電壓暫降期間交流接觸器安全運行特性研究

張云朋，胡海燕，李艷山，馬夢白，劉全楨

(中石化安全工程研究院有限公司，山東青島 266104)

0 前言

電壓暫降是指電力系統(tǒng)中某點工頻電壓有效值暫時降低至額定電壓的10%～90%，并持續(xù)10 ms～1 min。電壓暫降是一種暫態(tài)電能質(zhì)量問題，發(fā)生電壓暫降事故時，供電母線上的電壓急劇降低，不能滿足用戶設(shè)備正常運行的需要，使用戶設(shè)備的工作狀態(tài)受到影響，嚴(yán)重情況下會導(dǎo)致設(shè)備停用、誤動作，進(jìn)而引發(fā)整個生產(chǎn)系統(tǒng)的停頓，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。特別是對連續(xù)性生產(chǎn)過程的企業(yè)，如石化、冶金、汽車、煤礦、制藥等等，造成的影響和經(jīng)濟(jì)損失尤為嚴(yán)重。

近年來，石化行業(yè)內(nèi)發(fā)生了多起因供電系統(tǒng)電壓暫降引起的生產(chǎn)裝置非計劃停車事故，包括聚丙烯裝置、催化裂化裝置等等，造成較大的經(jīng)濟(jì)損失，也給企業(yè)的安全生產(chǎn)帶來了較大壓力。分析這些事故，多是由于企業(yè)中大量使用的交流接觸器因電壓暫降斷開，使其負(fù)載的電動機(jī)設(shè)備停運，由于生產(chǎn)裝置的聯(lián)鎖效應(yīng)，從局部停運擴(kuò)展到大面積停運，進(jìn)而引發(fā)整個生產(chǎn)裝置停車。

根據(jù)交流接觸器的工作特性，其屬于電壓敏感負(fù)荷，電壓暫降對其工作狀態(tài)有較大影響。但對于電動機(jī)等電氣設(shè)備的控制來說，交流接觸器又是不可或缺的。因此，有必要對電壓暫降期間交流接觸器的工作狀態(tài)進(jìn)行研究，并探究電壓暫降期間交流接觸器的安全運行特性。

1 交流接觸器工作過程分析

交流接觸器的整體結(jié)構(gòu)可分為4部分：電磁系統(tǒng)、觸頭系統(tǒng)、滅弧裝置及輔助部件。其中，交流接觸器通電工作的關(guān)鍵部分是電磁系統(tǒng)，主要由線圈、動鐵芯和靜鐵芯3部分組成。接觸器工作時，控制電磁線圈的通電或斷電狀態(tài)，使靜鐵芯對動鐵芯進(jìn)行吸合或釋放，進(jìn)而利用動鐵芯控制動觸頭與靜觸頭的閉合或分?jǐn)啵瑢崿F(xiàn)控制主電路通斷的基本功能，并通過輔助觸點指示運行狀態(tài)，實現(xiàn)自鎖、互鎖控制等一系列控制和保護(hù)功能。

交流接觸器通電時的工作狀態(tài)主要由靜鐵芯的電磁吸力和內(nèi)部復(fù)位彈簧的拉力共同決定，當(dāng)靜鐵芯的電磁吸力大于復(fù)位彈簧的拉力時，交流接觸器的主電路接通，反之?dāng)嚅_。內(nèi)部復(fù)位彈簧的拉力為一固定值，但靜鐵芯的電磁吸力由施加在電磁線圈上的電壓決定，當(dāng)電源電壓過低或突發(fā)電壓暫降時，靜鐵芯的電磁吸力不足以抵抗復(fù)位彈簧的拉力，交流接觸器就會斷開主電路，使其所控制的電氣設(shè)備斷電。

