晃电故障下交流接触器的工作特性分析

1、第31卷 第24期 2011年8月25日 中 国 电 机 工 程 学 报Proceedings of the CSEE Vol.31 No.24 Aug. 25, 2011(2011) 24-0131-07 中图分类号：TM 57 文献标志码：A 学科分类号：47040 文章编号：0258-8013晃电故障下交流接触器的工作特性分析林抒毅，许志红(福州大学电气工程与自动化学院，福建省 福州市 350108)Performance Characteristics of AC Contactor During Voltage SagLIN Shuyi, XU Zhihong(School of E

2、lectrical Engineering, Fuzhou University, Fuzhou 350108, Fujian Province, China)ABSTRACT: Electromagnetic contactor is a kind of widelyused electric product. When the voltage drops suddenly, the contactor will be open or closed frequently, and the circuit will be influenced seriously. Based on the r

3、esearch of CJ20-63A contactor dynamic equations were established during closing, closed and opening processes; the movement process of the moving contact and the bounce of the contacts were considered at the meantime. The experimental data shows the model is correct. Simulations were carried out wit

4、h respect to different working states and various closing phase angles. Influences of the range, duration and occurrence time of voltage drop, and the variation of voltage phases on performance characteristics of contactors were analyzed; the result indicates that the influences of voltage sag on th

5、e contactor are related to the closing time directly in the closing process; and a critical time value should be considered after the contactor is closed. This research provides the basic for the further study on the intelligent AC contactor with anti-voltage sag.KEY WORDS: voltage sag; AC contactor

6、; performance characteristic; bounce of the contacts摘要：电磁式交流接触器是一种应用广泛的低压电器产品，当晃电故障发生时，交流接触器可能因为不稳定电压而频繁接通或分断，对系统造成很大的影响。论文以CJ20-63A交流接触器为研究对象，建立考虑触头运动情况的电磁机构吸合过程、吸持阶段以及释放过程的磁路动态计算方程，并通过实验验证了模型的正确性。针对不同的合闸相角和工作状态进行仿真，分析了发生晃电故障时电压下降幅度、晃电故障持续时间、晃电故障发生时刻及电压相角变化对接触器工作特性的影响。结果表明，吸合阶段的晃电影响与吸合时间有直接关系，吸合以后的

7、晃电故障影响存在临界时间的问题，为进一步研制抗晃电智能交流接触器奠定了相关基础。 关键词：晃电；交流接触器；工作特性；触头弹跳基金项目：福建省自然科学基金项目(2011J01295)。 Fujian National Science Foundation Project (2011J01295).0 引言随着社会的发展和技术进步，新技术产业不断出现，电力用户比以往任何时候都更加关注电能质量的问题。对于大型钢铁、石化及化工企业等，由于电网质量问题引起电机故障所造成的经济损失影响巨大1-2。电力系统在运行时会遇到多种故障，由于雷击、短路故障重合闸、企业外部或内部电网故障、大型设备起动等原因，造成电

8、压瞬间较大幅度地波动或者短时断电又恢复，这种现象称为晃电故障3。电磁式交流接触器是一种应用广泛的电器产品，用来接通或断开带负载的交流主电路或大容量控制电路。当电路发生晃电故障时，交流接触器可能会因为不稳定电压而频繁接通或分断，将对电路造成很大的影响。目前抗晃电的方法主要有以下4种：1）应用断电延时继电器、电机再起动器等。该种保护下，接触器线圈电压受到晃电故障的影响，工作特性将改变，触头断开。该方法控制回路原理复杂，且电机再起动器的成本很高。2）采用储能延时元件，为接触器线圈在晃电故障期间继续提供能量，保证主触头的吸合，接触器的工作状态不发生改变。此种抗晃电方式选型不灵活、选择范围小，并将增加控

