供電系統(tǒng)電壓暫降對交流接觸器運(yùn)行特性影響研究*

馬夢白，胡海燕，劉全楨，李艷山

(中國石化青島安全工程研究院化學(xué)品安全控制國家重點(diǎn)實驗室，山東青島 266104)

1 “晃電”對交流接觸器的影響特性研究現(xiàn)狀

大型石化企業(yè)工藝流程復(fù)雜、連續(xù)性較強(qiáng)，其生產(chǎn)過程對供電可靠性提出了較高的要求。石化企業(yè)供電系統(tǒng)發(fā)生電壓暫降或短時中斷將會造成許多重要設(shè)備停機(jī)、生產(chǎn)中斷，迫使裝置系統(tǒng)停車，從而影響企業(yè)安全、平穩(wěn)運(yùn)行，并可能帶來設(shè)備損壞、環(huán)境污染甚至人員傷亡等次生事故的發(fā)生，同時給企業(yè)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

交流接觸器作為化工企業(yè)的關(guān)鍵敏感元件，在工業(yè)生產(chǎn)中主要用于接通或分?jǐn)鄮ж?fù)載的交流主電路或大容量控制電路，如用于電機(jī)的啟停等。由于交流接觸器自身的物理特性，當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)“晃電”現(xiàn)象時，會造成接觸器操作線圈短時斷電或電壓過低，導(dǎo)致工業(yè)過程中斷。在實際生產(chǎn)過程中，由于企業(yè)電網(wǎng)運(yùn)行環(huán)境以及惡劣天氣等因素的作用，“晃電”造成的交流接觸器脫扣、設(shè)備停機(jī)問題時有發(fā)生。因此，針對企業(yè)需求，研究“晃電”對交流接觸器的影響機(jī)理，對交流接觸器在“晃電”臨界狀態(tài)下的熱特性進(jìn)行研究，可有效指導(dǎo)企業(yè)制定科學(xué)、合理的抗“晃電”措施，盡可能降低“晃電”對工藝流程產(chǎn)生的影響。

目前，國內(nèi)外在電壓暫降對交流接觸器的影響特性方面展開了較多的研究。Kanokbannakorn W建立了交流接觸器的參數(shù)模型，詳細(xì)分析了電壓暫降發(fā)生時接觸器的電磁及機(jī)械特性，此外，通過仿真得到了接觸器在不同暫降幅值、暫降持續(xù)時間、起始角度下的耐受性能。四川大學(xué)肖先勇、汪穎、劉旭娜等學(xué)者針對電壓暫降嚴(yán)重度、敏感度及暫降不確定性開展了一系列研究工作，分別建立了電壓暫降敏感度模糊模型、設(shè)備失效時間混合熵模型、電壓暫降嚴(yán)重度評價指標(biāo)體系，通過引入模糊隨機(jī)變量、過程免疫能力等概念從多維度對電壓暫降進(jìn)行評估，并給出了更為客觀的評估結(jié)果。N. A. Ismail利用仿真分析構(gòu)建了交流接觸器的耐受特性曲線。此外，部分學(xué)者通過搭建典型敏感設(shè)備耐受性實驗平臺對交流接觸器等敏感設(shè)備進(jìn)行耐受特性測試，分別研究了影響交流接觸器耐受特性的因素。

在石化企業(yè)中，接觸器在“晃電”影響下不僅會造成主回路斷開，同時，在長時間的電壓暫降作用下，由于機(jī)械磨損及電磨損引起的溫升還會導(dǎo)致交流接觸器壽命的損耗，最終致使接觸器失效。以上研究均針對交流接觸器在暫降發(fā)生時的電氣特性開展研究，有學(xué)者利用有限元軟件ANSYS對交流接觸器溫度場進(jìn)行仿真，分析了接觸器正常工作時交流接觸器的溫升情況，但未對“晃電”狀態(tài)下接觸器的溫升狀況進(jìn)行研究。

在以上研究的基礎(chǔ)上，本文詳細(xì)分析交流接觸器的工作機(jī)理、“晃電”故障下接觸器的損耗因素，建立交流接觸器“晃電”模擬實驗平臺，得到實驗各品牌交流接觸器的耐受特性曲線，同時利用紅外熱像儀實時監(jiān)測“晃電”發(fā)生時接觸器各組成部分的溫升狀況，定量分析“晃電”對交流接觸器的影響特性，為合理制定抗晃電措施提供科學(xué)依據(jù)。

