高壓繼電器在各種場(chǎng)合的應(yīng)用

一、前言

　　緩沖回路通常用來(lái)保護(hù)低壓電路里的繼電器觸頭的，在高壓電路里對(duì)繼電器觸頭的保護(hù)就困難多了。

　　切斷低壓回路相當(dāng)簡(jiǎn)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(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(jí)的電路。因?yàn)殡妷汉芨?，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(huì)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(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(qiáng)度高達(dá)2000伏。

　　真空絕緣為高壓觸點(diǎn)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(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?yàn)檎婵帐遣患儍舻模€存在一些雜質(zhì)。在產(chǎn)生電弧的短時(shí)間內(nèi)，一些雜質(zhì)就從真空中分離出來(lái)，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(duì)真空時(shí)會(huì)發(fā)生擊穿現(xiàn)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(shù)?？紤]到功函數(shù)的問(wèn)題，觸點(diǎn)材料經(jīng)常使用鎢和鉬。

　　功函數(shù)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(dāng)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(qiáng)度增加。因此，當(dāng)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(qiáng)度非常大，一般都會(huì)自動(dòng)熄滅。之所以能夠熄滅，是因?yàn)殡娀”旧硎钦舭l(fā)的金屬高壓區(qū)，但它周圍確是極度低壓區(qū)。因?yàn)楦叩蛪褐g沒(méi)有物理上的分界線，壓強(qiáng)會(huì)趨于相等，電弧的強(qiáng)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?yàn)樗D(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(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?yàn)橥ǔＴ趲孜⒚氲臅r(shí)間內(nèi)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(shè)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(wěn)定，足以維持電流。這有助于延長(zhǎng)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(dāng)切斷電路時(shí)電離作用是有害的。實(shí)際上，它延長(zhǎng)了電弧并增強(qiáng)了觸點(diǎn)的腐蝕。試驗(yàn)表明：真空繼電器更適用于功率切斷，因?yàn)樗芤种齐娀。缁。?。滅弧減小了腐蝕并延長(zhǎng)了觸點(diǎn)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(gè)使用壽命期間其典型值為0.015歐姆。這是因?yàn)槭褂脴?biāo)準(zhǔn)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(nèi)的，在易爆或腐蝕性的環(huán)境中可實(shí)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(cè)試方法的不同接觸阻值也不同。在大容量和大電流的測(cè)試電路里測(cè)得的阻值較低。觸頭鍍金會(huì)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(chǎng)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(gè)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(shuō)隨著頻率的增加，電流將由導(dǎo)體的中心向表面移動(dòng)，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(huì)使更多的電流通過(guò)更小的截面。因而會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)體的局部表面受熱升溫。高溫會(huì)影響繼電器的密封性。

　　當(dāng)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(yīng)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(yīng)用有必要降低電流和電壓的指標(biāo)，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(yīng)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(dāng)繼電器當(dāng)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(yù)防措施，可能會(huì)導(dǎo)致觸點(diǎn)熔結(jié)，輕則也會(huì)引起相當(dāng)嚴(yán)重的觸點(diǎn)損傷。因此，電弧的持續(xù)時(shí)間以及電流電壓的等級(jí)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?yàn)檫@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(jí)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(fù)載的類型是一個(gè)很重要的因素，電路通常分為電容性、電感性和電阻性負(fù)載。

　　電阻性負(fù)載——對(duì)于直流電阻性負(fù)載而言，當(dāng)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(xù)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(xù)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(fù)載比直流負(fù)載更容易斷開(kāi)，因?yàn)榻涣髟诿堪雮€(gè)周期會(huì)自行斷開(kāi)一次，極性轉(zhuǎn)換會(huì)防止金屬一直朝同一個(gè)方向轉(zhuǎn)移；而對(duì)于直流負(fù)載而言，則會(huì)較早導(dǎo)致觸點(diǎn)故障。

　　電感性負(fù)載 – 直流電感性負(fù)載的斷開(kāi)比電阻性負(fù)載更不容易。因?yàn)樵陔姼兄写鎯?chǔ)的能量 （1/2 LI2）能感應(yīng)出阻止電流變化的電動(dòng)勢(shì)（（-L [di/dt]）），直到電感中所存儲(chǔ)的能量耗盡才消失。如果不采用專用快速斷路觸點(diǎn)或其他方式來(lái)切斷電感性負(fù)載的話，電弧的持續(xù)時(shí)間將直接取決于負(fù)載的時(shí)間常數(shù) （L/R）。然而，交流感性負(fù)載并不會(huì)出現(xiàn)這種問(wèn)題，因?yàn)槊堪胫芷诮Y(jié)束時(shí)會(huì)發(fā)生極性翻轉(zhuǎn)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(shì)。

　　電容性負(fù)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(duì)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(shù)。類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(yīng)置于負(fù)載的接地端；否則，在觸點(diǎn)與殼體間會(huì)出現(xiàn)大電流電弧，旁路負(fù)載。電源是對(duì)浪涌電流的唯一限制。

　　在實(shí)際應(yīng)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(fù)載的電路由于其儲(chǔ)能作用，所以更難實(shí)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(diǎn)試圖在觸點(diǎn)抖動(dòng)期間斷開(kāi)極高的電流，結(jié)果會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)電弧致使觸點(diǎn)金屬熔化，最終導(dǎo)致觸點(diǎn)的熔結(jié)。正弦交流電會(huì)使得這種情況變得更糟，因?yàn)閷?duì)于相同交流負(fù)載電壓電流峰值分別比同等直流情形高41%。

　　五、結(jié)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(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(hù)更方便，重量更輕，壽命更長(zhǎng)。

　　目前，傳統(tǒng)的28V 或115/200 V開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換設(shè)備需要大的改進(jìn)才能可靠地實(shí)現(xiàn)270V直流負(fù)載的通斷。然而這些改進(jìn)又會(huì)使其變的又大又笨。對(duì)于專用場(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(xiàn)270V直流負(fù)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(shè)計(jì)者應(yīng)當(dāng)考慮電路情況以及繼電器的電氣、機(jī)械和環(huán)境因素。設(shè)計(jì)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(yǔ)是一種具有特殊含義的專業(yè)語(yǔ)言。