9、制线路的复杂程度。3）应用延时锁扣头装置，在接触器吸合后线圈转入省电模式，靠锁扣头锁扣作用保持主触头的接通。晃电故障发生时接触器的工作特性发生变化，由于锁扣头的作用，接触器触头不断开，工作状态没有改变。但这种锁扣头只能与专门设计的特殊接触器配合使用，并且锁定的主触头在断电的情况下断开需要独立的电源，在大于170 A的接触132 中 国 电 机 工 程 学 报 第31卷器时，并没有与之配套的锁扣装置。4）采用双电源供电方式。晃电故障时，接触器线圈电压不变，接触器的工作特性没有变化。这种方法成本高、线路复杂4。目前新型的智能交流接触器，主要由接触器本体和智能控制模块组成，智能控制模块实时采集电源电

10、压，当电源电压达到规定最低吸合电压时，控制接触器吸合，当电源电压低于最低吸合电压时，控制接触器断开。按照国家标准规定，交流接触器操作机构应在85%额定电压下可靠吸合，一般工厂为了保证接触器在低电压下可靠工作，把电磁机构的最低吸合电压设计在70%75%额定电压5。晃电故障导致电源电压下降到接触器最低吸合电压以下时，接触器断开。因此，不论是普通电磁式交流接触器还是智能交流接触器，产生晃电故障而导致电压下降到最低吸合电压时，接触器均会断开。由于电磁式交流接触器多应用于低压系统，抗晃电保护措施还未得到广泛的应用，常用的抗晃电接触器依靠在接触器本体上增加储能延时模块来躲过晃电故障，并没有针对晃电故障导致

11、的接触器运行机理发生变化进行分析，从而没有从根本上解决晃电故障对电磁式交流接触器的影响。本文通过计算CJ20-63A交流接触器的吸合过程、吸持阶段以及释放过程晃电故障的影响，在动态计算模型中，加入了触头运动的数学模型，仿真得到铁心和触头的运动过程，触头模型同时考虑了闭合过程中的触头弹跳。分析了晃电故障对交流接触器工作特性的影响。环、反力弹簧、动静触头及动静铁心等几部分组成。接触器有3种状态：吸合过程、吸持阶段和释放过程。以往对于接触器电磁机构的分析和计算过程大多局限于交流接触器的吸合过程。文献6-13通过仿真计算，分析了接触器在吸持状态下发生晃电故障对接触器电磁机构动态特性的影响，但没有将晃电

12、故障对触头系统以及主电路的影响考虑在内。而关于起动阶段发生晃电故障对交流接触器工作特性的分析，未见相关报道。晃电故障对交流接触器工作特性的影响体现在接触器由吸持状态转向释放状态的过程之中。交流接触器的释放过程根据触头与铁心的状态分为2个阶段：1）动静铁心已经分开，动静触头仍然闭合；2）动静铁心以及动静触头均已分开。接触器触头的运动状态决定主电路是否断开。触头闭合瞬间，动静触头碰撞，发生弹跳14。弹跳结束后速度降为0，铁心继续运动，使触头可靠吸合。假设动触头的质量为m1(忽略弹簧的质量)，以速度v1撞向静触头，忽略摩擦和介质阻力，则动触头刚与静触头碰撞前所具有的动能为m1v12/2。碰撞后，动触

13、 头的动能转变成触头表面材料变形的位能，当弹性形变恢复时动触头发生反弹，假设动触头反弹的速度为v2，反弹的初速度为v20，由于触头材料不是理想弹性体，在碰撞压缩变形时总有一部分能量消耗在材料的塑性形变上，设塑性形变消耗的能量为WA，则根据能量守恒定律，可以得到：1 交流接触器的数学模型本文以CJ2063A交流接触器为本体建立数学模型。CJ20系列交流接触器是一种单U型的接触器，其组成部分如图1所示。接触器由线圈、分磁112m1v12=m1v20+WA (1) 22令v1= v20，其中为触头材料的弹性系数。整理式(1)可以得到：11WA=(12)m1v12=Km1v12 (2)22式中K=(1

