军事或航空航天用新一代270V直流接触器
发布者:管理员         发布时间:2016-12-23 15:40:54        阅读:264 次        来源:昆山国力电子科技股份有限公司

摘要:介绍了 270 V 直流电源的由来及其在航空航天上的应用,分析了 270 V 直流接触器密封陶瓷切换室和环氧密封技术的两种传统解决方案。并讨论了 270 V 直流接触器的新技术高性能密封陶瓷 (EPIC) 技术。结果表明,采用 EPIC 技术的新型 270 V 直流接触器成功地解决了电弧、干扰、重量、成本等难题。

关键词: 270 V 直流电源;接触器;高性能密封陶瓷技术

Abstract: Introduction was made to the origin of 270V DC power supply and itsapplication in aeronautics and astronautics. Analy-sis was made to sealingceramic switching chamfer and epoxy sealing technology two kinds of traditionalsolution plans for 270 VDC contractor. And discussion was made to newtechnology high performance sealing ceramic technology of DC contractor.Theresult shows that new type 270 V DC contractor with adoption of EPICtechnology successfully solves arc, interference, weight andcost etc difficultproblems.

Key words: 270 V DC power supply; contractor; highperformance sealing ceramic technologyNew Generation 270 V DC Contractor forMilitary orAeronautics & Astronautics Use。

1 270V直流电源的由来

1.1 飞机直流电源的演变

        自二战以来,飞机一直采用直流电源,但是多年来,机载发电和配电却一直限制在28 V直流。当20世纪60年代初期大型商用客机升空飞行时,对电功率的需求开始增大,为避免28 V直流发电机和电缆的笨重,飞机开始采用115V电压,400Hz交流电源。但是交流电源本身具有缺陷,例如采用多曲柄式发动机的飞机需要多个发电机,由此产生了问题:或者调整发电机频率,或者采用交流电源,但都不是最好的方案。而直流电源是恒定的,不需要电源同步装置,因此除了在航空领域以外,燃料电池、太阳能动力系统及电动与混合动力汽车等应用领域也在逐步转向高电压直流电。

        飞机上不重要的系统仍用交流电压,但是交流电压不能满足EHA(电动静液作动器系统)等系统的要求,EHA要求功率传输足够稳定且受控程度高。飞机电功率越高,则对高电压直流的依赖性越强。

        直流电源对于飞机还具有一个额外的优势:如果主电源发生故障,则机载电池可用作备用电源。直流电源可用于给机载电池充电,而不需像过去要求的那样,将电压由直流转换为交流。

1.2 270 V直流电源兴起

        飞机上传统的液动和气动子系统,笨重、维护频繁且(在战斗中)易损坏,新型飞机设计正在逐渐放弃这种系统,转而支持电动静液作动器系统(EHA)。EHA是增强飞机性能的控制系统,它融合了电气和液压动力,同时去除了飞机传统控制系统所需的几英里长的管道、泵和阀。这种系统通常内置有检测能力,并且所需要的维护大大低于液动和气动系统。这对于商业运输机,意味着停工时间的缩短,对于军用飞机,则意味着后勤人员减少。

        襟翼和副翼等操纵面的电气要求极为苛刻,但是其它子系统也要求更高的电功率,例如直升飞机上机舱内空调和防冻动叶片。所有这些合计起来对电功率的需求更大。但问题是如何使长期以来适合地面应用的对重量或尺寸不敏感的高电压直流功率适应于飞机。为适应取代液压和气压系统的EHA而采用按比例增大AC的技术,并不是可行的方案,比如波音737,向EHA转换并充分增大每通道60 kVA固定频率,将可能导致功率的产生和分配更难且更昂贵。可行的方案是采用270 V直流电源(从可变频AC发电机衍变而来)。270 V直流电源能更有效的实现这一较高的电气要求,因此飞机引擎需要的总能量较少。270 V直流电源使得导线更小,显然高电压直流有利于优化飞机的功率与重量之比。

        目前国际空间站、F-22战斗机已采用270 V电源;F-35联合攻击战机在逐步采用270 V直流电源;在商用领域,波音787已更大规模的采用这种电源,而空客A380正在将高电压直流推入商用市场,未来在设计阶段的飞机也将采用270V直流,甚至更高电压的直流,这一趋势很明显。

2 270V直流电源对接触器提出的技术挑战

        切换直流电时产生的任何电弧必须以某种方式熄灭。电压越高,则灭弧越困难,切换交流时,则不存在这一问题,因为每次循环,电压过零,任何电弧将迅速自动熄灭。高电压直流的大部分地面应用不必面对这一问题,因为在管理更高的电压时,不必考虑接触器的重量和尺寸。轻轨系统可采用户外式接触器,非密封,且允许电弧放电产生的热量。这类接触器大而重,由于采用灭弧室,即隔板,将电弧分解进金属板,降低电压。

