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高壓大電流電路的配電所麵臨的挑戰

發布時間：2020-06-30 責任編輯：lina

【導讀】天線、雷達、測距儀、衛星、車輛、艦船、其他航空和國防應用，以及270 VDC飛機電源係統裏麵都有高壓/大da電dian流liu電dian路lu，這zhe給gei電dian源yuan管guan理li帶dai來lai了le獨du特te的de挑tiao戰zhan。因yin此ci，如ru何he設she計ji出chu能neng夠gou在zai較jiao小xiao的de空kong間jian內nei更geng有you效xiao地di處chu理li高gao功gong率lv的de解jie決jue方fang案an可ke謂wei至zhi關guan重zhong要yao。電dian動dong汽qi車che、充電站、電池係統以及太陽能和風能應用的配電也是這種情況。

天線、雷達、測距儀、衛星、車輛、艦船、其他航空和國防應用，以及270 VDC飛機電源係統裏麵都有高壓/大da電dian流liu電dian路lu，這zhe給gei電dian源yuan管guan理li帶dai來lai了le獨du特te的de挑tiao戰zhan。因yin此ci，如ru何he設she計ji出chu能neng夠gou在zai較jiao小xiao的de空kong間jian內nei更geng有you效xiao地di處chu理li高gao功gong率lv的de解jie決jue方fang案an可ke謂wei至zhi關guan重zhong要yao。電dian動dong汽qi車che、充電站、電池係統以及太陽能和風能應用的配電也是這種情況。

本文說明了高級繼電器和接觸器如何應對嚴苛的配電需求，因此可以簡化設計人員的工作；此外，本文還介紹了一種工具，方便對各種接觸器和繼電器功能做出選擇。

配電技術有著各種各樣的類型。許多露天開關設計隻能承受幾百伏的電壓。但是，小型、輕巧、密封的設備若采用具有良好介電性能的氣體或真空，則其開關電壓可以高達70千伏（kV）。

就接觸器而言，觸點尺寸和壓力增加，再加上采用特殊合金材料，那麼可以實現高達1000安的大電流管理。將內置霍爾效應電流傳感器集成於接觸器，還可以將這些設備變成“智能”電流感應版本。

高壓大電流電路的配電所麵臨的挑戰

高壓（1,000 VDC）KILOVAC K1K接觸器的額定連續電流為1000安

什麼時候考慮真空開關

常(chang)規(gui)開(kai)關(guan)會(hui)產(chan)生(sheng)電(dian)弧(hu)，因(yin)此(ci)幾(ji)乎(hu)不(bu)可(ke)能(neng)斷(duan)開(kai)千(qian)伏(fu)電(dian)路(lu)。當(dang)電(dian)壓(ya)較(jiao)高(gao)時(shi)，填(tian)充(chong)於(yu)開(kai)路(lu)觸(chu)點(dian)之(zhi)間(jian)的(de)空(kong)氣(qi)會(hui)迅(xun)速(su)電(dian)離(li)成(cheng)為(wei)導(dao)電(dian)路(lu)徑(jing)。因(yin)此(ci)，盡(jin)管(guan)觸(chu)點(dian)斷(duan)開(kai)，但(dan)電(dian)離(li)氣(qi)體(ti)仍(reng)可(ke)維(wei)持(chi)電(dian)路(lu)——這個問題在通用繼電器中並不普遍。

真空如何最大程度地減少飛弧問題

youyigejiejuefangankeyijiejuefeihuwenti，nabianshiquchujiechuquyudekedianliqiti。yinci，gaoyakaiguanjingxinshejidemudejiushiweilezaizhenkongzhongzhengchanggongzuo。julilaishuo，zai10–6毫米汞柱的真空中，介電強度可達2000伏/密耳。

真zhen空kong電dian介jie質zhi還hai為wei高gao壓ya觸chu點dian提ti供gong了le一yi個ge惰duo性xing的de環huan境jing。真zhen空kong實shi際ji上shang消xiao除chu了le氧yang化hua和he腐fu蝕shi的de可ke能neng性xing。當dang真zhen空kong中zhong出chu現xian電dian弧hu時shi，不bu會hui發fa生sheng空kong氣qi或huo電dian介jie質zhi氣qi體ti的de分fen解jie，因yin此ci也ye就jiu不bu會hui產chan生sheng腐fu蝕shi性xing的de副fu產chan品pin。

