交流接觸器額定開斷試驗TRV調頻裝置參數計算與研究

崔 翔,榮高升,徐其丹,薛 萍

(國網新疆電力有限公司經濟技術研究院,新疆 烏魯木齊 830002)

0 引言

交流接觸器適用于額定電壓3.6～12.0 kV、頻率為50 Hz及以下配電網及控制領域,起到通斷、轉換和保護等作用[1-3]。國家標準GB/T 14808—2016《高壓交流接觸器、基于接觸器的控制器及電動機起動器》中規定了AC-1、AC-2、AC-3、AC-4這4種類型的交流接觸器,主要用于電阻爐的投切,以及電動機的起動、制動和點動[4-7]。目前,接觸器的主要類型有電磁式、真空接觸器和SF6接觸器。

交流接觸器類似于中壓配電網中的負荷開關,兩者都沒有短路開斷能力,需要采用熔斷器或斷路器作為后備保護。當要求接觸器局部短路開斷能力時,需要和短路保護裝置(SCPD)進行配合,如熔斷器由交流接觸器關合和開斷工作負載電流,由短路保護裝置開斷短路電流。交流接觸器主要應用在頻繁操作的工況下,通常具有非常高的機械壽命,在不檢修的情況下可達到50 000次以上[8]。

交流接觸器能夠在正常運行和過載條件下關合、持續承載和開斷額定電流。開斷工作電流瞬間交流接觸器的兩端需要分別承受電源側TRV和負載側TRV的考核,電源側TRV由電源回路的電感和對地雜散電容振蕩所產生,負載側TRV由負載阻抗和對地雜散電容振蕩所產生。額定電流開斷試驗是考核交流接觸器開斷額定負載的能力,電源側TRV和負載側TRV調頻裝置分別用來模擬產生接觸器開斷瞬間電源側的暫態電壓和負載側的暫態電壓。

1 標準規定的試驗參數及試驗回路

國家標準GB/T 14808—2016《高壓交流接觸器、基于接觸器的控制器及電動機起動器》第6.102節中規定了交流接觸器額定開斷能力的驗證試驗,以及第6.104節中規定了交流接觸器短路電流開斷能力的驗證試驗。

1.1 試驗參數

標準中規定了AC-1、AC-2、AC-3、AC-4這4種類型的交流接觸器,分別應用在不同的負載回路中,主要區別體現在額定工作電流和功率因數的不同。這4種類型的交流接觸器在額定電壓下的額定開斷能力的試驗方式及具體參數要求如表1所示。

表1中,Ie為接觸器的額定工作電流,Ic為開斷電流。當接觸器需要具備短路關合和開斷能力時,需要配備短路保護裝置(SCPD)使其具備短路關合和開斷性能。標準中規定交流接觸器的短路電流關合和開斷試驗,應在與短路保護配合裝置的、具有短路關合和開斷能力的接觸器上進行。

1.2 試驗回路

根據標準的規定和要求,交流接觸器的額定開斷能力的驗證試驗回路由電源側部分和負載側部分組成,具體如圖1所示。

圖1 額定關合和開斷能力的驗證試驗回路

圖1中,G為試驗電源,MS為合閘開關,MB為操作開關,Ls為電源側調節電抗器,T為試驗變壓器,TO為被試接觸器,LL為負載側調節電抗器,RL為負載側功率因數電阻。特別地,試驗電源可以采用專用的大容量短路發電機,也可以是電網接入的10 kV網絡電源。

有關標準規定試驗回路的電阻和電抗需調節到滿足規定的試驗電流和功率因數,調節試驗電流的總阻抗應分布在試驗回路的電源側和負載側,要求電源側的阻抗不應大于試驗回路總阻抗的10%。電源側TRV(瞬態恢復電壓)的要求應符合GB 1984—2014的6.104.5對S1級(電纜系統)斷路器的要求[9-10],開斷時負載側TRV的振幅系數kaf和頻率f[5-6]為

(1)

