1、第31卷 第24期 2011年8月25日 中 國 電 機 工 程 學 報Proceedings of the CSEE Vol.31 No.24 Aug. 25, 2011(2011) 24-0131-07 中圖分類號：TM 57 文獻標志碼：A 學科分類號：47040 文章編號：0258-8013晃電故障下交流接觸器的工作特性分析林抒毅，許志紅(福州大學電氣工程與自動化學院，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：電磁式交流接觸器是一種應用廣泛的低壓電器產品，當晃電故障發生時，交流接觸器可能因為不穩定電壓而頻繁接通或分斷，對系統造成很大的影響。論文以CJ20-63A交流接觸器為研究對象，建立考慮觸頭運動情況的電磁機構吸合過程、吸持階段以及釋放過程的磁路動態計算方程，并通過實驗驗證了模型的正確性。針對不同的合閘相角和工作狀態進行仿真，分析了發生晃電故障時電壓下降幅度、晃電故障持續時間、晃電故障發生時刻及電壓相角變化對接觸器工作特性的影響。結果表明，吸合階段的晃電影響與吸合時間有直接關系，吸合以后的

7、晃電故障影響存在臨界時間的問題，為進一步研制抗晃電智能交流接觸器奠定了相關基礎。 關鍵詞：晃電；交流接觸器；工作特性；觸頭彈跳基金項目：福建省自然科學基金項目(2011J01295)。 Fujian National Science Foundation Project (2011J01295).0 引言隨著社會的發展和技術進步，新技術產業不斷出現，電力用戶比以往任何時候都更加關注電能質量的問題。對于大型鋼鐵、石化及化工企業等，由于電網質量問題引起電機故障所造成的經濟損失影響巨大1-2。電力系統在運行時會遇到多種故障，由于雷擊、短路故障重合閘、企業外部或內部電網故障、大型設備起動等原因，造成電

8、壓瞬間較大幅度地波動或者短時斷電又恢復，這種現象稱為晃電故障3。電磁式交流接觸器是一種應用廣泛的電器產品，用來接通或斷開帶負載的交流主電路或大容量控制電路。當電路發生晃電故障時，交流接觸器可能會因為不穩定電壓而頻繁接通或分斷，將對電路造成很大的影響。目前抗晃電的方法主要有以下4種：1）應用斷電延時繼電器、電機再起動器等。該種保護下，接觸器線圈電壓受到晃電故障的影響，工作特性將改變，觸頭斷開。該方法控制回路原理復雜，且電機再起動器的成本很高。2）采用儲能延時元件，為接觸器線圈在晃電故障期間繼續提供能量，保證主觸頭的吸合，接觸器的工作狀態不發生改變。此種抗晃電方式選型不靈活、選擇范圍小，并將增加控

9、制線路的復雜程度。3）應用延時鎖扣頭裝置，在接觸器吸合后線圈轉入省電模式，靠鎖扣頭鎖扣作用保持主觸頭的接通。晃電故障發生時接觸器的工作特性發生變化，由于鎖扣頭的作用，接觸器觸頭不斷開，工作狀態沒有改變。但這種鎖扣頭只能與專門設計的特殊接觸器配合使用，并且鎖定的主觸頭在斷電的情況下斷開需要獨立的電源，在大于170 A的接觸132 中 國 電 機 工 程 學 報 第31卷器時，并沒有與之配套的鎖扣裝置。4）采用雙電源供電方式。晃電故障時，接觸器線圈電壓不變，接觸器的工作特性沒有變化。這種方法成本高、線路復雜4。目前新型的智能交流接觸器，主要由接觸器本體和智能控制模塊組成，智能控制模塊實時采集電源電

10、壓，當電源電壓達到規定最低吸合電壓時，控制接觸器吸合，當電源電壓低于最低吸合電壓時，控制接觸器斷開。按照國家標準規定，交流接觸器操作機構應在85%額定電壓下可靠吸合，一般工廠為了保證接觸器在低電壓下可靠工作，把電磁機構的最低吸合電壓設計在70%75%額定電壓5。晃電故障導致電源電壓下降到接觸器最低吸合電壓以下時，接觸器斷開。因此，不論是普通電磁式交流接觸器還是智能交流接觸器，產生晃電故障而導致電壓下降到最低吸合電壓時，接觸器均會斷開。由于電磁式交流接觸器多應用于低壓系統，抗晃電保護措施還未得到廣泛的應用，常用的抗晃電接觸器依靠在接觸器本體上增加儲能延時模塊來躲過晃電故障，并沒有針對晃電故障導致

