近年來隨著能源領(lǐng)域持續(xù)發(fā)展創(chuàng)新，承擔(dān)電流接通和分?jǐn)嗳蝿?wù)的開關(guān)成為基礎(chǔ)性關(guān)鍵元器件。實(shí)際應(yīng)用中，不論是在電力機(jī)車、船舶、航空等傳統(tǒng)領(lǐng)域，還是在光伏、電動汽車、儲能等新能源領(lǐng)域，絕大多數(shù)場合仍然采用機(jī)械開關(guān)。

機(jī)械開關(guān)分?jǐn)嚯娏鲿r(shí)產(chǎn)生電弧，受電弧影響，機(jī)械開關(guān)的觸點(diǎn)會溶蝕甚至粘連，觸點(diǎn)間的絕緣耐壓水平急劇下降而接觸阻抗急劇上升，導(dǎo)致機(jī)械開關(guān)的性能、壽命、可靠性等都存在技術(shù)性缺陷。因此，對電弧的控制成為機(jī)械開關(guān)領(lǐng)域亟待攻克的重大關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)。

隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，采用功率半導(dǎo)體器件的電子開關(guān)也開始在部分領(lǐng)域應(yīng)用，但受過載能力、發(fā)熱量、擊穿風(fēng)險(xiǎn)等諸多客觀因素制約，電子開關(guān)的應(yīng)用也遇到了瓶頸。

機(jī)械開關(guān)分?jǐn)噙^程中，當(dāng)觸點(diǎn)間電壓場強(qiáng)達(dá)到一定強(qiáng)度，通常在觸點(diǎn)間距很小時(shí)只需要十幾伏特的電壓，就能使觸點(diǎn)材料發(fā)生電子發(fā)射并電離觸點(diǎn)間的介質(zhì)而形成電弧，電弧在觸點(diǎn)間產(chǎn)生數(shù)千至數(shù)萬攝氏度的高溫，高溫使觸點(diǎn)間形成熱發(fā)射和熱游離并維持電弧持續(xù)放電。如圖1所示，電弧一旦形成，主要靠熱能維持，電弧之間僅需要很低的維持電壓，一般陰極區(qū)只需十幾伏特，陽極區(qū)只需零至十幾伏特，弧柱區(qū)每厘米僅需幾伏特的電壓。

圖1 電弧示意圖

根據(jù)電弧形成的物理特性，傳統(tǒng)機(jī)械開關(guān)通常采用控制弧隙介質(zhì)游離程度和去游離程度、控制弧隙溫度以及增加弧隙間電壓的方法進(jìn)行滅弧。

采用特定的弧隙介質(zhì)，例如真空或特定氣體，能控制弧隙介質(zhì)游離程度和去游離程度；增加弧隙距離，如追加滅弧柵或增加觸點(diǎn)數(shù)量，能增大弧隙電壓并改善散熱；改變弧柱路徑，如采用特定弧柱管道、氣吹、油吹、磁吹等，可降低弧溫及離子濃度；提高分?jǐn)嗨俣取⒃龃笥|點(diǎn)間開距等也能增加電弧發(fā)生的難度。

但傳統(tǒng)的機(jī)械、物理滅弧方法，不僅對機(jī)械式開關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有嚴(yán)格的技術(shù)要求，在應(yīng)用上也存在斷弧時(shí)間長（毫秒級）、電氣壽命短（數(shù)次至數(shù)千次）、體積大、性價(jià)比低的缺點(diǎn)。利用諧振制造電流零點(diǎn)的電子滅弧方法不僅對機(jī)械式開關(guān)本身有嚴(yán)格的要求，更需要根據(jù)機(jī)械式開關(guān)的實(shí)際應(yīng)用工況來調(diào)配諧振參數(shù)，應(yīng)用的普適性受到限制；另外，諧振建立的過程需要耗費(fèi)長達(dá)數(shù)個毫秒的時(shí)間，導(dǎo)致電弧持續(xù)時(shí)間比較長，諧振采用的感容元件也導(dǎo)致其體積大、質(zhì)量重、價(jià)格高。

