交流控制設(shè)備主備電源轉(zhuǎn)換失效分析和處理方法研究

劉少波

（國營蕪湖機(jī)械廠，安徽 蕪湖 241007）

某大型交流電源系統(tǒng)平臺(tái)向交流負(fù)載提供115V/400Hz三相交流電。交流電源系統(tǒng)為雙通道供電系統(tǒng)，單通道額定容量為40kVA，正常情況下，左、右交流發(fā)電通道獨(dú)自工作，分別向各自一側(cè)交流負(fù)載供電，當(dāng)其中任一發(fā)電通道故障時(shí)，通過交流控制設(shè)備內(nèi)主備電源轉(zhuǎn)換接觸器C800的控制，將左、右兩側(cè)交流匯流條連接在一起，由正常供電的發(fā)電通道向全體交流負(fù)載供電。

交流控制設(shè)備主要由C800接觸器等組成。C800接觸器電路圖見圖1，包括3組主觸點(diǎn)組成的工作電路和6組輔助觸點(diǎn)組成的狀態(tài)顯示電路，其工作原理以左交流發(fā)電通道為例，3組主觸點(diǎn)A2、B2、C2向左通道交流負(fù)載提供115V/400Hz三相交流電，常開觸點(diǎn)A1、B1、C1接至左通道交流發(fā)電機(jī)，是左通道負(fù)載的主供電電源；常閉觸點(diǎn)A3、B3、C3接至右通道交流發(fā)電機(jī)，是左通道負(fù)載的備份供電電源。6組輔助觸點(diǎn)中的3組分別連接到屏幕、燈光、語音系統(tǒng)，在左交流通道退網(wǎng)，切換至右交流電網(wǎng)供電時(shí)，輔助觸點(diǎn)轉(zhuǎn)換，分別通過文字、燈光、語音報(bào)送“左交流發(fā)電機(jī)故障”信息。

圖1 C800接觸器電路圖

故障案例中失效的C800接觸器轉(zhuǎn)換時(shí)間為零，導(dǎo)致主、備交流電源帶大負(fù)載轉(zhuǎn)換時(shí)，主觸點(diǎn)拉弧，左右三相交流電瞬間發(fā)生相間短路，造成主觸點(diǎn)熔融，左右交流發(fā)電通道均退網(wǎng)，伴隨輔助觸點(diǎn)轉(zhuǎn)換異常后報(bào)故信息紊亂。關(guān)于交流電源系統(tǒng)帶大負(fù)載切換備份電源，接觸器轉(zhuǎn)換時(shí)間為零造成相間短路，引發(fā)交流控制設(shè)備內(nèi)主、備電源轉(zhuǎn)換失效的案例還鮮有報(bào)道，因此，本例接觸器轉(zhuǎn)換時(shí)間為零的失效分析及改進(jìn)，對(duì)后續(xù)類似的電路設(shè)計(jì)、維護(hù)具有參考價(jià)值。

1 故障現(xiàn)象和初步判斷

某大型交流電源系統(tǒng)平臺(tái)在雙通道各一臺(tái)發(fā)電機(jī)同時(shí)帶載起動(dòng)過程中，發(fā)生兩臺(tái)發(fā)電機(jī)投網(wǎng)不成功，交流控制設(shè)備內(nèi)控制左發(fā)電機(jī)投網(wǎng)、及投網(wǎng)不成功后切換備份電源的C800接觸器3組主觸點(diǎn)嚴(yán)重?zé)g，觸點(diǎn)熔融失效；6組輔助觸點(diǎn)中的2組觸點(diǎn)斷電后不釋放，造成電源管理計(jì)算機(jī)未回采到左發(fā)電機(jī)失效信號(hào)并采取保護(hù)措施，以及燈光和語音系統(tǒng)報(bào)送“左交流發(fā)電機(jī)故障”信息而屏幕無告警信息的矛盾現(xiàn)象。

第一次發(fā)生上述現(xiàn)象時(shí)，故障點(diǎn)集中在C800接觸器毋庸置疑，更換一件新品后故障消失。由于該型接觸器裝入交流控制設(shè)備前，已按照制造廠技術(shù)資料篩選過線圈電阻、觸點(diǎn)接觸電阻和壓降、吸合/釋放電壓和時(shí)間、吸合/釋放回跳時(shí)間和觸點(diǎn)同步時(shí)間等技術(shù)指標(biāo)，初步判斷這件C800接觸器存在制造缺陷，比如主觸點(diǎn)附近因某種特殊原因產(chǎn)生了金屬多余物，卡滯在主觸點(diǎn)處引發(fā)了短路后導(dǎo)致。

