供电系统电压暂降对交流接触器运行特性影响研究*

马梦白，胡海燕，刘全桢，李艳山

(中国石化青岛安全工程研究院化学品安全控制国家重点实验室，山东青岛 266104)

1 “晃电”对交流接触器的影响特性研究现状

大型石化企业工艺流程复杂、连续性较强，其生产过程对供电可靠性提出了较高的要求。石化企业供电系统发生电压暂降或短时中断将会造成许多重要设备停机、生产中断，迫使装置系统停车，从而影响企业安全、平稳运行，并可能带来设备损坏、环境污染甚至人员伤亡等次生事故的发生，同时给企业造成巨大的经济损失。

交流接触器作为化工企业的关键敏感元件，在工业生产中主要用于接通或分断带负载的交流主电路或大容量控制电路，如用于电机的启停等。由于交流接触器自身的物理特性，当电网出现“晃电”现象时，会造成接触器操作线圈短时断电或电压过低，导致工业过程中断。在实际生产过程中，由于企业电网运行环境以及恶劣天气等因素的作用，“晃电”造成的交流接触器脱扣、设备停机问题时有发生。因此，针对企业需求，研究“晃电”对交流接触器的影响机理，对交流接触器在“晃电”临界状态下的热特性进行研究，可有效指导企业制定科学、合理的抗“晃电”措施，尽可能降低“晃电”对工艺流程产生的影响。

目前，国内外在电压暂降对交流接触器的影响特性方面展开了较多的研究。Kanokbannakorn W建立了交流接触器的参数模型，详细分析了电压暂降发生时接触器的电磁及机械特性，此外，通过仿真得到了接触器在不同暂降幅值、暂降持续时间、起始角度下的耐受性能。四川大学肖先勇、汪颖、刘旭娜等学者针对电压暂降严重度、敏感度及暂降不确定性开展了一系列研究工作，分别建立了电压暂降敏感度模糊模型、设备失效时间混合熵模型、电压暂降严重度评价指标体系，通过引入模糊随机变量、过程免疫能力等概念从多维度对电压暂降进行评估，并给出了更为客观的评估结果。N. A. Ismail利用仿真分析构建了交流接触器的耐受特性曲线。此外，部分学者通过搭建典型敏感设备耐受性实验平台对交流接触器等敏感设备进行耐受特性测试，分别研究了影响交流接触器耐受特性的因素。

在石化企业中，接触器在“晃电”影响下不仅会造成主回路断开，同时，在长时间的电压暂降作用下，由于机械磨损及电磨损引起的温升还会导致交流接触器寿命的损耗，最终致使接触器失效。以上研究均针对交流接触器在暂降发生时的电气特性开展研究，有学者利用有限元软件ANSYS对交流接触器温度场进行仿真，分析了接触器正常工作时交流接触器的温升情况，但未对“晃电”状态下接触器的温升状况进行研究。

在以上研究的基础上，本文详细分析交流接触器的工作机理、“晃电”故障下接触器的损耗因素，建立交流接触器“晃电”模拟实验平台，得到实验各品牌交流接触器的耐受特性曲线，同时利用红外热像仪实时监测“晃电”发生时接触器各组成部分的温升状况，定量分析“晃电”对交流接触器的影响特性，为合理制定抗晃电措施提供科学依据。

2 交流接触器“晃电”机理及损耗特性研究

如图1所示，交流接触器主要由电磁系统、触头系统、灭弧装置(一般在大容量接触器中装设)以及绝缘外壳及附件等部分构成。

图1 交流接触器工作原理示意

电磁系统包含动铁芯、静铁芯以及线圈部分，触头系统包含动触头及辅助触头，辅助触头中又包括常开触头与常闭触头，电路绝缘外壳及附件由弹簧、传动机构以及短路环构成。主触头在工业应用中一般用来控制电机等设备，用于主电路，而辅助触头用于控制电路，起到控制作用。交流接触器的线圈接通电压时，线圈中通过的电流将会产生磁场，随之产生电磁吸力，此时，动铁芯在磁场力的作用下，克服弹簧的反力向静铁芯方向运动，由于主触头系统与铁芯联动，因此在铁芯带动下，主触头闭合，与主触点机械相连的辅助常闭触点断开，辅助常开触点闭合，从而使接触器吸合，主回路导通。当线圈两端电压降低或突然断电时，磁场产生的吸力逐渐变小甚至消失，动铁芯联动部分依靠弹簧的反作用力与静铁芯分离，使主触头断开，与主触点机械相连的辅助常闭触点闭合，辅助常开触点断开，接触器断电。

