振蕩電路調節(jié)在低壓電器分斷試驗中作用分析

陳 西, 袁志良

(蘇州西門子電器有限公司, 江蘇 蘇州 215129)

0 引 言

分斷能力測試是一種模擬性試驗,模擬現(xiàn)實使用過程中出現(xiàn)過載以及短路故障時,驗證低壓電器能否可靠地分斷測試回路中所出現(xiàn)的過載與故障電流[1]。在這些情況下,分斷電路中的電壓和電流都大于生弧電壓與生弧電流,因此在分斷過程中產品的觸頭系統(tǒng)不可避免地產生電弧,為此要求低壓電器可靠迅速地將電弧熄滅,不然電弧電流產生的高熱量能讓觸頭系統(tǒng)的金屬表面熔化,也就是常說的產品熔焊,進而導致觸頭系統(tǒng)甚至其他部件的燒毀?？茖W地考核低壓電器開關的分斷能力是保證低壓電器可靠地工作的一項重要檢測項目。

對負載電路的調節(jié)是分斷能力試驗中的一個重要環(huán)節(jié)。主要包括兩部分調節(jié):一個是對主回路的調節(jié),另一個是對振蕩電路的調節(jié)。主回路調節(jié)主要是用來模擬出相應的測試電壓、測試電流、功率因數(shù);振蕩回路調節(jié)是針對對瞬態(tài)電涌電流有規(guī)定的情況下,通過調節(jié)主回路中的振蕩頻率、振蕩系數(shù)來讓試驗回路更好地模擬產品現(xiàn)實使用情況中負載振蕩特性。需要指出的是無振蕩調節(jié)電路下進行的試驗比有振蕩調節(jié)電路進行的試驗要嚴酷,因為實際檢測過程中顯示振蕩調節(jié)電路對試驗結果有很大的影響,是決定試驗能否通過的關鍵因素。

現(xiàn)國內外還沒有太多的文獻資料就振蕩電路調節(jié)對測試結果的影響進行分析和探討,不同的檢測機構對振蕩回路的調節(jié)理解也不盡一致。為此本文結合實際檢測工作,首先,分析振蕩頻率與振蕩系數(shù)調節(jié)對測試結果的影響;然后基于這些分析結果,提出了振蕩系數(shù)調節(jié)和振蕩頻率調節(jié)分別如何影響試驗結果的結論,以達到提高低壓電器分斷測試的科學性與合理性的目的。

1 振蕩調節(jié)電路的定義

參照GB/T 14048.1—2012《低壓開關設備和控制設備第1部分:總則》,負載調節(jié)電路(負載星形接地)如圖1所示[2]。其中,S為電源;D為被試電器;S為調整相的選擇開關;B為二極管;A為記錄儀;Ra為電阻器;G為高頻發(fā)生器;R為負載電路電阻器;X為負載電路電抗器;Rp為并聯(lián)電阻器;Cp為并聯(lián)電容器;I1、I2、I3為電流傳感器。

圖1 負載調節(jié)電路(負載星形接地)

調節(jié)振蕩電路主要是讓測試電路滿足瞬態(tài)恢復電壓特性要求。為了滿足模擬包含單獨電機負載(感性負載)的電路條件,參照GB/T 14048.1—2012,負載電路的振蕩頻率應按以下公式計算[1]。

f=2000Ic0.2Ue-0.8±10%

(1)

式中:f——振蕩頻率;

Ic——分斷電流;

Ue——額定工作電壓。

參照GB/T 14048.1—2012,振蕩系數(shù)γ調整[1]應為γ=1.1±0.05。

電路的振蕩特性,主要體現(xiàn)在兩個參數(shù):振蕩系數(shù)γ,振蕩頻率f。振蕩系數(shù)γ實際數(shù)值確定方法如圖2所示;振蕩頻率f實際數(shù)值確定方法如圖3所示。

圖2 振蕩系數(shù)γ實際數(shù)值確定方法

圖3 振蕩頻率f實際數(shù)值確定方法

參照GB/T 14048.1—2012附錄E,振蕩系數(shù)γ定義[1]為

(2)

式中:U11——高頻發(fā)生器不再供電給負載電路時波形的縱坐標;