11、的接觸器運行機理發生變化進行分析，從而沒有從根本上解決晃電故障對電磁式交流接觸器的影響。本文通過計算CJ20-63A交流接觸器的吸合過程、吸持階段以及釋放過程晃電故障的影響，在動態計算模型中，加入了觸頭運動的數學模型，仿真得到鐵心和觸頭的運動過程，觸頭模型同時考慮了閉合過程中的觸頭彈跳。分析了晃電故障對交流接觸器工作特性的影響。環、反力彈簧、動靜觸頭及動靜鐵心等幾部分組成。接觸器有3種狀態：吸合過程、吸持階段和釋放過程。以往對于接觸器電磁機構的分析和計算過程大多局限于交流接觸器的吸合過程。文獻6-13通過仿真計算，分析了接觸器在吸持狀態下發生晃電故障對接觸器電磁機構動態特性的影響，但沒有將晃電

12、故障對觸頭系統以及主電路的影響考慮在內。而關于起動階段發生晃電故障對交流接觸器工作特性的分析，未見相關報道。晃電故障對交流接觸器工作特性的影響體現在接觸器由吸持狀態轉向釋放狀態的過程之中。交流接觸器的釋放過程根據觸頭與鐵心的狀態分為2個階段：1）動靜鐵心已經分開，動靜觸頭仍然閉合；2）動靜鐵心以及動靜觸頭均已分開。接觸器觸頭的運動狀態決定主電路是否斷開。觸頭閉合瞬間，動靜觸頭碰撞，發生彈跳14。彈跳結束后速度降為0，鐵心繼續運動，使觸頭可靠吸合。假設動觸頭的質量為m1(忽略彈簧的質量)，以速度v1撞向靜觸頭，忽略摩擦和介質阻力，則動觸頭剛與靜觸頭碰撞前所具有的動能為m1v12/2。碰撞后，動觸

13、 頭的動能轉變成觸頭表面材料變形的位能，當彈性形變恢復時動觸頭發生反彈，假設動觸頭反彈的速度為v2，反彈的初速度為v20，由于觸頭材料不是理想彈性體，在碰撞壓縮變形時總有一部分能量消耗在材料的塑性形變上，設塑性形變消耗的能量為WA，則根據能量守恒定律，可以得到：1 交流接觸器的數學模型本文以CJ2063A交流接觸器為本體建立數學模型。CJ20系列交流接觸器是一種單U型的接觸器，其組成部分如圖1所示。接觸器由線圈、分磁112m1v12=m1v20+WA (1) 22令v1= v20，其中為觸頭材料的彈性系數。整理式(1)可以得到：11WA=(12)m1v12=Km1v12 (2)22式中K=(1

14、2)，為觸頭材料的恢復系數。以往觸頭材料一般選用AgCdO，AgCdO材料具有優良的抗電弧侵蝕性、抗熔焊性和較低的接觸y電阻，長期以來被認為是最好的電接觸材料，但鎘(Cd)有毒性，影響人體健康，現已開發出AgSnO2、AgZnO、AgCuO和銀稀土氧化物等無毒的新型電接觸材料15。銀合金材料通常取K=0.81。通過 式(1)、(2)可以得到觸頭反彈時的初速度v20。動、靜觸頭反彈后的受力情況如圖2所示。圖1 接觸器結構圖Fig. 1 Structure of the AC contactor第24期 林抒毅等：晃電故障下交流接觸器的工作特性分析 133210vcX圖2 動靜觸頭接觸時受力分析圖

15、 Fig. 2 Force analysis when contacts closed動靜觸頭反彈后受到的力有3個部分組成：觸頭的預壓力F0；碰撞后動觸頭反彈壓縮彈簧產生的力F1；碰撞后鐵心繼續運動壓縮彈簧產生的力F2；則動觸頭的動力學微分方程為圖3 接觸器工作狀態仿真圖Fig. 3 Simulation of contactor in working state壓；v為動鐵心運動速度；vc為動觸頭運動速度；X為動鐵心位移；Xc為動觸頭位移。區域IIII表示接觸器吸合過程，其中，區域I表示接觸器觸動階段，在該階段鐵心尚未開始運動；區域II表示接觸器吸合運動階段，該階段電磁吸力開始大于彈簧反力，