射頻應用

良好的絕緣性能和較低而穩定的接觸電阻，是能夠在射頻（RF）開關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用中都應注意電流和電壓的限製。“趨膚效應”jianghuichanshengyingxiang，yejiushishuosuizhepinlvdezengjia，dianliujiangcongdaotidezhongxinxiangbiaomianqianyi。pinlvyuegaozedaodianlujingdequfushenduyuexiao，poshigengduodedianliutongguogengxiaodedaotijiemian。zhehuidaozhidaotibiaomianjubushoureshengwen，ergaowenyoukenengsunhuaijidianqidemifengxing。

高壓大電流電路的配電所麵臨的挑戰

KILOVAC K81A高壓繼電器能夠耐受290°C（554°F）的高溫長達500小時

當繼電器用作絕緣體時，開路觸點之間和/或觸點與地麵之間將會存在射頻電壓。在所有的實際應用中，繼電器都有一個1-2皮法的高壓電容。流經該電容的泄漏電流會加熱絕緣體的損耗元件，進而限製可以應用的射頻電壓。

電流和電壓的限製使得射頻應用有必要降低電流和電壓規格，同時其工作頻率也要控製在32MHz以下。選擇特定的繼電器時，這些限製因素均應予以考慮。

什麼時候考慮絕緣開關

並非所有的高壓繼電器/接(jie)觸(chu)器(qi)都(dou)是(shi)真(zhen)空(kong)型(xing)的(de)。擁(yong)有(you)良(liang)好(hao)介(jie)電(dian)性(xing)能(neng)的(de)惰(duo)性(xing)氣(qi)體(ti)也(ye)可(ke)用(yong)於(yu)高(gao)壓(ya)組(zu)件(jian)和(he)係(xi)統(tong)。這(zhe)種(zhong)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)十(shi)分(fen)靈(ling)活(huo)，因(yin)為(wei)我(wo)們(men)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)改(gai)變(bian)氣(qi)體(ti)的(de)混(hun)合(he)比(bi)例(li)和(he)/或壓力來控製受壓外殼中的擊穿電壓。氣體加壓滅弧是它的另一個優點，因為通常在數微秒時間內就可以完成滅弧。

充氣式開關設備可用於高壓電源開關，其功能是關閉常開觸點。這種方案有一個優點：氣體的混合比例和壓力可以事先設定，以便在觸點接觸之前就產生電弧。此外，如果電路電壓高於3500伏fu，那na麼me即ji使shi因yin觸chu點dian彈dan跳tiao而er使shi電dian路lu斷duan開kai，電dian弧hu也ye仍reng然ran保bao持chi穩wen定ding，足zu以yi維wei持chi電dian流liu。如ru電dian容rong性xing放fang電dian電dian路lu所suo示shi，這zhe種zhong現xian象xiang有you助zhu於yu延yan長chang充chong氣qi繼ji電dian器qi的de使shi用yong壽shou命ming。

高壓大電流電路的配電所麵臨的挑戰

KILOVAC K41高壓真空介電繼電器可用於通斷負載開關

常規繼電器的接觸電阻不斷發生著變化，而真空繼電器的接觸電阻保持恒定且數值較低，在整個使用壽命期間其典型值為0.015歐ou姆mu。阻zu值zhi之zhi所suo以yi這zhe麼me低di，是shi因yin為wei真zhen空kong繼ji電dian器qi統tong一yi使shi用yong清qing潔jie部bu件jian，沒mei有you氧yang化hua或huo汙wu染ran，而er且qie接jie觸chu部bu位wei使shi用yong的de是shi純chun金jin屬shu。由you於yu觸chu點dian采cai用yong真zhen空kong密mi封feng，因yin此ci可ke在zai易yi爆bao或huo腐fu蝕shi性xing環huan境jing中zhong實shi現xian安an全quan的de開kai關guan操cao作zuo。

