1 270V直流電源的由來

1.1 飛機直流電源的演變

        自二戰以來，飛機一直采用直流電源，但是多年來，機載發電和配電卻一直限制在28 V直流。當20世紀60年代初期大型商用客機升空飛行時，對電功率的需求開始增大，為避免28 V直流發電機和電纜的笨重，飛機開始采用115V電壓，400Hz交流電源。但是交流電源本身具有缺陷，例如采用多曲柄式發動機的飛機需要多個發電機，由此產生了問題：或者調整發電機頻率，或者采用交流電源，但都不是最好的方案。而直流電源是恒定的，不需要電源同步裝置，因此除了在航空領域以外，燃料電池、太陽能動力系統及電動與混合動力汽車等應用領域也在逐步轉向高電壓直流電。

        飛機上不重要的系統仍用交流電壓，但是交流電壓不能滿足EHA(電動靜液作動器系統)等系統的要求，EHA要求功率傳輸足夠穩定且受控程度高。飛機電功率越高，則對高電壓直流的依賴性越強。

        直流電源對于飛機還具有一個額外的優勢：如果主電源發生故障，則機載電池可用作備用電源。直流電源可用于給機載電池充電，而不需像過去要求的那樣，將電壓由直流轉換為交流。

1.2 270 V直流電源興起

        飛機上傳統的液動和氣動子系統，笨重、維護頻繁且(在戰斗中)易損壞，新型飛機設計正在逐漸放棄這種系統，轉而支持電動靜液作動器系統(EHA)。EHA是增強飛機性能的控制系統，它融合了電氣和液壓動力，同時去除了飛機傳統控制系統所需的幾英里長的管道、泵和閥。這種系統通常內置有檢測能力，并且所需要的維護大大低于液動和氣動系統。這對于商業運輸機，意味著停工時間的縮短，對于軍用飛機，則意味著后勤人員減少。

        襟翼和副翼等操縱面的電氣要求極為苛刻，但是其它子系統也要求更高的電功率，例如直升飛機上機艙內空調和防凍動葉片。所有這些合計起來對電功率的需求更大。但問題是如何使長期以來適合地面應用的對重量或尺寸不敏感的高電壓直流功率適應于飛機。為適應取代液壓和氣壓系統的EHA而采用按比例增大AC的技術，并不是可行的方案，比如波音737，向EHA轉換并充分增大每通道60 kVA固定頻率，將可能導致功率的產生和分配更難且更昂貴。可行的方案是采用270 V直流電源(從可變頻AC發電機衍變而來)。270 V直流電源能更有效的實現這一較高的電氣要求，因此飛機引擎需要的總能量較少。270 V直流電源使得導線更小，顯然高電壓直流有利于優化飛機的功率與重量之比。

        目前國際空間站、F-22戰斗機已采用270 V電源；F-35聯合攻擊戰機在逐步采用270 V直流電源；在商用領域，波音787已更大規模的采用這種電源，而空客A380正在將高電壓直流推入商用市場，未來在設計階段的飛機也將采用270V直流，甚至更高電壓的直流，這一趨勢很明顯。

2 270V直流電源對接觸器提出的技術挑戰

        切換直流電時產生的任何電弧必須以某種方式熄滅。電壓越高，則滅弧越困難，切換交流時，則不存在這一問題，因為每次循環，電壓過零，任何電弧將迅速自動熄滅。高電壓直流的大部分地面應用不必面對這一問題，因為在管理更高的電壓時，不必考慮接觸器的重量和尺寸。輕軌系統可采用戶外式接觸器，非密封，且允許電弧放電產生的熱量。這類接觸器大而重，由于采用滅弧室，即隔板，將電弧分解進金屬板，降低電壓。

        飛機用接觸器類似于電氣繼電器，但體形較大，且過載額定值較高，可滿足大部分關鍵的飛機元件要求。這類接觸器必須嚴格控制和密封電弧，防止干擾，但除此之外，還必須在可接受的熱量條件下進行直流切換，并且還應形狀小、重量輕、價格合理。

3 270V直流接觸器傳統解決方法

        飛機用接觸器必須予以密封以防止電氣泄漏和干擾，必須隔離電弧和移動電弧的磁鋼。傳統上采用兩種方法：一種解決辦法是生成一種密封的陶瓷切換室如圖1所示。其特點是陶瓷封裝殼體-成本高、體形大、不易成形，它適合壓力高的內部氣體來優化切換。主銜鐵無輔助觸點，線圈節能器必須在密封殼的外部。國際空間站用接觸器，其制造所需要的陶瓷材料可以密封所有類型的伴有電弧的氣體，其中包括氫，氫是中斷高壓直流電的最好氣體見表1。