根據(jù)機(jī)械開關(guān)產(chǎn)生的電弧特性，近年來出現(xiàn)了新型的電子滅弧技術(shù)，這些電子滅弧技術(shù)獨(dú)立于機(jī)械開關(guān)本身，可與現(xiàn)有的機(jī)械開關(guān)配合使用。

基于這些電子滅弧技術(shù)的器件或與機(jī)械開關(guān)并聯(lián)或與負(fù)載并聯(lián)，與機(jī)械開關(guān)并聯(lián)式電子滅弧器件采用功率半導(dǎo)體器件，在機(jī)械開關(guān)分?jǐn)噙^程中分流機(jī)械開關(guān)上的電流并將機(jī)械開關(guān)兩端的電壓限定在數(shù)伏特的較低水平，從而阻止了產(chǎn)生電弧必須的強(qiáng)電場發(fā)射和熱電子發(fā)射建立的條件；與負(fù)載并聯(lián)式電子滅弧器件采用儲能型電子器件，在機(jī)械開關(guān)分?jǐn)噙^程中適時(shí)瞬間提供高能量電壓脈沖，以大幅度降低機(jī)械開關(guān)兩端的電場強(qiáng)度，從而加速電弧的去游離過程而阻止電弧的持續(xù)燃燒。

以下介紹幾種電子滅弧技術(shù)及其實(shí)用效果。

1 AST技術(shù)

專利“CN 106847581 B”描述了一種交流滅弧技術(shù)及其實(shí)現(xiàn)，稱為AST，其原理如圖2所示。

圖2 AST技術(shù)原理圖

AST內(nèi)含有功率器件Triac和監(jiān)控驅(qū)動模塊，監(jiān)控驅(qū)動模塊能夠識別機(jī)械開關(guān)SW的分?jǐn)鄤幼鞑⒃诜謹(jǐn)嚅_始時(shí)驅(qū)動晶閘管器件Triac導(dǎo)通，機(jī)械開關(guān)SW分?jǐn)嗤戤吅缶чl管器件Triac在電流零點(diǎn)時(shí)自動截止。

圖3是利用AST技術(shù)后在機(jī)械開關(guān)SW分?jǐn)嗳菪载?fù)載過程中各部位的波形圖。

圖3中各序號代表的時(shí)刻分別為：①機(jī)械開關(guān)SW開始分?jǐn)?；②AST識別機(jī)械開關(guān)SW分?jǐn)嗪篁?qū)動晶閘管Triac導(dǎo)通； ③機(jī)械開關(guān)SW兩端電壓繼續(xù)保持約為0，電流變?yōu)?；④晶閘管Triac在電流過零時(shí)自動截止，機(jī)械開關(guān)SW兩端出現(xiàn)壓差。

圖3 AST技術(shù)在機(jī)械開關(guān)SW分?jǐn)噙^程中的測試波形

從圖3中可見，在機(jī)械開關(guān)SW分?jǐn)鄷r(shí)，機(jī)械開關(guān)SW上的電流瞬間降為零，分?jǐn)噙^程所在的半個周期內(nèi)其兩端的電壓持續(xù)維持在零附近，該半周期內(nèi)電流經(jīng)過晶閘管Triac流向負(fù)載。

AST技術(shù)對負(fù)載特性不敏感，可廣泛應(yīng)用在阻性負(fù)載、容性負(fù)載和感性負(fù)載中。AST技術(shù)中采用的晶閘管導(dǎo)通時(shí)間被限定在半個周期內(nèi)，由于其過載能力強(qiáng)，即使采用較小額定電流的晶閘管也具有極強(qiáng)的電流滅弧能力。采用AST技術(shù)的滅弧器件，其工作電壓受晶閘管的額定工作電壓限制，因此其適合工作在數(shù)千伏特以下的電路中。