充(chong)氣(qi)式(shi)繼(ji)電(dian)器(qi)的(de)接(jie)觸(chu)電(dian)阻(zu)一(yi)般(ban)也(ye)比(bi)較(jiao)低(di)，但(dan)不(bu)像(xiang)真(zhen)空(kong)繼(ji)電(dian)器(qi)的(de)接(jie)觸(chu)電(dian)阻(zu)那(na)麼(me)低(di)和(he)那(na)麼(me)穩(wen)定(ding)。此(ci)外(wai)，其(qi)接(jie)觸(chu)電(dian)阻(zu)還(hai)會(hui)隨(sui)著(zhe)測(ce)試(shi)方(fang)法(fa)的(de)不(bu)同(tong)而(er)發(fa)生(sheng)變(bian)化(hua)。大(da)容(rong)量(liang)、大電流的測試電路測得的阻值會比較低。觸點鍍金可以提高充氣式繼電器的穩定性，並降低其接觸電阻。

電源開關的通斷和中繼負載因素

術語“電源開關”和“熱開關”shizhitongguojihuojidianqilaiduankaihuojietongdianyuan。duijidianqijinxingkaiguancaozuoshi，chudianzaibihedeshunjianhesuihoudedantiaoguochengzhongdouhuichanshengdianhu。dianhuhuiyinqichudianfushi，ruobucaiquyidingdeyufangcuoshi，zedianhuyoukenengdaozhichudianrongjie，zhishaohuidaozhixiangdangchengdudechudiansunhuai。yinci，dianhudechixushijianyijidianliuhedianyadeshuipingdoushijuedingjidianqishouminghekekaoxingdezhongyaoyinsu。

gaodianyadianyuankaiguanjidianqidechudiantongchangshiyongwuhuomuzhicheng，yinweizhexiejinshuyingdudaqierongdiangao，keyinaishoudianhudegaowenzuoyong。youxiehaoanjidianliudegaoyajidianqishiyongtongzhichudian，dantamentongchangzhiyongyu“中繼”應用。

選擇適當的繼電器時，電路負載的類型是一個重要的考慮因素。電路負載一般分為電容性負載、電感性負載和電阻性負載。

電阻性負載——直zhi流liu電dian阻zu性xing負fu載zai斷duan開kai時shi，觸chu點dian會hui在zai分fen離li的de瞬shun間jian產chan生sheng電dian弧hu，直zhi到dao觸chu點dian徹che底di分fen離li為wei止zhi。在zai一yi定ding的de電dian壓ya和he電dian流liu條tiao件jian下xia，電dian弧hu的de持chi續xu時shi間jian取qu決jue於yu觸chu點dian的de分fen離li速su度du、冷leng卻que速su度du以yi及ji電dian感gan和he分fen布bu電dian容rong的de消xiao電dian離li作zuo用yong。在zai相xiang同tong電dian壓ya下xia，交jiao流liu負fu載zai比bi直zhi流liu負fu載zai更geng容rong易yi斷duan開kai，因yin為wei交jiao流liu電dian流liu每mei半ban個ge周zhou期qi就jiu會hui自zi行xing斷duan開kai一yi次ci。極ji性xing轉zhuan換huan可ke防fang止zhi金jin屬shu一yi直zhi朝chao著zhe同tong一yi個ge方fang向xiang移yi動dong，這zhe種zhong情qing況kuang通tong常chang會hui導dao致zhi直zhi流liu負fu載zai較jiao早zao發fa生sheng觸chu點dian故gu障zhang。

電感性負載——斷開直流電感性負載比斷開電阻性負載更難。電感中的存儲能量（[1/2]LI2，其中L代表電感，單位亨利；I代表電流，單位安培）可以產生一個保持電流不變的電壓（–L[di/dt]）。電dian感gan的de能neng量liang耗hao盡jin，電dian流liu才cai會hui消xiao失shi。如ru果guo不bu采cai用yong快kuai速su斷duan路lu觸chu點dian或huo其qi他ta方fang式shi來lai斷duan開kai電dian感gan性xing負fu載zai，那na麼me電dian弧hu的de持chi續xu時shi間jian將jiang直zhi接jie取qu決jue於yu負fu載zai的de時shi間jian常chang數shu（L/R，其中R代表電阻，單位歐姆）。交jiao流liu電dian感gan性xing負fu載zai不bu會hui出chu現xian這zhe個ge問wen題ti，因yin為wei每mei半ban個ge周zhou期qi結jie束shu時shi會hui發fa生sheng極ji性xing反fan轉zhuan，迫po使shi電dian流liu過guo零ling。同tong時shi，電dian流liu與yu電dian壓ya存cun在zai相xiang位wei差cha，並bing且qie在zai電dian流liu的de後hou半ban個ge周zhou期qi，供gong電dian電dian壓ya反fan向xiang於yu自zi感gan電dian壓ya。

