新型无弧通断交流接触器结构研究

赵东洋++丁冠西++赵东海++刘一琼++万莉

摘 要：随着材料科学的发展，交流接触器的机械寿命已大大提高，但远远低于机械寿命，电寿命，这是已经成为制约交流接触器发展的瓶颈。特别是在使用类别AC-4，切换过程中产生电弧成为交流接触器电寿命的关键限制。提出了一种新型的无弧接触器结构，这种无弧交流接触器与常规交流接触器使用方法和外观完全一样，替换方便，并且还具有无弧通断的功能，大大提高了接触器的电寿命，取消了特殊材料触头的制作并避免了所有因开断电弧产生的电磁干扰和火灾风险。在断开接触器后，电源侧与负载侧具有明显的分断口，可靠地实现了电气隔离，这一点又与常规接触器的特性完全一致。

关键词：交流接触器 电寿命 无弧通断 分断口

中图分类号：TM572 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）03（c）-0114-02

随着新材料新工艺的采用，交流接触器机械寿命大幅度提高，只有机械寿命十分之一的电寿命成为影响交流接触器发展的瓶颈。普通交流接触器分断过程也会在大分断电流的影响下产生强烈电弧影响，对交流接触器分断过程智能改造也是非常必需的，使得交流接触器分断过程基本实现无弧化。提高交流接触器电寿命，最终提高交流接触器整体性能，同时对绿色、安全、节约型电网建设有重要的实际作用和意义。

1 无弧分合闸方案

在使用交流接触器控制电气设备的通断时，触点间存在很强的飞弧。特别是频繁地启动和停止设备时，更易使触点粘合或烧毁，需要频繁的更换触头，增加设备维修工作量和生产成本，更严重时会由于触点飞弧或烧融而导致生产事故。

为了能消除或充分减小分合闸过程中产生的电弧，我们尝试了以下几种试验方法。

1.1 同步分断技术

即控制交流接触器在电流过零瞬间分开，并以较快的速度拉开到足以承受恢复电压而不发生瞬间击穿的距离，则此时触头间隙不会产生电弧。事实上要完全实现同步分断是十分困难的。

1.2 触头系统改造技术

使交流接触器中间相触头开距不同于旁边的两相的开距，中间相触头打开后，经过小段时间，其余两相触头才打开（如图1所示）。通过控制中间相触头的分断时刻，可以达到三相触头均在电流过零点前分断电路，实现三相电路的同步分断。缺陷是触头改造系统同样是结合电流过零分断技术，实施难度比较大。

1.3 混合式开关技术

在主触头两端并联电力电子器件的方法，运行期间由主触头分担电流，分断过程中由电力电子器件分担电流，实现微弧或者无弧分断，提高接触器电寿命.这种方法把双向可控硅与接触器主触点相结合，真正实现了接触器的无弧通断功能，并且容易实现，无弧通断效果明显。

2 合闸过程方案分析

交流接触器吸合过程是个很复杂的动态过程，普通交流接触器采用交流励磁，很容易造成交流接触器出现铁芯碰撞和触头弹跳问题。而铁芯碰撞是影响交流接触器机械寿命的重要因素，触头弹跳又是影响交流接触器电寿命的重要影响因素。

分段直流激磁可以很好的控制激磁能量以便控制动铁心吸合速度，减少触头弹跳几率；同时，接触器稳定闭合之后采用直流小电压便可维持运行，从而大大降低了接触器运行功耗。分段激磁控制方案，控制方案原理如图2所示。

图2中，为合闸初相角；为第一次激磁回路作用时间；为停止激磁时间段；为第二次激磁回路作用时间。然后，再次停止激磁信号，使交流接触器铁心在惯性作用下缓慢吸合，最终实现交流接触器吸合过程所谓的“软着陆”，这种激磁控制方案可以将最大限度减小铁芯碰撞速度，进而减少或消除了触头的二次弹跳问题。

3 分闸过程方案分析

零电流分断控制技术即微电弧能量分断控制技术，目标是使接触器分断过程尽可能避免电弧的产生。交流电弧具有电流过零特性及“零休”现象。零电流分断技术便利用交流电弧此特性，使得交流接触器在电流过零之前的小段时间前分断，从而将交流电弧消灭在最初阶段。零电流分断控制技术是对时间控制精度要求非常高的分断控制方法，在其对交流接触器分断过程中起到改进作用的同时，该控制技术同样存在相应缺陷。

由于零电流分断控制技术存在缺陷，提出了无触点分断控制技术，主要做法为在每相主触头两端并联一个双向可控硅，使得分断瞬间可以由双向可控硅实现分流操作，达到无弧分闸的目的，如图3所示。相对于零电流分断控制技术，无触点分断控制技术可以从根本上杜绝电弧的产生，实现真正的无弧化。同时，无触点分断控制技术对外围硬件要求不是很高，降低了操作难度。同时双向可控硅只是在分断过程中导通几ms，所以降低了浪涌电流的冲击影响。

4 存在的问题

对于零电流分断控制技术主要有以下几点技术上的不足。

（1）设计相应的过零采样电路，使每相触头轮流在零点进行分断操作，缺陷是这种控制方法每次操作过程只有1/3概率实现零电流分断。

（2）由于交流接触器制造工艺及机构之间的差别，造成交流接触器每次分断过程很难保证时间稳定，呈现出很大的分散性，这也就使准确控制交流接触器在某一确定时刻分断存在很大技术难题。

（3）零电流分断是在电流过零之前很小的一段时间动作，附加条件是提高交流接触器动作速度，这同样会增加交流接触器动作机构的负担，给分断过程造成一定困难。

（4）复杂的现场情况使得非自适应的控制策略显得乏力，这也进一步增加了交流接触器控制系统的实现难度。

对于无触点无弧通断方法，在接触器主触点并联双向可控硅后，会造成接触器两端无可见分断点，没有实现电气彻底隔离，一旦可控硅出现故障，可能会把电源与负载端直接连通，造成严重后果。

5 新型结构方案

针对无触点无弧通断的方法存在潜在的危险，提出一种具有明显分断口的无弧交流接触器结构。这种新结构里包括两个电磁线圈，两套触点组，如图4所示，为新型无触点无弧接触器的内部立体结构示意图，图中数字标号的含义为：1-静铁芯，2-线圈，3-动铁芯，4-弹簧，5-支架，6-第一触点组，7-第二触点组，8-可控硅导电连接片，9-双向可控硅模块。在第一触点组两端并联双向可控硅，以实现无弧通断；当接触器处于断开状态时，第二触点组断开，用来把电源和负载完全隔离开。这种新型的接触器结构，既保证了电路安全，又实现了无弧的通断。

由于这种新型的接触器结构不产生电弧，因而对接触器的触头具有良好的保护作用，使接触器的寿命大大提高中，而其中的两个线圈不强调分开或闭合的速度，所以只需要较小的功率损耗，达到了节能降耗的目的。

6 结语

采用在主触点两端并联双向可控硅的方法实现接触器的无弧通断是最优的方法，但是这种方法存在危险，所以提出了一种新型的无弧接触器结构，实验表明，这种结构的无弧通断效果非常好。

这种无弧交流接触器与常规交流接触器使用方法和外观完全一样，替换方便，并且还具有无弧通断的功能，大大提高了接触器的电寿命，取消了特殊材料触头的制作并避免了所有因开断电弧产生的电磁干扰和火灾风险。在断开接触器后，电源侧与负载侧具有明显的分断口，可靠地实现了电气隔离，这一点又与常规接触器的特性完全一致。

参考文献

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