新型电子灭弧技术在机械开关中的应用

（文章来源：电气新科技）

近年来随着能源领域持续发展创新，承担电流接通和分断任务的开关成为基础性关键元器件。实际应用中，不论是在电力机车、船舶、航空等传统领域，还是在光伏、电动汽车、储能等新能源领域，绝大多数场合仍然采用机械开关。

机械开关分断电流时产生电弧，受电弧影响，机械开关的触点会溶蚀甚至粘连，触点间的绝缘耐压水平急剧下降而接触阻抗急剧上升，导致机械开关的性能、寿命、可靠性等都存在技术性缺陷。因此，对电弧的控制成为机械开关领域亟待攻克的重大关键技术难点。

随着电力电子技术的不断发展，采用功率半导体器件的电子开关也开始在部分领域应用，但受过载能力、发热量、击穿风险等诸多客观因素制约，电子开关的应用也遇到了瓶颈。

机械开关分断过程中，当触点间电压场强达到一定强度，通常在触点间距很小时只需要十几伏特的电压，就能使触点材料发生电子发射并电离触点间的介质而形成电弧，电弧在触点间产生数千至数万摄氏度的高温，高温使触点间形成热发射和热游离并维持电弧持续放电。如图1所示，电弧一旦形成，主要靠热能维持，电弧之间仅需要很低的维持电压，一般阴极区只需十几伏特，阳极区只需零至十几伏特，弧柱区每厘米仅需几伏特的电压。

根据电弧形成的物理特性，传统机械开关通常采用控制弧隙介质游离程度和去游离程度、控制弧隙温度以及增加弧隙间电压的方法进行灭弧。

采用特定的弧隙介质，例如真空或特定气体，能控制弧隙介质游离程度和去游离程度；增加弧隙距离，如追加灭弧栅或增加触点数量，能增大弧隙电压并改善散热；改变弧柱路径，如采用特定弧柱管道、气吹、油吹、磁吹等，可降低弧温及离子浓度；提高分断速度、增大触点间开距等也能增加电弧发生的难度。

但传统的机械、物理灭弧方法，不仅对机械式开关的结构设计有严格的技术要求，在应用上也存在断弧时间长（毫秒级）、电气寿命短（数次至数千次）、体积大、性价比低的缺点。利用谐振制造电流零点的电子灭弧方法不仅对机械式开关本身有严格的要求，更需要根据机械式开关的实际应用工况来调配谐振参数，应用的普适性受到限制；另外，谐振建立的过程需要耗费长达数个毫秒的时间，导致电弧持续时间比较长，谐振采用的感容元件也导致其体积大、质量重、价格高。

根据机械开关产生的电弧特性，近年来出现了新型的电子灭弧技术，这些电子灭弧技术独立于机械开关本身，可与现有的机械开关配合使用。

基于这些电子灭弧技术的器件或与机械开关并联或与负载并联，与机械开关并联式电子灭弧器件采用功率半导体器件，在机械开关分断过程中分流机械开关上的电流并将机械开关两端的电压限定在数伏特的较低水平，从而阻止了产生电弧必须的强电场发射和热电子发射建立的条件；与负载并联式电子灭弧器件采用储能型电子器件，在机械开关分断过程中适时瞬间提供高能量电压脉冲，以大幅度降低机械开关两端的电场强度，从而加速电弧的去游离过程而阻止电弧的持续燃烧。

AST内含有功率器件Triac和监控驱动模块，监控驱动模块能够识别机械开关SW的分断动作并在分断开始时驱动晶闸管器件Triac导通，机械开关SW分断完毕后晶闸管器件Triac在电流零点时自动截止。

AST技术对负载特性不敏感，可广泛应用在阻性负载、容性负载和感性负载中。AST技术中采用的晶闸管导通时间被限定在半个周期内，由于其过载能力强，即使采用较小额定电流的晶闸管也具有极强的电流灭弧能力。采用AST技术的灭弧器件，其工作电压受晶闸管的额定工作电压限制，因此其适合工作在数千伏特以下的电路中。

专利“CN 106783297 B”描述了一种直流灭弧技术及其实现，称为ASD。与AST技术原理类似，ASD内含有全控型功率器件和监视驱动模块，图4是其中的一种实现。监视驱动模块识别到机械开关SW的分断动作后在分断开始时驱动IGBT导通，机械开关SW分断完毕后监视驱动模块适时关断IGBT。

ASD技术工作的最大电压和最大电流会受内部全控型功率器件规格的限制，其对电流的分断速度快，应用在感性负载的工况时需要在负载端并联电压钳位元件限制反向过压。基于AAE技术的二端器件（后称AAE器件）并联在负载两端，机械开关SW断开时，AAE器件无静态电流消耗且不影响机械式开关SW的绝缘性和耐压特性；机械开关SW闭合后，AAE器件的静态消耗电流低至0～10A内。

AAE器件内采用晶闸管SCR为放电电子开关元件，通常AAE器件放电时间短至数十至数百个微秒之间，由于晶闸管SCR短时过载力极强，因此很容易达到数千安培电流的灭弧能力。AAE器件内部充放电环路相互独立，通过内部元件的串联提升AAE器件的耐压等级变得非常简单。

AAE器件的监控驱动模块在识别到电弧后，可根据需要设定释放高能脉冲的时机。选择在电弧建立初期即强电场发射的电子碰撞游离期释放高能脉冲时能够将电弧控制在起弧阶段，但是，此时释放的高能脉冲需要有足够的幅度和宽度，足够幅度能阻止机械开关SW的触点之间场电子持续发射，足够宽度能保证有足够的时间实现弧隙间去游离过程以恢复已受到破坏的弧隙间介质强度。为满足对脉冲幅度和宽度的要求，需要储能电容有足够的容量。

在工程实践中，由于受储能电容（或线路本身）分布电感和内阻、机械开关SW分断速度等的影响，在高电压大电流时单纯依靠提升电容容量难以确保灭弧的可靠性。
（责任编辑：fqj）