2 ASD技術(shù)

專利“CN 106783297 B”描述了一種直流滅弧技術(shù)及其實(shí)現(xiàn)，稱為ASD。與AST技術(shù)原理類似，ASD內(nèi)含有全控型功率器件和監(jiān)視驅(qū)動模塊，圖4是其中的一種實(shí)現(xiàn)。

圖4 ASD技術(shù)原理圖

監(jiān)視驅(qū)動模塊識別到機(jī)械開關(guān)SW的分?jǐn)鄤幼骱笤诜謹(jǐn)嚅_始時(shí)驅(qū)動IGBT導(dǎo)通，機(jī)械開關(guān)SW分?jǐn)嗤戤吅蟊O(jiān)視驅(qū)動模塊適時(shí)關(guān)斷IGBT。

圖5是利用ASD技術(shù)后在機(jī)械開關(guān)SW分?jǐn)喔行载?fù)載過程中各部位的波形圖。圖5中各序號代表的時(shí)刻分別為：①機(jī)械開關(guān)SW分?jǐn)?；②機(jī)械開關(guān)SW兩端電流快速降低為0，IGBT上電流上升；③機(jī)械開關(guān)SW分?jǐn)嗪?，其兩端電壓保持?，電流持續(xù)由IGBT提供；④IGBT關(guān)斷，感性負(fù)載上出現(xiàn)負(fù)壓導(dǎo)致機(jī)械開關(guān)SW上出現(xiàn)過壓；⑤IGBT上的電流截止。

ASD技術(shù)工作的最大電壓和最大電流會受內(nèi)部全控型功率器件規(guī)格的限制，其對電流的分?jǐn)嗨俣瓤欤瑧?yīng)用在感性負(fù)載的工況時(shí)需要在負(fù)載端并聯(lián)電壓鉗位元件限制反向過壓。

圖5 ASD技術(shù)在機(jī)械開關(guān)SW分?jǐn)噙^程中的測試波形

3 AAE技術(shù)

專利“CN 108962647 A”描述了一種全新直流滅弧技術(shù)及其實(shí)現(xiàn)，稱為AAE。AAE技術(shù)是一種基于二端元件的技術(shù)。圖6是AAE技術(shù)實(shí)現(xiàn)的核心原理圖，AAE技術(shù)內(nèi)含儲能電容Cap，機(jī)械開關(guān)SW閉合時(shí)，儲能電容Cap充電；機(jī)械開關(guān)SW分?jǐn)噙^程中，監(jiān)視驅(qū)動模塊驅(qū)動晶閘管SCR導(dǎo)通，儲能電容Cap瞬間放電，放電形成的脈沖使得機(jī)械開關(guān)SW兩端的壓差遠(yuǎn)小于電弧的弧隙維持電壓而阻斷通過機(jī)械開關(guān)SW上的電流。

圖6 AAE技術(shù)原理圖

基于AAE技術(shù)的二端器件（后稱AAE器件）并聯(lián)在負(fù)載兩端，機(jī)械開關(guān)SW斷開時(shí)，AAE器件無靜態(tài)電流消耗且不影響機(jī)械式開關(guān)SW的絕緣性和耐壓特性；機(jī)械開關(guān)SW閉合后，AAE器件的靜態(tài)消耗電流低至0～10◆A內(nèi)。

AAE器件內(nèi)采用晶閘管SCR為放電電子開關(guān)元件，通常AAE器件放電時(shí)間短至數(shù)十至數(shù)百個微秒之間，由于晶閘管SCR短時(shí)過載力極強(qiáng)，因此很容易達(dá)到數(shù)千安培電流的滅弧能力。AAE器件內(nèi)部充放電環(huán)路相互獨(dú)立，通過內(nèi)部元件的串聯(lián)提升AAE器件的耐壓等級變得非常簡單。

