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高壓直流（High Voltage Direct Current, HVDC）繼電器是新能源產(chǎn)業(yè)中的重要控制元件，對新能源汽車、充電樁等運(yùn)行過程中的穩(wěn)定性起著重要作用。在研究高壓直流繼電器的進(jìn)程中，目前在理論方面不夠深入，雖然某些制造開關(guān)電器的廠家以仿制的形式得到了部分產(chǎn)品，但未將理論及技術(shù)融于產(chǎn)品開發(fā)中，造成國內(nèi)產(chǎn)品的性能和可靠性指標(biāo)與國外相比均有一定差距。其中，滅弧系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)是提升繼電器產(chǎn)品性能的關(guān)鍵。

繼電器滅弧系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，難以通過添加產(chǎn)氣材料和滅弧柵片來提高觸頭的分?jǐn)嗄芰?。對于直流繼電器來說，開斷電弧不能像交流系統(tǒng)通過電弧自然過零熄滅，電弧熄滅困難，對觸頭燒蝕嚴(yán)重，大大降低產(chǎn)品的電壽命和可靠性，采用外加磁場進(jìn)行吹弧是目前提高觸頭分?jǐn)嗄芰Φ挠行Х椒ㄖ弧?/p>

外加磁場可使電弧快速運(yùn)動(dòng)到觸頭邊緣，拉長電弧，減少電弧的燃弧時(shí)間。而實(shí)際永磁體的外部磁感應(yīng)強(qiáng)度分布是不均勻的，磁場方向隨永磁體安裝位置的不同而變化，這又恰恰對電弧的運(yùn)動(dòng)特性產(chǎn)生極大的影響。

吹弧磁場的大小以及方向決定著電弧的運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)方向。磁場過小會(huì)使電弧停滯時(shí)間過長、觸頭燒蝕嚴(yán)重，大大降低開關(guān)的電壽命。磁場的方向決定了電弧的運(yùn)動(dòng)軌跡，方向不當(dāng)會(huì)使電弧的運(yùn)動(dòng)軌跡過長或運(yùn)動(dòng)方向錯(cuò)誤造成電弧燒蝕觸頭系統(tǒng)其他零部件。若對永磁體的尺寸和安裝位置進(jìn)行合理設(shè)計(jì)便能有效改善這些問題。

針對此問題，福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院、福建省新能源發(fā)電與電能變換重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究人員蘇偉龍、許志紅，在2022年第6期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》上撰文，以450V/200A高壓直流繼電器的磁吹系統(tǒng)為研究對象，建立磁吹系統(tǒng)三維有限元模型，重點(diǎn)分析永磁體尺寸對其外部磁場的影響，并建立相關(guān)數(shù)學(xué)模型；分析永磁體外部磁場分布的特點(diǎn)，得出外部磁場分布均勻度與永磁體尺寸的關(guān)系。結(jié)合高壓直流繼電器的開斷電弧特性，考慮電弧的受力情況及電弧的停滯時(shí)間，對永磁體的尺寸、充磁方向及安裝位置進(jìn)行設(shè)計(jì)，為提升高壓直流繼電器觸頭開斷性能奠定理論基礎(chǔ)。

圖1 三種磁吹系統(tǒng)仿真

圖2 滅弧室簡化模型

科研人員總結(jié)本課題的研究成果如下：

1）建立永磁體尺寸對底面磁通量影響的數(shù)學(xué)模型，該模型可確定任意底面的永磁體其外部磁通量達(dá)到飽和時(shí)永磁體的高度，提高永磁體的利用率。

2）探究永磁體外部磁感應(yīng)強(qiáng)度分布的特征，得出永磁體外部磁感應(yīng)強(qiáng)度分布隨著與永磁體底面距離d的增大可分為四個(gè)階段：第一階段，永磁體周邊的磁感應(yīng)強(qiáng)度大于中心部位的磁感應(yīng)強(qiáng)度；第二階段，永磁體磁感應(yīng)強(qiáng)度分布較為均勻；第三階段，中間磁感應(yīng)強(qiáng)度大于周邊磁感應(yīng)強(qiáng)度；第四階段，中心磁感應(yīng)強(qiáng)度繼續(xù)減小，永磁體外部磁感應(yīng)強(qiáng)度再次趨向均勻分布。

3）分析永磁體尺寸對外部磁感應(yīng)強(qiáng)度分布的影響，得出隨著永磁體高度的增加，均勻度的最大值出現(xiàn)的位置越早，且隨著永磁體的高度增加，均勻度隨d改變的變化速率越快。

4）建立開斷電弧三維模型，分析了外加磁場的磁吹方向?qū)﹄娀∵\(yùn)動(dòng)的影響，得出通過改變永磁體的安裝位置和充磁方向可以實(shí)現(xiàn)單方向吹弧，從而實(shí)現(xiàn)觸頭無極性連接方式。分析了吹弧磁感應(yīng)強(qiáng)度的增大可以加快電弧熄滅，并提出一種能夠提高吹弧磁感應(yīng)強(qiáng)度的方法。

本文編自2022年第6期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“高壓直流繼電器磁吹系統(tǒng)的建模與設(shè)計(jì)”。論文第一作者為蘇偉龍，1994年生，碩士，研究方向?yàn)殡娖骷捌渲悄芑夹g(shù)。通訊作者為許志紅，1963年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娖骷捌渲悄芑夹g(shù)。本課題得到了福建省2018科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才資助項(xiàng)目的支持。