2 交流接觸器對電壓暫降耐受能力試驗研究

2.1 交流接觸器對電壓暫降耐受能力試驗方案

為研究交流接觸器在電壓暫降期間的安全運行特性，擬利用電壓暫降模擬器產(chǎn)生電壓暫降波形，再將這一電壓波形施加于接觸器及其所關(guān)聯(lián)的負(fù)載上，利用波形記錄儀記錄接觸器上的電壓波形，并觀察接觸器的工作狀態(tài)。試驗原理圖如圖1所示。

圖1 試驗原理示意

電壓暫降模擬器可以任意調(diào)節(jié)電壓跌落的深度、持續(xù)時間、起始角度，用來模擬各種電壓暫降、短時中斷事件，并輸出電壓暫降、短時中斷波形。電壓暫降事件主要有電壓跌落深度、電壓跌落時長、電壓跌落角度3個參數(shù)，本次試驗過程中擬按照5%的梯度設(shè)置電壓跌落深度，0.5，1 s的時長設(shè)置電壓跌落時間，電壓跌落起始角度設(shè)置為0°，90°。根據(jù)企業(yè)實際應(yīng)用情況，擬選用額定電壓為380 V的交流接觸器開展相關(guān)試驗。

波形記錄儀具備高速采樣功能，可實時記錄電壓暫降模擬器的波形和交流接觸器上的電壓波形，并對波形進(jìn)行分析。典型的試驗波形如圖2所示，圖中的紅色波形為交流接觸器上的電壓波形，黃色波形為電壓暫降模擬器的波形。根據(jù)波形記錄的信息，可判斷交流接觸器的工作狀態(tài)，并確定相應(yīng)的時間節(jié)點。

圖2 典型試驗波形示意

負(fù)載用于顯示交流接觸器的工作狀態(tài)。為便于觀察，選用額定電壓220 V、額定功率7 W的節(jié)能燈。燈亮?xí)r，交流接觸器接通；燈滅時，交流接觸器斷開。

2.2 交流接觸器在不同電壓跌落條件下的試驗結(jié)果

分別對4個試樣開展相關(guān)試驗，4個試樣的運行參數(shù)均為：額定電壓380 V、額定電流16 A。電壓跌落深度范圍均為5%～95%，電壓跌落時長為0.5，1 s，研究電壓跌落后交流接觸器主觸頭的動作狀態(tài)。試驗過程中，交流接觸器主觸頭的工作狀態(tài)主要有彈跳(即瞬間反復(fù)通斷)、斷開、閉合3種狀態(tài)，且每種狀態(tài)的產(chǎn)生時間和持續(xù)時間有所不同。以電壓跌落發(fā)生的時刻為計算起點，設(shè)主觸頭彈跳的時刻為

T

，主觸頭斷開的時刻為

T

，主觸頭閉合的時刻為

T

。共開展了5次試驗，試驗結(jié)果如表1～表3所示。

2.2.1 相同電壓跌落角度、電壓跌落時長條件下的試驗結(jié)果

用試樣1、試樣2、試樣3開展試驗，試驗條件為：電壓跌落角度0°、電壓跌落時長0.5 s，試驗結(jié)果如表1所示。

2.2.2 僅變更電壓跌落角度條件下的試驗結(jié)果

繼續(xù)用試樣3開展試驗，試驗條件為：電壓跌落角度90°、電壓跌落時長0.5 s，試驗結(jié)果見表2。

2.2.3 僅變更電壓跌落時長條件下的試驗結(jié)果

用試樣4開展試驗，試驗條件為：電壓跌落角度0°、電壓跌落時長1 s，試驗結(jié)果如表3所示。

3 試驗結(jié)果分析

從電壓跌落深度、電壓跌落時長、電壓跌落角度3個方面對試驗結(jié)果進(jìn)行分析。

3.1 電壓跌落深度對交流接觸器工作狀態(tài)的影響

綜合分析表1、表3的數(shù)據(jù)可知，電壓跌落深度在40%時，除試樣2外，其余3個試樣均能保持正常工作狀態(tài)，主觸頭未發(fā)生彈跳或斷開動作。