U12——過零瞬間的縱坐標。

通常認為圖3從第二個波峰開始直流分量較小,因此振蕩頻率的計算應為第二個波峰到第三個波峰的頻率值。

2 振蕩電路調節(jié)的作用

通常通過調節(jié)圖1中的電容器Cp來調整振蕩頻率,通過調整電阻器Rp來調整振蕩系數(shù)。理論上,增加Cp,振蕩頻率f會隨之減小;增加Rp,振蕩系數(shù)γ會隨之增加。主回路自然振蕩屬性如圖4所示;主回路調整后的振蕩屬性如圖5所示。由圖4、圖5可見,調節(jié)振蕩回路可以將原先主回路的自然振蕩屬性調整到滿足標準要求的振蕩屬性。

對比圖4與圖5,能清晰地看出振蕩調節(jié)電路能在很大程度上調整回路中的振蕩屬性。

圖4 主回路自然振蕩屬性

圖5 主回路調整后的振蕩屬性

3 振蕩調節(jié)回路對分斷試驗結果的影響

接下來通過實際檢測,從調節(jié)與不調節(jié)振蕩頻率f、振蕩系數(shù)γ的角度,只調節(jié)振蕩頻率f、不調節(jié)振蕩系數(shù)γ的角度,只調節(jié)振蕩系數(shù)γ、不調節(jié)振蕩頻率f的角度出發(fā),探討振蕩頻率調節(jié)與振蕩系數(shù)調節(jié)對分斷試驗結果的影響。

在分斷試驗過程中,燃弧的實際情況很大程度上決定了產品能否通過分斷試驗。因此,接下來的分析中,主要對比在同樣測試參數(shù)下的燃弧數(shù)據(jù),燃弧數(shù)據(jù)主要體現(xiàn)在最大燃弧電壓、燃弧時間、燃弧能量3個方面。

3.1 調節(jié)與不調節(jié)振蕩回路對分斷試驗結果的影響分析

本文以檢測隔離開關在電動機負載類型下的分斷試驗為實例,功率因數(shù)定義為0.45(模擬單獨電機負載)、恢復電壓為725 V,分斷電流為1 600 A;通過調整主回路的阻抗得到上述電參數(shù),主回路阻抗確定下來后,主回路的自然振蕩屬性就定義好了,然后在不調節(jié)振蕩回路和調節(jié)振蕩回路兩種情況下進行分斷試驗,根據(jù)試驗結果進行相應的影響分析。

首先在不使用振蕩調節(jié)電路的情況下進行分斷試驗。未調節(jié)振蕩電路下分斷試驗波形和燃弧數(shù)據(jù)實測值如圖6所示。

圖6 未調節(jié)振蕩電路下分斷試驗波形和燃弧數(shù)據(jù)實測值

調節(jié)振蕩電路下分斷試驗波形和燃弧數(shù)據(jù)值如圖7所示。

圖7 調節(jié)振蕩電路下分斷試驗波形與燃弧數(shù)據(jù)實測值

綜合分析兩次分斷試驗中的燃弧實測數(shù)據(jù),未調節(jié)與調節(jié)振蕩電路燃弧實測數(shù)據(jù)對比如表1所示。

表1 未調節(jié)與調節(jié)振蕩電路燃弧實測數(shù)據(jù)對比

表1的對比數(shù)據(jù)顯示調節(jié)振蕩電路很大程度上限制了燃弧時間、最大燃弧電壓,進而達到限制燃弧能量的目的。燃弧時間短說明產品在分斷的過程很快熄滅了電弧,并有效地限制住了最大燃弧電壓,避免分斷試驗過程中產生大量的熱量,也就避免了對產品的巨大熱沖擊,尤其是對相應的觸頭系統(tǒng)的沖擊。實際檢測中不調節(jié)振蕩電路時,產品因為燃弧時間過長起火,但是經過調節(jié)振蕩電路,燃弧時間縮短,產品通過試驗。這也證明了調節(jié)與未調節(jié)振蕩電路對分斷試驗是有很大的影響,但不清楚調節(jié)振蕩頻率與振蕩系數(shù)分別影響燃弧的哪方面數(shù)據(jù)。因此接下來分別從只調節(jié)振蕩頻率或只調節(jié)振蕩系數(shù)來進一步分析和探討。