2 交流接觸器“晃電”機(jī)理及損耗特性研究

如圖1所示，交流接觸器主要由電磁系統(tǒng)、觸頭系統(tǒng)、滅弧裝置(一般在大容量接觸器中裝設(shè))以及絕緣外殼及附件等部分構(gòu)成。

圖1 交流接觸器工作原理示意

電磁系統(tǒng)包含動鐵芯、靜鐵芯以及線圈部分，觸頭系統(tǒng)包含動觸頭及輔助觸頭，輔助觸頭中又包括常開觸頭與常閉觸頭，電路絕緣外殼及附件由彈簧、傳動機(jī)構(gòu)以及短路環(huán)構(gòu)成。主觸頭在工業(yè)應(yīng)用中一般用來控制電機(jī)等設(shè)備，用于主電路，而輔助觸頭用于控制電路，起到控制作用。交流接觸器的線圈接通電壓時，線圈中通過的電流將會產(chǎn)生磁場，隨之產(chǎn)生電磁吸力，此時，動鐵芯在磁場力的作用下，克服彈簧的反力向靜鐵芯方向運(yùn)動，由于主觸頭系統(tǒng)與鐵芯聯(lián)動，因此在鐵芯帶動下，主觸頭閉合，與主觸點(diǎn)機(jī)械相連的輔助常閉觸點(diǎn)斷開，輔助常開觸點(diǎn)閉合，從而使接觸器吸合，主回路導(dǎo)通。當(dāng)線圈兩端電壓降低或突然斷電時，磁場產(chǎn)生的吸力逐漸變小甚至消失，動鐵芯聯(lián)動部分依靠彈簧的反作用力與靜鐵芯分離，使主觸頭斷開，與主觸點(diǎn)機(jī)械相連的輔助常閉觸點(diǎn)閉合，輔助常開觸點(diǎn)斷開，接觸器斷電。

在“晃電”事件發(fā)生過程中，交流接觸器出現(xiàn)多次釋放-吸合狀態(tài)，每次的釋放-吸合狀態(tài)均會造成動靜鐵芯及觸頭的彈跳及碰撞，從而產(chǎn)生機(jī)械磨損。此外，隨著觸頭間的碰撞產(chǎn)生的電弧將會導(dǎo)致觸頭材料發(fā)生消耗，產(chǎn)生電磨損，使得觸點(diǎn)間隙、觸點(diǎn)超程、觸點(diǎn)壓力及觸頭表面粗糙度發(fā)生變化，隨之導(dǎo)致接觸器觸頭發(fā)生熔焊或接觸不良。

在工程實際中，交流接觸器的失效形式主要表現(xiàn)為觸頭系統(tǒng)失效。其中，電磨損與電熔焊對接觸器失效的影響較為明顯。在交流接觸器分?jǐn)啻箅娏鞯倪^程中，電弧、大電流及火花放電的熱量將會導(dǎo)致觸頭噴濺、轉(zhuǎn)移或氣化，產(chǎn)生液態(tài)金屬橋從而導(dǎo)致材料轉(zhuǎn)移。觸頭的電磨損率如公式(1)、(2)所示。

(1)

對式(1)進(jìn)行積分可得:

(2)

式中:

M

——觸頭單次開斷電磨損量，mm；

k

,

n

——與材料相關(guān)的常數(shù)；

t

——燃弧時間,s；

i

——電弧電流,A。

可以看出，電磨損量與電弧電流、燃弧時間的長短呈正相關(guān)。

This treatise is a summary of the philosophical views of the Mahāyānist Madhyamaka School, it is a work of significant academic value.

