電磁式電流和電壓繼電器教學(xué)實(shí)驗(yàn)特性差異性

鄧豐強(qiáng)， 莊 正， 王智東,2， 楊 玲， 梁 梅，林映溪， 冒 杰， 林文智

(1.華南理工大學(xué) 電力學(xué)院,廣州 510641；2.華南理工大學(xué)廣州學(xué)院 電氣工程學(xué)院,廣州 510800)

0 引 言

電流繼電器和電壓繼電器直接反映電力系統(tǒng)異常甚至故障時(shí)的電流和電壓變化，是電力系統(tǒng)繼電保護(hù)基礎(chǔ)[1-3]。高校開設(shè)的本科繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)，也普遍設(shè)置電流繼電器和電壓繼電器課程內(nèi)容。電磁式繼電器作為使用最早、應(yīng)用范圍最廣泛的一種繼電器形式，具有生動直觀、原理清晰等優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)前本科繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)也大多采用電磁式繼電器[4-9]。

作為繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，本科繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)繼電器內(nèi)容主要研究電磁式繼電器特性。對于電磁式電流和電壓繼電器而言，通過實(shí)驗(yàn)獲得繼電器動作值和返回值的實(shí)際數(shù)值，并與繼電器整定值比較，進(jìn)而分析返回系數(shù)等繼電器特性數(shù)據(jù)，加深學(xué)生對繼電器原理和具體應(yīng)用的理解[10-13]。

1 實(shí)驗(yàn)接線和現(xiàn)象

1.1 接線方法與實(shí)驗(yàn)過程

電磁式電流和電壓繼電器的實(shí)驗(yàn)接線見圖1。對于電磁式電流繼電器，調(diào)壓器輸出可調(diào)電源，并與滑動變阻器互相配合，調(diào)節(jié)電流繼電器所需的電流大小。電壓繼電器反映的是施加在電壓繼電器的電壓大小，因此在接線方式上則更加簡單，只需將調(diào)壓器直接施壓在電壓繼電器上[14-15]。

(a) 電壓繼電器接線圖

(b) 電流繼電器接線圖

圖1 電流、電壓繼電器特性實(shí)驗(yàn)接線圖

電磁式電流、電壓繼電器實(shí)驗(yàn)過程中，通過改變不同幅值的電流或電壓的輸出，觀察繼電器開關(guān)的動作情況。電流和電壓繼電器的開關(guān)回路的實(shí)驗(yàn)接線方法完全一樣。

為了直觀體現(xiàn)繼電器開關(guān)的動作情況，將220 V的直流電源和帶有電阻的信號燈接入繼電器的觸點(diǎn)回路，這樣，燈的亮或滅就直接反映了繼電器處于合閉或開斷狀態(tài)。

1.2 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

我校有不同使用年限的多個(gè)電磁式電流和電壓繼電器，提供給本科生用于繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)課程使用。本科生在做電磁式電流、電壓繼電器特性實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)兩種電磁式繼電器所呈現(xiàn)出來的特性存在一定的差異性，主要表現(xiàn)在：

(1) 電流繼電器的特性較為穩(wěn)定，實(shí)際的動作值跟事先所設(shè)定的繼電器整定值非常接近，電流繼電器偏差很?。幌鄬τ陔娏骼^電器特性實(shí)驗(yàn)中穩(wěn)定的測量值，電壓繼電器特性實(shí)驗(yàn)數(shù)值與整定值的偏差幅度范圍則較大，電壓繼電器所呈現(xiàn)的特性具有一定的波動性，較為不穩(wěn)定。

(2) 進(jìn)一步實(shí)測電壓繼電器的性能，發(fā)現(xiàn)電壓繼電器的使用年限長短對其特性數(shù)據(jù)影響較大。使用年限較長的電磁式電壓繼電器，當(dāng)繼電器特性實(shí)驗(yàn)調(diào)節(jié)供給繼電器的電壓的過程中，供給電壓與繼電器的電壓整定值還有較大偏差時(shí)，反映電壓繼電器開關(guān)狀態(tài)的信號燈便開始閃爍，直至所供給的電壓增大到一定數(shù)值時(shí)，信號燈才穩(wěn)定下來，說明此時(shí)電壓繼電器的開關(guān)才完全接通或斷開。