表1 相同電壓跌落角度、電壓跌落時長條件下的試驗結(jié)果

表2 僅變更電壓跌落角度條件下的試驗結(jié)果

表3 僅變更電壓跌落時長條件下的試驗結(jié)果

隨著電壓跌落深度的增加，試樣1在電壓跌落55%的狀態(tài)下，23 ms時主觸頭出現(xiàn)彈跳現(xiàn)象，并一直持續(xù)至電壓跌落結(jié)束，隨后恢復(fù)閉合狀態(tài)；試樣2在電壓跌落50%的狀態(tài)下，21 ms時主觸頭出現(xiàn)彈跳現(xiàn)象，并一直持續(xù)至電壓跌落結(jié)束，待電源電壓恢復(fù)正常7 ms后主觸頭閉合；試樣3在電壓跌落45%的狀態(tài)下，23 ms時主觸頭出現(xiàn)彈跳現(xiàn)象，并一直持續(xù)至電壓跌落結(jié)束，待電源電壓恢復(fù)正常6 ms后主觸頭閉合；試樣4在電壓跌落55%的狀態(tài)下，37 ms時主觸頭出現(xiàn)彈跳現(xiàn)象，并一直持續(xù)至電壓跌落結(jié)束，隨后恢復(fù)閉合狀態(tài)。

當(dāng)電壓跌落深度進(jìn)一步增加時，試樣1在電壓跌落60%的狀態(tài)下，50 ms時主觸頭斷開，并一直持續(xù)至電壓跌落結(jié)束，待電源電壓恢復(fù)正常9 ms后閉合；試樣2在電壓跌落60%的狀態(tài)下，21 ms時主觸頭斷開，并一直持續(xù)至電壓跌落結(jié)束，待電源電壓恢復(fù)正常10 ms后閉合；試樣3在電壓跌落55%的狀態(tài)下，54 ms時主觸頭斷開，并一直持續(xù)至電壓跌落結(jié)束，待電源電壓恢復(fù)正常8 ms后閉合；試樣4在電壓跌落60%的狀態(tài)下，55 ms時主觸頭斷開，并一直持續(xù)至電壓跌落結(jié)束，待電源電壓恢復(fù)正常11 ms后閉合。

當(dāng)電壓跌落深度繼續(xù)增加時，各試樣的工作狀態(tài)基本類似，都是在電壓跌落2～3個周波后，主觸頭斷開，待電源電壓恢復(fù)正常約10 ms左右后閉合。

由以上分析可知，試驗中的交流接觸器能抵抗一定程度的電壓跌落深度，電壓跌落深度較小時，交流接觸器仍能保持正常工作狀態(tài)。電壓跌落超過這一限度后，交流接觸器很快斷開，不能維持原工作狀態(tài)。因此，電壓跌落深度對交流接觸器的工作狀態(tài)有較大的影響，且電壓跌落深度越大，交流接觸器越容易斷開，不能保持正常工作狀態(tài)。

3.2 電壓跌落時長對交流接觸器工作狀態(tài)的影響

分析表1和表3的數(shù)據(jù)可知，試樣1在電壓跌落時長為0.5 s的情況下，試樣4在電壓跌落時長為1 s的情況下，二者的工作狀態(tài)類似，都是在電壓跌落深度為55%時出現(xiàn)主觸頭彈跳現(xiàn)象，并持續(xù)至電壓跌落結(jié)束，隨后恢復(fù)正常；當(dāng)電壓跌落深度進(jìn)一步增加時，主觸頭經(jīng)過一定的時間后斷開。由此可知，在電壓跌落時長分別為0.5，1 s的情況下，兩次試驗過程中交流接觸器總的工作狀態(tài)未發(fā)生顯著變化。