16、鐵心開始運動，并帶動動觸頭向靜觸頭運動，動靜觸頭還未閉合；區域III接觸器觸頭閉合，鐵心尚未閉合，為了保證接觸器可靠吸合，鐵心繼續運動直至走完超程。區域IV表示接觸器吸持階段，在該階段接觸器可靠吸合，機械運動過程結束。區域d2xm12=F2+F1+F0dtF=cx(3) 00F=cx11F2=cx2式中：x為觸頭位移；c為彈簧剛度；x0為觸頭彈簧預壓常數；x1為動觸頭反彈后壓縮彈簧的位移；x2為動靜觸頭碰撞后動鐵心繼續運動壓縮彈簧的 位移。觸頭發生彈跳時，鐵心與觸頭之間靠彈簧連接，二者之間不再是剛性連接，鐵心同時也受到觸頭反彈產生的力的作用，得到的動態方程如下：VVII表示接觸器釋放過程，其中

17、區域V表示接觸器開釋階段，該階段由于電磁吸力大于彈簧反力，鐵心仍然閉合；區域VI、VII表示返回運動階段，區域VI中，電磁吸力開始小于彈簧反力，鐵心開始斷開，交流接觸器仍然處于閉合狀態；區域d=UiRdtdvFxFfF1(4) =tmd2dx=vdt式中：為電磁系統全磁鏈；t為時間；U為線圈勵磁電壓；I為線圈電流；R為線圈電阻；v為運動速度；m2為接觸器可動部分的質量；Fx為運動吸力；Ff為運動反力；F1為動觸頭彈跳引起的對鐵心的作用力，F1與F1是一對作用與反作用力，二者大小相等，方向相反。當觸頭穩定閉合后，F1將消失。根據以上數學模型計算出CJ2063A交流接觸器的吸合過程、吸持階段和釋放

18、的過程工作特性，如3圖所示。圖3中，電壓為0時合閘，i為電流；u為電VII中，觸頭開始運動，接觸器真正斷開主電路。2 模擬仿真與驗證為了驗證建立模型的正確性，實驗得到交流接觸器在吸合過程、吸持階段以及釋放過程中鐵心、觸頭、線圈電壓和線圈電流信號，與仿真得到的數據對比如圖4所示。圖4(a)為接觸器吸合過程以及吸持階段的動態特性，圖4(b)為接觸器吸持階段以及分斷過程動態特性。圖中實線為實驗所測數據，虛線為仿真得到數據。從圖4(a)、(b)可以看出仿真與實驗得到的波形變化規律相同。將部分實驗數據與仿真結果列于表1。從表1可以看出，所建立的動態仿真計算模型能夠真實的反應觸頭與電磁機構的運行狀況。13

19、4 中 國 電 機 工 程 學 報 第31卷信號/V晃電故障持續時間t、晃電故障發生時刻t(對應電源電壓相位為)以及晃電故障導致電壓相位變化量這4個方面16-19。從以上幾個方面對晃電故障發生時接觸器的工作特性進行仿真，得到接觸器在吸合過程以及在吸持階段發生晃電故障的工作特性。t/ms(a) 接觸器吸合過程與吸持階段仿真實驗數據對比信號/Vt/ms(b) 接觸器釋放過程仿真與實驗數據對比3 晃電故障對接觸器吸合過程工作特性的影響對于交流接觸器，合閘相角不同接觸器的工作特性有很大不同。不同合閘相角下發生的晃電故障對交流接觸器工作特性有很大影響。通過仿真計算能夠找到晃電故障對接觸器工作特性影響最大

20、的合閘相角。通過大量的仿真計算，得出不同合閘相角下交流接觸器的動態吸合過程。由仿真得到：合閘相角=10°時接觸器動作時間td=19.7 ms；=80°時，td=35.2 ms。交流接觸器的吸合過程可以分為2個階段：觸動階段和吸合運動階段。觸動階段鐵心還未開始運動，在這個階段發生晃電故障不會導致接觸器出現合閘分閘再合閘的現象，晃電故障將導致接觸器動作時間增加；在吸合運動階段，鐵心開始帶動觸頭運動，該階段發生晃電故障可能導致3種狀態：觸頭信號；鐵心信號；電壓信號；電流信號。圖4 接觸器動態過程仿真與實驗數據對比 Fig. 4 Data contrast of simulatio

21、n and test表1 實驗與仿真數據對比表Tab. 1 Data comparison of test and simulation過程實驗值/ms t觸t鐵仿真值/ms t觸t鐵相對誤差/% t觸t鐵吸合過程 15.2 16.4 14.4 16.9 5.26 3.05 分斷過程 14.2 10.0 15.6 10.7 9.86 7.00 注：t觸為觸頭動作時間；t鐵為鐵心動作時間。在接觸器吸合過程和吸持階段發生晃電故障 有可能導致接觸器在很短的時間內2次合閘，將對電路造成很大的影響。以下討論不同階段發生晃電故障對接觸器工作特性的影響。晃電故障發生時電壓的變化情況如圖5所示。電壓/V0.0

