民機變頻供電體制對電網接觸器的影響分析研究

劉偉

【摘 要】在民用飛機領域，大功率變頻供電逐漸成為民用飛機電源系統主流技術，繼而對配電系統關鍵部件的影響分析及設計點優化研究顯得日益重要。本文通過理論分析和試驗研究，從航空 電網接觸器的觸點溫升和開斷能力等方面，對民機變頻供電體制下航空接觸器的特性進行了研究，定性和定量的給出了變頻率供電對航空接觸器的性能影響。

【關鍵詞】電源；變頻體制；民用飛機；航空接觸器

【Abstract】In the civil aircraft field，high power capacity variable frequency（VF）power supply has been a more famous technology，and research on variable frequency impact to key component of power distribution system and its associated optimization of design points becomes more and more critical.This paper presents a research on contact point temperature increase and open capability of aerospace electrical network contactor based on theoretical analysis and testing，characteristics of aerospace contactor under variable frequency power supply has been researched，and performance impact has been presented from quantity and quality consideration.

【Key words】Electrical Power；Variable Frequency Power Supply；Civil Aircraft；Aerospace Contactor

0 引言

目前，出于對變頻發電系統在成本、重量、能量可逆性等方面的優勢[1-2]，全球飛機制造商們越來越青睞變頻發電系統，目前在役的新機型A380，在研機型B787、A350及C系列均選用了變頻發電系統。和恒頻電源相比，變頻交流電源系統具有結構簡單、能量轉換效率高、功率密度高等優點，但是變頻供電系統的應用也帶來了一些問題，其中一點就表現在電源頻率對配電電網核心部件-配電接觸器的影響方面。

由于頻率的變化給整個供電及用電系統帶來了很大的影響。在變頻電源系統中，電弧開斷技術受頻率影響較大。電源頻率越高，電弧電流過零后“零休”時間越短[3]，變頻電源最高頻率為800Hz是目前在恒速恒頻系統電源頻率400Hz的兩倍，嚴重影響觸頭的開斷能力，開關觸頭和引線由于集膚效應和鄰近效應，頻率增加引起交流電阻增加，進而引起損耗增大。對于電流開斷能力一定的開關電器，為保證其正常工作，就需要進一步研究開斷性能、溫升、負載特性等。

1 配電接觸器理論分析

本文從接觸器觸點溫升和開斷能力兩個方面進行理論分析。

1.1 接觸器觸點溫升理論分析

接觸器的主觸點在長期導通的狀態下，會因通過大電流而發熱。當溫度過高時，會使觸點發生材料的軟化和冷焊接。本章將著重研究觸點的發熱，討論主電流頻率變化對主觸點溫升的影響。

假設觸頭為面接觸，引進過渡電阻R，其面積等于接觸橫截面。如圖1。

以某型接觸器為例，觸頭材料為銀氧化鎘，其在電流100A時不同頻率對應溫度數據如表1所示：

表1 電流為100A時不同頻率觸頭溫度計算對比

從計算的結果可以看出電流頻率的變化對于觸頭穩態溫升的影響非常小，變化只有5%左右，可以忽略其對接觸器性能的影響。

1.2 接觸器開斷能力的理論分析

1.2.1 電流頻率對電弧能量的影響

從公式中看出，電弧能量與電源頻率成反比例關系。如果電流第一次過零時電弧熄滅，則頻率高時電弧能量比頻率低時能量小。變頻電源系統的頻率范圍是360Hz到800Hz。頻率為800Hz時能量為400Hz時的50%，而360Hz時電弧能量是400Hz時電弧能量的90%。從能量角度考慮，800Hz時電弧比400Hz時容易熄滅，而360Hz時最難熄滅。

1.2.2 電流頻率對開斷時截流值的影響

當開斷小電流時，由于滅弧裝置的作用，在電流沒有到達自然零點時，電弧熄滅，電流就被突然降至零點，這就是截流現象。由于電流被截斷，電感負載上剩余的電磁能就會引起過電壓，所以開斷電流過零前的dI/dt會影響開斷電流的截流。如果電流的頻率變大，電流的 dI/dt變大，使得此點到達電流自然過零點的時間變小，進而提高了電弧的穩定性，進而使電流在幅值更小的時刻熄滅，降低了截流值[5]。

1.2.3 電流頻率對電弧伏安特性的影響

電流頻率變化，會對電弧的伏安特性產生很大的影響。如圖2。

圖2 電弧伏安特性

圖中曲線（1）為低頻下電弧的伏安特性，曲線（2）為高頻下電弧的伏安特性，曲線（3）是電弧的靜態伏安特性[6]。

從以上的低頻和高頻下電弧的伏安特性可以看出，電流頻率的變化對電弧伏安特性的影響非常大，在中頻（360Hz～800Hz）下，電弧的伏安特性會產生很大的變化。

電弧的伏安特性可以反映弧柱的熱慣性與電弧熄弧時間的關系以及弧隙電壓恢復過程和介質恢復過程的關系，其對開關器件的開斷能力產生的影響很大。在電流頻率變化而其他條件不變時，弧柱的熱慣性不變，弧柱區等離子體擴散的速度是一定的。

