高壓電路里對繼電器觸頭的保護

一、前言

緩沖回路通常用來保護低壓電路里的繼電器觸頭的，在高壓電路里對繼電器觸頭的保護就困難多了。

切斷低壓回路相當(dāng)簡單。然而，當(dāng)回路電壓升高，切斷電路就并不那么容易了。常規(guī)的開關(guān)和繼電器由于會產(chǎn)生電弧，所以幾乎不可能切斷一個千伏級的電路。因為電壓很高，觸頭之間的空氣被電離而擊穿導(dǎo)電。因此，即使觸頭是分離的，電離的氣體也會使得回路導(dǎo)通。

解決電弧方法之一就是把觸頭區(qū)域的電離空氣除掉。這也就意味著高壓開關(guān)工作在真空狀態(tài)會有很好的效果。舉例來說，10-6毫米汞柱的真空下，觸點氣隙每毫米的絕緣強度高達2000伏。

真空絕緣為高壓觸點提供了穩(wěn)定的切換環(huán)境，減少了氧化和腐蝕性，當(dāng)真空管中出現(xiàn)電弧時，沒有因空氣或絕緣氣體被分離而產(chǎn)生腐蝕性的副產(chǎn)品，而且在切斷觸點時會產(chǎn)生“吸除”作用。因為真空是不純凈的，它還存在一些雜質(zhì)。在產(chǎn)生電弧的短時間內(nèi)，一些雜質(zhì)就從真空中分離出來，附著在真空管表面，從而提高了真空的純凈度。

電極之間在絕對真空時會發(fā)生擊穿現(xiàn)象。產(chǎn)生電弧的電子來源于觸點本身的材料。產(chǎn)生電弧的溫度點取決于觸點材料的功函數(shù)。考慮到功函數(shù)的問題，觸點材料經(jīng)常使用鎢和鉬。

功函數(shù)是指一定的觸點氣隙之間所能承受的最大絕緣靜電場。注意在熱環(huán)境的切換中，當(dāng)接觸氣隙縮小至零的過程中，電弧就會被拉出，靜電場強度增加。因此，當(dāng)觸點逐步的閉合時，某些點的靜電場會非常的高，足以擊穿余隙。

真空中的電弧，除非強度非常大，一般都會自動熄滅。之所以能夠熄滅，是因為電弧本身是蒸發(fā)的金屬高壓區(qū)，但它周圍確是極度低壓區(qū)。因為高低壓之間沒有物理上的分界線，壓強會趨于相等，電弧的強度就會減弱，最終迅速熄滅。盡管時間很短，電弧也會引起觸頭的腐蝕。然而，這通常不會影響到觸點電阻，因為所轉(zhuǎn)移的是純金屬。

二、惰性氣體電介質(zhì)

并非所有的高壓繼電器都是真空型的。惰性氣體電介質(zhì)也用于高壓元件和系統(tǒng)中。通過改變氣體混合的比例和(或者)氣壓就可控制受壓外殼中的擊穿電壓，因而使用靈活。氣體加壓滅弧是它的另一個優(yōu)點，因為通常在幾微秒的時間內(nèi)就可以完成滅弧。 充氣式繼電器用于高壓功率開關(guān)，其功能是關(guān)閉常開觸點。原因之一是氣體混合物和氣壓可以事先設(shè)定，在關(guān)閉觸點之前電弧放電。此外，如果電路電壓高于3500伏，即使由于觸點抖動使得電路切斷，電弧是仍然穩(wěn)定，足以維持電流。這有助于延長充氣繼電器的使用壽命，有關(guān)這一點可在電容性放電電路里得到印證。

當(dāng)切斷電路時電離作用是有害的。實際上，它延長了電弧并增強了觸點的腐蝕。試驗表明：真空繼電器更適用于功率切斷，因為它能抑制電弧(滅弧)。滅弧減小了腐蝕并延長了觸點壽命。

傳統(tǒng)繼電器的接觸電阻是隨使用次數(shù)而變化的，但真空繼電器的接觸電阻是恒定的且阻值低，在整個使用壽命期間其典型值為0.015歐姆。這是因為使用標(biāo)準(zhǔn)的清潔部件，無氧化或污染，在觸點部位使用純金屬。由于觸點是密封在真空管內(nèi)的，在易爆或腐蝕性的環(huán)境中可實現(xiàn)安全通斷操作。

充氣式繼電器的接觸電阻一般也很低，但要比真空繼電器的電阻要高，穩(wěn)定性也差。隨著測試方法的不同接觸阻值也不同。在大容量和大電流的測試電路里測得的阻值較低。觸頭鍍金會提高充氣式繼電器的穩(wěn)定性、降低接觸電阻。

三、射頻應(yīng)用場合

好的絕緣質(zhì)量和低且穩(wěn)定的接觸電阻是在射頻轉(zhuǎn)換中應(yīng)用高壓真空繼電器的兩個重要因素，然而任何繼電器在射頻應(yīng)用中都必須注意電流和電壓的限制。由于“集膚效應(yīng)”的影響，也就是說隨著頻率的增加，電流將由導(dǎo)體的中心向表面移動，即隨著頻率的增加，傳導(dǎo)的導(dǎo)體表面的有效厚度卻在減小，這樣會使更多的電流通過更小的截面。因而會導(dǎo)致導(dǎo)體的局部表面受熱升溫。高溫會影響繼電器的密封性。

