振荡电路调节在低压电器分断试验中作用分析

陈 西, 袁志良

(苏州西门子电器有限公司, 江苏 苏州 215129)

0 引 言

分断能力测试是一种模拟性试验,模拟现实使用过程中出现过载以及短路故障时,验证低压电器能否可靠地分断测试回路中所出现的过载与故障电流[1]。在这些情况下,分断电路中的电压和电流都大于生弧电压与生弧电流,因此在分断过程中产品的触头系统不可避免地产生电弧,为此要求低压电器可靠迅速地将电弧熄灭,不然电弧电流产生的高热量能让触头系统的金属表面熔化,也就是常说的产品熔焊,进而导致触头系统甚至其他部件的烧毁。科学地考核低压电器开关的分断能力是保证低压电器可靠地工作的一项重要检测项目。

对负载电路的调节是分断能力试验中的一个重要环节。主要包括两部分调节:一个是对主回路的调节,另一个是对振荡电路的调节。主回路调节主要是用来模拟出相应的测试电压、测试电流、功率因数;振荡回路调节是针对对瞬态电涌电流有规定的情况下,通过调节主回路中的振荡频率、振荡系数来让试验回路更好地模拟产品现实使用情况中负载振荡特性。需要指出的是无振荡调节电路下进行的试验比有振荡调节电路进行的试验要严酷,因为实际检测过程中显示振荡调节电路对试验结果有很大的影响,是决定试验能否通过的关键因素。

现国内外还没有太多的文献资料就振荡电路调节对测试结果的影响进行分析和探讨,不同的检测机构对振荡回路的调节理解也不尽一致。为此本文结合实际检测工作,首先,分析振荡频率与振荡系数调节对测试结果的影响;然后基于这些分析结果,提出了振荡系数调节和振荡频率调节分别如何影响试验结果的结论,以达到提高低压电器分断测试的科学性与合理性的目的。

1 振荡调节电路的定义

参照GB/T 14048.1—2012《低压开关设备和控制设备第1部分:总则》,负载调节电路(负载星形接地)如图1所示[2]。其中,S为电源;D为被试电器;S为调整相的选择开关;B为二极管;A为记录仪;Ra为电阻器;G为高频发生器;R为负载电路电阻器;X为负载电路电抗器;Rp为并联电阻器;Cp为并联电容器;I1、I2、I3为电流传感器。

图1 负载调节电路(负载星形接地)

调节振荡电路主要是让测试电路满足瞬态恢复电压特性要求。为了满足模拟包含单独电机负载(感性负载)的电路条件,参照GB/T 14048.1—2012,负载电路的振荡频率应按以下公式计算[1]。

f=2000Ic0.2Ue-0.8±10%

(1)

式中:f——振荡频率;

Ic——分断电流;

Ue——额定工作电压。

参照GB/T 14048.1—2012,振荡系数γ调整[1]应为γ=1.1±0.05。

电路的振荡特性,主要体现在两个参数:振荡系数γ,振荡频率f。振荡系数γ实际数值确定方法如图2所示;振荡频率f实际数值确定方法如图3所示。

图2 振荡系数γ实际数值确定方法

图3 振荡频率f实际数值确定方法

参照GB/T 14048.1—2012附录E,振荡系数γ定义[1]为

(2)

式中:U11——高频发生器不再供电给负载电路时波形的纵坐标;

U12——过零瞬间的纵坐标。

通常认为图3从第二个波峰开始直流分量较小,因此振荡频率的计算应为第二个波峰到第三个波峰的频率值。

2 振荡电路调节的作用

通常通过调节图1中的电容器Cp来调整振荡频率,通过调整电阻器Rp来调整振荡系数。理论上,增加Cp,振荡频率f会随之减小;增加Rp,振荡系数γ会随之增加。主回路自然振荡属性如图4所示;主回路调整后的振荡属性如图5所示。由图4、图5可见,调节振荡回路可以将原先主回路的自然振荡属性调整到满足标准要求的振荡属性。

对比图4与图5,能清晰地看出振荡调节电路能在很大程度上调整回路中的振荡属性。

图4 主回路自然振荡属性

图5 主回路调整后的振荡属性

3 振荡调节回路对分断试验结果的影响

接下来通过实际检测,从调节与不调节振荡频率f、振荡系数γ的角度,只调节振荡频率f、不调节振荡系数γ的角度,只调节振荡系数γ、不调节振荡频率f的角度出发,探讨振荡频率调节与振荡系数调节对分断试验结果的影响。

在分断试验过程中,燃弧的实际情况很大程度上决定了产品能否通过分断试验。因此,接下来的分析中,主要对比在同样测试参数下的燃弧数据,燃弧数据主要体现在最大燃弧电压、燃弧时间、燃弧能量3个方面。

