并聯(lián)型接觸器觸頭的電流分布特性

張檳鑫，許志紅

(福建省新能源發(fā)電與電能變換重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福建 福州 350108)

0 引言

工業(yè)以及居民用電負(fù)荷的增長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，電力系統(tǒng)通過(guò)自身擴(kuò)容和網(wǎng)際互聯(lián)，系統(tǒng)負(fù)荷越來(lái)越大，正常情況下通過(guò)的電流隨之增大[1-2]. 由于接觸器觸頭材料和結(jié)構(gòu)方面的瓶頸問(wèn)題難以突破，單斷口接觸器難以滿足日益增大的電網(wǎng)容量以及新能源領(lǐng)域發(fā)展的需求[3-4]，在不改變材料和機(jī)構(gòu)的前提下提高接觸器容量，將多臺(tái)接觸器并聯(lián)連接運(yùn)行是較為常見(jiàn)的方案.

風(fēng)電及光伏等新能源領(lǐng)域的電氣傳動(dòng)系統(tǒng)主電路電流等級(jí)為1.26～2.10 kA，接觸器容量的提升將有利于拓寬應(yīng)用場(chǎng)合，如大型加工設(shè)備、 光伏、 風(fēng)電等新能源領(lǐng)域[5-6]. 據(jù)了解，控制320 t行車電機(jī)的接觸器需要由8臺(tái)1.00 kA接觸器聯(lián)鎖并聯(lián)構(gòu)成[7]. 目前國(guó)內(nèi)大容量接觸器市場(chǎng)主要由ABB、 施耐德等公司的產(chǎn)品占據(jù)，且都有以并聯(lián)形式擴(kuò)容的相關(guān)產(chǎn)品. 其中ABB的AF1350～2650系列產(chǎn)品采用兩極甚至三極動(dòng)觸頭并聯(lián)形式，施耐德LC1系列接觸器則采用接線端子并聯(lián)使用； 西門(mén)子公司曾將三相并聯(lián)的真空斷路器組成一相使用. 相比之下我國(guó)大容量接觸器研究起步較晚[8]，文獻(xiàn)[9]將2臺(tái)三極1.25 kA交流接觸器并聯(lián)擴(kuò)容成一臺(tái)2.00 kA交流接觸器，其擴(kuò)容系數(shù)僅為1.6.

現(xiàn)有并聯(lián)型大容量交流接觸器產(chǎn)品均存在降容使用的現(xiàn)象，并聯(lián)支路數(shù)為3時(shí)，其擴(kuò)容系數(shù)為2.25，并聯(lián)支路數(shù)為4時(shí)，其擴(kuò)容系數(shù)僅為2.8左右. 可以看出, 并聯(lián)方式對(duì)接觸器的利用率較低，考慮到長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)的溫升以及通斷能力影響[10-11]，并聯(lián)型接觸器只能采取降容運(yùn)行. 文獻(xiàn)[12-13]通過(guò)數(shù)學(xué)關(guān)系表明, 具有并聯(lián)結(jié)構(gòu)的三相交流開(kāi)關(guān)電器，觸頭間電磁鄰近效應(yīng)將會(huì)造成電流分配不均，但是僅從數(shù)學(xué)關(guān)系難以直觀看出電流分布特性. 文獻(xiàn)[14-15]將緊耦合電抗器串聯(lián)在觸頭回路中，達(dá)到自動(dòng)均流/限流的目的，然而這種電抗器設(shè)計(jì)過(guò)程復(fù)雜，成本較高，且將造成開(kāi)關(guān)體積過(guò)大.

因此，要找出一種解決不均流現(xiàn)象的可行性方案，對(duì)大容量接觸器并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的觸頭電流分布特性研究必不可少. 本研究以課題組自行研制單極開(kāi)關(guān)[16]為對(duì)象，通過(guò)對(duì)并聯(lián)型接觸器觸頭回路的磁場(chǎng)和電路分析，推導(dǎo)出各支路觸頭電流分布模型，并確定各支路電流大小關(guān)系； 利用Maxwell和Simplorer軟件聯(lián)合仿真獲取各支路電流，結(jié)果與分布規(guī)律模型基本吻合. 進(jìn)一步地, 研究并聯(lián)型接觸器在不同參數(shù)下的電流分布特性，推導(dǎo)擴(kuò)容系數(shù)，為設(shè)計(jì)并聯(lián)型大容量接觸器奠定理論基礎(chǔ).