14、2)，为触头材料的恢复系数。以往触头材料一般选用AgCdO，AgCdO材料具有优良的抗电弧侵蚀性、抗熔焊性和较低的接触y电阻，长期以来被认为是最好的电接触材料，但镉(Cd)有毒性，影响人体健康，现已开发出AgSnO2、AgZnO、AgCuO和银稀土氧化物等无毒的新型电接触材料15。银合金材料通常取K=0.81。通过 式(1)、(2)可以得到触头反弹时的初速度v20。动、静触头反弹后的受力情况如图2所示。图1 接触器结构图Fig. 1 Structure of the AC contactor第24期 林抒毅等：晃电故障下交流接触器的工作特性分析 133210vcX图2 动静触头接触时受力分析图

15、 Fig. 2 Force analysis when contacts closed动静触头反弹后受到的力有3个部分组成：触头的预压力F0；碰撞后动触头反弹压缩弹簧产生的力F1；碰撞后铁心继续运动压缩弹簧产生的力F2；则动触头的动力学微分方程为图3 接触器工作状态仿真图Fig. 3 Simulation of contactor in working state压；v为动铁心运动速度；vc为动触头运动速度；X为动铁心位移；Xc为动触头位移。区域IIII表示接触器吸合过程，其中，区域I表示接触器触动阶段，在该阶段铁心尚未开始运动；区域II表示接触器吸合运动阶段，该阶段电磁吸力开始大于弹簧反力，

16、铁心开始运动，并带动动触头向静触头运动，动静触头还未闭合；区域III接触器触头闭合，铁心尚未闭合，为了保证接触器可靠吸合，铁心继续运动直至走完超程。区域IV表示接触器吸持阶段，在该阶段接触器可靠吸合，机械运动过程结束。区域d2xm12=F2+F1+F0dtF=cx(3) 00F=cx11F2=cx2式中：x为触头位移；c为弹簧刚度；x0为触头弹簧预压常数；x1为动触头反弹后压缩弹簧的位移；x2为动静触头碰撞后动铁心继续运动压缩弹簧的 位移。触头发生弹跳时，铁心与触头之间靠弹簧连接，二者之间不再是刚性连接，铁心同时也受到触头反弹产生的力的作用，得到的动态方程如下：VVII表示接触器释放过程，其中

17、区域V表示接触器开释阶段，该阶段由于电磁吸力大于弹簧反力，铁心仍然闭合；区域VI、VII表示返回运动阶段，区域VI中，电磁吸力开始小于弹簧反力，铁心开始断开，交流接触器仍然处于闭合状态；区域d=UiRdtdvFxFfF1(4) =tmd2dx=vdt式中：为电磁系统全磁链；t为时间；U为线圈励磁电压；I为线圈电流；R为线圈电阻；v为运动速度；m2为接触器可动部分的质量；Fx为运动吸力；Ff为运动反力；F1为动触头弹跳引起的对铁心的作用力，F1与F1是一对作用与反作用力，二者大小相等，方向相反。当触头稳定闭合后，F1将消失。根据以上数学模型计算出CJ2063A交流接触器的吸合过程、吸持阶段和释放

18、的过程工作特性，如3图所示。图3中，电压为0时合闸，i为电流；u为电VII中，触头开始运动，接触器真正断开主电路。2 模拟仿真与验证为了验证建立模型的正确性，实验得到交流接触器在吸合过程、吸持阶段以及释放过程中铁心、触头、线圈电压和线圈电流信号，与仿真得到的数据对比如图4所示。图4(a)为接触器吸合过程以及吸持阶段的动态特性，图4(b)为接触器吸持阶段以及分断过程动态特性。图中实线为实验所测数据，虚线为仿真得到数据。从图4(a)、(b)可以看出仿真与实验得到的波形变化规律相同。将部分实验数据与仿真结果列于表1。从表1可以看出，所建立的动态仿真计算模型能够真实的反应触头与电磁机构的运行状况。13