第二次發(fā)生上述現(xiàn)象是更換了一件C800接觸器新品約半年時(shí)間后，故障發(fā)生的時(shí)機(jī)完全相同，但個(gè)體制造缺陷的猜測已非常存疑，深層次的原因待分析和求證。

2 故障分析和求證

2.1 故障分析

鑒于兩次故障發(fā)生的時(shí)機(jī)相同，故障分析從梳理發(fā)電機(jī)開始投網(wǎng)和主備電源切換的工作原理入手。

正常情況下，左、右交流發(fā)電通道獨(dú)自工作，分別向各自一側(cè)交流負(fù)載供電，但是，左、右交流發(fā)電機(jī)初始發(fā)電成功并投網(wǎng)一般存在時(shí)間差，假設(shè)右交流發(fā)電機(jī)先發(fā)電成功并投網(wǎng)，此時(shí)左交流發(fā)電機(jī)尚未發(fā)電成功投網(wǎng)，那么，左交流發(fā)電通道的負(fù)載通過C800接觸器的常閉觸點(diǎn)A3、B3、C3，從右通道交流發(fā)電機(jī)獲取115V/400Hz三相交流電，見圖1。當(dāng)左交流發(fā)電機(jī)發(fā)電成功并投網(wǎng)，左交流發(fā)電通道的負(fù)載從C800接觸器的常閉觸點(diǎn)，轉(zhuǎn)換為從常開觸點(diǎn)A1、B1、C1獲取左交流發(fā)電機(jī)輸出的115V/400Hz三相交流電。當(dāng)上述C800接觸器帶大負(fù)載進(jìn)行主備電源轉(zhuǎn)換時(shí)，因觸點(diǎn)拉弧等原因，造成常閉觸點(diǎn)斷開到常開觸點(diǎn)吸合的轉(zhuǎn)換時(shí)間為零時(shí)，左、右交流發(fā)電機(jī)會(huì)發(fā)生相間短路，造成主觸點(diǎn)燒蝕、熔融等故障。當(dāng)接觸器帶載轉(zhuǎn)換的負(fù)荷較小，觸點(diǎn)拉弧也較小，或接觸器自身質(zhì)量高，使主觸點(diǎn)轉(zhuǎn)換時(shí)間大于零時(shí)，這種相間交流電短路的現(xiàn)象就不會(huì)發(fā)生了。

2.2 故障求證

下面設(shè)計(jì)并制作專用檢測電路，求證上述分析。

GJB 1461A-2017《大功率電磁繼電器通用規(guī)范》中，轉(zhuǎn)換時(shí)間的定義是：轉(zhuǎn)換觸點(diǎn)組中，從閉合觸點(diǎn)斷開到斷開觸點(diǎn)閉合之間的時(shí)間間隔。對(duì)于多組觸點(diǎn)的繼電器，轉(zhuǎn)換時(shí)間定義為：從最慢斷開的一組閉合觸點(diǎn)斷開到最快閉合的一組斷開觸點(diǎn)閉合之間的時(shí)間間隔。因此，綜合故障電路時(shí)的帶載情況，設(shè)計(jì)C800接觸器轉(zhuǎn)換時(shí)間測試電路見圖2。

圖2 C800接觸器轉(zhuǎn)換時(shí)間測試電路

經(jīng)理論計(jì)算，結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及驗(yàn)證，圖2中主觸點(diǎn)外加28V直流電壓和5A的阻性負(fù)載，可近似替代故障發(fā)生時(shí)的交流電源投網(wǎng)和轉(zhuǎn)換工況。按圖2的測試電路，取一件C800接觸器合格品，測試A、B、C三組觸點(diǎn)在線圈外加28V直流電壓吸合時(shí)的轉(zhuǎn)換時(shí)間分別為1.90ms、1.80 ms、2.20ms，波形圖見圖3；測試A、B、C三組觸點(diǎn)在線圈電壓釋放時(shí)的轉(zhuǎn)換時(shí)間分別為1.85ms、1.75 ms、1.55ms，波形圖見圖4。

