直流固态继电器(直流控直流固态继电器电路图)

DC继电器

DC继电器是DC配电、管理和控制系统的关键部件之一，具有分断、电源切换和故障保护功能。根据电路负载特性，DC继电器主要包括微功率继电器(可控容量DC PC <5w)、低功率继电器(可控容量DC PC <50w)、中功率继电器(可控容量DC PC <150w)、大功率继电器(可控容量DC PC > 150w)和高压继电器(几千伏至数万伏)。一方面，随着新型飞机(如多电和全电飞机)和航天器(如空间站)供电能力的提高和供电系统的改革，DC供电系统的功率有了很大的提高。比如多电全电飞机的供电电压提高到了270V，国际空间站采用了270V的供电，电流水平提高到了几千安培。另一方面，近年来，混合动力汽车、光伏发电和风力发电等新能源产业的快速发展，也促进了DC开关技术的研发。比如新能源汽车的高压电路电压已经达到450V，这无疑对能在电池组管理、风电变桨、光伏并网系统中执行控制、功率切换和故障保护功能的重要用电设备—— DC大功率继电器DC开关电器提出了新的要求。目前，中小型电力继电器正逐渐被固态继电器和电力电子元件取代，但高压继电器和大功率继电器由于其转换深度高、物理隔离好、性价比高等优点，在目前和短期内仍是大功率、高电压、大电流领域不可替代的。综上所述，高性能(更高的电压等级、更大的开断电流)、高可靠性、长寿命、小尺寸已成为DC大功率继电器开关电器的迫切发展要求，DC大功率继电器将在未来电磁继电器领域占据重要份额。

在DC继电器断开操作期间，触点之间形成电弧。由于DC系统和交流系统之间没有自然的过零点，必须采取一定的技术手段来强制灭弧。随着分断电压和电流水平的提高，在DC大功率继电器等开关电器中，快速可靠地灭弧变得极为困难。因此，在制约大功率DC继电器发展的过程中，对DC电弧特性和电弧侵蚀的研究成为亟待解决的关键问题。本文主要以DC大功率继电器开关电器为研究对象，重点研究了高压充气继电器、高压DC大功率电磁继电器、密封DC接触器等热点继电器开关电器的相关研究。

DC大功率继电器需要在有限的体积和重量范围内切换高压(200伏以上)和大电流(100 ~ 1 500安)DC电力负荷。因此，需要有高的触头分断速度和强的DC灭弧能力。大功率DC继电器的典型结构如图1所示。DC大功率继电器一般采用密封充气结构，灭弧室内充有非燃烧惰性气体(如1 ~ 10个大气压的氮气和氢气)(1atm=101 325Pa)进行灭弧和绝缘。直动式电磁驱动机构可提供更高的分断速度，桥式双断口接触系统可提高电弧电压，灭弧室外置或内置永磁体可为磁吹弧提供磁场(磁场强度为10 ~ 10~100mT)。

密封充气式直流大功率继电器具有以下优势[5]： ①尺寸小，质量轻，分断能力强；②结构紧凑密封，几乎不受外界环境影响，且无电弧泄露及火灾隐患； ③密封的灭弧室结构及惰性介质可以有效避免触头出现氧化等问题，降低侵蚀，接触电阻较低且相对稳定。因此，直流大功率继电器在电动汽车、风电、光伏、航空、航天、武器装备等领域取得广泛应用。

对直流电弧特性及电弧导致的电接触材料侵蚀的研究是众多电器工作者所关心的内容之一。直流继电器的可靠性和触头电寿命与电弧问题息息相关，尤其是密封充气式结构的直流大功率继电器灭弧室尺寸小、结构紧凑难以通过栅片、产气材料等措施提高分断能力，在一定压力的灭弧介质中完成高电压、大电流电弧的分断过程，电弧特性、电弧侵蚀等问题均具有一定的特殊性。直流电弧的调控技术难度大、要求高，牵涉到在非平衡态电弧放电等离子体[7]作用下材料从固态到液态、气态的快速转变过程，包含电磁学、等离子体物理、传热学、流体力学及冶金学等大量基础科学问题。开展直流分断电弧特性及电弧侵蚀数学模型的研究对提高直流继电器电寿命及其定量评估预测技术，保障其可靠运行进而对系统的安全稳定都具有重要意义。本文从理论分析和试验测试两个方面综述了该问题的国内外研究进展。