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高壓繼電器在各種場合的應用
一、前言
緩沖回路通常用來保護低壓電路里的繼電器觸頭的,在高壓電路里對繼電器觸頭的保護就困難多了。
切斷低壓回路相當簡單。然而,當回路電壓升高,切斷電路就并不那么容易了。常規(guī)的開關和繼電器由于會產(chǎn)生電弧,所以幾乎不可能切斷一個千伏級的電路。因為電壓很高,觸頭之間的空氣被電離而擊穿導電。因此,即使觸頭是分離的,電離的氣體也會使得回路導通。
解決電弧方法之一就是把觸頭區(qū)域的電離空氣除掉。這也就意味著高壓開關工作在真空狀態(tài)會有很好的效果。舉例來說,10-6毫米汞柱的真空下,觸點氣隙每毫米的絕緣強度高達2000伏。
真空絕緣為高壓觸點提供了穩(wěn)定的切換環(huán)境,減少了氧化和腐蝕性,當真空管中出現(xiàn)電弧時,沒有因空氣或絕緣氣體被分離而產(chǎn)生腐蝕性的副產(chǎn)品,而且在切斷觸點時會產(chǎn)生“吸除”作用。因為真空是不純凈的,它還存在一些雜質。在產(chǎn)生電弧的短時間內,一些雜質就從真空中分離出來,附著在真空管表面,從而提高了真空的純凈度。
電極之間在*真空時會發(fā)生擊穿現(xiàn)象。產(chǎn)生電弧的電子來源于觸點本身的材料。產(chǎn)生電弧的溫度點取決于觸點材料的功函數(shù)。考慮到功函數(shù)的問題,觸點材料經(jīng)常使用鎢和鉬。
功函數(shù)是指一定的觸點氣隙之間所能承受的zui大絕緣靜電場。注意在熱環(huán)境的切換中,當接觸氣隙縮小至零的過程中,電弧就會被拉出,靜電場強度增加。因此,當觸點逐步的閉合時,某些點的靜電場會非常的高,足以擊穿余隙。
真空中的電弧,除非強度非常大,一般都會自動熄滅。之所以能夠熄滅,是因為電弧本身是蒸發(fā)的金屬高壓區(qū),但它周圍確是極度低壓區(qū)。因為高低壓之間沒有物理上的分界線,壓強會趨于相等,電弧的強度就會減弱,zui終迅速熄滅。盡管時間很短,電弧也會引起觸頭的腐蝕。然而,這通常不會影響到觸點電阻,因為所轉移的是純金屬。
二、惰性氣體電介質
并非所有的高壓繼電器都是真空型的。惰性氣體電介質也用于高壓元件和系統(tǒng)中。通過改變氣體混合的比例和(或者)氣壓就可控制受壓外殼中的擊穿電壓,因而使用靈活。氣體加壓滅弧是它的另一個優(yōu)點,因為通常在幾微秒的時間內就可以完成滅弧。 充氣式繼電器用于高壓功率開關,其功能是關閉常開觸點。原因之一是氣體混合物和氣壓可以事先設定,在關閉觸點之前電弧放電。此外,如果電路電壓高于3500伏,即使由于觸點抖動使得電路切斷,電弧是仍然穩(wěn)定,足以維持電流。這有助于延長充氣繼電器的使用壽命,有關這一點可在電容性放電電路里得到印證。
當切斷電路時電離作用是有害的。實際上,它延長了電弧并增強了觸點的腐蝕。試驗表明:真空繼電器更適用于功率切斷,因為它能抑制電弧(滅弧)。滅弧減小了腐蝕并延長了觸點壽命。
傳統(tǒng)繼電器的接觸電阻是隨使用次數(shù)而變化的,但真空繼電器的接觸電阻是恒定的且阻值低,在整個使用壽命期間其典型值為0.015歐姆。這是因為使用標準的清潔部件,無氧化或污染,在觸點部位使用純金屬。由于觸點是密封在真空管內的,在易爆或腐蝕性的環(huán)境中可實現(xiàn)安全通斷操作。
充氣式繼電器的接觸電阻一般也很低,但要比真空繼電器的電阻要高,穩(wěn)定性也差。隨著測試方法的不同接觸阻值也不同。在大容量和大電流的測試電路里測得的阻值較低。觸頭鍍金會提高充氣式繼電器的穩(wěn)定性、降低接觸電阻。
三、射頻應用場合
好的絕緣質量和低且穩(wěn)定的接觸電阻是在射頻轉換中應用高壓真空繼電器的兩個重要因素,然而任何繼電器在射頻應用中都必須注意電流和電壓的限制。由于“集膚效應”的影響,也就是說隨著頻率的增加,電流將由導體的中心向表面移動,即隨著頻率的增加,傳導的導體表面的有效厚度卻在減小,這樣會使更多的電流通過更小的截面。因而會導致導體的局部表面受熱升溫。高溫會影響繼電器的密封性。
當繼電器用作絕緣體時,將會在繼電器的常開觸點兩端和(或)是在觸點與地端之間存在射頻電壓。在所有的實際應用中,繼電器存在一個高電壓電容,其范圍是在1PF到2PF之間。流經(jīng)該電容的漏電流致使絕緣體的損耗部分發(fā)熱,進而限制了加在其上的射頻電壓。
電流和電壓的限制使得在射頻應用有必要降低電流和電壓的指標,同時其工作頻率也要限制在32 MHz以下。在選用某一個繼電器時,這些限制因素是必須要考慮的。
四、電力開關應用
術語“電力開關”和“熱開關”指的是利用繼電器來斷開電源或是接通電源。當繼電器當作電力開關使用時,在觸點開始閉合瞬間以及之后的觸點抖動中都產(chǎn)生電弧。電弧會使觸點腐蝕,若不采取一定的預防措施,可能會導致觸點熔結,輕則也會引起相當嚴重的觸點損傷。因此,電弧的持續(xù)時間以及電流電壓的等級都是決定繼電器壽命和可靠性的決定因素。
高電壓電力開關繼電器觸點通常是由鎢或鉬制成,因為這些金屬硬度大且熔點高,可以耐受電弧高溫作用。一些毫安級的高壓繼電器使用銅制觸點,它們通常只作為“中繼”來用。
在選擇合適的繼電器時,電路負載的類型是一個很重要的因素,電路通常分為電容性、電感性和電阻性負載。