直流接触器灭弧时间试验分析 时间：2014-05-28 14:36 来源：低压电器杂志 编辑：魏志娟 摘 要：直流接触器分断直流电流时，不像交流电流那样存在过零点，直流电弧熄灭比交流电弧熄灭困难。直流电弧可以利用永磁体磁吹灭弧方式进行有效灭弧。分别对两台直流接触器进行灭弧时间检测试验，测试不同电流下灭弧时间，不同时间常数下灭弧时间，分析灭弧时间与电流及时间常数的关系，得出灭弧时间与电流及时间常数的变化规律;为直流接触器有效灭弧提供相应的实验依据和参照。
关键词：直流接触器;电弧;灭弧时间;时间常数 The test analysis of the DC contactor quenching time CHEN Weigang (Beijing People’s Electric Plant Co. , Ltd. , Beijing 102600, China) Abstract: The DC contactor generates electric arc when breaking the DC circuit. The DC circuit doesn’t have the zero-crossing point, so it is more difficult to quench the electric arc than the AC contactor. The magnetic quenching of the permanent magnet is an effective way to the DC electric arc quenching. Two different DC contactors were tested to check the quenching time. The quenching time was tested within different circuit and time constant. The tested result was analyzed to find the relations between the quenching time and the circuit, and the relations between the quenching time and time constant. The regulation of the quenching time with the circuit and time constant was obtained. The tested results provide some experiment basis and consult to the effective quenching of the DC contactor.
Keyword: DC contactor; electric arc; quenching time; time constant 0 引言 近年来，随着科技的进步，作为解决高电压、大容量、长距离送电和异步联网重要手段的直流输电技术正越来越受到广泛的应用[1]。相比交流输电，直流输电有较好的经济效益和优越的运行特性[2]。为了增加直流输电的灵活性、多样性，人们希望采用多端直流输电系统[3]。直流电流的开断不像交流电流那样可以利用交流电流的过零点，直流接触器的主要问题就是没有可直接熄灭电弧的电流零点。因此，直流开断最重要的问题，是要采取有效措施让开断直流电流必须创造过零点[4-5]。
直流接触器的种类很多，具体结构也有所差异，但动作原理基本相同[6]，直流接触器是一种适用于远距离频繁地接通和分断额定工作电压为1 200V 及以下的直流主电路及大容量控制电路的电器。直流接触器触点在直流大电流下切换时，会产生电弧，电弧引起的触点腐蚀降低了接触器的工作寿命，使直流接触器的电寿命远远低于其机械寿命[7]。所以使电弧尽快熄灭，可以有效的保护触头不被烧毁，提高直流接触器电气寿命。
1 直流接触器灭弧方式 直流接触器常见的灭弧方式有拉长电弧、强冷电弧等方式，强冷电弧有串励线圈磁吹灭弧、并励线圈磁吹灭弧、永磁体磁吹灭弧、窄缝灭弧、栅片灭弧等形式[8-9]。灭弧室结构也是基于上述灭弧方式的一种或者两种及以上的结合设计的[10]。 直流电弧之所以能采用永磁体磁吹灭弧，是因为直流电弧运动方向是一定的，所以在恒定磁场中，电弧受到力的方向恒定，可以利用电磁力把电弧吹向外侧，实现快速灭弧。直流接触器灭弧方式见图1。
图1 永磁体磁吹灭弧 由图1可以看出，电弧方向I与磁场强度B方向垂直，根据左手定则，电弧受到电磁力F作用，触头两侧电弧分别受到向外的作用力F，电磁力使电弧迅速向外吹出，达到快速熄灭电弧的效果。
2 直流接触器试品 采用两台约定发热电流不同和触头开距不同的直流接触器进行试验研究，试品参数见表1。 表1 试品参数
产品型号 线圈电压V 触头结构 主触头约定发热电流Ith A 开距mm 超程mm 灭弧方式
A DC220 2NO 120 5.9 2.8 永磁体
磁吹 B DC220 2NO 160 6.9 3.2
两台直流接触器从触头闭合状态到触头打开状态测试用时时间分别为，试品A用时17ms，试品B用时20ms。所以试品A的触头分断平均速度为，VA=(开距+超程)/分断时间=(5.9+2.8)/17=0.512mm/ms;试品B的平均分断速度，VB=(6.9+3.2)/20=0.505mm/ms;所以触头分断速度按v=0.5mm/ms计算。