式中:Ic和Ur分別為被試接觸器的開斷電流和額定電壓,單位分別為A和V;f的單位為kHz。

2 TRV調頻裝置參數計算

電源側TRV調頻裝置和負載側TRV調頻裝置的參數,需要滿足一定范圍內接觸器的試驗電壓和試驗電流需求,圖1所示的試驗回路能夠覆蓋的接觸器額定電壓為3.6 kV、7.2 kV和12.0 kV,各類別下最小開斷電流、最大開斷電流及相應的功率因數如表2所示。

表2 額定開斷能力的試驗方式及電流范圍

根據表2給出的試驗電流范圍及功率因數,在給定被試接觸器的試驗電壓下,可以求得試驗回路的總阻抗,然后按照電源側的阻抗取試驗回路總阻抗的10%,分別求出電源側和負載側的調節阻抗和功率因數電阻,在此基礎上,計算出電源側TRV調頻裝置和負載側TRV調頻裝置的技術參數。

2.1 電源側TRV調頻裝置參數計算

國家標準GB/T 14808—2016規定圖1所示的試驗回路中,電源側TRV(瞬態恢復電壓)參數應滿足GB 1984—2014的6.104.5對S1級(電纜系統)斷路器的要求,TRV波形及標準值參數的定義如圖2所示,TRV調頻裝置的電路原理如圖3所示[11]。

圖2 TRV波形及標準參數

圖3 TRV調頻裝置電路原理

電壓等級為3.6～12.0 kV的接觸器應用在中壓配電系統中,在中壓配電系統中TRV用2個參數表示,如圖2所示,TRV特征參數通過其波形上的3條切線所定義的3個標準值參數來表征,即TRV峰值uc、時間t3和時延td,GB 1984—2014規定的TRV標準值如表3所示。

表3 電源側TRV的標準值

交流接觸器在開斷瞬間,由于電場和磁場能量的瞬間交換,電磁振蕩產生圖2所示的TRV波形和表3中的標準值參數。圖3中,R1和C1分別為調頻電阻和調頻電容,C0為時延電容。R1、C1、C0的經驗計算公式為

(2)

在電磁暫態計算程序EMTDC中建立電源側回路,設置試驗回路電源側電抗參數及式(2)初步計算得到調頻裝置電路元件參數,校驗和修正調頻裝置的電氣參數,使得每擋試驗參數下TRV標準值參數均符合標準要求,最終確定的電源側調頻裝置電氣參數如表4所示。

表4 電源側TRV調頻裝置電氣參數

如表4所示,R1由12個電阻器組成,接線方式為串聯接線,調節范圍為0.31～1 279.69 Ω。C1由10個電容器組成,接線方式為并聯接線,調節范圍為0.006～6.394 μF。C0由9個電容器組成,接線方式為并聯接線,調節范圍為0.006～3.194 μF。

2.2 負載側TRV調頻裝置參數計算

國家標準GB/T 14808—2016規定圖1所示的試驗回路中,負載側TRV(瞬態恢復電壓)參數由式(1)計算所得。負載側TRV波形與電源側TRV波形的特征一致,標準中規定了用振幅系數kaf和頻率f來表征。kaf為TRV的峰值uc和首開極工頻恢復電壓的峰值之比,f為第1個振蕩半波時長的2倍求導數。

負載側TRV與電源側TRV的波形及標準參數相比,可以得出如下結論:兩者波形基本相似,均為振蕩波;負載側TRV的振幅系數kaf和電源側TRV的峰值uc所表達的含義一致,均表示振蕩的強度;負載側TRV的頻率f和電源側TRV的時間t3所表達的含義一致,均表示振蕩的頻率;負載側TRV無時延的要求。

鑒于負載側TRV無時延的要求,負載側TRV調頻裝置僅需要調頻電阻R2和調頻電容C2,因此,TRV調頻裝置的電路原理同圖3,僅需要去掉時延電容支路C0。為了能夠實現負載側TRV波形和參數,需要通過負載側TRV調頻電路在被試接觸器開斷的瞬間對負載阻抗振蕩來產生。如圖1所示,被試接觸器TO開斷后,負載側的電路方程為