AAE器件的監(jiān)控驅(qū)動模塊在識別到電弧后，可根據(jù)需要設(shè)定釋放高能脈沖的時(shí)機(jī)。選擇在電弧建立初期即強(qiáng)電場發(fā)射的電子碰撞游離期釋放高能脈沖時(shí)能夠?qū)㈦娀】刂圃谄鸹‰A段，但是，此時(shí)釋放的高能脈沖需要有足夠的幅度和寬度，足夠幅度能阻止機(jī)械開關(guān)SW的觸點(diǎn)之間場電子持續(xù)發(fā)射，足夠?qū)挾饶鼙ＷC有足夠的時(shí)間實(shí)現(xiàn)弧隙間去游離過程以恢復(fù)已受到破壞的弧隙間介質(zhì)強(qiáng)度。為滿足對脈沖幅度和寬度的要求，需要儲能電容有足夠的容量。

在工程實(shí)踐中，由于受儲能電容（或線路本身）分布電感和內(nèi)阻、機(jī)械開關(guān)SW分?jǐn)嗨俣鹊鹊挠绊?，在高電壓大電流時(shí)單純依靠提升電容容量難以確保滅弧的可靠性。

AAE技術(shù)提供了兩種解決方案：①AAE器件內(nèi)部采用倍壓技術(shù)提升儲能電容上的電壓使其高于工作電壓一定比例；②監(jiān)控驅(qū)動模塊在電弧起弧后延遲一定的時(shí)間，待弧隙電壓升高到一定程度后再釋放高能脈沖。

采用方案①后，滅弧時(shí)電弧間的電場被反向，電弧陰極區(qū)電子難以持續(xù)發(fā)射，電弧弧柱區(qū)游離的離子被加速去游離，弧隙介質(zhì)強(qiáng)度快速恢復(fù)；采用方案②后，釋放高能脈沖時(shí)，機(jī)械開關(guān)觸點(diǎn)間間距已增大到一定程度，弧隙電壓強(qiáng)度將超過工作電壓。方案①、②的實(shí)施，確保了滅弧的可靠性。

圖7是普通繼電器（型號Churd CHAR-112A150 400V AC T85）采用AAE技術(shù)后分?jǐn)嘧栊载?fù)載的波形圖，分?jǐn)嚯妷篋C 800V，分?jǐn)嚯娏?60A。

圖7中各序號代表的時(shí)刻分別為：①機(jī)械開關(guān)SW觸點(diǎn)開始分?jǐn)?，電弧產(chǎn)生，機(jī)械開關(guān)SW兩端開始出現(xiàn)壓差；②AAE器件識別到電弧后延遲約320◆s釋放高能脈沖，高能脈沖比額定電壓高10%；③AAE器件釋放高能脈沖時(shí)機(jī)械開關(guān)SW兩端電場降低到0以下；④機(jī)械開關(guān)SW上的電流被快速切斷；⑤AAE器件持續(xù)為負(fù)載提供短暫的電流，防止負(fù)載電流突變。

由圖7可見，采用AAE技術(shù)后，原本僅限定在交流中使用的普通繼電器具有了可分?jǐn)嚯妷篋C 800V、電流360A的能力，電弧的燃燒時(shí)間被穩(wěn)定地控制在400◆s以內(nèi)。

圖8是普通繼電器（型號Churd CHAR-112A150 400VAC T85）應(yīng)用AAE技術(shù)后進(jìn)行3000次分?jǐn)鄩勖囼?yàn)后的觸點(diǎn)損傷情況，分?jǐn)嚯妷篋C 800V、電流360A。

表1是圖8所示普通繼電器在應(yīng)用AAE技術(shù)后進(jìn)行壽命試驗(yàn)前后的部分電氣數(shù)據(jù)。

圖7 AAE技術(shù)在機(jī)械開關(guān)SW分?jǐn)噙^程中的測試波形

圖8 普通繼電器應(yīng)用AAE技術(shù)進(jìn)行壽命試驗(yàn)后觸點(diǎn)損傷情況

表1 普通繼電器采用AAE技術(shù)進(jìn)行壽命試驗(yàn)前后的電氣參數(shù)