3 不同时间常数下灭弧时间 3.1 试品A灭弧时间 通以600A相同电流，不同时间常数下，直流接触器试品A的灭弧时间示波图见下图，时间常数L/R=0.5ms时灭弧时间示波图见图2，时间常数L/R=2.5ms时灭弧时间示波图见图3。
图2 试品A灭弧时间(时间常数L/R=0.5ms)示波图 由图2可以看出，当时间常数L/R=0.5ms时，在电流5Ie(600A)时，试品A的灭弧时间是2.6ms。由电弧电流下降曲线可以看出，时间常数L/R=0.5ms时，电流下降分3个阶段，即：骤降、缓降、均匀下降三阶段。骤降使电弧能量迅速降低，有利于电弧快速熄灭。 图3 试品A灭弧时间(时间常数L/R=2.5ms)示波图 由图3可以看出，当时间常数L/R=2.5ms时，在3.75Ie(600A)时，试品A的灭弧时间是4ms。由电弧电流下降曲线可以看出，时间常数L/R=2.5ms时，电流便不会发生骤降情况，只有缓降区和匀速下降区两个阶段，缓慢下降，使电弧能量降低缓慢，延长了电弧熄灭的时间。
试品A说明在相同电流下，时间常数越大，灭弧时间越长。 试品A在不同时间常数及不同电流下的灭弧时间对比见图4。其中电流取值为0.04Ie--5Ie，时间常数L/R=0.5ms时，灭弧时间为1.6ms-3.0ms;时间常数L/R=2.5ms时，灭弧时间为2.5ms-4.2ms。在1Ie电流下，时间常数L/R=0.5ms时，灭弧时间为2ms，时间常数L/R=2.5ms时，灭弧时间为3.5ms。所以当时间常数增大时，灭弧时间相应增大。原因是随着时间常数增大，电流电弧下降没有了骤降阶段，电流电弧下降速度变缓，不利于电弧能量的降低，导致冷却速度减小。
时间：2014-05-28 14:36 来源：低压电器杂志 编辑：魏志娟 图4 试品A在不同时间常数及电流下的灭弧时间 3.2 试品B灭弧时间 通以480A相同电流，不同时间常数下，直流接触器试品B的灭弧时间示波图见下图，时间常数L/R=0.5ms时灭弧时间示波图见图5，时间常数L/R=2.5ms时灭弧时间示波图见图6。 图5 试品B灭弧时间(时间常数L/R=0.5ms)示波图 由图5可以看出，当时间常数L/R=0.5ms时，在3Ie(480A)时，试品B的灭弧时间是2ms。与试品A相同，电流电弧下降分为骤降、缓降和匀速下降三个阶段。
图6 试品B灭弧时间(时间常数L/R=2.5ms)示波图 由图6可以看出，当时间常数L/R=2.5ms时，试品B的灭弧时间是3.6ms。与试品A相同，电流电弧下降没有了骤降区，只剩缓降区和匀速下降区两个个阶段。
试品B同样说明在相同电流下，时间常数越大，灭弧时间越长。 试品B在不同时间常数及不同电流下的灭弧时间对比见图7。其中电流取值为0.03Ie--3.75Ie，时间常数L/R=0.5ms时，灭弧时间为1.6ms-2.3ms;时间常数L/R=2.5ms时，灭弧时间为2.5ms-3.6ms。在1Ie电流下，时间常数L/R=0.5ms时，灭弧时间为2.1ms，时间常数L/R=2.5ms时，灭弧时间为3.0ms。所以当时间常数增大时，灭弧时间同样相应增大，原因与试品A相同。
时间：2014-05-28 14:36 来源：低压电器杂志 编辑：魏志娟 图7 试品B在不同时间常数及电流下的灭弧时间 4 相同时间常数下试品A、B对比 在相同时间常数L/R=0.5ms时，试品A和试品B在不同电流下的灭弧时间见图8。
图8 试品A、B在相同时间常数下的灭弧时间 由图8可以看出，试品A和试品B在时间常数L/R=0.5ms时，灭弧时间相差不大，都在1.6--2.6ms之间。试品A(120A)的最大灭弧时间为电流值5Ie时，灭弧时间2.6ms，而动静触头完全打开时间为，5.9/0.5=11.8ms;试品B(160A)的最大灭弧时间为电流值0.5Ie时，灭弧时间2.3ms, 而动静触头完全打开时间为，6.9/0.5=13.8ms。 在电流值5Ie及以下时，灭弧时间远小于触头分断时间，即在触头完全打开前，电弧已经熄灭，所以试品A和试品B的电弧熄灭时间大致相同，虽然试品A触头开距小于试品B触头开距。
5 结论 永磁铁磁吹灭弧，在触头分断大、小电流时，均能可靠、快速灭弧，无灭弧困难的临界电流点;有效的灭弧措施，使灭弧时间远小于触头分断时间，即在触头完全打开前，电弧已经熄灭，所以触头开距大小对灭弧速度影响不大，但是，当时间常数增大时，电弧电流下降速度变慢，灭弧时间变长。
所以对直流接触器，应采取有效的灭弧方式，使电弧快速冷却，减小时间常数，使电弧快速熄灭。 【参 考 文 献】 [1] 华伟, 周文定. 现代电力电子器件及其应用[M]. 北京: 北方交通大学出版社, 2002. [2] 高银银, 陈民武, 方雨菡. 直流高速真空断路器灭弧方案的仿真研究[J]. 四川电力技术, 2013, 36(3): 72-75.
[3] 董恩源. 基于电子操动的快速直流断路器的研究[D]. 大连: 大连理工大学, 2004. [4] SHEA J J. Gassing arc chamber wall material effect on post current-zero recovery voltage break down[J]. IEEE Transaction on Components and Packaging Technologies, 2004, 27(1): 42-50.