        飞机用接触器类似于电气继电器,但体形较大,且过载额定值较高,可满足大部分关键的飞机元件要求。这类接触器必须严格控制和密封电弧,防止干扰,但除此之外,还必须在可接受的热量条件下进行直流切换,并且还应形状小、重量轻、价格合理。

3 270V直流接触器传统解决方法

        飞机用接触器必须予以密封以防止电气泄漏和干扰,必须隔离电弧和移动电弧的磁钢。传统上采用两种方法:一种解决办法是生成一种密封的陶瓷切换室如图1所示。其特点是陶瓷封装壳体-成本高、体形大、不易成形,它适合压力高的内部气体来优化切换。主衔铁无辅助触点,线圈节能器必须在密封壳的外部。国际空间站用接触器,其制造所需要的陶瓷材料可以密封所有类型的伴有电弧的气体,其中包括氢,氢是中断高压直流电的最好气体见表1。

图一 密封陶瓷切换室

表1 用于切换应用的气体与触点材料性能比较

        但陶瓷的成本可能无法使人接受,它最初采用半流体形式,因此可能难以制作一个精密成形的腔室来控制电弧。
        另一种方案是环氧密封接触器,如图2所示,其特点是环氧密封件体形大,但牢靠性、温度额定值低,不能用氢气优化切换;主衔铁无辅助触点,线圈节能器在密封壳的外部;在控制电弧的部位采用高温塑料。
        尽管这种类型接触器便宜得多,但本身有缺点。密封性能不如陶瓷,这种接触器不能采用氢气,氢气为270 V直流电源管理提供了最佳的切换环境。环氧密封的温度受到限制(被限制在约150℃),并且在严重的过流情况下易发生故障。

图二 环氧密封接触器


4 270V直流接触器的EPIC技术
        EPIC是“高性能密封陶瓷”的简称,它是一种新型密封技术,采用这种技术制成的接触器同时具有陶瓷高温密封能力和高温塑料低成本控制电弧的优点,如图3所示。EPIC的特点是采用陶瓷引出端,成本低、牢靠、额定温度高、内部可采用高压气体来优化切换;主衔铁有辅助触点,线圈节能器设在密封壳体内。它允许采用高压气体,且保持小尺寸和轻重量。美国著名的飞机电气元件和设备制造商-Leach International公司和高压继电器制造商-GIGAVAC公司,通过联合开发,已经率先将这种新型密封技术成功应用于高电压接触器。

图三 新型高性能EPIC技术

        采用EPIC技术的高电压直流接触器,含一个陶瓷引出端,引出端熔焊于内含高温塑料的用于控制电弧的金属罩。采用EPIC技术的接触器虽然不需要厚环氧层,但其密封性能足以容纳氢气等高压力气体。
5 EPIC技术的优势
        采用EPIC技术的高电压直流接触器具有全陶瓷接触器的所有优点,但其重量不及后者的一半,成本约下降十分之一。具体而言,与其它高电压接触器相比具有下列优势:
        (1)密封的切换腔室受控环境中的惰性气体不会导致氧化,因此可采用低电阻的铜触点。由于铜的电导率极佳,因此接触器可制作得更小、更轻,且与其它金属相比,可以较低的线圈功率工作。
        (2)接触器的陶瓷密封与环氧相比泄漏低,这意味着所有类型的气体,包括极需的氢气可用于大电流的切断。还可以组合应用不同的气体和触点材料以适应难度大的切换应用。
        (3)与采用环氧密封的接触器相比,具有更高的温度额定值,最初的EPIC技术产品额定值为175 ℃,但是引出端完全可达到25 0℃,且对密封无损坏,即无失效的危险。
        (4)由于温度额定值高,如果下游断路器在非正常的过流条件下发生失效,则接触器失效或起火的危险大大下降。
        (5)密封件较薄,为接触器内置的双掷辅助触点和双线圈节能器(当需要 时)留下了空间。(对于环氧密封接触器,辅助触点则是一个次要的驱动微型开关,节能器位于腔室外)。
        (6)除了线圈效率提升之外,双线圈节能器可用于增加触点压力,从而获得额外的触点载流能力。
6 结语
        新型军事装备、军用飞机和航天器采用270 V及其更高电压的直流电源已成为一个明显的发展趋势。高性能、高可靠的接触器对于270 V直流电源的应用十分重要。采用EPIC技术的新型270 V直流接触器成功地解决了电弧、干扰、重量、成本等难题,目前已通过了严格的鉴定试验。这种接触器满足所有军用和宇航标准。根据联合开发EPIC接触器的两家公司介绍,采用这种新型接触器的首个飞行器是无人机(UAV)。除了用于飞机外,270 V直流接触器的潜在应用还包括导弹、海军舰艇乃至美国陆军混合动力多用途轮式车辆。(转自中国电科40所)

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