19、4 中 国 电 机 工 程 学 报 第31卷信号/V晃电故障持续时间t、晃电故障发生时刻t(对应电源电压相位为)以及晃电故障导致电压相位变化量这4个方面16-19。从以上几个方面对晃电故障发生时接触器的工作特性进行仿真，得到接触器在吸合过程以及在吸持阶段发生晃电故障的工作特性。t/ms(a) 接触器吸合过程与吸持阶段仿真实验数据对比信号/Vt/ms(b) 接触器释放过程仿真与实验数据对比3 晃电故障对接触器吸合过程工作特性的影响对于交流接触器，合闸相角不同接触器的工作特性有很大不同。不同合闸相角下发生的晃电故障对交流接触器工作特性有很大影响。通过仿真计算能够找到晃电故障对接触器工作特性影响最大

20、的合闸相角。通过大量的仿真计算，得出不同合闸相角下交流接触器的动态吸合过程。由仿真得到：合闸相角=10°时接触器动作时间td=19.7 ms；=80°时，td=35.2 ms。交流接触器的吸合过程可以分为2个阶段：触动阶段和吸合运动阶段。触动阶段铁心还未开始运动，在这个阶段发生晃电故障不会导致接触器出现合闸分闸再合闸的现象，晃电故障将导致接触器动作时间增加；在吸合运动阶段，铁心开始带动触头运动，该阶段发生晃电故障可能导致3种状态：触头信号；铁心信号；电压信号；电流信号。图4 接触器动态过程仿真与实验数据对比 Fig. 4 Data contrast of simulatio

21、n and test表1 实验与仿真数据对比表Tab. 1 Data comparison of test and simulation过程实验值/ms t触t铁仿真值/ms t触t铁相对误差/% t触t铁吸合过程 15.2 16.4 14.4 16.9 5.26 3.05 分断过程 14.2 10.0 15.6 10.7 9.86 7.00 注：t触为触头动作时间；t铁为铁心动作时间。在接触器吸合过程和吸持阶段发生晃电故障 有可能导致接触器在很短的时间内2次合闸，将对电路造成很大的影响。以下讨论不同阶段发生晃电故障对接触器工作特性的影响。晃电故障发生时电压的变化情况如图5所示。电压/V0.0

22、21）触头还未闭合前就已经弹开，晃电故障恢复后接触器继续吸合，整个吸合过程接通主电路一次；2）触头闭合后还未弹开晃电故障恢复，虽然晃电故障导致接触器铁心断开，但接触器触头未断开，整个吸合过程接通主电路一次；3）晃电故障持续触头闭合后又弹开，晃电故障恢复后，时间t较长，接触器继续吸合。在工作状态1）、2）下，接触器吸合过程只接通主电路一次，晃电故障影响了接，接触器在触器的动作时间，而对于工作状态3）t/s短时间内闭合断开闭合电路，有可能对电路造成危害。状态2）、3）之间，存在一个临界时间图5 晃电故障发生时电压波形 Fig. 5 Voltage waveform of voltage sagt临

23、，当晃电故障时间t<t临时，接触器处于第2种情况，当t>t临时，接触器处于第3种情况。以下讨论不同晃电故障对吸合运动过程中交流接触器的影响。图5中，合闸初相角为，晃电故障发生时刻为t1，此时电压相角为，电压下降幅度U*=U/Ue，其中，U为电压下降后的有效值，Ue为正常电压有效值，单位均为V。由于接触器所接负载也不同，晃电故障导致电压下降幅度不同，电压相角变化量为，晃电故障持续时间为t=t2t1，在t2处晃电故障结束。不同的晃电故障主要体现在电压下降幅度U*、1）晃电故障发生时刻t对接触器工作特性的 影响。当合闸相角=10°时，接触器动作时间td= 19.7 ms，触动时