學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中，容易出現(xiàn)困惑，不知道動作值和返回值應(yīng)該記錄哪個(gè)時(shí)刻的值，信號燈開始閃爍時(shí)刻、持續(xù)閃爍時(shí)刻或是完全穩(wěn)定時(shí)刻對應(yīng)的電壓值。而引導(dǎo)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象進(jìn)行歸納、總結(jié)，進(jìn)而分析產(chǎn)生現(xiàn)象的原因，將有助于學(xué)生更深入掌握專業(yè)內(nèi)容，提高學(xué)生的綜合分析能力。

本文先對本科繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)室的所有電磁式電流和電壓繼電器進(jìn)行測試，以歸納繼電器特性數(shù)據(jù)，從統(tǒng)計(jì)角度分別歸納兩種繼電器特性數(shù)據(jù)的相關(guān)性。進(jìn)而結(jié)合電磁式繼電器的結(jié)構(gòu)，分析電壓繼電器反映電壓繼電器觸點(diǎn)狀態(tài)的信號燈閃爍的原因。

2 統(tǒng)計(jì)分析

我校面向本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)室當(dāng)前擁有8臺繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)綜合平臺，其中5臺為2007年投入教學(xué)使用，3臺為2015年新近購買。

每個(gè)實(shí)驗(yàn)臺有6個(gè)電磁式電流繼電器和1個(gè)電磁式電壓繼電器。其中3個(gè)電磁式電流繼電器的最大量程為6 A，整定值4.2 A；另外3個(gè)電磁式電流繼電器的最大量程為3 A，整定值取中位區(qū)間值1.4 A；電磁式電壓繼電器的最大量程為60 V，整定值48 V。

對上述8個(gè)繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)平臺的所有電磁式電流和電壓繼電器進(jìn)行繼電器特性實(shí)驗(yàn)實(shí)測，通過調(diào)節(jié)可調(diào)變壓器，觀察動作信號燈的狀態(tài)，記錄動作值和返回值。對所取得的數(shù)據(jù)，以對應(yīng)的整定值為基數(shù)，進(jìn)行歸一化處理。

對8臺實(shí)驗(yàn)臺的所有電磁式繼電器進(jìn)行實(shí)測，每個(gè)繼電器做兩次實(shí)驗(yàn)，得到96組電流繼電器的數(shù)據(jù)和16組電壓繼電器數(shù)據(jù)。

對電流繼電器和電壓繼電器的抖動數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，如圖2所示。實(shí)測現(xiàn)象表明，電流繼電器抖動的次數(shù)為0，沒有出現(xiàn)抖動現(xiàn)象，而電壓繼電器抖動的次數(shù)為10次，占電壓繼電器比例的62.5%；并且電壓繼電器中的10次抖動現(xiàn)象都集中在5臺舊的繼電器上，3臺新的繼電器沒有抖動現(xiàn)象，說明繼電器的新舊程度對電壓繼電器是否抖動關(guān)系密切。

圖2 電流繼電器和電壓繼電器抖動比例對比

電壓繼電器特性實(shí)驗(yàn)中，使用年限較長的電壓繼電器的動作值和返回值的實(shí)測過程都會出現(xiàn)信號燈閃爍的現(xiàn)象。而使用年限較短的電壓繼電器的信號燈閃爍現(xiàn)象不明顯甚至幾乎沒有。

這說明電壓繼電器使用年限越長，電壓繼電器實(shí)測的動作值與整定值等表征電磁式電壓繼電器特性的參數(shù)具有較大的偏差范圍。在繼電器特性實(shí)驗(yàn)中，直接表現(xiàn)在反映繼電器開關(guān)狀態(tài)的信號燈，在供給繼電器的電壓調(diào)整過程中的很長一段范圍內(nèi)，持續(xù)出現(xiàn)閃爍的現(xiàn)象。

2.1 動作值統(tǒng)計(jì)分析

由于電磁式繼電器可以直觀觀察到整定值，從而可以直接與動作值做比較，為了方便理解，采用相對偏差來分析電流繼電器和電壓繼電器。定義動作值相對偏差:

