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高压直流（high voltage direct current, hvdc）继电器是新能源产业中的重要控制元件，对新能源汽车、充电桩等运行过程中的稳定性起着重要作用。在研究高压直流继电器的进程中，目前在理论方面不够深入，虽然某些制造开关电器的厂家以仿制的形式得到了部分产品，但未将理论及技术融于产品开发中，造成国内产品的性能和可靠性指标与国外相比均有一定差距。其中，灭弧系统的合理设计是提升继电器产品性能的关键。
继电器灭弧系统结构紧凑，难以通过添加产气材料和灭弧栅片来提高触头的分断能力。对于直流继电器来说，开断电弧不能像交流系统通过电弧自然过零熄灭，电弧熄灭困难，对触头烧蚀严重，大大降低产品的电寿命和可靠性，采用外加磁场进行吹弧是目前提高触头分断能力的有效方法之一。
外加磁场可使电弧快速运动到触头边缘，拉长电弧，减少电弧的燃弧时间。而实际永磁体的外部磁感应强度分布是不均匀的，磁场方向随永磁体安装位置的不同而变化，这又恰恰对电弧的运动特性产生极大的影响。
吹弧磁场的大小以及方向决定着电弧的运动速度和运动方向。磁场过小会使电弧停滞时间过长、触头烧蚀严重，大大降低开关的电寿命。磁场的方向决定了电弧的运动轨迹，方向不当会使电弧的运动轨迹过长或运动方向错误造成电弧烧蚀触头系统其他零部件。若对永磁体的尺寸和安装位置进行合理设计便能有效改善这些问题。
针对此问题，福州大学电气工程与自动化学院、福建省新能源发电与电能变换重点实验室的研究人员苏伟龙、许志红，在2022年第6期《电工技术学报》上撰文，以450v/200a高压直流继电器的磁吹系统为研究对象，建立磁吹系统三维有限元模型，重点分析永磁体尺寸对其外部磁场的影响，并建立相关数学模型；分析永磁体外部磁场分布的特点，得出外部磁场分布均匀度与永磁体尺寸的关系。结合高压直流继电器的开断电弧特性，考虑电弧的受力情况及电弧的停滞时间，对永磁体的尺寸、充磁方向及安装位置进行设计，为提升高压直流继电器触头开断性能奠定理论基础。
图1 三种磁吹系统仿真
图2 灭弧室简化模型
科研人员总结本课题的研究成果如下：
1）建立永磁体尺寸对底面磁通量影响的数学模型，该模型可确定任意底面的永磁体其外部磁通量达到饱和时永磁体的高度，提高永磁体的利用率。
2）探究永磁体外部磁感应强度分布的特征，得出永磁体外部磁感应强度分布随着与永磁体底面距离d的增大可分为四个阶段：第一阶段，永磁体周边的磁感应强度大于中心部位的磁感应强度；第二阶段，永磁体磁感应强度分布较为均匀；第三阶段，中间磁感应强度大于周边磁感应强度；第四阶段，中心磁感应强度继续减小，永磁体外部磁感应强度再次趋向均匀分布。
3）分析永磁体尺寸对外部磁感应强度分布的影响，得出随着永磁体高度的增加，均匀度的最大值出现位置越早，且随着永磁体的高度增加，均匀度随d改变的变化速率越快。
4）建立开断电弧三维模型，分析了外加磁场的磁吹方向对电弧运动的影响，得出通过改变永磁体的安装位置和充磁方向可以实现单方向吹弧，从而实现触头无极性连接方式。分析了吹弧磁感应强度的增大可以加快电弧熄灭，并提出一种能够提高吹弧磁感应强度的方法。
本文编自2022年第6期《电工技术学报》，论文标题为“高压直流继电器磁吹系统的建模与设计”。论文第一作者为苏伟龙，1994年生，硕士，研究方向为电器及其智能化技术。通讯作者为许志红，1963年生，教授，博士生导师，研究方向为电器及其智能化技术。本课题得到了福建省2018科技创新领军人才资助项目的支持。
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2022年9月16-18日 重庆市
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