1 觸頭電流分布模型

1.1 單相并聯(lián)型接觸器觸頭電流分布模型分析

圖1 單相并聯(lián)型接觸器觸頭回路等效電路 Fig.1 Equivalent circuit of single-phase parallel contactor contact circuit

單相并聯(lián)型接觸器觸頭回路等效電路如圖1所示. 圖中I0為干路電流，I1、I2分別為兩個(gè)并聯(lián)支路的觸頭電流，Z1和Z2為各支路接觸器阻抗參數(shù). 為簡(jiǎn)化分析，將觸頭電路認(rèn)為是不計(jì)寬度的載流導(dǎo)線，當(dāng)回路面積不變時(shí)，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律, 有：

(1)

式中：ε為感應(yīng)電勢(shì)；S為回路面積；I為載流導(dǎo)線電流； dl為載流導(dǎo)線微元；r為電流元與空間某一點(diǎn)的距離；θ為兩者的夾角，B0各支路電流元在閉合回路某一產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度之和.

假設(shè)各支路接觸器阻抗參數(shù)相等，則I1=I2=I0/2. 由式(1)可知，當(dāng)各支路接觸器觸頭以并聯(lián)連接運(yùn)行時(shí)，結(jié)構(gòu)對(duì)稱，因此必定能找到在同一水平線上且r相同時(shí)的空間上兩點(diǎn)，使得r1=r2，且滿足θ1=θ2，又由于各支路電流大小相同，在單相并聯(lián)回路中各支路電流元產(chǎn)生磁感應(yīng)強(qiáng)度將互相抵消，整個(gè)回路包圍空間不發(fā)生磁通變化，根據(jù)式(1)可以得到I1=I2=I0/2，與假設(shè)相符.

1.2 三相并聯(lián)型接觸器觸頭電流分布模型

分析A相時(shí)，假設(shè)另外兩相電流均從中心線流過(guò)，且把另外兩相電路看作無(wú)限長(zhǎng)導(dǎo)線，其電路如圖2所示.

圖2 三相并聯(lián)型接觸器觸頭回路分析等效電路Fig.2 Equivalent circuit of contact circuit of three-phase parallel contactor

圖2(a)中，由于接觸器觸頭通常等距離分布，在實(shí)際模型中長(zhǎng)度d為長(zhǎng)度a的1.5倍，C相中心線距離A2支路接觸器距離為長(zhǎng)度a的3.5倍.ΦBA、ΦCA分別為B、 C兩相電流在A相閉合回路中產(chǎn)生的磁通，IAh為A相環(huán)流. 環(huán)流的方向如圖2所示. A相回路中的合成磁通為：

Φa=ΦBA+ΦCA+ΦA(chǔ)

(2)

式中:ΦA(chǔ)是A相并聯(lián)支路電流自身產(chǎn)生磁通之和;Φa為A相回路總磁通，則A相環(huán)流為：

(3)

式中:eA為A相閉合回路中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì). 進(jìn)一步地，無(wú)限長(zhǎng)導(dǎo)線在空間產(chǎn)生的磁場(chǎng)為：

(4)

為簡(jiǎn)化分析，假設(shè)一個(gè)參數(shù)k，結(jié)合式(2)～(4)，需滿足以下條件：

(5)

di表示各相中心線距離A2支路的距離. 則：

代入式(5)中計(jì)算得到：

式(6)中，Im為相電流幅值, 且k1>0,k2>0.

如圖2所示，A相中各支路電流為：

(7)

比較各支路電流幅值大小，可得：

(8)

顯然, 由式(8)可知，IA2幅值大于IA1，A2支路接觸器承受電流大于A1.

(9)

式中：k3> 0,k4< 0. 同式(7)結(jié)合環(huán)流方向可得, C相中各支路接觸器電流為：

(10)

同理可得,IC1幅值大于IC2，即C相環(huán)流使C1支路接觸器承受電流大于C2支路.

在對(duì)B相回路分析時(shí)，其等效電路如圖2(c)所示. 其環(huán)流大小為：

(11)

同式(7)結(jié)合環(huán)流方向可得, B相中各支路電流為：

(12)

同理可得,IB1幅值大于IB2，即由于B相環(huán)流的存在，B1支路接觸器承受電流大于B2.

