圓形及矩形各種類型電源連接器，運(yùn)用非常廣泛并且該結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，保證了高壓電連接器的可靠性，提高了高壓電連接器的使用壽命，避免了危險(xiǎn)事故的發(fā)生。