一种高压直流继电器的结构及耐高压的设计

彭长江

(中国电子科技集团公司第四十研究所，安徽蚌埠，233010)

一种高压直流继电器的结构及耐高压的设计

彭长江

(中国电子科技集团公司第四十研究所，安徽蚌埠，233010)

本文主要介绍50KV高压继电器的结构设计。该结构通过陶瓷壳体内部的转换组件来实现高压通道的切换，陶瓷壳体内部充入SF6的混合气体来实现触点电的耐高压。通过对混合气体的耐电压的理论计算及仿真计算来验证设计的合理性及可行性，确保产品的电性能指标符合要求。

高压继电器;混合气体;理论计算;仿真验证

1 引言

高压直流继电器属于设备中的高压控制器件。高压直流继电器与普通继电器的最大区别在于，超高压直流继电器采用了独特的密封技术，将高压直流继电器的接触点密封在腔体中，与外界空气隔离，以获得更高的耐压，在触点切换时不采用带载切换，主要用于需要对高压通道的备份装置与机构中。它具有体积小，重量轻、耐电压高等特点。根据高压直流继电器使用要求的不同，密封空间中采用的介质较多采用真空介质及高压惰性气体介质;腔体密封形式有玻璃烧结密封、陶瓷烧结密封等。

2 技术要求

该类高压直流继电器的工作电压一般从5kVd.c.到70kVd.c.不等。根据其工作电压的不同，继电器的体积的大小与继电器内部所采用的密封方式与充入气体也不尽相同，本文主要介绍一种工作电压为50kVd.c.高压继电器。其主要性能电指标为:

触点形式:SPDT;

工作电压:50kVd.c.;

最大连续电流:10A;

接触电阻:1.0Ω;

工作温度:－55℃～+85℃;

外型尺寸:φ50.4mm×72mm。

3 结构设计

高压直流继电器的结构示意图见图1。主要由高压腔体、衔铁机构、电磁驱动等部分组成。

图1 高压直流继电器结构示意图

主要工作原理为:当电磁驱动部分未加激励电压时，线圈内无电流流过，对应的电磁驱动部分不会产生磁通，转动机构中的衔铁在弹簧的反力作用下，处于初始状态，高压腔体中电极C与电极NC经接触片连接，形成回路;当电磁驱动部分加上激励电压时，线圈内有电流流过，电磁驱动部分产生磁通，转动机构中的衔铁克服弹簧的反力作用，衔铁吸合，此时接触片随之发生转动，与电极NC分离，转向电极NO，最终与NO电极连接。高压直流继电器最关键部分，是完成高电压转换的接触部分，被密封在高压腔体内。

由于受继电器外形尺寸的约束，陶瓷罩的尺寸受到一定的限制，电极与簧片之间的间距较小，其内部尺寸见图2所示。

图2 间距尺寸

由图可知，簧片与电极之间的间距在两种状态分别为2.61mm与2.64mm。在理论计算时采用2.6mm的近似值进行计算。

4 耐高压设计

为了达到的继电器的耐电压性能，陶瓷罩内部通过真空或充入惰性气体的混合气体来实现耐电压。由于在真空条件下，在电场达到一定的强度时，会产生对人体有害的射线。因此，在耐电压方案中选用充入惰性气体来实现耐高电压的性能。

在标准状态下，常用气体电介质的临界场强及相对介电常数如表1所示:

表1 常用气体介质临界场强及相对介电常数

由表1可知，SF6气体的在标准状态下，临界场强约为空气的3倍。SF6气体或混合气体的绝缘特性高压电器中绝缘件的设计和绝缘距离的确定是以绝缘件表面、内部，电极表面，或气体间隙的许用场强为依据的。理想的SF6气体临界击穿场强88.5kV/mm·MPa，而空气临界击穿场强为29.4kV/ mm·MPa。由此推论，在均匀电场下，SF6气体的击穿场强大约是空气的3倍。但生产实际中，SF6绝缘结构主要使用的是稍不均匀场，击穿场强总是低于这一数值，当间隙内最大场强达到某一击穿场强Eb时，间隙即被击穿。影响击穿电压的因素较多，如气体压力、电压形式和极性、间隙长度、电场不均匀程度、电极表面粗糙度、电极材料和电极面积等，与间隙中的最大场强密切有关。因此，在计算时应该给予一定的余量。

在均匀电场中，气体击穿通常符合巴申定律，即温度不变时，均匀电场中气体的击穿电压是气体压力和电极间距离乘积 的函数。图3所示为SF6气体的巴申曲线。由图可知，在一定的范围内，SF6的巴申曲线近似为线性关系。

图3 SF6气体的巴申曲线

该高压继电器的环境使用温度是 －55℃～85℃，SF6气体液化温度，在一个大气压下(即0.1MPa)，液化温度为－62℃;在1.2MPa压力下，液化温度为0℃。为了满足使用条件，常使用SF6混合气体来降低液化温度。纯SF6与混合气体的液化温度如图4所示。

若以纯SF6气体的耐电强度为基准(为1.0)，N2气体和SF6气体以不同的体积比例混合的气体的相对耐电强度如图5所示。由图5可见，当N2气体的体积含量≤40%时，混合气体的相对耐电强度降低很少;即使N2气体的体积含量达80%，其耐电强度还能达到纯N2或空气耐电强度的2倍。

图4 SF6与混合气体的液化温度

图5 SF6、N2混合气体的相对耐电强度

因为混合气体的灭弧能力要弱于纯SF6气体，故在高压腔体中使用SF6－N2混合气体时，SF6的含量不能太低。SF6混合气体的击穿电压符合下公式:

V1为SF6气体的耐电压强度;

k为混合气体的SF6的比例。

通过对混合气体的液化温度、耐高压强度等因素的综合考虑。在该项目中，选用SF6:N2=60%:40%的比例进行混合，该比例混合气体的临界击穿场强约为:0.60.18×88.5kV/mm·MPa=80 kV/mm·Mpa。

已知电极间的间距为2.6mm，充入0.4Mpa的混合气体。通过计算可以得到:

80×2.6×0.4=83.2kV＞55 kV(常温条件下时的介质耐电压)。

由于该项目中混合气体密封在陶瓷腔体内，如果不考虑气体泄漏的话，气体的密度可以近似为恒定不变的。混合气体的击穿场强与温度的关系如图6所示。

图6 混合气体的击穿场强与温度的关系

由图可知，气体的密度不变时，气体的击穿强度时恒定的不受温度的影响。因此，在不同的温度气体的耐高压强度都是符合设计要求的。

5 有限元仿真

在通过有限元软件进行陶瓷罩内部的电场场强的仿真时，通过对模型简化。同时，为了达到混合气体充入密封腔体的使用条件，设定求解区域为充满气体的区域。可以得到内部的电场的分布如图7所示。

图7 内部电场分布示意图

由图中结果可知，充满混合气体的高压腔体内的场强最大值为2.28×107v/m，小于混合气体的最大击穿场强3.2×107v/m。因此，产品的结构设计及气体的耐电压理论上符合产品要求。

6 结论

本文通过对高压继电器内部的结构的介绍，通过对SF6/N2的混合气体绝缘强度的研究，采用理论计算及仿真计算达到其设计要求。并且通过试验验证，证明其设计结构及充入气体的比例及压力的合理性，达到其主要的电性能指标。

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10.3969/j.issn.1000－6133.2015.03.002

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2015－05－03

研究与设计