具有短路分?jǐn)喙δ艿闹悄芙涣鹘佑|器

王靜 戴宇飛

摘要：現(xiàn)階段，隨著我國(guó)科技的快速發(fā)展，智能控制與保護(hù)電器作為一種控制與保護(hù)的多功能電器，主要特點(diǎn)是將斷路器、接觸器、熱繼電器及隔離器的控制與保護(hù)功能集成于一體。CPS可以在正常運(yùn)行條件下頻繁操作接通或分?jǐn)嚯娐?，同時(shí)具有負(fù)載（如電動(dòng)機(jī)）處于非正常運(yùn)行狀態(tài)下的保護(hù)功能，特別是在短路故障時(shí)能及時(shí)開(kāi)斷電路。CPS集成上述功能，形成了適應(yīng)于電力系統(tǒng)發(fā)展、生產(chǎn)、應(yīng)用需要的新型低壓電器，解決了各電器之間的協(xié)調(diào)配合問(wèn)題，即在分?jǐn)喽搪冯娏骱鬅o(wú)需維護(hù)即可投入使用，也就是具有分?jǐn)喽搪饭收虾蟮倪B續(xù)運(yùn)行性能。

關(guān)鍵詞：短路分?jǐn)?；智能；交流接觸器

中圖分類(lèi)號(hào)：R26 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-3178（2018）20-0211-01

引言

交流接觸器是控制電器中最主要的產(chǎn)品，是使用量大、面廣的基礎(chǔ)元件產(chǎn)品。在低壓電器的智能化進(jìn)程中，相比斷路器而言，接觸器的智能化進(jìn)程稍有滯后，其中有技術(shù)原因，也有成本的原因。伴隨“中國(guó)制造2025”和“工業(yè)4.0”的推進(jìn)，以及工業(yè)自動(dòng)化的普及和適應(yīng)智能制造的要求，提升接觸器的可靠性、使用壽命和對(duì)其運(yùn)行過(guò)程的監(jiān)測(cè)、控制的要求，必將促進(jìn)接觸器的智能化進(jìn)程。

1 CPS基本結(jié)構(gòu)

采用3個(gè)單極交流接觸器組成新型CPS的本體結(jié)構(gòu)，智能控制與保護(hù)系統(tǒng)控制三臺(tái)單相交流接觸器和電磁快速斥力機(jī)構(gòu)，每臺(tái)接觸器包含獨(dú)立的電磁系統(tǒng)、觸頭系統(tǒng)、滅弧系統(tǒng)。通過(guò)控制系統(tǒng)可以獨(dú)立地控制每相觸頭的吸合和分?jǐn)?，可以根?jù)三相電流的相位實(shí)現(xiàn)不同步吸合或分?jǐn)?，方便地?shí)現(xiàn)零電流分?jǐn)唷Ｓ捎谠揅PS對(duì)每一相機(jī)構(gòu)進(jìn)行單獨(dú)控制，避免出現(xiàn)單相分?jǐn)嗤讲顔?wèn)題，從而達(dá)到更靈活、更準(zhǔn)確控制的目的，實(shí)現(xiàn)交流接觸器的零電流分?jǐn)喙δ堋?/p>

2 觸頭系統(tǒng)電動(dòng)斥力仿真

2.1觸頭系統(tǒng)電動(dòng)斥力

低壓斷路器限流分?jǐn)嗟脑硎牵寒?dāng)短路故障發(fā)生時(shí)，要求斷路器在短路電流達(dá)到其預(yù)期峰值前分?jǐn)唷４罅康南蘖鲾嗦菲骼糜|頭臂之間產(chǎn)生的電動(dòng)斥力來(lái)達(dá)到限流目的，觸頭上受到的電動(dòng)斥力主要由觸頭系統(tǒng)的電流密度和磁場(chǎng)大小所決定。在短路電流已經(jīng)到來(lái)而脫扣器動(dòng)作前，電弧電壓由于觸頭閉合保持為零，但當(dāng)大電流到來(lái)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一定的電動(dòng)斥力，如果電動(dòng)斥力大到克服觸頭預(yù)壓力，那么操動(dòng)機(jī)構(gòu)還沒(méi)動(dòng)作前觸頭將被斥開(kāi)，動(dòng)靜觸頭在電動(dòng)斥力的作用下分開(kāi)，并產(chǎn)生電弧。

2.2 線圈斷電后電磁機(jī)構(gòu)剩磁磁通吸力計(jì)算

由于考慮CPS在短路故障情況下存在快速電磁斥力機(jī)構(gòu)與交流接觸器本體結(jié)構(gòu)動(dòng)作協(xié)調(diào)配合的問(wèn)題，必須計(jì)算快速電磁斥力機(jī)構(gòu)未動(dòng)作條件下，觸頭系統(tǒng)電動(dòng)力、彈簧反力、電磁系統(tǒng)剩磁作用力綜合作用下的動(dòng)態(tài)特性。因此，計(jì)算線圈斷電后電磁機(jī)構(gòu)剩磁磁通吸力是必要的。顯然，計(jì)算該動(dòng)態(tài)吸力，首先應(yīng)該了解線圈斷電后電磁機(jī)構(gòu)鐵心中磁通的動(dòng)態(tài)特性。為此，在鐵心上加繞一輔助線圈（該線圈為100匝），當(dāng)原激磁線圈斷電后將在該輔助線圈中感應(yīng)電勢(shì)，輔助線圈感應(yīng)。