24、间tcd=3.7 ms，因此晃电故障发生时刻t的范围为3.719.7 ms，对应的电压相角的范围第24期 林抒毅等：晃电故障下交流接触器的工作特性分析 135表4 =10°时，临界时间与U*和关系 Tab. 4 Relationship of critical time with U* and when =10°U*为123°364.6°。仿真时=90°270°，改变量为30°；当合闸相角=80°时，接触器动作时间td=35.2ms，晃电故障发生时刻t的范围为2.335.2 ms，对应的电压相角的范围为0°

25、;360°，仿真时=0°180°，改变量为30°。晃电故障电压相角变化=0°，电压下降幅度U*=00.7，改变量为0.1的情况下，各种晃电故障对应的t临，如表2、3所示。表2 =10°时，临界时间与U*和关系 Tab. 2 Relationship of critical time with U* and临界时间/s=90°=120°=150°=180° =210° =240°=270° 0.018 1 0.019 0 0.021 50.018 80.038 8 0

26、.025 50.019 5 when =0°U*表5 =80°时，临界时间与U*和关系 Tab. 5 relationship of critical time with U* and when =80°U*临界时间/s=90° =120° =150° =180° =210° =240°=270° 0.0 0.2 0.4 0.60.018 3 0.018 0 0.015 2 0.010 00.010 500.016 0 0.016 4 0.013 0 0.010 00.012 750.018 0

27、 0.017 3 0.015 0 0.014 40.010 000.059 0 0.057 5 0.055 5 0.054 00.046 50临界时间/s=90°=120°=150°=180° =210° =240°=270° 0.07表3 =80°时，临界时间与U*和关系 Tab. 3 Relationship of critical time with U* and 0.09 0.065 when =80°U*现象。即接触器动作时间越短，则电压相角改变量对接触器工作特性影响越显著，接触器更容易发生合闸

28、过程中合闸分断合闸的现象。从以上仿真分析可以看出：在同一时刻、同一电压相角改变量下，交流接触器的动作时间越短越容易发生合闸过程中合闸分断合闸的现象，晃电故障的影响越严重，对上文模型，合闸相角=10°时发生晃电故障对接触器的影响最严重。 临界时间/s=90° =120° =150° =180° =210° =240°=270° 0.0 0.2 0.4 0.60.017 40.017 90.012 00.014 60.015 00.016 00.059 00.057 50.065注：代表接触器处于第一种状态,不存在临界

29、时间。可以看出表格2、3中同一个电压相角下，=10°时不同U*对应的t临比=80°时的小。即当=10°时更容易发生合闸过程中合闸分断合闸的现象，即接触器动作时间越短，则电压下降幅度对接触器工作特性影响越显著，接触器更容易发生合闸过程中合闸分断合闸的现象。4 晃电故障对接触器吸持阶段工作特性的影响交流接触器吸持阶段发生晃电故障，对系统及负载的影响更大，可能造成严重的事故。根据铁心跟触头的运动情况也可以分为2种工作状态：1）从晃电故障开始到结束，铁心分开后又吸合，触头始终保持吸合状态，主电路未断开，晃电故障对电路的影响不大；2）铁心、触头均开始运动，主电路断开，晃电故

30、障恢复后接触器重新吸合，晃电故障有可能对电路造成很大的危害。存在晃电故障持续的时间临界值t临，当晃电故障持续时间t<t临2）晃电故障发生导致电压相角变化对接触器工作特性的影响。由于接触器所接负载不同导致发生晃电故障时电压相角变化也不同，取=0°180°，改变量为30°，仿真在相同晃电故障发生时刻t(=10°时，=80°对应的电压相角为0°)，对应电压相角=150°；电压下降幅度U*=00.7情况下各种晃电故障对应的t临，如表4、5所示。可以看出表格4、5中同一个电压相角改变量下，=10°时不同U*对应的t临比