在“晃电”事件发生过程中，交流接触器出现多次释放-吸合状态，每次的释放-吸合状态均会造成动静铁芯及触头的弹跳及碰撞，从而产生机械磨损。此外，随着触头间的碰撞产生的电弧将会导致触头材料发生消耗，产生电磨损，使得触点间隙、触点超程、触点压力及触头表面粗糙度发生变化，随之导致接触器触头发生熔焊或接触不良。

在工程实际中，交流接触器的失效形式主要表现为触头系统失效。其中，电磨损与电熔焊对接触器失效的影响较为明显。在交流接触器分断大电流的过程中，电弧、大电流及火花放电的热量将会导致触头喷溅、转移或气化，产生液态金属桥从而导致材料转移。触头的电磨损率如公式(1)、(2)所示。

(1)

对式(1)进行积分可得:

(2)

式中:

M

——触头单次开断电磨损量，mm；

k

,

n

——与材料相关的常数；

t

——燃弧时间,s；

i

——电弧电流,A。

可以看出，电磨损量与电弧电流、燃弧时间的长短呈正相关。

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

交流接触器在高温作用下，接触面材料发生融化，此时动、静触头之间会产生熔焊力，阻碍触头的吸合或释放，当熔焊作用力大于弹簧的反作用力时，会使动、静触头出现熔焊现象，无法完成断开动作，交流接触器失效。“晃电”时磁场力的变化造成的触头振动和弹跳是造成熔焊的主要原因，当系统发生“晃电”时，触头处于振动或弹跳状态下，此时接触器为非稳定连通，若电路中电流较大，动、静触头间产生电弧电流，使触头表面熔化。在触头还未完全冷却时再次进行吸合，此时发生熔焊的可能性极高。

3 实验研究

3.1 实验平台搭建

为研究交流接触器“晃电”时电压耐受特性及温升特性，设计搭建交流接触器“晃电”暂态特性实验平台，测试系统包括电压暂降仪、电阻负荷、3种不同型号交流接触器、故障录波器、热成像仪等设备。接线原理见图2。

图2 实验接线原理示意

为了准确得出交流接触器在“晃电”临界状态下的温升状态，将红外热像仪放置于交流接触器正前方，并使之始终处于实时监控状态。实验选取3种类型接触器进行测试，具体参数如表1所示。

表1 实验参数设置

3.2 实验步骤

按照如图2所示的实验原理进行接线，将交流接触器线圈接入暂降发生仪，利用故障录波器来记录接触器的吸合状态，利用逼近法寻找被测试交流接触器临界耐受的暂降幅值和持续时间，将暂降仪输出从100%U开始按照5%的梯度依次下降，暂降起始角度设置为0°。观察接触器的触点释放动作，综合利用故障录波器得到的输入电压、输出电压波形，在电压暂降临界电压值附近，设置较长的暂降时间，使交流接触器处于临界状态，分别观测实验现象并利用红外热像仪记录临界状态下接触器的温升状况。

3.3 交流接触器暂降耐受特性分析

根据测试结果，可绘制如图3所示的电压暂降耐受特性曲线。

图3 交流接触器耐受特性曲线

在相同运行条件下，由耐受特性曲线可以看出，交流接触器的电压暂降幅值与电压暂降持续时间之间存在相似的规律，但不同品牌及型号的交流接触器对电压暂降的耐受能力存在差异性。C1与C2的暂降临界值相近，C1正常工作的临界幅值为额定电压的40%，C2正常工作的临界幅值为43%，C3的临界幅值为临界电压的35%。在电压暂降幅值大于临界电压暂降幅值时，无论暂降持续时间多长，交流接触器都不会出现脱扣现象。如图3所示，以C1接触器为例，当其电压处于额定电压的20%时，可正常工作的时间为55 ms，在暂降持续时间大于55 ms时，交流接触器便无法正常工作，发生脱扣。通过上述方式，可依次分析得到在不同暂降幅值下交流接触器能正常工作的时间，从而得到各型号的接触器的安全工作区。