當(dāng)繼電器用作絕緣體時，將會在繼電器的常開觸點兩端和(或)是在觸點與地端之間存在射頻電壓。在所有的實際應(yīng)用中，繼電器存在一個高電壓電容，其范圍是在1PF到2PF之間。流經(jīng)該電容的漏電流致使絕緣體的損耗部分發(fā)熱，進而限制了加在其上的射頻電壓。

電流和電壓的限制使得在射頻應(yīng)用有必要降低電流和電壓的指標(biāo)，同時其工作頻率也要限制在32 MHz以下。在選用某一個專用繼電器時，這些限制因素是必須要考慮的。

四、電力開關(guān)應(yīng)用

術(shù)語“電力開關(guān)”和“熱開關(guān)”指的是利用繼電器來斷開電源或是接通電源。當(dāng)繼電器當(dāng)作電力開關(guān)使用時，在觸點開始閉合瞬間以及之后的觸點抖動中都產(chǎn)生電弧。電弧會使觸點腐蝕，若不采取一定的預(yù)防措施，可能會導(dǎo)致觸點熔結(jié)，輕則也會引起相當(dāng)嚴(yán)重的觸點損傷。因此，電弧的持續(xù)時間以及電流電壓的等級都是決定繼電器壽命和可靠性的決定因素。

高電壓電力開關(guān)繼電器觸點通常是由鎢或鉬制成，因為這些金屬硬度大且熔點高，可以耐受電弧高溫作用。一些毫安級的高壓繼電器使用銅制觸點，它們通常只作為“中繼”來用。

在選擇合適的繼電器時，電路負載的類型是一個很重要的因素，電路通常分為電容性、電感性和電阻性負載。

電阻性負載——對于直流電阻性負載而言，當(dāng)開關(guān)斷開時，會在觸點分開的瞬間產(chǎn)生電弧，并且將持續(xù)到觸點徹底分開為止。在一定電壓和電流下，電弧的持續(xù)時間取決于觸點斷開的速度，同樣也與觸點的冷卻速度和通過自感及分布電容的消電離作用有關(guān)。在相同電壓下，交流負載比直流負載更容易斷開，因為交流在每半個周期會自行斷開一次，極性轉(zhuǎn)換會防止金屬一直朝同一個方向轉(zhuǎn)移;而對于直流負載而言，則會較早導(dǎo)致觸點故障。

電感性負載 – 直流電感性負載的斷開比電阻性負載更不容易。因為在電感中存儲的能量 (1/2 LI2)能感應(yīng)出阻止電流變化的電動勢((-L [di/dt]))，直到電感中所存儲的能量耗盡才消失。如果不采用專用快速斷路觸點或其他方式來切斷電感性負載的話，電弧的持續(xù)時間將直接取決于負載的時間常數(shù) (L/R)。然而，交流感性負載并不會出現(xiàn)這種問題，因為每半周期結(jié)束時會發(fā)生極性翻轉(zhuǎn)迫使電流過零。同時，電流與電壓存在相位差，并且供電電壓在電流后半周期反相于自感電動勢。

電容性負載 – 直流電路中為電容充放電而閉合觸點將會產(chǎn)生大浪涌電流。對于觸點的影響取決于初始峰值電流幅值及電路的時間常數(shù)。類似情況在交流電路中是不常見的。要得到最佳效果，繼電器應(yīng)置于負載的接地端;否則，在觸點與殼體間會出現(xiàn)大電流電弧，旁路負載。電源是對浪涌電流的唯一限制。

在實際應(yīng)用中，通常這三種成分都會存在，但是具有大電容或大電感負載的電路由于其儲能作用，所以更難實現(xiàn)電路通斷。比這種情況更糟的是，某些電路存在大浪涌電流。在大浪涌電流的情況下，觸點試圖在觸點抖動期間斷開極高的電流，結(jié)果會出現(xiàn)強電弧致使觸點金屬熔化，最終導(dǎo)致觸點的熔結(jié)。正弦交流電會使得這種情況變得更糟，因為對于相同交流負載電壓電流峰值分別比同等直流情形高41%。

五、結(jié)語

高壓繼電器也可用于其它場合，例如可考慮用于航空航天配電系統(tǒng)。研究表明 270V直流系統(tǒng)與傳統(tǒng)的115/200V、400赫茲交流系統(tǒng)相比 ，其可靠性更高，維護更方便，重量更輕，壽命更長。

目前，傳統(tǒng)的28V 或115/200 V開關(guān)轉(zhuǎn)換設(shè)備需要大的改進才能可靠地實現(xiàn)270V直流負載的通斷。然而這些改進又會使其變的又大又笨。對于專用場合，這顯然是不實際的。在不增加尺寸和重量的情況下，使用真空作為絕緣介質(zhì)來實現(xiàn)270V直流負載具有卓越的性能且其可靠性也得到提高。

高壓繼電器的選擇并非像低壓繼電器那樣簡單。想要選擇合適的繼電器，設(shè)計者應(yīng)當(dāng)考慮電路情況以及繼電器的電氣、機械和環(huán)境因素。設(shè)計者還應(yīng)能綜合考慮繼電器各種工作特性并清楚繼電器術(shù)語是一種具有特殊含義的專業(yè)語言。