綜上分析可得, 當(dāng)并聯(lián)型接觸器僅為單相運(yùn)行時(shí)，在觸頭阻抗大小默認(rèn)相同的情況下，其電流分配為均勻分配. 三相并聯(lián)運(yùn)行且相序?yàn)锳BC時(shí)，各個(gè)支路其電流及環(huán)流關(guān)系為：

|IA2|>|IA1|, |IB1|>|IB2|, |IC1|>|IC2|; |IBh|>|IAh|>|ICh|

(13)

對(duì)各支路電流幅值進(jìn)一步計(jì)算對(duì)比，可以得到B相各支路電流幅值相差最大，B相支路電流分配不均勻程度最為嚴(yán)重，而A相各支路接觸器承受電流差異較??； 環(huán)流并未改變各支路電流頻率，其頻率與干路電流保持一致； 環(huán)流大小主要由電流等級(jí)和阻抗大小決定，與相位無(wú)關(guān).

2 仿真驗(yàn)證及結(jié)果分析

2.1 仿真模型

在Maxwell中建立單相和三相并聯(lián)型接觸器觸頭3D模型，如圖3所示. 將激勵(lì)設(shè)置為外電路導(dǎo)入，利用Simplorer軟件構(gòu)建外電路，聯(lián)合仿真電路模型如圖4所示. 圖中電阻值設(shè)置為與接觸器觸頭的等效電阻相當(dāng). 電流源設(shè)置為50 Hz的正弦交流電源，其幅值可自定義設(shè)置.

圖3 并聯(lián)型接觸器觸頭3D模型Fig.3 3D model of parallel contactor contacts

圖4 并聯(lián)型接觸器仿真電路模型Fig.4 Simulation circuit model of parallel contactor

2.2 仿真結(jié)果分析

1.26 kA電流等級(jí)單相并聯(lián)型接觸器電流分布仿真結(jié)果如圖5所示. 波形表明兩個(gè)并聯(lián)支路中電流波形完全重合，其幅值與相位均相同，電流分布為均勻分配，即各支路接觸器承受電流相同且均為干路電流的一半，該結(jié)果與文中1.1小節(jié)分析結(jié)果保持一致.

1.26 kA電流等級(jí)三相并聯(lián)型接觸器仿真結(jié)果如圖6所示. 其中各支路電流標(biāo)號(hào)與圖2保持一致. 從圖中可見(jiàn)，電流幅值關(guān)系為：IA2>IA1,IB1>IB2,IC1>IC2，各相環(huán)流幅值大小仿真結(jié)果為：IBh>IAh>ICh. 電流頻率并未改變，仿真結(jié)果均與式(13)完全吻合. 各支路電流大小統(tǒng)計(jì)如表1所示，結(jié)合圖6可以看出, B相各支路電流相差最大，而A相最小，這與1.2小節(jié)分析結(jié)果保持一致.

圖5 單相并聯(lián)型接觸器觸頭電流分布Fig.5 Contact current distribution of single-phase parallel contactor

圖6 三相并聯(lián)型接觸器觸頭電流分布Fig.6 Contact current distribution of three-phase parallel contactor

表1 并聯(lián)型接觸器電流分布及環(huán)流大小

3 并聯(lián)型接觸器電流分布影響因素分析

3.1 電流等級(jí)因素及擴(kuò)容系數(shù)推導(dǎo)

將電流源設(shè)置不同電流等級(jí)，其他參數(shù)相同，電流等級(jí)為1.05 kA的仿真結(jié)果如圖7所示. 與圖6中1.26 kA電流分布波形對(duì)比，可以看出改變電流等級(jí)不影響各支路電流相位關(guān)系，幅值均按比例同步降低，取B相并聯(lián)支路電流作為分析, 可以得到比例為：

圖7 1.05 kA電流等級(jí)觸頭電流分布Fig.7 Contact current distribution at 1.05 kA

選取多組電流等級(jí)進(jìn)行仿真對(duì)比，其結(jié)果如表2所示. 仿真結(jié)果表明, 環(huán)流大小以及支路電流正比于電流等級(jí)，且比例為電流等級(jí)之比. 根據(jù)該規(guī)律進(jìn)行擴(kuò)容系數(shù)推導(dǎo)，按照承受電流最高的一支路接觸器其通流容量不應(yīng)超過(guò)額定值，可得：

(14)

式中:n為擴(kuò)容系數(shù)；In為接觸器額定電流. 按照式(14)計(jì)算得到擴(kuò)容系數(shù)最大值約為1.62，這與目前市場(chǎng)現(xiàn)有產(chǎn)品的擴(kuò)容系數(shù)及論文研究結(jié)論基本符合.