測試條件：①常溫測試（約25℃PH40%）；②阻性負(fù)載；③繼電器驅(qū)動電壓DC 12V；④電源DC 800V接通后穩(wěn)定通1ms斷30s；⑤接觸阻抗采用電流電壓法；⑥絕緣阻抗采用電壓電流法。

測試表明，AAE技術(shù)大幅度地提高了機(jī)械開關(guān)額定可分?jǐn)喙ぷ麟妷汉头謹(jǐn)嚯娏鞯燃?，?shù)量級地增加了機(jī)械開關(guān)的電氣壽命，與傳統(tǒng)的滅弧方式相比具有明顯優(yōu)勢。AAE技術(shù)對電弧的運(yùn)動路徑不再需要進(jìn)行嚴(yán)苛的要求，采用AAE技術(shù)，不僅可以簡化機(jī)械式開關(guān)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，還可以方便地與已有的機(jī)械式開關(guān)配合使用。

AAE技術(shù)實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)在于：①針對不同類型的機(jī)械式開關(guān)特性和不同的應(yīng)用工況選取合適的參數(shù)以確保能正確識別出電弧的發(fā)生時(shí)刻；②選擇合適的儲能電容以確保能夠釋放出足夠?qū)挾群头鹊母吣苊}沖。目前已開發(fā)出成熟的可應(yīng)用技術(shù)，能夠從大量的紋波和干擾中準(zhǔn)確地識別出電??；對于儲能電容，可在控制燃弧持續(xù)時(shí)間、機(jī)械開關(guān)的目標(biāo)電氣壽命以及性價(jià)比之間進(jìn)行平衡，選擇合適類型的電容。

為了提高儲能電容的利用率，出現(xiàn)了一種稱為AMU的技術(shù)，它通過復(fù)用儲能電容能夠?qū)Χ嗦窓C(jī)械開關(guān)進(jìn)行滅弧，并能夠?qū)C(jī)械開關(guān)的通斷及故障狀態(tài)進(jìn)行管理。

4 結(jié)論

本文介紹了3種最新的電子滅弧技術(shù)，其中AST技術(shù)和ASD技術(shù)采用功率器件與機(jī)械開關(guān)并聯(lián)的方式，輔以電子識別和控制技術(shù)，在機(jī)械開關(guān)分?jǐn)鄷r(shí)旁路流經(jīng)機(jī)械開關(guān)的電流而達(dá)到滅弧的效果，AAE技術(shù)提出了一種全新的直流電子滅弧理論，即通過在負(fù)載端提供高能脈沖來抵消電弧的弧隙電壓、加速電弧的復(fù)合去游離過程、降低電弧的離子濃度，達(dá)到快速滅弧和提高弧隙電壓強(qiáng)度的目的。

AST技術(shù)應(yīng)用在交流電路中，ASD技術(shù)主要應(yīng)用在低電壓（3kV以下）小電流（數(shù)百安培以下）的直流電路中，AAE技術(shù)較ASD技術(shù)擁有更廣的應(yīng)用領(lǐng)域。

AST技術(shù)能極大地提高機(jī)械開關(guān)的電氣壽命；ASD技術(shù)不僅能極大地提高機(jī)械開關(guān)的電氣壽命，還能提升機(jī)械開關(guān)的應(yīng)用電壓、電流等級；AAE技術(shù)的滅弧器件結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，相對地?cái)[脫了對機(jī)械開關(guān)特性的依賴，可靠性高，它不僅能數(shù)量級地提升機(jī)械開關(guān)的電氣壽命，而且能大幅度提升機(jī)械式開關(guān)的額定分?jǐn)喙ぷ麟妷汉碗娏?，AAE技術(shù)眾多的優(yōu)點(diǎn)使其成為一種可廣泛推廣的電子滅弧技術(shù)。