(1)

注意到式(1)中差值沒有取絕對值是為了分析實(shí)驗(yàn)值與整定值的大小。

24臺整定值為4.2 A的電流繼電器所作的共48次的實(shí)驗(yàn)中，動作值與整定值4.2 A的相對偏差統(tǒng)計(jì)如圖3，動作值較為均勻地分布在4.15～4.43 A之間，平均相對偏差為2.24%，動作值相對偏差較為均勻地分布在2.24%左右。

圖3 4.2 A電流繼電器動作值的相對偏差分布

24臺整定值為1.4 A的電流繼電器所作的共48次的實(shí)驗(yàn)中，動作值與整定值1.4 A的相對偏差統(tǒng)計(jì)見圖4，動作值較為均勻的分布在1.34 ～1.52 A之間，平均相對偏差為2.04%，動作值相對偏差較為均勻地分布在2.04%左右。

圖4 1.4 A電流繼電器動作值的相對偏差分布

以上兩組電流繼電器動作值的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，盡管實(shí)驗(yàn)所用的電磁式電流繼電器使用年限有所差別，但實(shí)際的動作值在整定值附近，分布較為集中、均勻和穩(wěn)定，在實(shí)驗(yàn)性能上并無明顯差異，而且統(tǒng)計(jì)的動作值的偏差分布與繼電器的新舊無明顯關(guān)系。

電壓繼電器的動作值偏差分布如圖5所示，相對偏差在-3%～0%的有6組數(shù)據(jù)，這6組數(shù)據(jù)都是從3臺新的電壓繼電器上實(shí)驗(yàn)測得。這表明3臺新的電圧繼電器因?yàn)閯幼髦稻容^高，而實(shí)際的動作值比整定值48 V略小，因而出現(xiàn)負(fù)號。相對偏差在3%～6%之間的有10組數(shù)據(jù)，這10組數(shù)據(jù)都是從5臺舊的電壓繼電器上實(shí)驗(yàn)測得，這表明舊的電壓繼電器實(shí)際的動作值比整定值偏大，而且相對于新的3臺電壓繼電器，偏差范圍則較小。

圖5 48 V電壓繼電器動作值的相對偏差分布

2.2 返回值統(tǒng)計(jì)分析

動作值可以直觀地與整定值做比較，而返回值則沒有明確的參照值。因此對于返回值，采用返回值的平均值作為參考，通過計(jì)算電流繼電器、電圧繼電器的返回值相對偏差的標(biāo)準(zhǔn)差，對標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行橫向比較，分析電流繼電器和電壓繼電器的返回值特性差異。定義返回值相對偏差為:

(2)

標(biāo)準(zhǔn)差也稱均方差，是各數(shù)據(jù)偏離平均數(shù)的距離的平均數(shù)，它是離均差平方和平均后的方根，標(biāo)準(zhǔn)差越小，說明偏差分布越均勻，穩(wěn)定度越大。

首先分別計(jì)算4.2 A電流繼電器、1.4 A電流繼電器、48 V電壓繼電器返回值的平均值，然后計(jì)算每組返回值與平均值差值的標(biāo)準(zhǔn)差，如圖6所示，得到4.2 A電流繼電器、1.4 A電流繼電器、48 V電壓繼電器數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.035、0.032、0.046。

圖6 電流和電壓繼電器返回值標(biāo)準(zhǔn)差對比

由圖6所示的4.2 A電流繼電器、1.4 A電流繼電器、48 V電壓繼電器返回值標(biāo)準(zhǔn)差的對比可知，電流繼電器的返回值分布較為均勻，每個(gè)返回值之間的起伏相對于電壓繼電器而言不大，分布較穩(wěn)定；而電壓繼電器的返回值分布受新舊影響，5臺舊繼電器的返回值較大，3臺新繼電器返回值較小，故電壓繼電器的返回值相對偏差分布相比于電流繼電器而言較為不均，因而平均值相對偏差的標(biāo)準(zhǔn)差明顯大于電流繼電器的平均值相對偏差的標(biāo)準(zhǔn)差。