(3)

式中:uc為調頻電容C2上隨時間變化的暫態電壓;utr為調頻電阻R2和調頻電容C2上暫態電壓的和。

進一步,由式(3)可以得出utr的表達式為

(4)

R2、C2的計算步驟為:

a.由表2中的試驗參數計算得到RL、LL,給定標準參數kaf和f。

b.設定R2的初值,得到δ,由ω(ω=2πf)和δ得出ω0、β。

c.將U0、ω、ω0、δ、β代入式(4),并求得utr及kaf。

d.當kaf小于標準值時,減小R2;反之,增大R2,重復上述步驟,直到kaf滿足標準值的要求。

最終得到滿足表2中的試驗參數,以及負載側TRV參數的調頻裝置電氣參數如表5所示。

表5 負載側TRV調頻裝置電氣參數

如表5所示,R2由10個電阻器組成,接線方式為串聯接線,調節范圍為5～6 395 Ω。C2由9個電容器組成,接線方式為并聯接線,調節范圍為0.001～0.399 μF。

3 應用算例與仿真結果

以額定電壓為7.2 kV、額定開斷電流為4 kA的AC-2類別交流接觸器為例,應用電源側和負載側電氣參數的計算公式和計算流程,得到圖1中的試驗回路電氣參數如表6所示。

表6 試驗回路電氣參數計算結果

基于圖1所示的試驗回路和表6的數據,應用EMTP仿真計算程序,仿真得到電源側預期TRV波形如圖4所示,負載側預期TRV波形如圖5所示,在電源側和負載側TRV波形上讀取標準值參數[12-13]。電源側TRV波形的峰值uc為12.8 kV,時間t3為51.3 μs,時延td為2.2 μs,表3要求的預期參數uc為12.3 kV,時間t3為51.0 μs,時延td為8.0 μs,預期參數滿足標準要求。

圖4 電源側預期TRV波形

圖5 負載側預期TRV波形

交流接觸器開斷瞬間,負載側第1開斷相TRV裝置上的初始電壓為4.0 kV,TRV的峰值uc為6.2 kV,時間t3為48 μs。計算得出振幅系數kaf為1.55和振蕩頻率f為10.4 kHz,式(1)要求的kaf的范圍為1.4～1.6,f不小于8.62 kHz,預期參數滿足標準要求。

根據上述計算結果,結合表4,電源側調頻裝置換接后實出的參數為:R1為10.93 Ω(理論值11.1 Ω,實際接線組號為1+2+6,“+”表示串聯),電容C1為1.56 μF(理論值1.5 μF,實際接線組號為1‖3,“‖”表示并聯),電容C0為0.2 μF(理論值0.2 μF,實際接線組號為6)。負載側調頻裝置換接后實出的參數為:R2為50 Ω(理論值50 Ω,實際接線組號為2+4,“+”表示串聯),電容C2為0.14 μF(理論值0.137 μF,實際接線組號為5‖6‖8,“‖”表示并聯)。

4 結束語

本文分析與研究了交流接觸器額定電流開斷試驗的方式及試驗參數,并重點研究了電源側TRV調頻裝置和負載側TRV調頻裝置,主要結論如下:

a.交流接觸器的額定開斷能力的驗證試驗回路由電源側部分和負載側部分組成,負載側TRV與電源側TRV的波形基本相似,均為振蕩波。在被試接觸器開斷瞬間,電源側TRV由試驗電源,回路電抗和電源側TRV調頻裝置振蕩產生;負載側TRV由負載側TRV調頻裝置儲存的電能和負載回路的電阻和電抗一起振蕩產生。

b.電源側TRV 調頻裝置由調頻電阻R1、頻電容C1和C0組成,采用經驗公式和仿真計算相結合確定了調頻裝置的電氣參數;負載側TRV 調頻裝置由調頻電阻R2、調頻電容C2組成,通過求解調頻支路的電路方程,得出調頻裝置的電氣參數。