程序员世界@新型电子灭弧技术在机械开关中的应用广州市金矢电子有限公司的研究人员郭桥

广州市金矢电子有限公司的研究人员郭桥石、聂嘉、吴世坤，在2020年第2期《电气技术》杂志上撰文，分析了传统灭弧技术实用上的不足，介绍了AST、ASD和AAE这3种新的电子灭弧技术及其实用效果。
AST和ASD技术采用电子开关并联在机械开关两端与机械开关构成复合开关，并联的电子开关能够侦测机械开关的分断，并在机械开关分断的过程中持续导通而达到对机械开关灭弧的效果， AST技术应用在交流灭弧， ASD技术应用在直流灭弧。
AAE技术应用在直流灭弧，它采用储能元件并联在负载两端，在侦测到机械开关分断后，在适当的时机释放储能元件上的能量来降低机械开关两端的电场强度而对机械开关灭弧。利用3种灭弧技术制作的灭弧器件独立于机械开关，通过测试验证了3种器件在各自领域都具有良好的灭弧效果。

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近年来随着能源领域持续发展创新，承担电流接通和分断任务的开关成为基础性关键元器件。实际应用中，不论是在电力机车、船舶、航空等传统领域，还是在光伏、电动汽车、储能等新能源领域，绝大多数场合仍然采用机械开关。
机械开关分断电流时产生电弧，受电弧影响，机械开关的触点会溶蚀甚至粘连，触点间的绝缘耐压水平急剧下降而接触阻抗急剧上升，导致机械开关的性能、寿命、可靠性等都存在技术性缺陷。因此，对电弧的控制成为机械开关领域亟待攻克的重大关键技术难点。
随着电力电子技术的不断发展，采用功率半导体器件的电子开关也开始在部分领域应用，但受过载能力、发热量、击穿风险等诸多客观因素制约，电子开关的应用也遇到了瓶颈。
机械开关分断过程中，当触点间电压场强达到一定强度，通常在触点间距很小时只需要十几伏特的电压，就能使触点材料发生电子发射并电离触点间的介质而形成电弧，电弧在触点间产生数千至数万摄氏度的高温，高温使触点间形成热发射和热游离并维持电弧持续放电。如图1所示，电弧一旦形成，主要靠热能维持，电弧之间仅需要很低的维持电压，一般阴极区只需十几伏特，阳极区只需零至十几伏特，弧柱区每厘米仅需几伏特的电压。

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图1电弧示意图
根据电弧形成的物理特性，传统机械开关通常采用控制弧隙介质游离程度和去游离程度、控制弧隙温度以及增加弧隙间电压的方法进行灭弧。
采用特定的弧隙介质，例如真空或特定气体，能控制弧隙介质游离程度和去游离程度；增加弧隙距离，如追加灭弧栅或增加触点数量，能增大弧隙电压并改善散热；改变弧柱路径，如采用特定弧柱管道、气吹、油吹、磁吹等，可降低弧温及离子浓度；提高分断速度、增大触点间开距等也能增加电弧发生的难度。
但传统的机械、物理灭弧方法，不仅对机械式开关的结构设计有严格的技术要求，在应用上也存在断弧时间长（毫秒级）、电气寿命短（数次至数千次）、体积大、性价比低的缺点。利用谐振制造电流零点的电子灭弧方法不仅对机械式开关本身有严格的要求，更需要根据机械式开关的实际应用工况来调配谐振参数，应用的普适性受到限制；另外，谐振建立的过程需要耗费长达数个毫秒的时间，导致电弧持续时间比较长，谐振采用的感容元件也导致其体积大、质量重、价格高。
根据机械开关产生的电弧特性，近年来出现了新型的电子灭弧技术，这些电子灭弧技术独立于机械开关本身，可与现有的机械开关配合使用。
基于这些电子灭弧技术的器件或与机械开关并联或与负载并联，与机械开关并联式电子灭弧器件采用功率半导体器件，在机械开关分断过程中分流机械开关上的电流并将机械开关两端的电压限定在数伏特的较低水平，从而阻止了产生电弧必须的强电场发射和热电子发射建立的条件；与负载并联式电子灭弧器件采用储能型电子器件，在机械开关分断过程中适时瞬间提供高能量电压脉冲，以大幅度降低机械开关两端的电场强度，从而加速电弧的去游离过程而阻止电弧的持续燃烧。