高压电路里对继电器触头的保护

一、前言

缓冲回路通常用来保护低压电路里的继电器触头的，在高压电路里对继电器触头的保护就困难多了。

切断低压回路相当简单。然而，当回路电压升高，切断电路就并不那么容易了。常规的开关和继电器由于会产生电弧，所以几乎不可能切断一个千伏级的电路。因为电压很高，触头之间的空气被电离而击穿导电。因此，即使触头是分离的，电离的气体也会使得回路导通。

解决电弧方法之一就是把触头区域的电离空气除掉。这也就意味着高压开关工作在真空状态会有很好的效果。举例来说，10-6毫米汞柱的真空下，触点气隙每毫米的绝缘强度高达2000伏。

真空绝缘为高压触点提供了稳定的切换环境，减少了氧化和腐蚀性，当真空管中出现电弧时，没有因空气或绝缘气体被分离而产生腐蚀性的副产品，而且在切断触点时会产生“吸除”作用。因为真空是不纯净的，它还存在一些杂质。在产生电弧的短时间内，一些杂质就从真空中分离出来，附着在真空管表面，从而提高了真空的纯净度。

电极之间在绝对真空时会发生击穿现象。产生电弧的电子来源于触点本身的材料。产生电弧的温度点取决于触点材料的功函数。考虑到功函数的问题，触点材料经常使用钨和钼。

功函数是指一定的触点气隙之间所能承受的最大绝缘静电场。注意在热环境的切换中，当接触气隙缩小至零的过程中，电弧就会被拉出，静电场强度增加。因此，当触点逐步的闭合时，某些点的静电场会非常的高，足以击穿余隙。

真空中的电弧，除非强度非常大，一般都会自动熄灭。之所以能够熄灭，是因为电弧本身是蒸发的金属高压区，但它周围确是极度低压区。因为高低压之间没有物理上的分界线，压强会趋于相等，电弧的强度就会减弱，最终迅速熄灭。尽管时间很短，电弧也会引起触头的腐蚀。然而，这通常不会影响到触点电阻，因为所转移的是纯金属。

二、惰性气体电介质

并非所有的高压继电器都是真空型的。惰性气体电介质也用于高压元件和系统中。通过改变气体混合的比例和(或者)气压就可控制受压外壳中的击穿电压，因而使用灵活。气体加压灭弧是它的另一个优点，因为通常在几微秒的时间内就可以完成灭弧。 充气式继电器用于高压功率开关，其功能是关闭常开触点。原因之一是气体混合物和气压可以事先设定，在关闭触点之前电弧放电。此外，如果电路电压高于3500伏，即使由于触点抖动使得电路切断，电弧是仍然稳定，足以维持电流。这有助于延长充气继电器的使用寿命，有关这一点可在电容性放电电路里得到印证。

当切断电路时电离作用是有害的。实际上，它延长了电弧并增强了触点的腐蚀。试验表明：真空继电器更适用于功率切断，因为它能抑制电弧(灭弧)。灭弧减小了腐蚀并延长了触点寿命。

传统继电器的接触电阻是随使用次数而变化的，但真空继电器的接触电阻是恒定的且阻值低，在整个使用寿命期间其典型值为0.015欧姆。这是因为使用标准的清洁部件，无氧化或污染，在触点部位使用纯金属。由于触点是密封在真空管内的，在易爆或腐蚀性的环境中可实现安全通断操作。

充气式继电器的接触电阻一般也很低，但要比真空继电器的电阻要高，稳定性也差。随着测试方法的不同接触阻值也不同。在大容量和大电流的测试电路里测得的阻值较低。触头镀金会提高充气式继电器的稳定性、降低接触电阻。

三、射频应用场合

好的绝缘质量和低且稳定的接触电阻是在射频转换中应用高压真空继电器的两个重要因素，然而任何继电器在射频应用中都必须注意电流和电压的限制。由于“集肤效应”的影响，也就是说随着频率的增加，电流将由导体的中心向表面移动，即随着频率的增加，传导的导体表面的有效厚度却在减小，这样会使更多的电流通过更小的截面。因而会导致导体的局部表面受热升温。高温会影响继电器的密封性。