1.2.4 電流頻率對“零休”時間的影響

電流過零前零休時間的長短，對電弧的熄滅過程有很大的影響。在這期間零休時間的增長，意味著在電流過零前較長一段時間內，弧柱輸入功率接近于零。這樣，在電流過零時和過零后，弧柱將更冷、更細，更有可能產生弧柱消失、弧隙中氣體轉變成絕緣狀態等現象。顯然，這對于防止電弧重燃非常有利。

弧隙兩端的電壓不斷減小，當小到最小起弧電壓時，電弧熄滅，零休開始。當電流的頻率增大，考慮電源電壓的波形不變，則達到最小起弧電壓的電角度是不變的，零休的電角度不變，零休的時間變短。

1.2.5 電流頻率對恢復電壓的影響

電壓恢復過程中加于弧隙上的電壓稱之為恢復電壓。由于電壓恢復過程是電路的一個過渡過程（暫態過程），恢復電壓一般都具有兩個分量：穩態分量與暫態分量。如圖3：

2 變頻體制接觸器特性試驗分析

2.1 接觸器穩態溫升試驗

試驗的目的是觀察接觸器觸點穩態溫升與電流頻率的關系。接觸器閉合時觸點壓降很小，電流很大，只需要模擬出大電流的環境。試驗中采用艾普斯AMF-33010電源，此電源為三相400Hz交流電源，每相可以提供140V，25A的電流，可調頻率范圍是350～450Hz，應用變壓器降壓升流，以實現大電流。以電流鉗測量副邊電流。試驗原理圖如圖4所示。

圖 4 接觸器溫升試驗電路圖

隨著通電時間的增長，接觸器觸點的溫度會不斷升高，最終達到一個穩定的溫度值，這個溫度就是觸點的穩態溫度。分別調節電源頻率為350Hz，400Hz，450Hz，記錄觸點的穩態溫度。測試環境溫度為25℃，通100A電流。試驗數據見表2。

表2 接觸器觸點溫升數據

從試驗數據來看，頻率變化對穩態溫度變化的影響很小，和理論分析的結果相近，頻率升高會使得穩態溫度升高，變化大約為5%。頻率的提高使得觸點溫度的提高是很有限的，并且遠低于銀基觸點溫升的上限，在實際的設計和計算中可以忽略由于頻率的升高而導致的溫度升高。

2.2 接觸器開斷試驗

試驗所用的接觸器為國產的H800-A6N型接觸器，其額定開斷電流為175A，額定開斷電壓為115V。試驗得到典型開斷成功波形如圖5所示。開斷試驗開斷失敗波形如圖6所示。

圖 5 開斷試驗開斷成功典型波形

圖5為420Hz開斷試驗開斷成功的波形，CH1為電容兩端電壓；CH2為霍爾元件輸出信號；CH3為觸點兩端電壓?；魻栐妮敵鲋当碚骰芈分械碾娏髦?，最大量程為500A左右，由于試驗中電流過大，出現飽和。

圖 6 開斷試驗開斷失敗典型波形

從圖5和圖6可以看出，如果電流開斷成功，電流只產生半個波形，燃弧至過零點時電弧熄滅，隨后電壓保持不變。如果開斷失敗電流波形會持續兩個波形。

以頻率415Hz、590Hz和805Hz點為測試工況，測試變頻體制下接觸器開斷成功率，數據如表3所示。

表 3 開斷試驗數據表

從開斷試驗的結果可以看出，試驗中隨著電流值的增加接觸器開斷的成功率下降，同時可以看出頻率在590Hz時開斷能力最差，低于415Hz和800Hz時的開斷能力，隨著電流的增大開斷成功率下降最快。415Hz時開斷能力強于800Hz時，但是開斷能力差別不大。當頻率變化，試驗中接觸器能否開斷受很多因素影響。首先當頻率升高，電弧能量降低，從這個角度來看，有助于電弧開斷。而頻率升高使電流過零點的di/dt變大，不利于開斷。接觸器的開斷能力隨著頻率的變化而變化可以歸結為這兩個因素的作用的強弱。

試驗結果和分析可知，電流頻率變化對電流di/dt值的影響和對電弧能量的影響成為影響開斷的主要因素。由于電流頻率的升高，另一方面，由于頻率的升高，在相同電流值的前提下，di/dt值變大，使得電流過零時的時間更短，使得電弧能量未及時散失，弧隙電阻未升高到足夠大時便建立起反向電流，從而不利于電流的開斷。

隨著電流頻率的升高，弧隙的開斷能力時刻處于上述兩方面的作用之下。415Hz時，di/dt值的增大起到了主要的作用，使得接觸器的開斷能力下降，因此590Hz時接觸器開斷能力小于415Hz，而805Hz左右時，電弧能量起到了更大的作用，電弧能量對開斷能力起到主導的作用，因而開斷能力升高，805Hz時接觸器的開端能力高于590Hz。

3 結論

本文通過理論分析和實際工程分析，從航空接觸器的觸點溫升和開斷能力等方面，對民機變頻供電體制下航空接觸器的特性進行了研究，定性和定量的給出了變頻率供電隊航空接觸器的性能影響，對于民機變頻供電體制下配電系統研制和設計點優化有一定的指導意義。

【參考文獻】

[1]David Lazarovich，Mircea Mares，Ileana Rusan，Edwin Yue.Variable frequency use in aerospace electrical power systems[C].PA U.S.A， SAE，1999.

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