交流接觸器在高溫作用下，接觸面材料發(fā)生融化，此時動、靜觸頭之間會產(chǎn)生熔焊力，阻礙觸頭的吸合或釋放，當(dāng)熔焊作用力大于彈簧的反作用力時，會使動、靜觸頭出現(xiàn)熔焊現(xiàn)象，無法完成斷開動作，交流接觸器失效?！盎坞姟睍r磁場力的變化造成的觸頭振動和彈跳是造成熔焊的主要原因，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生“晃電”時，觸頭處于振動或彈跳狀態(tài)下，此時接觸器為非穩(wěn)定連通，若電路中電流較大，動、靜觸頭間產(chǎn)生電弧電流，使觸頭表面熔化。在觸頭還未完全冷卻時再次進(jìn)行吸合，此時發(fā)生熔焊的可能性極高。

3 實驗研究

3.1 實驗平臺搭建

為研究交流接觸器“晃電”時電壓耐受特性及溫升特性，設(shè)計搭建交流接觸器“晃電”暫態(tài)特性實驗平臺，測試系統(tǒng)包括電壓暫降儀、電阻負(fù)荷、3種不同型號交流接觸器、故障錄波器、熱成像儀等設(shè)備。接線原理見圖2。

圖2 實驗接線原理示意

為了準(zhǔn)確得出交流接觸器在“晃電”臨界狀態(tài)下的溫升狀態(tài)，將紅外熱像儀放置于交流接觸器正前方，并使之始終處于實時監(jiān)控狀態(tài)。實驗選取3種類型接觸器進(jìn)行測試，具體參數(shù)如表1所示。

表1 實驗參數(shù)設(shè)置

3.2 實驗步驟

按照如圖2所示的實驗原理進(jìn)行接線，將交流接觸器線圈接入暫降發(fā)生儀，利用故障錄波器來記錄接觸器的吸合狀態(tài)，利用逼近法尋找被測試交流接觸器臨界耐受的暫降幅值和持續(xù)時間，將暫降儀輸出從100%U開始按照5%的梯度依次下降，暫降起始角度設(shè)置為0°。觀察接觸器的觸點(diǎn)釋放動作，綜合利用故障錄波器得到的輸入電壓、輸出電壓波形，在電壓暫降臨界電壓值附近，設(shè)置較長的暫降時間，使交流接觸器處于臨界狀態(tài)，分別觀測實驗現(xiàn)象并利用紅外熱像儀記錄臨界狀態(tài)下接觸器的溫升狀況。

3.3 交流接觸器暫降耐受特性分析

根據(jù)測試結(jié)果，可繪制如圖3所示的電壓暫降耐受特性曲線。

圖3 交流接觸器耐受特性曲線

在相同運(yùn)行條件下，由耐受特性曲線可以看出，交流接觸器的電壓暫降幅值與電壓暫降持續(xù)時間之間存在相似的規(guī)律，但不同品牌及型號的交流接觸器對電壓暫降的耐受能力存在差異性。C1與C2的暫降臨界值相近，C1正常工作的臨界幅值為額定電壓的40%，C2正常工作的臨界幅值為43%，C3的臨界幅值為臨界電壓的35%。在電壓暫降幅值大于臨界電壓暫降幅值時，無論暫降持續(xù)時間多長，交流接觸器都不會出現(xiàn)脫扣現(xiàn)象。如圖3所示，以C1接觸器為例，當(dāng)其電壓處于額定電壓的20%時，可正常工作的時間為55 ms，在暫降持續(xù)時間大于55 ms時，交流接觸器便無法正常工作，發(fā)生脫扣。通過上述方式，可依次分析得到在不同暫降幅值下交流接觸器能正常工作的時間，從而得到各型號的接觸器的安全工作區(qū)。

3.4 交流接觸器臨界熱特性分析

分別將C1、C2、C3的運(yùn)行暫降電壓設(shè)置為40%、43%、35%，同時設(shè)置暫降時間為60 s以上，接通電源，通過紅外熱像儀測量其溫升情況依次如圖4所示。

圖4 交流接觸器臨界狀態(tài)溫升曲線

圖5為紅外熱像儀記錄下的交流接觸器出現(xiàn)異常狀態(tài)時的紅外熱特征圖及接觸器損壞后的拆解實物圖，根據(jù)熱特征圖及損壞后拆解圖可準(zhǔn)確判斷接觸器在溫升狀態(tài)下的故障位置。