3.1 调节与不调节振荡回路对分断试验结果的影响分析

本文以检测隔离开关在电动机负载类型下的分断试验为实例,功率因数定义为0.45(模拟单独电机负载)、恢复电压为725 V,分断电流为1 600 A;通过调整主回路的阻抗得到上述电参数,主回路阻抗确定下来后,主回路的自然振荡属性就定义好了,然后在不调节振荡回路和调节振荡回路两种情况下进行分断试验,根据试验结果进行相应的影响分析。

首先在不使用振荡调节电路的情况下进行分断试验。未调节振荡电路下分断试验波形和燃弧数据实测值如图6所示。

图6 未调节振荡电路下分断试验波形和燃弧数据实测值

调节振荡电路下分断试验波形和燃弧数据值如图7所示。

图7 调节振荡电路下分断试验波形与燃弧数据实测值

综合分析两次分断试验中的燃弧实测数据,未调节与调节振荡电路燃弧实测数据对比如表1所示。

表1 未调节与调节振荡电路燃弧实测数据对比

表1的对比数据显示调节振荡电路很大程度上限制了燃弧时间、最大燃弧电压,进而达到限制燃弧能量的目的。燃弧时间短说明产品在分断的过程很快熄灭了电弧,并有效地限制住了最大燃弧电压,避免分断试验过程中产生大量的热量,也就避免了对产品的巨大热冲击,尤其是对相应的触头系统的冲击。实际检测中不调节振荡电路时,产品因为燃弧时间过长起火,但是经过调节振荡电路,燃弧时间缩短,产品通过试验。这也证明了调节与未调节振荡电路对分断试验是有很大的影响,但不清楚调节振荡频率与振荡系数分别影响燃弧的哪方面数据。因此接下来分别从只调节振荡频率或只调节振荡系数来进一步分析和探讨。

3.2 只调节振荡频率f对分断试验影响分析

振荡电路的调节一直是分断试验中的一个难点。有的时候很难通过调整Rp、Cp同时让振荡频率与振荡系数都满足标准要求,因此有的时候只能满足振荡频率f的要求或只能满足振荡系数γ的要求。在此先分析只调节振荡频率f,不调节振荡系数γ对分断试验影响。

首先不调节振荡频率进行分断试验,未调节振荡频率下分断试验波形如图8所示。

图8 未调节振荡频率下分断试验波形

然后在调节振荡频率下进行分断试验,调节振荡频率下分断试验波形和燃弧数据实测值如图9所示。

图9 调节振荡频率下分断试验波形和燃弧数据实测值

将两次试验的燃弧数据实测值汇总,调节振荡频率燃弧实测数据对比如表2所示。

表2 调节振荡频率燃弧实测数据对比

由表2可见,调整振荡频率时能很大程度上缩短燃弧时间、降低燃弧能量;从波形上来看,不调节振荡频率的情况下产品在分断过程中出现了重燃的现象,使产品在试验中不能很快熄灭电弧,从而燃弧时间过长,燃弧能量也很大;只调整振荡频率不调整振荡系数的情况下,最大燃弧电压几乎没有太大的变化。因此,得出将振荡频率调整到标准要求值可以避免产品分断过程中的重燃现象,缩短燃弧时间,但对最大燃弧电压没有限制,那进一步探讨调整振荡系数是否能像3.1中所述那样能够限制最大燃弧电压。

3.3 只调节振荡系数γ对分断试验影响分析

分析在只调整振荡系数、不调整振荡频率的情况下进行分断试验的试验结果,来达到分析调整振荡系数对分断试验的影响。

首先不调节振荡系数进行分断试验,未调节振荡系数下的分断试验波形如图10所示。

图10 未调节振荡系数下的分断试验波形

然后在同样的测试参数下,调节振荡系数执行分断试验,调节振荡系数下分断试验波形如图11所示。

图11 调节振荡系数下分断试验波形

汇总两次试验中燃弧数据,调节振荡系数燃弧实测数据对比如表3所示。

表3 调节振荡系数燃弧实测数据对比

对比表3中两次试验的燃弧数据,清晰地看到调整振荡系数能很大程度上限制住最大燃弧电压,燃弧时间没有太大的变化。因此,得出将振荡系数调整到标准要求值可以避免产品分断过程中出现极大燃弧电压,有助于限制燃弧能量,产品顺利地通过了分断试验。

4 结 语

本文详细分析了同时调节振荡频率与振荡系数、只调节振荡频率、只调节振荡系数这3种情况下对分断试验结果的影响,得出振荡电路调节是决定分断试验能否通过的关键因素。调整振荡频率能避免产品在试验中出现重燃现象,调整振荡系数能限制住最大燃弧电压。通过实际试验波形及实测值证明了上述分析结果。希望通过这些实例分析得出的上述结论能够帮助测试人员更好地理解振荡电路调节在分断试验中的作用。