但是，根據(jù)交流接觸器的工作原理，并對單次試驗過程中交流接觸器每一時段的工作狀態(tài)進(jìn)行分析可知，交流接觸器的工作狀態(tài)會受到電壓跌落時長的影響。如表1中的數(shù)據(jù)所示，試樣1在電壓跌落時長0.5 s、電壓跌落深度60%的情況下，50 ms時主觸頭斷開；如表2中的數(shù)據(jù)所示，試樣2在電壓跌落時長0.5 s、電壓跌落深度60%的情況下，21 ms時主觸頭斷開；如表3中的數(shù)據(jù)所示，試樣3在電壓跌落時長0.5 s、電壓跌落深度60%的情況下，44 ms時主觸頭斷開。以上數(shù)據(jù)表明，電壓跌落發(fā)生后一定時間內(nèi)，交流接觸器仍能保持閉合狀態(tài)，當(dāng)電壓跌落時長超過這一時間后，交流接觸器斷開。這一時間的長短，與電壓跌落發(fā)生時交流接觸器靜鐵芯中通過的磁通量大小有關(guān)，由交流接觸器自身的元件性能參數(shù)決定。

綜上所述，電壓跌落時長對交流接觸器的工作狀態(tài)有較大的影響，電壓跌落發(fā)生后，交流接觸器僅能在極短時間內(nèi)維持原閉合狀態(tài)。當(dāng)電壓跌落時長超過這一限度時，交流接觸器斷開，不能維持原工作狀態(tài)，但隨著電壓跌落時長的進(jìn)一步增加，交流接觸器總體的工作狀態(tài)未出現(xiàn)較大差異。

3.3 電壓跌落角度對交流接觸器工作狀態(tài)的影響

分析表1的數(shù)據(jù)可知，試樣3在電壓跌落時長0.5 s、電壓跌落角度為0°的情況下，電壓跌落深度為45%、50%時，23 ms后主觸頭開始彈跳。

分析表2的數(shù)據(jù)可知，試樣3在電壓跌落時長0.5 s、電壓跌落角度為90°的情況下，電壓跌落深度為45%時，38 ms后主觸頭開始彈跳；電壓跌落深度為50%時，29 ms后主觸頭開始彈跳。

對比表1和表2的數(shù)據(jù)可知，試樣3在電壓跌落時長0.5 s、電壓跌落深度為55%～95%時，電壓跌落角度為0°和90°兩種情況下，試樣3的工作狀態(tài)相似，都是電壓跌落發(fā)生后一定時間內(nèi)，主觸頭斷開，且這一時間在兩種情況下的差異不大。

由以上分析可知，電壓跌落角度對交流接觸器的工作狀態(tài)有一定的影響。電壓跌落深度較小的情況下，電壓跌落角度為0°時交流接觸器維持原工作狀態(tài)的時間，小于電壓跌落角度為90°時交流接觸器維持原工作狀態(tài)的時間，但這一差異不是很大。當(dāng)電壓跌落深度進(jìn)一步增大時，電壓跌落角度對交流接觸器工作狀態(tài)的影響也不很顯著。

4 結(jié)論

電壓跌落深度、電壓跌落時長、電壓跌落角度都會影響交流接觸器的運行特性，但交流接觸器對電壓跌落角度的耐受能力較強(qiáng)，對電壓跌落深度、電壓跌落時長的耐受能力較弱。不同的交流接觸器對電壓暫降的耐受能力存在一定差異。電壓暫降事件對交流接觸器的安全運行特性有較大的影響，可從交流接觸器本身和企業(yè)電網(wǎng)兩方面采取相應(yīng)的措施，以增強(qiáng)交流接觸器對電壓暫降的耐受能力。

a) 交流接觸器在電壓暫降期間可在一定限度范圍內(nèi)維持原工作狀態(tài)，因此選用交流接觸器時，可將交流接觸器對電壓暫降的耐受能力列入考查范圍，選擇耐受能力強(qiáng)的交流接觸器使用。

b) 由于電壓暫降具有不確定性和不可預(yù)測性，且交流接觸器自身對電壓暫降的耐受能力較弱，因此可在企業(yè)電網(wǎng)中增加補償裝置，在電壓暫降期間交流接觸器由補償裝置供電，待電網(wǎng)電壓恢復(fù)正常后再改為電網(wǎng)供電。