3.2 只調節(jié)振蕩頻率f對分斷試驗影響分析

振蕩電路的調節(jié)一直是分斷試驗中的一個難點。有的時候很難通過調整Rp、Cp同時讓振蕩頻率與振蕩系數(shù)都滿足標準要求,因此有的時候只能滿足振蕩頻率f的要求或只能滿足振蕩系數(shù)γ的要求。在此先分析只調節(jié)振蕩頻率f,不調節(jié)振蕩系數(shù)γ對分斷試驗影響。

首先不調節(jié)振蕩頻率進行分斷試驗,未調節(jié)振蕩頻率下分斷試驗波形如圖8所示。

圖8 未調節(jié)振蕩頻率下分斷試驗波形

然后在調節(jié)振蕩頻率下進行分斷試驗,調節(jié)振蕩頻率下分斷試驗波形和燃弧數(shù)據(jù)實測值如圖9所示。

圖9 調節(jié)振蕩頻率下分斷試驗波形和燃弧數(shù)據(jù)實測值

將兩次試驗的燃弧數(shù)據(jù)實測值匯總,調節(jié)振蕩頻率燃弧實測數(shù)據(jù)對比如表2所示。

表2 調節(jié)振蕩頻率燃弧實測數(shù)據(jù)對比

由表2可見,調整振蕩頻率時能很大程度上縮短燃弧時間、降低燃弧能量;從波形上來看,不調節(jié)振蕩頻率的情況下產品在分斷過程中出現(xiàn)了重燃的現(xiàn)象,使產品在試驗中不能很快熄滅電弧,從而燃弧時間過長,燃弧能量也很大;只調整振蕩頻率不調整振蕩系數(shù)的情況下,最大燃弧電壓幾乎沒有太大的變化。因此,得出將振蕩頻率調整到標準要求值可以避免產品分斷過程中的重燃現(xiàn)象,縮短燃弧時間,但對最大燃弧電壓沒有限制,那進一步探討調整振蕩系數(shù)是否能像3.1中所述那樣能夠限制最大燃弧電壓。

3.3 只調節(jié)振蕩系數(shù)γ對分斷試驗影響分析

分析在只調整振蕩系數(shù)、不調整振蕩頻率的情況下進行分斷試驗的試驗結果,來達到分析調整振蕩系數(shù)對分斷試驗的影響。

首先不調節(jié)振蕩系數(shù)進行分斷試驗,未調節(jié)振蕩系數(shù)下的分斷試驗波形如圖10所示。

圖10 未調節(jié)振蕩系數(shù)下的分斷試驗波形

然后在同樣的測試參數(shù)下,調節(jié)振蕩系數(shù)執(zhí)行分斷試驗,調節(jié)振蕩系數(shù)下分斷試驗波形如圖11所示。

圖11 調節(jié)振蕩系數(shù)下分斷試驗波形

匯總兩次試驗中燃弧數(shù)據(jù),調節(jié)振蕩系數(shù)燃弧實測數(shù)據(jù)對比如表3所示。

表3 調節(jié)振蕩系數(shù)燃弧實測數(shù)據(jù)對比

對比表3中兩次試驗的燃弧數(shù)據(jù),清晰地看到調整振蕩系數(shù)能很大程度上限制住最大燃弧電壓,燃弧時間沒有太大的變化。因此,得出將振蕩系數(shù)調整到標準要求值可以避免產品分斷過程中出現(xiàn)極大燃弧電壓,有助于限制燃弧能量,產品順利地通過了分斷試驗。

4 結 語

本文詳細分析了同時調節(jié)振蕩頻率與振蕩系數(shù)、只調節(jié)振蕩頻率、只調節(jié)振蕩系數(shù)這3種情況下對分斷試驗結果的影響,得出振蕩電路調節(jié)是決定分斷試驗能否通過的關鍵因素。調整振蕩頻率能避免產品在試驗中出現(xiàn)重燃現(xiàn)象,調整振蕩系數(shù)能限制住最大燃弧電壓。通過實際試驗波形及實測值證明了上述分析結果。希望通過這些實例分析得出的上述結論能夠幫助測試人員更好地理解振蕩電路調節(jié)在分斷試驗中的作用。