技术演变:适用于HVdc 设备的PPTC 消弧连接器

日期:2011-12-29

  作者:Robert Cid,电路保护部工程经理,TE

  在更多的应用中和更高的功率水平下,用连接器和开关实时接通和分断直流电源正变得越来越重要。

  高电压直流(HVdc)应用的出现和成长——比如电动和混合动力汽车、光伏发电系统、高密度IT服务器集群和电信中心——正驱动着对新型连接器解决方案的需求。在过去的十年,在这些更高功率等级的接通和分断实时连接中,一些技术已经跟上了相关挑战的步伐。

  例如,用于电话通信市场中的各种冗余热插拔电源原来是同传统的连接器设计一起开发的,这些设计中包括可牺牲的触点部分和足够的接触面积以防止带给设备潜在的、灾难性的破坏。但是当汽车市场准备转向42V 直流系统时,这些传统的方法就被发现具有不足之处。电弧仍然是一个不可避免的、潜在的破坏性条件,仅仅一个实时断路就可能会破坏连接器。

  热插拔的各种危害

  电信和网络行业中率先在其系统中实现了热插拔技术,热插拔是指在没有事先关闭系统电源的情况下,插入或者移除一块适配卡、插入板或者一些其他设备的行为。许多热插拔应用都是温和的,因为其电路通常设计成最大限度的减小峰尖和浪涌电流。连接时只在主电路上产生少量电流,然后电子设备和继电器被激活,允许工作电流通过主电路。然而,许多高压直流应用都很容易受到现场断开形成电弧等离子体的影响。

  尽管对一台连接在危险线路电压的设备进行连线接通或分断的安全规程是由维修人员制定和遵守的,但是热插拔互连技术发展致力于最大限度地减少安全隐患和维持系统的可靠性。

  试图打开一个感性电路往往会在触点之间形成一个电弧。在一个已经上电的电路中,电感变成了一种“存储”能量的方式,其存储的能量会在触点断开和电流瞬变时释放,随后出现的峰值电压可能比系统电压高得多。

  较低的电压是不会发生跳变的,当然这是在加上电压之前,中断一个现有的电流常常会引起低电压火花或者电弧。当触点被分开后,触点的一些尖点则成为最后分离之处。电流被束缚到这些小的热点上导致它们放射电子。电离的空气和金属蒸汽形成等离子体,暂时连接了正在不断扩大的间隙。如果电源和负载有足够的电流通过,则可能形成一个自持电弧。在一个现场断开中,如果连接触头之间建立的潜在电位差足够大,则触点可能会损坏。

  图1 显示一个继电器先加上了24V直流电然后断开的测试结果。线圈电感产生的电压尖峰是- 260V,这通常是断开时的实际电压。

  随着电流的增大,一个电弧两端的电压会下降。电气设备中无意的电弧可能造成危害,这是因为一旦引起哪怕是一个小电弧,如果此时有足够的电流则电弧将会增长,并可能导致设备损坏,并造成一次潜在火灾危险。如下的现场断开中,该过程可能导致连接器融化的结果:

  图1 :在一个24Vdc 电感电路中,触点分离时产生的一个大的尖峰电压。

  图2 :PPTC 器件有助于在断开电路产生等离子弧事件时限制电流。

  • 初始低电阻消失,然后正常压力减少,接触电阻增加。

  • 在即将分开的两个触点间形成一个熔化金属桥接。

  • 桥接爆炸性地汽化,以容易电离的金属蒸气填补空隙。

  这些行为可能会损坏触点接触面,如果有足够的电压,在空隙里可形成导电等离子体,它在其持续的时间内将汽化附近的任何材料。因此一个快速关断,可以帮助减少电弧的影响。

  新的消弧连接器技术

  TE 电路保护部近期开发一种新的高压直流输电连接器解决方案,它可以帮助减轻等离子弧的影响。在此设计中,接地触点首先用于保证安全;其次,牺牲触点用于与电源触点并联,最后才是电源触点。连接器外壳的设计也包含了可加速匹配操作次序用于灭弧的特性。

  该连接器还集成了一个可复位的PPTC 器件来抑制电弧。由于连接的断开会在连接器上引起大的压降,因此可能会引起一个大的等离子电弧。如图2所示,通过与连接器并联放置的PPTC器件,当连接器断开后电流会继续流动直到PPTC 器件升温并进入一个高阻态的状态。这限制了电流而且提供一种更安全的断开方法。

  图3 显示了在一次带有550Vdc、20A 的测试中,一个等离子电弧对两个光伏连接器产生的影响。采用了PPTC消弧器件的连接器经得住测试并保持可用性,而没有采用PPTC 器件的连接器则已经损坏。

  PPTC 器件的工作原理

  PPTC 电路保护器件广泛地应用于汽车、便携式电子、多媒体、电信和数据通讯等应用,有助于设备免遭过流和过温情况引起的损害从而得到保护。如图4 所示,PPTC 器件是由半晶状聚合物和导电微粒复合组成的。在正常工作温度下,导电微粒在聚合物中构成低电阻的网格。

  图3 :在带有和没有消弧器件的条件下,等离子电弧对高压直流输电连接器的不同影响测试。

  图4 :PPTC 器件以从低阻态转向高阻态的响应方式,帮助在过流或过温条件下保护电路。

  然而,不论因为通过器件的电流升高或者或因为环境温度升高,当温度高至器件的开关温度(TSw)时,聚合物内的晶状体将熔化并变成非晶状。晶状体的熔化过程中其体积将增加,迫使导电粒子形成分离,从而导致器件电阻出现一个大的、非线性的增加。

  电阻通常会增加三个或者更多的数量级,这些增加的电阻可通过把故障情况下的电流大小降低到低的、稳态的水平,从而保护电路中的设备的。器件将保持其在锁定状态或高电阻位,直到故障被清除和电路的电源被移除—— 此时导电复合材料已冷却并再次结晶,从而恢复了PPTC 呈低电阻状态,电路和受到影响的设备也恢复到正常运行情况。

  基于一项早先的技术,TE 电路保护部已经以高压直流输电连接器的形式为这项技术开发出各种新的应用。实验室测试已经证明:PolySwitch™ PPTC 器件在550Vdc 及20A 的情况下,可以通过数千次的周期循环。这些连接器可适合各种380VDC 应用,如目前正在开发中的光伏发电系统和电动汽车。

  总结

  在更多的应用中和更高的功率水平下,用连接器和开关实时接通和分断直流电源正变得越来越重要。新的互连技术的开发重点是限制潜在的安全隐患,并增强在这种环境下的互连可靠性。可复位的PPTC 器件已广泛用作过热和过流保护装置,目前已在高压直流输电连接器中用作消弧的单元。

  www.te.com.cn

订阅我们的通讯!

电子邮件地址