3 原理分析

3.1 原理

對兩種電磁式繼電器的統(tǒng)計(jì)可發(fā)現(xiàn)：電磁式電流繼電器不論新舊與否，幾乎不出現(xiàn)抖動現(xiàn)象；而較新的電磁式電壓繼電器也很少出現(xiàn)抖動現(xiàn)象，抖動現(xiàn)象集中出現(xiàn)在舊的電壓繼電器上。結(jié)合電磁式繼電器原理，進(jìn)一步深入分析上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的原因。

電磁式繼電器動作原理圖如圖7所示。電磁式繼電器是由鐵心線圈、彈簧、線路、鐵片、動觸點(diǎn)、以及固定觸點(diǎn)構(gòu)成。鐵心線圈在有電流通過時(shí)相當(dāng)于電磁鐵，當(dāng)線圈回路中通過的電流達(dá)到一定的值時(shí)，鐵心線圈對向下鐵片的磁力大于彈簧向上的彈力時(shí)，鐵片帶動可動觸點(diǎn)向下運(yùn)動使動觸點(diǎn)與固定觸點(diǎn)接通形成閉合回路，觸點(diǎn)回路接通；當(dāng)線圈回路中通過的電流達(dá)不到一定的值時(shí)，則產(chǎn)生的磁力較小，鐵心線圈對向下鐵片的磁力小于彈簧向上的彈力，則在向上合力的作用下動觸點(diǎn)返回，故可動觸點(diǎn)與固定觸點(diǎn)不接通而使觸點(diǎn)回路斷開。

圖7 電磁式繼電器動作原理簡圖

3.2 線圈的電流驅(qū)動

由實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，新的3臺電壓繼電器沒有發(fā)生抖動現(xiàn)象，而舊的5臺電壓繼電器全部發(fā)生了抖動現(xiàn)象，因此繼電器的抖動現(xiàn)象與新舊程度有著很大的關(guān)系。

放置和使用時(shí)間長短對繼電器的顯著影響就是使繼電器老化。而繼電器上的觸點(diǎn)不僅與空氣接觸，且由于使用過程中繼電器頻繁的接通和斷開產(chǎn)生的電火花，極易使觸點(diǎn)氧化銹蝕，使觸點(diǎn)結(jié)構(gòu)變得疏松，表面粗糙，觸點(diǎn)處電阻發(fā)生了一定程度的變化，相當(dāng)于繼電器的觸點(diǎn)部分串聯(lián)了一個(gè)電阻，如圖8所示。由于這個(gè)等效電阻的分壓作用，因此使得繼電器完成動作時(shí)的電壓提高了。對于電磁式繼電器而言，隨著使用年限變長，或生銹等原因，驅(qū)動線圈都會附加一定的阻抗。

圖8 新、舊繼電器觸點(diǎn)附加電阻的電路示意圖

對于電流繼電器而言，由于電流繼電器是以電流驅(qū)動線圈完成動作，觸點(diǎn)老化的附加電阻的分壓作用對其動作時(shí)所需電流值無影響，所以電流繼電器不會因老化而發(fā)生抖動現(xiàn)象。

對于電壓繼電器而言，舊的電壓繼電器由于觸點(diǎn)老化，相當(dāng)于增加了大電阻，產(chǎn)生了較大的分壓作用，于是使動作值偏大，且使電壓繼電器產(chǎn)生抖動；而新的電壓繼電器由于沒有因?yàn)槔匣a(chǎn)生的附加電阻，因此電壓繼電器動作值與理論的整定值較為接近，未發(fā)生抖動現(xiàn)象。

4 結(jié) 語

繼電保護(hù)課程繼電器特性實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)電流和電壓兩種電磁式繼電器特性存在差異性，電磁式電壓繼電器的動作值和返回值等特性數(shù)據(jù)存在著較大的偏差范圍。對繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)室的所有電流和電壓繼電器進(jìn)行實(shí)測，通過統(tǒng)計(jì)方法歸納電磁式電流和電壓繼電器的特點(diǎn)；進(jìn)而結(jié)合電磁式繼電器原理分析兩種繼電器差異性的原因，幫助學(xué)生更深入掌握繼電器特性。