高壓直流繼電器之所有越來(lái)越多行業(yè)和場(chǎng)景中有所應(yīng)用，是因?yàn)?/span>近年來(lái)，隨著新能源電動(dòng)汽車(chē)逐漸興起，驅(qū)動(dòng)配電系統(tǒng)，原本主要在電力行業(yè)以及**、航天行業(yè)應(yīng)用的高壓直流繼電器，高壓電器是相對(duì)于24V、48V低壓配電系統(tǒng)而言。低速電動(dòng)車(chē)有些選擇60V和72V系統(tǒng)的電源配置，一般高速乘用車(chē)電壓都在200V以上，大巴更是可以達(dá)到600V以上。滿(mǎn)足這個(gè)電壓階段使用要求的繼電器，被稱(chēng)為高壓直流繼電器。

高壓直流繼電器，壽命包括機(jī)械壽命和電壽命兩個(gè)參數(shù)。機(jī)械壽命的影響因素包括觸頭觸點(diǎn)材質(zhì)、合分機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及制造水平等。電壽命的瓶頸主要在觸頭壽命。

一、磁場(chǎng)吹弧對(duì)高壓直流繼電器觸頭電壽命的影響

磁場(chǎng)的磁吹是利用永磁鐵或者電磁鐵產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)，磁場(chǎng)與電弧相互作用的方向是將電路拉向遠(yuǎn)離動(dòng)靜觸頭的方向。

隨著動(dòng)觸頭的快速運(yùn)動(dòng)和磁吹作用的施加，電弧被拉長(zhǎng)，弧阻迅速增加，使得電弧電流急劇下降，電弧的熱效力隨之下降。介質(zhì)電離程度隨著溫度的下降而下降，電弧通道的導(dǎo)電能力下降。如果在拉弧的同時(shí)，在電弧向外移動(dòng)的過(guò)程中，配合其他切割電弧、冷卻電弧的手段，則電弧會(huì)更快的熄滅。

減少燃弧時(shí)間，是對(duì)觸頭的重要保護(hù)手段。好的磁吹設(shè)計(jì)，必然能夠延長(zhǎng)繼電器的壽命。磁吹，已經(jīng)在空間要求不太敏感的大功率繼電器、接觸器中廣為應(yīng)用，而在小型繼電器中，只是個(gè)別產(chǎn)品設(shè)計(jì)了類(lèi)似裝置。

二、環(huán)境氣壓對(duì)高壓直流繼電器觸頭電壽命的影響

為了縮短燃弧時(shí)間，除了使用上述磁吹手段拉弧以外，狹小空間內(nèi)滅弧常常使用的方法還有，改變觸頭合分環(huán)境，給密封的滅弧室充入電離能高的氣體或者將滅弧室抽真空。

1. 高壓氣體電弧成因

電離能，氣態(tài)原子失去電子，變成陽(yáng)離子的過(guò)程中，必須克服原子核對(duì)電子的吸引力，也就是將電子從原子軌道上拉出去成為自由電子的能量，就是這種元素的電離能。電離能越高，原子越不容易被電離，不容易變成陽(yáng)離子，金屬性越弱；相反則容易失去電子變成陽(yáng)離子，金屬性越強(qiáng)。在元素周期表中，電離能最高的是氦元素，因此氦氣可以被充滿(mǎn)密封滅弧室，提高繼電器滅弧的能力。

有很多研究解釋高壓氣體環(huán)境下的燃弧成因，一般觀點(diǎn)如下。高壓氣體腔內(nèi)，燃弧分兩個(gè)階段進(jìn)行。陰極觸頭在溫度或者電壓作用下，向外發(fā)射電子，被陽(yáng)極接收到，形成第一步擊穿；電弧的初步形成，帶來(lái)了高溫和電離氣體陽(yáng)離子，電弧的離子通路進(jìn)一步擴(kuò)大，形成更大規(guī)模的電弧。

2. 真空電弧成因

真空條件下，已經(jīng)沒(méi)有可供電離的介質(zhì)，燃弧的難度很高，但仍然可以燃弧。在動(dòng)靜觸頭分離的瞬間，觸頭上的金屬氣化，形成金屬離子通道，電弧在通道內(nèi)形成。關(guān)于如何形成了這樣一個(gè)離子通道，有幾種不同的解釋。

第一種解釋高溫發(fā)射電子理論，認(rèn)為陰極觸頭上存在著原始的缺陷，稱(chēng)為斑點(diǎn)。認(rèn)為斑點(diǎn)位置電阻比較大，通電過(guò)程中局部溫度比較高。在動(dòng)靜觸頭將要分離的時(shí)候，高溫部分發(fā)射電子到陽(yáng)極，初步形成電弧，電弧燃燒，觸頭材料氣化，進(jìn)一步形成金屬蒸汽，進(jìn)而形成真空中電??；