表2 不同電流等級(jí)下IB1及IBh大小

3.2 頻率因素

根據(jù)式(6)可得，環(huán)流與頻率成正比，與阻抗成反比，而接觸器阻抗同樣受電源頻率影響，因此可得不同頻率下環(huán)流大小之比小于頻率之比. 為驗(yàn)證該分析的正確性，將電流源頻率改為60 Hz，其他參數(shù)不作變化，其仿真結(jié)果如圖8所示.

圖8 頻率為60 Hz下觸頭電流分布Fig.8 Contact current distribution at 60 Hz

從圖中可知, 各支路電流大小關(guān)系仍為：IA2>IA1,IB1>IB2,IC1>IC2. 表3為電流源頻率為50 Hz和60 Hz下的三相并聯(lián)型接觸器各相回路環(huán)流有效值統(tǒng)計(jì)結(jié)果. 電源頻率為60 Hz時(shí)，各相環(huán)流有效值均大于50 Hz時(shí)的各相環(huán)流，并且可以得到：

即環(huán)流大小仍與頻率成正比，但由于接觸器阻抗同時(shí)會(huì)受頻率影響，其比例將小于頻率之比.

表3 不同頻率下并聯(lián)型接觸器各相回路環(huán)流大小

3.3 相位因素

圖9 初始相位90°下觸頭電流分布Fig.9 Contact current distribution at initial phase 90°

設(shè)定不同電流初始相位，以A相初始相位為90°的電流分布波形作說(shuō)明. 如圖9所示，在初始相位為90°情況下，三相并聯(lián)型接觸器各支路電流分布與圖6結(jié)果相同. 表4為不同初始相位、 電流等級(jí)為1.26 kA且頻率為50 Hz條件下的B相回路電流及環(huán)流大小. 從表中可以看出, 初始相位對(duì)三相并聯(lián)型接觸器的觸頭電流分布不會(huì)造成影響.

表4 不同初始相位下IB1及IBh值

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)并聯(lián)型接觸器的電路理論分析，得出其電流分布大小數(shù)學(xué)關(guān)系. 采用Maxwell與Simplorer軟件構(gòu)建并聯(lián)型接觸器觸頭聯(lián)合仿真模型，所得仿真結(jié)果與理論分析結(jié)果保持一致. 最后, 研究了不同參數(shù)對(duì)并聯(lián)型接觸器分布特性的影響，可以得到以下結(jié)論.

1) 在阻抗參數(shù)相同的情況下，單相并聯(lián)型接觸器運(yùn)行過(guò)程中電流均勻分配，各支路接觸器承受電流相同. 而三相并聯(lián)型接觸器各支路電流則存在較大差異，可以判斷造成三相并聯(lián)型接觸器降容使用是由交變磁場(chǎng)產(chǎn)生的回路環(huán)流引起的.

2) 由于環(huán)流的存在，使得在相序?yàn)锳BC情況下, 三相并聯(lián)接觸器的電流分布大小關(guān)系為：IA2>IA1,IB1>IB2,IC1>IC2. 并且同相內(nèi)各支路電流相位會(huì)發(fā)生改變.

3) 環(huán)流大小與電流等級(jí)、 頻率成正比，與合閘初始相位無(wú)關(guān). 不同電流等級(jí)的環(huán)流大小比例為電流等級(jí)之比，不同頻率的環(huán)流大小例小于頻率之比，初始相位不影響并聯(lián)型接觸器電流分布.

4) 根據(jù)仿真結(jié)果所得規(guī)律，進(jìn)而推導(dǎo)得到三相并聯(lián)型接觸器的擴(kuò)容系數(shù)約為1.62，與現(xiàn)有市場(chǎng)產(chǎn)品擴(kuò)容系數(shù)及論文研究結(jié)論基本符合.