圖3 吸合轉(zhuǎn)換時(shí)間合格的C800接觸器波形圖

圖4 釋放轉(zhuǎn)換時(shí)間合格的C800接觸器波形圖

普查20件與本例故障時(shí)機(jī)工況相同、工作時(shí)間超過500小時(shí)的C800接觸器，其中19件合格，主觸點(diǎn)轉(zhuǎn)換時(shí)間均大于零，波形圖與圖3、圖4類似。1件不合格，該件C800接觸器的B相轉(zhuǎn)換時(shí)間為零，其A、B、C三組觸點(diǎn)在線圈外加28V直流電壓吸合時(shí)的轉(zhuǎn)換時(shí)間分別為0.70ms、0ms、0.50ms，波形圖見圖5，X軸（時(shí)基）放大十倍圖見圖6；A、B、C三組觸點(diǎn)在線圈電壓釋放時(shí)的轉(zhuǎn)換時(shí)間分別為0.10ms、0ms、0.70ms，波形圖略。

圖5 吸合轉(zhuǎn)換時(shí)間不合格的C800接觸器波形圖

圖6 吸合轉(zhuǎn)換時(shí)間不合格的C800接觸器波形圖（放大十倍）

從圖5、圖6可以看出，此件C800接觸器的B相轉(zhuǎn)換時(shí)間為零。補(bǔ)充求證兩項(xiàng)試驗(yàn)工作如下：首先，測試本件接觸器的線圈電阻、觸點(diǎn)接觸電阻和壓降、吸合/釋放電壓和時(shí)間、吸合/釋放回跳時(shí)間和觸點(diǎn)同步時(shí)間等技術(shù)指標(biāo)，均在合格范圍內(nèi)。說明轉(zhuǎn)換時(shí)間不合格的接觸器，其他指標(biāo)不一定不合格。其次，對(duì)照上文中燒蝕故障的2件C800接觸器，作破壞性分解，發(fā)現(xiàn)主觸點(diǎn)燒蝕最嚴(yán)重的均為B相，其它主觸點(diǎn)、輔助觸點(diǎn)的損傷狀況遞減，求證結(jié)果與理論分析一致。

3 處理措施

3.1 增加C800接觸器轉(zhuǎn)換時(shí)間的監(jiān)測

針對(duì)本文C800接觸器轉(zhuǎn)換時(shí)間為零，導(dǎo)致交流電源系統(tǒng)雙通道供電同時(shí)失效的安全隱患，對(duì)庫存和后續(xù)采購的新品，按圖2增加轉(zhuǎn)換時(shí)間大于零的檢測指標(biāo)要求。對(duì)與本例故障時(shí)機(jī)工況相同的所有同型號(hào)接觸器進(jìn)行普查，更換不合格品；并增加500小時(shí)離位定檢要求。

3.2 尋求C800接觸器替代產(chǎn)品

C800接觸器主觸點(diǎn)結(jié)構(gòu)是單臂轉(zhuǎn)換式，在線圈外加吸合電壓時(shí)，一條公共臂從常閉觸點(diǎn)切換至常開觸點(diǎn)，在主觸點(diǎn)公共端一直接通交流大負(fù)載的情況下，接觸器常閉觸點(diǎn)向常開觸點(diǎn)轉(zhuǎn)換時(shí)存在拉弧現(xiàn)象，拉弧可能造成常閉觸點(diǎn)還未斷開、常開觸點(diǎn)已接通，引發(fā)交流電相間短路。可尋求其他結(jié)構(gòu)的接觸器替代產(chǎn)品，徹底消除帶載轉(zhuǎn)換時(shí)主觸點(diǎn)拉弧短路的安全隱患。

4 結(jié)語

本文對(duì)某型交流控制設(shè)備故障開展了分析和求證，并提供了對(duì)設(shè)備內(nèi)部主要部件——C800接觸器短期監(jiān)控轉(zhuǎn)換時(shí)間、長期尋求替代產(chǎn)品的處理措施，對(duì)包含帶載轉(zhuǎn)換大功率接觸器的設(shè)備或系統(tǒng)設(shè)計(jì)、使用維護(hù)等具有一定參考價(jià)值。

（1）C800接觸器及類似主觸點(diǎn)結(jié)構(gòu)的接觸器，在帶載轉(zhuǎn)換主備交流電源時(shí)，如主觸點(diǎn)轉(zhuǎn)換時(shí)間為零，存在相間短路的安全隱患。設(shè)計(jì)選型時(shí)可考慮避免。

（2）接觸器轉(zhuǎn)換時(shí)間應(yīng)大于零的技術(shù)要求，應(yīng)納入作為帶載轉(zhuǎn)換主備電源使用的接觸器的測試技術(shù)指標(biāo)。