22、21）觸頭還未閉合前就已經彈開，晃電故障恢復后接觸器繼續吸合，整個吸合過程接通主電路一次；2）觸頭閉合后還未彈開晃電故障恢復，雖然晃電故障導致接觸器鐵心斷開，但接觸器觸頭未斷開，整個吸合過程接通主電路一次；3）晃電故障持續觸頭閉合后又彈開，晃電故障恢復后，時間t較長，接觸器繼續吸合。在工作狀態1）、2）下，接觸器吸合過程只接通主電路一次，晃電故障影響了接，接觸器在觸器的動作時間，而對于工作狀態3）t/s短時間內閉合斷開閉合電路，有可能對電路造成危害。狀態2）、3）之間，存在一個臨界時間圖5 晃電故障發生時電壓波形 Fig. 5 Voltage waveform of voltage sagt臨

23、，當晃電故障時間t<t臨時，接觸器處于第2種情況，當t>t臨時，接觸器處于第3種情況。以下討論不同晃電故障對吸合運動過程中交流接觸器的影響。圖5中，合閘初相角為，晃電故障發生時刻為t1，此時電壓相角為，電壓下降幅度U*=U/Ue，其中，U為電壓下降后的有效值，Ue為正常電壓有效值，單位均為V。由于接觸器所接負載也不同，晃電故障導致電壓下降幅度不同，電壓相角變化量為，晃電故障持續時間為t=t2t1，在t2處晃電故障結束。不同的晃電故障主要體現在電壓下降幅度U*、1）晃電故障發生時刻t對接觸器工作特性的 影響。當合閘相角=10°時，接觸器動作時間td= 19.7 ms，觸動時

24、間tcd=3.7 ms，因此晃電故障發生時刻t的范圍為3.719.7 ms，對應的電壓相角的范圍第24期 林抒毅等：晃電故障下交流接觸器的工作特性分析 135表4 =10°時，臨界時間與U*和關系 Tab. 4 Relationship of critical time with U* and when =10°U*為123°364.6°。仿真時=90°270°，改變量為30°；當合閘相角=80°時，接觸器動作時間td=35.2ms，晃電故障發生時刻t的范圍為2.335.2 ms，對應的電壓相角的范圍為0°

25、;360°，仿真時=0°180°，改變量為30°。晃電故障電壓相角變化=0°，電壓下降幅度U*=00.7，改變量為0.1的情況下，各種晃電故障對應的t臨，如表2、3所示。表2 =10°時，臨界時間與U*和關系 Tab. 2 Relationship of critical time with U* and臨界時間/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°時，臨界時間與U*和關系 Tab. 5 relationship of critical time with U* and when =80°U*臨界時間/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臨界時間/s=90°=120°=150°=180° =210° =240°=270° 0.07表3 =80°時，臨界時間與U*和關系 Tab. 3 Relationship of critical time with U* and 0.09 0.065 when =80°U*現象。即接觸器動作時間越短，則電壓相角改變量對接觸器工作特性影響越顯著，接觸器更容易發生合閘

28、過程中合閘分斷合閘的現象。從以上仿真分析可以看出：在同一時刻、同一電壓相角改變量下，交流接觸器的動作時間越短越容易發生合閘過程中合閘分斷合閘的現象，晃電故障的影響越嚴重，對上文模型，合閘相角=10°時發生晃電故障對接觸器的影響最嚴重。 臨界時間/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：代表接觸器處于第一種狀態,不存在臨界

29、時間。可以看出表格2、3中同一個電壓相角下，=10°時不同U*對應的t臨比=80°時的小。即當=10°時更容易發生合閘過程中合閘分斷合閘的現象，即接觸器動作時間越短，則電壓下降幅度對接觸器工作特性影響越顯著，接觸器更容易發生合閘過程中合閘分斷合閘的現象。4 晃電故障對接觸器吸持階段工作特性的影響交流接觸器吸持階段發生晃電故障，對系統及負載的影響更大，可能造成嚴重的事故。根據鐵心跟觸頭的運動情況也可以分為2種工作狀態：1）從晃電故障開始到結束，鐵心分開后又吸合，觸頭始終保持吸合狀態，主電路未斷開，晃電故障對電路的影響不大；2）鐵心、觸頭均開始運動，主電路斷開，晃電故