電容性負載——bihezhiliudianluzhongdechudianweidianrongchongfangdian，jianghuichanshengdalangyongdianliu。qiduiyuchudiandeyingxiangqujueyuchushifengzhidianliudefuzhihedianludeshijianchangshu。leisiqingkuangzaijiaoliudianluzhongzebuchangjian。yaoxiangdedaozuijiadexiaoguo，jidianqibixuzhiyufuzaidejiediduan；否則，觸點與殼體之間會出現大電流電弧，繞過負載。電源是對浪湧電流的唯一限製。

在(zai)實(shi)際(ji)應(ying)用(yong)中(zhong)通(tong)常(chang)同(tong)時(shi)存(cun)在(zai)這(zhe)三(san)種(zhong)負(fu)載(zai)，但(dan)是(shi)，具(ju)有(you)大(da)電(dian)容(rong)性(xing)負(fu)載(zai)或(huo)大(da)電(dian)感(gan)性(xing)負(fu)載(zai)的(de)電(dian)路(lu)由(you)於(yu)儲(chu)有(you)能(neng)量(liang)，因(yin)此(ci)比(bi)較(jiao)難(nan)以(yi)進(jin)行(xing)開(kai)關(guan)操(cao)作(zuo)。更(geng)為(wei)複(fu)雜(za)的(de)是(shi)，某(mou)些(xie)電(dian)路(lu)存(cun)在(zai)大(da)浪(lang)湧(yong)電(dian)流(liu)。在(zai)這(zhe)種(zhong)情(qing)況(kuang)下(xia)，如(ru)果(guo)觸(chu)點(dian)試(shi)圖(tu)在(zai)彈(dan)跳(tiao)期(qi)間(jian)斷(duan)開(kai)極(ji)高(gao)的(de)電(dian)流(liu)，那(na)麼(me)就(jiu)會(hui)出(chu)現(xian)強(qiang)電(dian)弧(hu)致(zhi)使(shi)觸(chu)點(dian)金(jin)屬(shu)熔(rong)化(hua)，最(zui)終(zhong)導(dao)致(zhi)觸(chu)點(dian)熔(rong)結(jie)。正(zheng)弦(xian)交(jiao)流(liu)電(dian)會(hui)使(shi)情(qing)況(kuang)變(bian)得(de)更(geng)糟(zao)，因(yin)為(wei)交(jiao)流(liu)電(dian)的(de)峰(feng)值(zhi)電(dian)壓(ya)和(he)電(dian)流(liu)分(fen)別(bie)比(bi)相(xiang)同(tong)負(fu)載(zai)電(dian)壓(ya)下(xia)的(de)等(deng)效(xiao)直(zhi)流(liu)電(dian)大(da)41%。

拓展思路以應對新的挑戰

如今，許多應用需要在更小的空間內更有效地利用更高的功率。例如，與傳統的115/200V係統相比，270V直流係統可靠性更高、維護更方便、重量更輕且使用壽命更長。這種發展也要求對電源管理技術進行更為細致的選擇。

設計者應當充分考慮電路條件，以及繼電器的電氣、機械和環境因素。此外，設計者還應權衡繼電器的各種工作特性，並清楚繼電器術語是一種具有特殊含義的專業語言。

評估與高電壓/大電流電路相關的電源管理產品是一個複雜的課題，本文探討的開關技術的其他方麵也莫不如此。為簡化設計人員的工作，TE提供了一個“虛擬開發人員工具包”，其中涵蓋了高壓接觸器、高壓繼電器、電線電纜和連接器。通過該工具包的便捷在線菜單，我們可以快速訪問產品功能和優勢、圖紙、3D PDF和規格。該工具為設計人員提供了寶貴的見解，幫助他們精心選擇開關技術來應對如今嚴苛的配電需求。

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