- 頭條北京航空航天大學科研人員發布直流自然換流式接觸器的研究成果2022-04-26 作者：賈博文、武建文 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語北京航空航天大學自動化科學與電氣工程學院的研究人員賈博文、武建文、夏尚文、羅曉武、岳云霞，在2021年第20期《電工技術學報》上撰文，基于一種直流自然換流式接觸器拓撲結構，采用承載額定電流的通流支路觸頭和實現電路開斷的滅弧支路觸頭相并聯的形式，解決航空、航天及新能源等領域向更高電壓等級發展的直流開斷需求。
直流供電系統因具有系統穩定性好、負載特性佳以及控制簡單等顯著特點，在航空、航天、城市軌道牽引、艦船電力系統及新能源等領域得到廣泛應用，而中低壓直流供電系統向更高電壓等級進一步發展亟需直流分斷關鍵技術的突破和耐環境、輕重量直流開關設備的研發。
近年來，在航空領域，額定電壓值為270V的高壓直流供電系統已開始為現代多電/全電飛機所使用。其中，我國第四代殲擊機，美軍的F-22、F-35戰斗機及RAH-66直升機等典型多電飛機都裝備了270V高壓直流供電系統。同時，我國中長期科技規劃三個重大專項之一的“大飛機”專項不僅包括“干線飛機”，還包括軍用和民用的大型運輸機，也將高壓直流供電制式列為發展方向。
相似地，在航天領域，空間太陽能發電站是目前國際上論證的最大功率的航天器，未來商業化電站的供電功率將達到GW級，采取高壓供電體制成為未來空間技術發展的一個重要方向。在城市軌道牽引、新能源汽車領域及新一代艦艇配電系統，直流系統的電壓等級有發展到數千伏及以上需求的趨勢，kV等級的中壓直流供電系統成為發展方向。可以預見，高壓大容量直流電源系統必將全面應用于未來的軍用和民用等前沿領域。
對于直流高電壓等級的保護問題，有學者提出了一種分布+集中式混合電力傳輸與管理方式的空間太陽能發電站結構，利用±2.5kV高壓直流開關設備可以解決太陽能電池板子陣母線5000V直流保護的難題。其中，大功率直流接觸器作為關鍵器件，起到了接通、承載和分斷正常電路（包括過載運行條件）的作用，其分斷特性是制約其所在系統性能的重要因素。
目前，美國Gigavac、TE Connectivity和法國Leach等專業電氣制造公司均已推出適用于航空航天及軍事領域的大功率高壓直流接觸器產品，其最高額定工作電壓達到了1800V，而國產化的相應產品由于理論基礎及技術積淀不足，在產品性能和可靠性指標上仍然具有一定的差距。
通過有關文獻研究，可以分析出通過多個開關設備的級聯能夠解決高電壓等級的直流開斷問題，但較高的額定通態損耗將一定程度限制電流等級的提升。另外，為了實現雙向導通關斷功能，傳統的混合式直流開關設備對功率半導體器件數量需求較多，且同步控制精度要求也較高。
因此，北京航空航天大學的研究人員在解決高壓大電流直流開斷需求的前提下，提出了一種直流自然換流式接觸器拓撲結構并設計了原理性樣機，使得承載額定電流時機械觸頭能夠維持較低的通態壓降。當分斷電路時，異步動作的觸頭實現電流的自然轉移，由具有高電壓開斷能力的滅弧觸頭完成電路的開斷。研究人員通過理論分析和相應的實驗來研究該并聯拓撲結構不同支路間電流的換流特性及燃弧特性。
圖1 接觸器樣機及其內部電流分布
圖2 實驗原理
他們得到以下幾點結論：
1）該并聯自然換流式直流開斷拓撲結構，實驗結果表明，通過通流支路和滅弧支路觸頭的異步動作，實現電流自然轉移，滅弧支路串聯多斷口完成了直流高電壓等級的電路開斷。
2）基于動態Mayr電弧修正模型建立滅弧支路串聯多斷口開斷過程的仿真模型，研究由串聯多斷口異步分斷引起的電壓分布不均勻。提出兩種提高各斷口電壓均勻性的調控方式，并采用一種歸一化的動態電壓均勻系數研究結構調控及磁場調控對于動態均壓的效果。
3）采用優化滅弧觸頭動作特性的結構調控均壓開斷方式，電壓均勻系數將從54.1%提升到80.1%。在結構調控的基礎上，針對滅弧觸頭動作的分散性進一步采取磁場調控方式將電壓均勻系數提升到98.05%，提高了串聯多斷口的開斷能力及電壽命。
本文編自2021年第20期《電工技術學報》，論文標題為“直流自然換流式接觸器設計與均壓開斷研究”，作者為賈博文、武建文 等。