3.4 交流接触器临界热特性分析

分别将C1、C2、C3的运行暂降电压设置为40%、43%、35%，同时设置暂降时间为60 s以上，接通电源，通过红外热像仪测量其温升情况依次如图4所示。

图4 交流接触器临界状态温升曲线

图5为红外热像仪记录下的交流接触器出现异常状态时的红外热特征图及接触器损坏后的拆解实物图，根据热特征图及损坏后拆解图可准确判断接触器在温升状态下的故障位置。

图5 实验现象

由上述实验现象可以看出，在3种接触器均处于临界状态时，试验中最大温升速度分别为2，4，10 ℃/s。接触器在临界状态下温升十分迅速，最高温度可分别达到160，300，180 ℃，但在温度并未达到最大值，即当电压在临界值持续时间在20～50 s之间时，3种接触器已经出现不同程度的烧蚀及触点熔焊现象。此外，通过热像仪的红外显示可以看出，温度上升点主要集中在动触头部分，高温点分别出现在主触头接线端子处、动触头弹簧以及动静触头接点上。

对以上实验现象进行分析可知，发生“晃电”时，存在电压临界值使得电磁吸力与弹簧拉力方向相反，大小相近，在临界电压下，动铁芯所受电磁力与弹簧拉力相互抵抗，导致动静触头更为频繁地导通关断，交流接触器发生连续振动。在振动过程中，触头间会产生摩擦与碰撞，从而使动、静触头的接触部分产生裂痕、变形，随之产生机械磨损，使得触头间产生收缩电阻，因此接触电阻增大。由于其发热遵循焦耳定律：

Q

=

I

Rt

(3)

式中：

Q

——热量，J；

I

——电流，A；

R

——电阻，Ω；

t

——时间，s。

根据上述公式，交流接触器触头热量将会快速增大，当内部发热与外部散热难以维持平衡时，便会出现烧蚀现象。此外，在系统“晃电”状态下，动、静触头在剧烈振动过程中会产生电弧，高温电弧会使触头发生烧蚀。

4 结论

通过建立交流接触器电压暂降测试平台，对“晃电”状态下交流接触器的耐受特性及温升状况进行研究，分别测试了3种不同型号接触器“晃电”时的工作状态，通过理论及实验研究可以看出，在发生电压暂降时，不同型号的交流接触器的耐受特性有差异，而耐受特性与暂降持续时间及暂降幅值有关。当暂降幅值接近临界点且持续时间较长时，不仅会引起交流接触器脱扣，同时还会造成接触器温升从而加速损耗甚至导致设备失效。

因此，在工业过程中，在对交流接触器进行选型时，要兼顾考虑到交流接触器的电压暂降耐受能力及热特性等多种因素。为避免“晃电”对交流接触器的正常工作产生影响，可根据接触器的实际使用环境及不同型号产品的耐受特性曲线进行选择。在选取抗“晃电”接触器时，应参考其耐受特性及温升特性合理制定延迟脱扣的时间，同时选择吸合释放动作快、动作性能较好的设备，从而在保证防“晃电”的基础上又能减少接触器本身寿命的损耗；选择具有良好的熔焊抗性及电弧侵蚀抗性的触头材料,也可大幅降低交流接触器在处于临界电压时频繁振动时触头材料的退化速率,以延长交流接触器的使用寿命。除此之外，在企业相关部门进行继电保护时间整定时，可将实验结论中的临界值作为依据进行整定值的优化设置，在系统电压降至临界值之前切断故障线路，避免在临界值发生多次暂降，从而降低“晃电”对其它设备及线路的影响，保障企业的平稳运行。

研究成果为制定交流接触器抗“晃电”措施提供参考，为进一步研究交流接触器“晃电”状态下运行特性奠定了基础。