圖5 實驗現(xiàn)象

由上述實驗現(xiàn)象可以看出，在3種接觸器均處于臨界狀態(tài)時，試驗中最大溫升速度分別為2，4，10 ℃/s。接觸器在臨界狀態(tài)下溫升十分迅速，最高溫度可分別達(dá)到160，300，180 ℃，但在溫度并未達(dá)到最大值，即當(dāng)電壓在臨界值持續(xù)時間在20～50 s之間時，3種接觸器已經(jīng)出現(xiàn)不同程度的燒蝕及觸點(diǎn)熔焊現(xiàn)象。此外，通過熱像儀的紅外顯示可以看出，溫度上升點(diǎn)主要集中在動觸頭部分，高溫點(diǎn)分別出現(xiàn)在主觸頭接線端子處、動觸頭彈簧以及動靜觸頭接點(diǎn)上。

對以上實驗現(xiàn)象進(jìn)行分析可知，發(fā)生“晃電”時，存在電壓臨界值使得電磁吸力與彈簧拉力方向相反，大小相近，在臨界電壓下，動鐵芯所受電磁力與彈簧拉力相互抵抗，導(dǎo)致動靜觸頭更為頻繁地導(dǎo)通關(guān)斷，交流接觸器發(fā)生連續(xù)振動。在振動過程中，觸頭間會產(chǎn)生摩擦與碰撞，從而使動、靜觸頭的接觸部分產(chǎn)生裂痕、變形，隨之產(chǎn)生機(jī)械磨損，使得觸頭間產(chǎn)生收縮電阻，因此接觸電阻增大。由于其發(fā)熱遵循焦耳定律：

Q

=

I

Rt

(3)

式中：

Q

——熱量，J；

I

——電流，A；

R

——電阻，Ω；

t

——時間，s。

根據(jù)上述公式，交流接觸器觸頭熱量將會快速增大，當(dāng)內(nèi)部發(fā)熱與外部散熱難以維持平衡時，便會出現(xiàn)燒蝕現(xiàn)象。此外，在系統(tǒng)“晃電”狀態(tài)下，動、靜觸頭在劇烈振動過程中會產(chǎn)生電弧，高溫電弧會使觸頭發(fā)生燒蝕。

4 結(jié)論

通過建立交流接觸器電壓暫降測試平臺，對“晃電”狀態(tài)下交流接觸器的耐受特性及溫升狀況進(jìn)行研究，分別測試了3種不同型號接觸器“晃電”時的工作狀態(tài)，通過理論及實驗研究可以看出，在發(fā)生電壓暫降時，不同型號的交流接觸器的耐受特性有差異，而耐受特性與暫降持續(xù)時間及暫降幅值有關(guān)。當(dāng)暫降幅值接近臨界點(diǎn)且持續(xù)時間較長時，不僅會引起交流接觸器脫扣，同時還會造成接觸器溫升從而加速損耗甚至導(dǎo)致設(shè)備失效。

因此，在工業(yè)過程中，在對交流接觸器進(jìn)行選型時，要兼顧考慮到交流接觸器的電壓暫降耐受能力及熱特性等多種因素。為避免“晃電”對交流接觸器的正常工作產(chǎn)生影響，可根據(jù)接觸器的實際使用環(huán)境及不同型號產(chǎn)品的耐受特性曲線進(jìn)行選擇。在選取抗“晃電”接觸器時，應(yīng)參考其耐受特性及溫升特性合理制定延遲脫扣的時間，同時選擇吸合釋放動作快、動作性能較好的設(shè)備，從而在保證防“晃電”的基礎(chǔ)上又能減少接觸器本身壽命的損耗；選擇具有良好的熔焊抗性及電弧侵蝕抗性的觸頭材料,也可大幅降低交流接觸器在處于臨界電壓時頻繁振動時觸頭材料的退化速率,以延長交流接觸器的使用壽命。除此之外，在企業(yè)相關(guān)部門進(jìn)行繼電保護(hù)時間整定時，可將實驗結(jié)論中的臨界值作為依據(jù)進(jìn)行整定值的優(yōu)化設(shè)置，在系統(tǒng)電壓降至臨界值之前切斷故障線路，避免在臨界值發(fā)生多次暫降，從而降低“晃電”對其它設(shè)備及線路的影響，保障企業(yè)的平穩(wěn)運(yùn)行。

研究成果為制定交流接觸器抗“晃電”措施提供參考，為進(jìn)一步研究交流接觸器“晃電”狀態(tài)下運(yùn)行特性奠定了基礎(chǔ)。