2.3 電動(dòng)斥力計(jì)算

電動(dòng)斥力包括觸頭間電動(dòng)斥力和觸頭系統(tǒng)回路間電動(dòng)斥力。電器的動(dòng)靜觸頭的接觸面盡管看起來(lái)很平坦光滑，但它們實(shí)際上僅在一些接觸斑點(diǎn)上相互接觸。當(dāng)電流通過(guò)觸頭，由于電流線在接觸面附近發(fā)生收縮，因而在觸頭間會(huì)出現(xiàn)電動(dòng)斥力（霍爾姆力），這是一種電流自身磁場(chǎng)作用下的電動(dòng)力，與電流的平方成正比。

3 短路分?jǐn)喙δ艿闹悄芙涣鹘佑|器

3.1交流接觸器的發(fā)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(shí)晶閘管必須是導(dǎo)通的這一問(wèn)題，早期提出的混合式接觸器是采用每相觸頭兩端并聯(lián)兩只互為反向連接的晶閘管或一只雙向晶閘管，這樣一臺(tái)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(shù)字技術(shù)、微電子技術(shù)和電力電子技術(shù)的進(jìn)步，提出了通過(guò)對(duì)導(dǎo)通角的精確控制，實(shí)現(xiàn)每相并聯(lián)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(guān)鍵是觸頭必須選擇在三相晶閘管導(dǎo)通中、當(dāng)其中任意兩相為正、一相為負(fù)時(shí)的共同導(dǎo)通區(qū)閉合，三相波形圖的陰影部分為它們的共同導(dǎo)通區(qū)，在每個(gè)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(shí)長(zhǎng)約3.3ms。觸頭在晶閘管導(dǎo)通情況下閉合，從而避免了觸頭閉合時(shí)因振動(dòng)、彈跳而產(chǎn)生電弧。

3.3 短路分?jǐn)嘣囼?yàn)

優(yōu)化后加工的樣機(jī)在福建省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)研究院進(jìn)行短路分?jǐn)嘣囼?yàn)，試驗(yàn)過(guò)程的參數(shù)為：試驗(yàn)電壓400V，試驗(yàn)電流50KV，A相短路分?jǐn)嘣囼?yàn)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(yù)期電流的三分之一，而且持續(xù)時(shí)間僅為四分之一周波，可見(jiàn)該CPS不僅短路分?jǐn)嗄芰?qiáng)，而且限流性能也相當(dāng)好。

3.4分?jǐn)嘣囼?yàn)測(cè)試

仿真計(jì)算是基于快速斥力動(dòng)作機(jī)構(gòu)直接推動(dòng)CPS觸頭的計(jì)算結(jié)果。由于加工條件的限制，本文分?jǐn)嘣囼?yàn)測(cè)試的樣機(jī)是基于快速斥力動(dòng)作機(jī)構(gòu)推動(dòng)CPS鐵心進(jìn)行加工的。測(cè)試方法如下：由MATLAB仿真軟件產(chǎn)生的短路電流波形數(shù)據(jù)通過(guò)任意波形發(fā)生器注入給硬件電路，結(jié)合早期檢測(cè)算法測(cè)得故障相角為0°時(shí)結(jié)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(jī)構(gòu)觸發(fā)信號(hào)，也就是早期檢測(cè)電路判斷到短路電流時(shí)刻，通道3為接觸器觸頭信號(hào)波形，低電平表示觸頭閉合，高電平表示觸頭打開(kāi)。圖下（b）為圖下（a）在分?jǐn)嘈盘?hào)時(shí)刻的展開(kāi)波形，從圖中可以看出分?jǐn)鄷r(shí)間為1.28ms。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，重點(diǎn)研究了在觸頭系統(tǒng)回路電動(dòng)斥力、彈簧反力、剩磁吸力共同作用下集成電器觸頭的運(yùn)動(dòng)軌跡。為了實(shí)現(xiàn)集成電器能夠在早期檢測(cè)的基礎(chǔ)上快速分?jǐn)喽搪饭收?，將?yīng)用于中高壓系統(tǒng)上的快速電磁斥力機(jī)構(gòu)引入低壓系統(tǒng)，仿真計(jì)算了不同電容容量下集成電器觸頭快速運(yùn)動(dòng)的位移曲線。從而在該物理模型的基礎(chǔ)上，建立了基于電流形態(tài)小波的短路故障早期檢測(cè)技術(shù)、基于快速電磁斥力機(jī)構(gòu)的綜合機(jī)械與電磁原理的觸頭短路故障快速動(dòng)作并限流的樣機(jī)模型。仿真研究和短路分?jǐn)嘣囼?yàn)證明了該技術(shù)的可行性，為CPS后續(xù)研發(fā)提供理論基礎(chǔ)和設(shè)計(jì)依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

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