圖一 密封陶瓷切換室

  表1 用于切換應用的氣體與觸點材料性能比較

        但陶瓷的成本可能無法使人接受，它最初采用半流體形式，因此可能難以制作一個精密成形的腔室來控制電弧。

        另一種方案是環氧密封接觸器，如圖2所示，其特點是環氧密封件體形大，但牢靠性、溫度額定值低，不能用氫氣優化切換；主銜鐵無輔助觸點，線圈節能器在密封殼的外部；在控制電弧的部位采用高溫塑料。

        盡管這種類型接觸器便宜得多，但本身有缺點。密封性能不如陶瓷，這種接觸器不能采用氫氣，氫氣為270 V直流電源管理提供了最佳的切換環境。環氧密封的溫度受到限制(被限制在約150℃)，并且在嚴重的過流情況下易發

圖二 環氧密封接觸器

4 270V直流接觸器的EPIC技術

        EPIC是“高性能密封陶瓷”的簡稱，它是一種新型密封技術，采用這種技術制成的接觸器同時具有陶瓷高溫密封能力和高溫塑料低成本控制電弧的優點，如圖3所示。EPIC的特點是采用陶瓷引出端，成本低、牢靠、額定溫度高、內部可采用高壓氣體來優化切換；主銜鐵有輔助觸點，線圈節能器設在密封殼體內。它允許采用高壓氣體，且保持小尺寸和輕重量。美國著名的飛機電氣元件和設備制造商-Leach International公司和高壓繼電器制造商-GIGAVAC公司，通過聯合開發，已經率先將這種新型密封技術成功應用于高電壓接觸器。

圖三 新型高性能EPIC技術

        采用EPIC技術的高電壓直流接觸器，含一個陶瓷引出端，引出端熔焊于內含高溫塑料的用于控制電弧的金屬罩。采用EPIC技術的接觸器雖然不需要厚環氧層，但其密封性能足以容納氫氣等高壓力氣體。

5 EPIC技術的優勢

        采用EPIC技術的高電壓直流接觸器具有全陶瓷接觸器的所有優點，但其重量不及后者的一半，成本約下降十分之一。具體而言，與其它高電壓接觸器相比具有下列優勢：

        (1)密封的切換腔室受控環境中的惰性氣體不會導致氧化，因此可采用低電阻的銅觸點。由于銅的電導率極佳，因此接觸器可制作得更小、更輕，且與其它金屬相比，可以較低的線圈功率工作。

        (2)接觸器的陶瓷密封與環氧相比泄漏低，這意味著所有類型的氣體，包括極需的氫氣可用于大電流的切斷。還可以組合應用不同的氣體和觸點材料以適應難度大的切換應用。

        (3)與采用環氧密封的接觸器相比，具有更高的溫度額定值，最初的EPIC技術產品額定值為175 ℃，但是引出端完全可達到25 0℃，且對密封無損壞，即無失效的危險。

        (4)由于溫度額定值高，如果下游斷路器在非正常的過流條件下發生失效，則接觸器失效或起火的危險大大下降。

        (5)密封件較薄，為接觸器內置的雙擲輔助觸點和雙線圈節能器(當需要 時)留下了空間。(對于環氧密封接觸器，輔助觸點則是一個次要的驅動微型開關，節能器位于腔室外)。

        (6)除了線圈效率提升之外，雙線圈節能器可用于增加觸點壓力，從而獲得額外的觸點載流能力。

6 結語   

        新型軍事裝備、軍用飛機和航天器采用270 V及其更高電壓的直流電源已成為一個明顯的發展趨勢。高性能、高可靠的接觸器對于270 V直流電源的應用十分重要。采用EPIC技術的新型270 V直流接觸器成功地解決了電弧、干擾、重量、成本等難題，目前已通過了嚴格的鑒定試驗。這種接觸器滿足所有軍用和宇航標準。根據聯合開發EPIC接觸器的兩家公司介紹，采用這種新型接觸器的首個飛行器是無人機(UAV)。除了用于飛機外，270 V直流接觸器的潛在應用還包括導彈、海軍艦艇乃至美國陸軍混合動力多用途輪式車輛。（轉自中國電科40所）