31、=80°时的小。即时，接触器工作在第1种状态下，t>t临时，接触器工作在第2种工作状态下。接触器吸持阶段发生晃电故障时，晃电故障发生时刻t可以是任意的，对应的电压相角取值范围为0°360°，晃电故障导致的电压相角变化是由接触器所接负载决定的，=10°下更容易发生合闸过程中合闸分断合闸的136 中 国 电 机 工 程 学 报 第31卷取值范围为0°360°，电压下降幅度U*范围为00.7。以下将讨论晃电故障对接触器工作特性的影响。障，电压相角越接近90°，得到的曲线越趋向单调上升，当电压相角为90°时，t临随着

32、U*的增大而增大。1）电压下降幅度对接触器工作状态的影响。 改变电压下降幅度U*=00.7，每次计算递增3）电压相角变化量对接触器工作状态的 影响。以上的仿真曲线都是在晃电故障发生时导致电压相角变化量=0°的情况下得到的。由于晃电故障会导致电压相角发生突变，突变量由电路中所接负载决定。假设晃电故障发生时电压相角为0°。改变的值，使之从0°变化到180°，改变量为30°。计算出不同、U*下，对应的t临，如图8所示。0.1；晃电故障持续时间t从0.020.1 s，每次计算递增0.02 s；=0°，=0°，计算得到不同晃电故障持续

33、时间t、不同U所对应的t临，如图6所示。t/s*0.0 0.4 0.2 0.6 0.8U*图6 电压下降幅度与临界时间关系t/sFig. 6 Relationship of critical time and U*在图6区域1中，接触器触头断开，工作在第2种状态；在区域2，接触器触头闭合，工作在第1种状态。从图中可以看出，t临随着U*的增加先下降后上升。从图中A、B点可以看出，虽然A点电压下降幅度比B点电压大，但是工作在A点接触器处于区域2，接触器不断开，而工作在B点接触器处于区域一，反而断开了。当U*=0.58时t临最小，即当晃电故障导致电压下降到58%额定电压时，接触器最容易断开。U*图8

34、 电压相角变化量与临界时间关系 Fig. 8 Relationship of critical time and 由图8可以看出，对接触器的影响显著。在0°<<180°范围内，随着的增加，仿真得到的曲线越趋向于平稳，t临呈现增大的趋势，U*对接触器工作状态的影响减小。2）电压相角对接触器工作状态的影响。 晃电故障发生时，电压相角是随机的，讨论晃电故障发生时电压相角对接触器的影响，改变的值，使之从0°变化到180°，改变量为30°。电压相角变化量=0°，U*范围为：00.7。仿真计算不同、U情况下的t临，如图7所示。*5 结

35、论本文通过建立含触头系统运动情况的交流接触器动态计算模型，以CJ2063A交流接触器为研究对象，分别对其吸合运动过程和吸持阶段电路发生晃电故障时接触器的工作状态进行了分析和研究，由此可以看出：触动阶段发生晃电故障时，不会发生合闸分断合闸的现象；吸合运动阶段发生晃电故障时，动作时间越短，越容易发生合闸分断合闸的过程，对电路越不利；吸持阶段发生晃电故障时存在临界时间，当晃电故障持续时间小于临界时间时，接触器可以避过晃电故障，临界受电压下降幅度、晃电故障发生时刻以及电压相角变化量共同影响。本文研究结果可以为抗晃电交流接触器的整体优化设计和过程控制提供依据，为进一步研究智能化抗晃电交流接触器奠定了基础

36、。t/sU*图7 电压相角与临界时间关系 Fig. 7 Relationship of critical time and 从图7中可以看出，晃电故障发生时电压相角对接触器的影响很大。当0°<<180°时发生晃电故第24期 林抒毅等：晃电故障下交流接触器的工作特性分析 137voltage sagC/2009 Transmission & Distribution Conference & Exposition：Asia and Pacific (T&D Asia)Seoul Korea：IEEE，2009：1-412 Collins E

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