第二種解釋場(chǎng)致發(fā)射理論，認(rèn)為當(dāng)動(dòng)靜觸頭之間的外加電壓足夠高時(shí)，陰極就具備了發(fā)射電子的能力。當(dāng)動(dòng)靜觸頭即將分開(kāi)的瞬間，相互之間一般會(huì)存在最后接觸位置，且這個(gè)面積極小。場(chǎng)致發(fā)射的電子流通過(guò)這個(gè)極小的面積流向陽(yáng)極，巨大的電流密度在陰極和陽(yáng)極上都產(chǎn)生了劇烈的熱效應(yīng)，使得融化從那一個(gè)點(diǎn)開(kāi)始逐漸擴(kuò)散至整個(gè)觸頭，觸頭表面融化，產(chǎn)生金屬蒸汽。更好的電離環(huán)境致使電子流的規(guī)模擴(kuò)大，形成真空電弧。

3. 真空度：一般情形，真空度越高，越不容易被擊穿，越難以形成電弧。在理想的狀態(tài)下，介電強(qiáng)度能夠達(dá)到每0.1毫米10000V水平。但當(dāng)真空度達(dá)到一定水平以后，進(jìn)一步的提高將對(duì)降低擊穿電壓沒(méi)有幫助，如上面曲線(xiàn)所示，體現(xiàn)了真空度與擊穿電壓的關(guān)系。擊穿電壓越低，電弧越容易形成，并且越容易維持，也就是燃弧時(shí)間越長(zhǎng)。真空度用氣壓直接衡量，氣壓越低真空度越高。

4. 真空密封滅弧室：獲得真空滅弧室，需要良好的材質(zhì)和密封技術(shù)去實(shí)現(xiàn)。陶瓷密封和樹(shù)脂密封滅弧室，兩種密封滅弧室技術(shù)路線(xiàn)正在同時(shí)使用，誰(shuí)也沒(méi)有取得明顯的優(yōu)勢(shì)。

陶瓷密封滅弧室，利用陶瓷的耐高溫特性，電弧溫度極高（中心可以達(dá)到5000℃），一般材料承受不了這樣的溫度，而陶瓷恰好可以滿(mǎn)足這個(gè)要求。但陶瓷實(shí)現(xiàn)密封，技術(shù)難度比較高。

樹(shù)脂材質(zhì)的滅弧室，密封工藝性遠(yuǎn)好于陶瓷，但其耐高溫特性不足。

三、機(jī)械參數(shù)對(duì)觸頭電壽命的影響

與觸頭電壽命相關(guān)的結(jié)構(gòu)參數(shù)包括：觸點(diǎn)面積，分?jǐn)鄼C(jī)構(gòu)，觸頭接觸壓力等。

觸點(diǎn)面積，動(dòng)靜觸頭較大的接觸面積，可以給電流提供更大的通路，減少接觸電阻，降低溫升。當(dāng)繼電器閉合或者分?jǐn)鄷r(shí)，小型燃弧帶來(lái)的熱量，觸點(diǎn)越大越容易散發(fā)出去，從而降低觸點(diǎn)融化的風(fēng)險(xiǎn)。

分?jǐn)鄼C(jī)構(gòu)，是繼電器設(shè)計(jì)之中的另一個(gè)技術(shù)要點(diǎn)。機(jī)構(gòu)自身有穩(wěn)定的動(dòng)作周期，從出發(fā)到最終運(yùn)動(dòng)到開(kāi)距最大位置需要的時(shí)間，直接影響燃弧時(shí)間。

動(dòng)靜觸頭的接觸壓力，動(dòng)靜觸頭之間始終存在著接觸電阻，接觸壓力越大，電阻越小。較大的接觸壓力，能夠降低繼電器正常工作狀態(tài)下的電損耗和溫升；觸頭表面比較小的破損或者凸起的毛刺，在較大的壓力下，不會(huì)產(chǎn)生明顯的不良影響，并且在多次合分后，觸頭之間的沖擊力會(huì)抹平這些小瑕疵。

四、滅弧室的密封性

真空滅弧室不可能達(dá)到絕對(duì)的密封，殼體焊縫等都存在著漏氣的可能。在其設(shè)計(jì)指標(biāo)里已經(jīng)包含了一個(gè)允許的漏氣系數(shù)，慢性漏氣是不可避免的。加之，繼電器在電動(dòng)汽車(chē)上使用，隨時(shí)隨地的劇烈震動(dòng)環(huán)境，也嚴(yán)重考驗(yàn)著密封質(zhì)量。

隨著進(jìn)入密封腔的空氣越來(lái)越多，以及殼體密封性越來(lái)越差，滅弧室內(nèi)的真空度逐漸降低，滅弧能力也會(huì)逐漸變差，這是影響繼電器壽命的一個(gè)重要因素。