高壓繼電器在各種場(chǎng)合的應用

一、前言

　　緩沖回路通常用來(lái)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。

　　切斷低壓回路相當簡(jiǎn)單。然而，當回路電壓升高，切斷電路就并不那么容易了。常規的開(kāi)關(guān)和繼電器由于會(huì )產(chǎn)生電弧，所以幾乎不可能切斷一個(gè)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電。因此，即使觸頭是分離的，電離的氣體也會(huì )使得回路導通。

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

　　真空絕緣為高壓觸點(diǎn)提供了穩定的切換環(huán)境，減少了氧化和腐蝕性，當真空管中出現電弧時(shí)，沒(méi)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(diǎn)時(shí)會(huì )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(shí)間內，一些雜質(zhì)就從真空中分離出來(lái)，附著(zhù)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(shí)會(huì )發(fā)生擊穿現象。產(chǎn)生電弧的電子來(lái)源于觸點(diǎn)本身的材料。產(chǎn)生電弧的溫度點(diǎn)取決于觸點(diǎn)材料的功函數?？紤]到功函數的問(wèn)題，觸點(diǎn)材料經(jīng)常使用鎢和鉬。

　　功函數是指一定的觸點(diǎn)氣隙之間所能承受的最大絕緣靜電場(chǎng)。注意在熱環(huán)境的切換中，當接觸氣隙縮小至零的過(guò)程中，電弧就會(huì )被拉出，靜電場(chǎng)強度增加。因此，當觸點(diǎn)逐步的閉合時(shí)，某些點(diǎn)的靜電場(chǎng)會(huì )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(huì )自動(dòng)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，但它周?chē)_是極度低壓區。因為高低壓之間沒(méi)有物理上的分界線(xiàn)，壓強會(huì )趨于相等，電弧的強度就會(huì )減弱，最終迅速熄滅。盡管時(shí)間很短，電弧也會(huì )引起觸頭的腐蝕。然而，這通常不會(huì )影響到觸點(diǎn)電阻，因為所轉移的是純金屬。

　　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中。通過(guò)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(gè)優(yōu)點(diǎn)，因為通常在幾微秒的時(shí)間內就可以完成滅弧。 充氣式繼電器用于高壓功率開(kāi)關(guān)，其功能是關(guān)閉常開(kāi)觸點(diǎn)。原因之一是氣體混合物和氣壓可以事先設定，在關(guān)閉觸點(diǎn)之前電弧放電。此外，如果電路電壓高于3500伏，即使由于觸點(diǎn)抖動(dòng)使得電路切斷，電弧是仍然穩定，足以維持電流。這有助于延長(cháng)充氣繼電器的使用壽命，有關(guān)這一點(diǎn)可在電容性放電電路里得到印證。

　　當切斷電路時(shí)電離作用是有害的。實(shí)際上，它延長(cháng)了電弧并增強了觸點(diǎn)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?。缁。?。滅弧減小了腐蝕并延長(cháng)了觸點(diǎn)壽命。

　　傳統繼電器的接觸電阻是隨使用次數而變化的，但真空繼電器的接觸電阻是恒定的且阻值低，在整個(gè)使用壽命期間其典型值為0.015歐姆。這是因為使用標準的清潔部件，無(wú)氧化或污染，在觸點(diǎn)部位使用純金屬。由于觸點(diǎn)是密封在真空管內的，在易爆或腐蝕性的環(huán)境中可實(shí)現安全通斷操作。

　　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，穩定性也差。隨著(zhù)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(huì )提高充氣式繼電器的穩定性、降低接觸電阻。

　　三、射頻應用場(chǎng)合

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

　　當繼電器用作絕緣體時(shí)，將會(huì )在繼電器的常開(kāi)觸點(diǎn)兩端和（或）是在觸點(diǎn)與地端之間存在射頻電壓。在所有的實(shí)際應用中，繼電器存在一個(gè)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(jìn)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用有必要降低電流和電壓的指標，同時(shí)其工作頻率也要限制在32 MHz以下。在選用某一個(gè)專(zhuān)用繼電器時(shí)，這些限制因素是必須要考慮的。

　　四、電力開(kāi)關(guān)應用

　　術(shù)語(yǔ)“電力開(kāi)關(guān)”和“熱開(kāi)關(guān)”指的是利用繼電器來(lái)斷開(kāi)電源或是接通電源。當繼電器當作電力開(kāi)關(guān)使用時(shí)，在觸點(diǎn)開(kāi)始閉合瞬間以及之后的觸點(diǎn)抖動(dòng)中都產(chǎn)生電弧。電弧會(huì )使觸點(diǎn)腐蝕，若不采取一定的預防措施，可能會(huì )導致觸點(diǎn)熔結，輕則也會(huì )引起相當嚴重的觸點(diǎn)損傷。因此，電弧的持續時(shí)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(kāi)關(guān)繼電器觸點(diǎn)通常是由鎢或鉬制成，因為這些金屬硬度大且熔點(diǎn)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(diǎn)，它們通常只作為“中繼”來(lái)用。

　　在選擇合適的繼電器時(shí)，電路負載的類(lèi)型是一個(gè)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，當開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，會(huì )在觸點(diǎn)分開(kāi)的瞬間產(chǎn)生電弧，并且將持續到觸點(diǎn)徹底分開(kāi)為止。在一定電壓和電流下，電弧的持續時(shí)間取決于觸點(diǎn)斷開(kāi)的速度，同樣也與觸點(diǎn)的冷卻速度和通過(guò)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(kāi)，因為交流在每半個(gè)周期會(huì )自行斷開(kāi)一次，極性轉換會(huì )防止金屬一直朝同一個(gè)方向轉移；而對于直流負載而言，則會(huì )較早導致觸點(diǎn)故障。

　　電感性負載 – 直流電感性負載的斷開(kāi)比電阻性負載更不容易。因為在電感中存儲的能量 （1/2 LI2）能感應出阻止電流變化的電動(dòng)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(zhuān)用快速斷路觸點(diǎn)或其他方式來(lái)切斷電感性負載的話(huà)，電弧的持續時(shí)間將直接取決于負載的時(shí)間常數 （L/R）。然而，交流感性負載并不會(huì )出現這種問(wèn)題，因為每半周期結束時(shí)會(huì )發(fā)生極性翻轉迫使電流過(guò)零。同時(shí)，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(dòng)勢。

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

　　在實(shí)際應用中，通常這三種成分都會(huì )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(shí)現電路通斷。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(diǎn)試圖在觸點(diǎn)抖動(dòng)期間斷開(kāi)極高的電流，結果會(huì )出現強電弧致使觸點(diǎn)金屬熔化，最終導致觸點(diǎn)的熔結。正弦交流電會(huì )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、結語(yǔ)

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

　　目前，傳統的28V 或115/200 V開(kāi)關(guān)轉換設備需要大的改進(jìn)才能可靠地實(shí)現270V直流負載的通斷。然而這些改進(jìn)又會(huì )使其變的又大又笨。對于專(zhuān)用場(chǎng)合，這顯然是不實(shí)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(lái)實(shí)現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(jiǎn)單。想要選擇合適的繼電器，設計者應當考慮電路情況以及繼電器的電氣、機械和環(huán)境因素。設計者還應能綜合考慮繼電器各種工作特性并清楚繼電器術(shù)語(yǔ)是一種具有特殊含義的專(zhuān)業(yè)語(yǔ)言。