具有短路分斷功能的智能交流接觸器

王靜 戴宇飛

摘要：現階段，隨著我國科技的快速發展，智能控制與保護電器作為一種控制與保護的多功能電器，主要特點是將斷路器、接觸器、熱繼電器及隔離器的控制與保護功能集成于一體。CPS可以在正常運行條件下頻繁操作接通或分斷電路，同時具有負載（如電動機）處于非正常運行狀態下的保護功能，特別是在短路故障時能及時開斷電路。CPS集成上述功能，形成了適應于電力系統發展、生產、應用需要的新型低壓電器，解決了各電器之間的協調配合問題，即在分斷短路電流后無需維護即可投入使用，也就是具有分斷短路故障后的連續運行性能。

關鍵詞：短路分斷；智能；交流接觸器

中圖分類號：R26 文獻標識碼：A 文章編號：2095-3178（2018）20-0211-01

引言

交流接觸器是控制電器中最主要的產品，是使用量大、面廣的基礎元件產品。在低壓電器的智能化進程中，相比斷路器而言，接觸器的智能化進程稍有滯后，其中有技術原因，也有成本的原因。伴隨“中國制造2025”和“工業4.0”的推進，以及工業自動化的普及和適應智能制造的要求，提升接觸器的可靠性、使用壽命和對其運行過程的監測、控制的要求，必將促進接觸器的智能化進程。

1 CPS基本結構

采用3個單極交流接觸器組成新型CPS的本體結構，智能控制與保護系統控制三臺單相交流接觸器和電磁快速斥力機構，每臺接觸器包含獨立的電磁系統、觸頭系統、滅弧系統。通過控制系統可以獨立地控制每相觸頭的吸合和分斷，可以根據三相電流的相位實現不同步吸合或分斷，方便地實現零電流分斷。由于該CPS對每一相機構進行單獨控制，避免出現單相分斷同步差問題，從而達到更靈活、更準確控制的目的，實現交流接觸器的零電流分斷功能。

2 觸頭系統電動斥力仿真

2.1觸頭系統電動斥力

低壓斷路器限流分斷的原理是：當短路故障發生時，要求斷路器在短路電流達到其預期峰值前分斷。大量的限流斷路器利用觸頭臂之間產生的電動斥力來達到限流目的，觸頭上受到的電動斥力主要由觸頭系統的電流密度和磁場大小所決定。在短路電流已經到來而脫扣器動作前，電弧電壓由于觸頭閉合保持為零，但當大電流到來時，會產生一定的電動斥力，如果電動斥力大到克服觸頭預壓力，那么操動機構還沒動作前觸頭將被斥開，動靜觸頭在電動斥力的作用下分開，并產生電弧。

2.2 線圈斷電后電磁機構剩磁磁通吸力計算

由于考慮CPS在短路故障情況下存在快速電磁斥力機構與交流接觸器本體結構動作協調配合的問題，必須計算快速電磁斥力機構未動作條件下，觸頭系統電動力、彈簧反力、電磁系統剩磁作用力綜合作用下的動態特性。因此，計算線圈斷電后電磁機構剩磁磁通吸力是必要的。顯然，計算該動態吸力，首先應該了解線圈斷電后電磁機構鐵心中磁通的動態特性。為此，在鐵心上加繞一輔助線圈（該線圈為100匝），當原激磁線圈斷電后將在該輔助線圈中感應電勢，輔助線圈感應。

2.3 電動斥力計算

電動斥力包括觸頭間電動斥力和觸頭系統回路間電動斥力。電器的動靜觸頭的接觸面盡管看起來很平坦光滑，但它們實際上僅在一些接觸斑點上相互接觸。當電流通過觸頭，由于電流線在接觸面附近發生收縮，因而在觸頭間會出現電動斥力（霍爾姆力），這是一種電流自身磁場作用下的電動力，與電流的平方成正比。

3 短路分斷功能的智能交流接觸器

3.1交流接觸器的發展

由于控制交流電的通斷，電流方向作周期變化，為解決觸頭閉合時晶閘管必須是導通的這一問題，早期提出的混合式接觸器是采用每相觸頭兩端并聯兩只互為反向連接的晶閘管或一只雙向晶閘管，這樣一臺三極接觸器就需要六只晶閘管或三只雙向晶閘管，因此成本高而更難以推廣。隨著數字技術、微電子技術和電力電子技術的進步，提出了通過對導通角的精確控制，實現每相并聯一只晶閘管的方案，大幅降低了成本。

3.2 交流接觸器的接通

合閘的關鍵是觸頭必須選擇在三相晶閘管導通中、當其中任意兩相為正、一相為負時的共同導通區閉合，三相波形圖的陰影部分為它們的共同導通區，在每個周期有三段合閘“窗口”，相鄰兩段之間的相角差是60°，每段的時長約3.3ms。觸頭在晶閘管導通情況下閉合，從而避免了觸頭閉合時因振動、彈跳而產生電弧。

3.3 短路分斷試驗

優化后加工的樣機在福建省產品質量檢驗研究院進行短路分斷試驗，試驗過程的參數為：試驗電壓400V，試驗電流50KV，A相短路分斷試驗波形如下圖所示。從下圖中可以看出：短路電流峰值大約為預期電流的三分之一，而且持續時間僅為四分之一周波，可見該CPS不僅短路分斷能力強，而且限流性能也相當好。

3.4分斷試驗測試

仿真計算是基于快速斥力動作機構直接推動CPS觸頭的計算結果。由于加工條件的限制，本文分斷試驗測試的樣機是基于快速斥力動作機構推動CPS鐵心進行加工的。測試方法如下：由MATLAB仿真軟件產生的短路電流波形數據通過任意波形發生器注入給硬件電路，結合早期檢測算法測得故障相角為0°時結果如下圖所示，其中通道1為短路電流，通道2為快速電磁斥力機構觸發信號，也就是早期檢測電路判斷到短路電流時刻，通道3為接觸器觸頭信號波形，低電平表示觸頭閉合，高電平表示觸頭打開。圖下（b）為圖下（a）在分斷信號時刻的展開波形，從圖中可以看出分斷時間為1.28ms。

4 結語

綜上所述，重點研究了在觸頭系統回路電動斥力、彈簧反力、剩磁吸力共同作用下集成電器觸頭的運動軌跡。為了實現集成電器能夠在早期檢測的基礎上快速分斷短路故障，將應用于中高壓系統上的快速電磁斥力機構引入低壓系統，仿真計算了不同電容容量下集成電器觸頭快速運動的位移曲線。從而在該物理模型的基礎上，建立了基于電流形態小波的短路故障早期檢測技術、基于快速電磁斥力機構的綜合機械與電磁原理的觸頭短路故障快速動作并限流的樣機模型。仿真研究和短路分斷試驗證明了該技術的可行性，為CPS后續研發提供理論基礎和設計依據。

參考文獻

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