当继电器用作绝缘体时，将会在继电器的常开触点两端和(或)是在触点与地端之间存在射频电压。在所有的实际应用中，继电器存在一个高电压电容，其范围是在1PF到2PF之间。流经该电容的漏电流致使绝缘体的损耗部分发热，进而限制了加在其上的射频电压。

电流和电压的限制使得在射频应用有必要降低电流和电压的指标，同时其工作频率也要限制在32 MHz以下。在选用某一个专用继电器时，这些限制因素是必须要考虑的。

四、电力开关应用

术语“电力开关”和“热开关”指的是利用继电器来断开电源或是接通电源。当继电器当作电力开关使用时，在触点开始闭合瞬间以及之后的触点抖动中都产生电弧。电弧会使触点腐蚀，若不采取一定的预防措施，可能会导致触点熔结，轻则也会引起相当严重的触点损伤。因此，电弧的持续时间以及电流电压的等级都是决定继电器寿命和可靠性的决定因素。

高电压电力开关继电器触点通常是由钨或钼制成，因为这些金属硬度大且熔点高，可以耐受电弧高温作用。一些毫安级的高压继电器使用铜制触点，它们通常只作为“中继”来用。

在选择合适的继电器时，电路负载的类型是一个很重要的因素，电路通常分为电容性、电感性和电阻性负载。

电阻性负载——对于直流电阻性负载而言，当开关断开时，会在触点分开的瞬间产生电弧，并且将持续到触点彻底分开为止。在一定电压和电流下，电弧的持续时间取决于触点断开的速度，同样也与触点的冷却速度和通过自感及分布电容的消电离作用有关。在相同电压下，交流负载比直流负载更容易断开，因为交流在每半个周期会自行断开一次，极性转换会防止金属一直朝同一个方向转移;而对于直流负载而言，则会较早导致触点故障。

电感性负载 – 直流电感性负载的断开比电阻性负载更不容易。因为在电感中存储的能量 (1/2 LI2)能感应出阻止电流变化的电动势((-L [di/dt]))，直到电感中所存储的能量耗尽才消失。如果不采用专用快速断路触点或其他方式来切断电感性负载的话，电弧的持续时间将直接取决于负载的时间常数 (L/R)。然而，交流感性负载并不会出现这种问题，因为每半周期结束时会发生极性翻转迫使电流过零。同时，电流与电压存在相位差，并且供电电压在电流后半周期反相于自感电动势。

电容性负载 – 直流电路中为电容充放电而闭合触点将会产生大浪涌电流。对于触点的影响取决于初始峰值电流幅值及电路的时间常数。类似情况在交流电路中是不常见的。要得到最佳效果，继电器应置于负载的接地端;否则，在触点与壳体间会出现大电流电弧，旁路负载。电源是对浪涌电流的唯一限制。

在实际应用中，通常这三种成分都会存在，但是具有大电容或大电感负载的电路由于其储能作用，所以更难实现电路通断。比这种情况更糟的是，某些电路存在大浪涌电流。在大浪涌电流的情况下，触点试图在触点抖动期间断开极高的电流，结果会出现强电弧致使触点金属熔化，最终导致触点的熔结。正弦交流电会使得这种情况变得更糟，因为对于相同交流负载电压电流峰值分别比同等直流情形高41%。

五、结语

高压继电器也可用于其它场合，例如可考虑用于航空航天配电系统。研究表明 270V直流系统与传统的115/200V、400赫兹交流系统相比 ，其可靠性更高，维护更方便，重量更轻，寿命更长。

目前，传统的28V 或115/200 V开关转换设备需要大的改进才能可靠地实现270V直流负载的通断。然而这些改进又会使其变的又大又笨。对于专用场合，这显然是不实际的。在不增加尺寸和重量的情况下，使用真空作为绝缘介质来实现270V直流负载具有卓越的性能且其可靠性也得到提高。

高压继电器的选择并非像低压继电器那样简单。想要选择合适的继电器，设计者应当考虑电路情况以及继电器的电气、机械和环境因素。设计者还应能综合考虑继电器各种工作特性并清楚继电器术语是一种具有特殊含义的专业语言。