30、障恢復后接觸器重新吸合，晃電故障有可能對電路造成很大的危害。存在晃電故障持續的時間臨界值t臨，當晃電故障持續時間t<t臨2）晃電故障發生導致電壓相角變化對接觸器工作特性的影響。由于接觸器所接負載不同導致發生晃電故障時電壓相角變化也不同，取=0°180°，改變量為30°，仿真在相同晃電故障發生時刻t(=10°時，=80°對應的電壓相角為0°)，對應電壓相角=150°；電壓下降幅度U*=00.7情況下各種晃電故障對應的t臨，如表4、5所示。可以看出表格4、5中同一個電壓相角改變量下，=10°時不同U*對應的t臨比

31、=80°時的小。即時，接觸器工作在第1種狀態下，t>t臨時，接觸器工作在第2種工作狀態下。接觸器吸持階段發生晃電故障時，晃電故障發生時刻t可以是任意的，對應的電壓相角取值范圍為0°360°，晃電故障導致的電壓相角變化是由接觸器所接負載決定的，=10°下更容易發生合閘過程中合閘分斷合閘的136 中 國 電 機 工 程 學 報 第31卷取值范圍為0°360°，電壓下降幅度U*范圍為00.7。以下將討論晃電故障對接觸器工作特性的影響。障，電壓相角越接近90°，得到的曲線越趨向單調上升，當電壓相角為90°時，t臨隨著

32、U*的增大而增大。1）電壓下降幅度對接觸器工作狀態的影響。 改變電壓下降幅度U*=00.7，每次計算遞增3）電壓相角變化量對接觸器工作狀態的 影響。以上的仿真曲線都是在晃電故障發生時導致電壓相角變化量=0°的情況下得到的。由于晃電故障會導致電壓相角發生突變，突變量由電路中所接負載決定。假設晃電故障發生時電壓相角為0°。改變的值，使之從0°變化到180°，改變量為30°。計算出不同、U*下，對應的t臨，如圖8所示。0.1；晃電故障持續時間t從0.020.1 s，每次計算遞增0.02 s；=0°，=0°，計算得到不同晃電故障持續

33、時間t、不同U所對應的t臨，如圖6所示。t/s*0.0 0.4 0.2 0.6 0.8U*圖6 電壓下降幅度與臨界時間關系t/sFig. 6 Relationship of critical time and U*在圖6區域1中，接觸器觸頭斷開，工作在第2種狀態；在區域2，接觸器觸頭閉合，工作在第1種狀態。從圖中可以看出，t臨隨著U*的增加先下降后上升。從圖中A、B點可以看出，雖然A點電壓下降幅度比B點電壓大，但是工作在A點接觸器處于區域2，接觸器不斷開，而工作在B點接觸器處于區域一，反而斷開了。當U*=0.58時t臨最小，即當晃電故障導致電壓下降到58%額定電壓時，接觸器最容易斷開。U*圖8

34、 電壓相角變化量與臨界時間關系 Fig. 8 Relationship of critical time and 由圖8可以看出，對接觸器的影響顯著。在0°<<180°范圍內，隨著的增加，仿真得到的曲線越趨向于平穩，t臨呈現增大的趨勢，U*對接觸器工作狀態的影響減小。2）電壓相角對接觸器工作狀態的影響。 晃電故障發生時，電壓相角是隨機的，討論晃電故障發生時電壓相角對接觸器的影響，改變的值，使之從0°變化到180°，改變量為30°。電壓相角變化量=0°，U*范圍為：00.7。仿真計算不同、U情況下的t臨，如圖7所示。*5 結

35、論本文通過建立含觸頭系統運動情況的交流接觸器動態計算模型，以CJ2063A交流接觸器為研究對象，分別對其吸合運動過程和吸持階段電路發生晃電故障時接觸器的工作狀態進行了分析和研究，由此可以看出：觸動階段發生晃電故障時，不會發生合閘分斷合閘的現象；吸合運動階段發生晃電故障時，動作時間越短，越容易發生合閘分斷合閘的過程，對電路越不利；吸持階段發生晃電故障時存在臨界時間，當晃電故障持續時間小于臨界時間時，接觸器可以避過晃電故障，臨界受電壓下降幅度、晃電故障發生時刻以及電壓相角變化量共同影響。本文研究結果可以為抗晃電交流接觸器的整體優化設計和過程控制提供依據，為進一步研究智能化抗晃電交流接觸器奠定了基礎

36、。t/sU*圖7 電壓相角與臨界時間關系 Fig. 7 Relationship of critical time and 從圖7中可以看出，晃電故障發生時電壓相角對接觸器的影響很大。當0°<<180°時發生晃電故第24期 林抒毅等：晃電故障下交流接觸器的工作特性分析 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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