交流接觸器典型通斷過程分析

摘 要： 在交流接觸器電氣性能試驗中，通斷過程中主電路電壓、電流波形是判斷試驗失效原因和制定改善方案的重要依據(jù)。選取交流接觸器接通分斷試驗和電壽命試驗中幾種典型的通斷失效波形，對這些波形進行分析，并給出這些波形對應(yīng)的失效模式及其機理。

關(guān)鍵詞： 交流接觸器; 接通分斷試驗; 電壽命試驗; 波形圖; 相量圖; 首開相

中圖分類號： TM572.2

文獻標志碼： A

文章編號： 2095-8188（2024）12-0057-06

DOI： 10.16628/j.cnki.2095-8188.2024.12.010

Classical Making-Breaking Process Analysis of AC Contactor

LI Xinye

（Delixi Electric Co.，Ltd.， Shanghai 201803， China）

Abstract： The main circuit voltage and current waveforms of making-breaking process of AC contactor during the electrical performance test are very important basis in analyzing on test failure reasons and making improvement measurements.The several classical waveforms of AC contactor in making-breaking test or electrical endurance test are selected to analyze.Finally，the failure modes and mechanisms corresponding to these waveforms are provided.

Key words： AC contactor; making-breaking test; electrical endurance test; waveform; phasor diagram; first-opening phase

0 引 言

交流接觸器（以下簡稱接觸器）的額定接通分斷能力試驗、約定操作性能試驗和電壽命試驗（以下統(tǒng)稱電氣性能試驗）是接觸器電氣性能測試最核心的項目，在接觸器的研發(fā)設(shè)計和生產(chǎn)過程中始終是被關(guān)注的重點。電氣性能試驗中，各試驗通斷過程中主電路各相的電壓、電流波形是判斷試驗失效原因和制定改善方案的重要依據(jù)，可以稱之為接觸器的“心電圖”。

文獻［1］在接觸器電氣性能試驗過程中逐次實時監(jiān)測電源電壓、觸頭斷口電壓和負載電流，獲取6路電壓和3路電流的動態(tài)變化波形，然后根據(jù)電壓、電流變化特征及多路采樣信號間的特征，提出多路采樣數(shù)據(jù)融合的處理方法，提取電應(yīng)力特征參數(shù)，為接觸器電壽命變化規(guī)律研究提供了數(shù)據(jù)。文獻［2］通過采集主回路電流信號、線圈電流信號、主觸點溫度以及環(huán)境溫度、檢測輔助觸點狀態(tài)等，實現(xiàn)對接觸器工作狀態(tài)的監(jiān)測;再通過對所采集數(shù)據(jù)處理分析，實現(xiàn)接觸器的故障診斷并預(yù)計其剩余壽命。文獻［3］通過統(tǒng)計分析接觸器分斷波形的電壓、電流波形和燃弧時間、彈跳時間、燃弧能量、接觸阻抗等電性能參數(shù)，總結(jié)了觸頭開距對接觸器電氣性能的影響。

本文通過對接觸器電氣性能試驗通斷波形和實際試驗結(jié)果的分析，得出通斷波形與電氣性能試驗失效模式的對應(yīng)關(guān)系，并嘗試給出原因分析，給研發(fā)人員制定改善方案提供參考。

1 接觸器電氣性能試驗

GB/T 14048.4—2020《低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備 第4-1部分：接觸器和電動機起動器 機電式接觸器和電動機起動器（含電動機保護器）》^［4］對接觸器不同使用類別下的電氣性能試驗做出具體要求，如試驗電壓、試驗電流、功率因數(shù)、操作頻率、通電時間以及瞬態(tài)恢復(fù)電壓特性等;并要求AC-4電壽命試驗電路按接通分斷試驗電路。GB/T 14048.1—2023《低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備 第1部分：總則》^［5］給出接通分斷試驗的電路圖，要求該電路的電源端和阻抗端只能有一端中性點接地。接觸器接通分斷試驗電路（AC-4電壽命試驗電路）如圖1所示。

因為接觸器最主要的用途是控制電動機，所以這2項試驗的試驗電路采用了電源中性接地的線路，這樣更接近電動機的實際運行。

2 接觸器正常通斷過程

本文選取接觸器AC-4電壽命試驗的通斷失效波形作為分析對象。AC-4不僅是接觸器的一項重要且典型的使用類別，而且是行業(yè)內(nèi)快速驗證其電氣性能的常用手段，故選用AC-4相關(guān)的通斷波形進行分析對其他使用類別的相應(yīng)試驗具有充分的代表性。

接觸器的額定接通和分斷試驗、約定操作性能試驗和AC-4電壽命試驗，雖然在功率因數(shù)、通斷電流值和瞬態(tài)恢復(fù)電壓參數(shù)方面稍有差異，但其試驗電路結(jié)構(gòu)相同，故通斷波形所反映的內(nèi)在機理相同。

2.1 電弧運動過程

接觸器電弧開斷過程如圖2所示。過程可分為電弧停滯、電弧運動、電弧進入滅弧室、電流過零等階段，對應(yīng)的電弧電壓和電流如圖2（b）。電弧停滯階段，此時剛開始燃弧，電弧較短，電弧壓降很小，電弧弧根的移動速度也相對較小。隨后，電弧加速運動和拉長，電弧電壓迅速上升。然后是電弧進入滅弧室階段，若該段電壓波形出現(xiàn)較大幅度的波動，則說明電弧在往復(fù)進出滅弧室（柵片）;若平滑如直線則說明電弧進入柵片效果良好。最后是電弧過零階段，在交流電流過零點附近的區(qū)域電弧熄滅^［6］。

由圖2視頻截圖可以清晰觀察到電弧分斷過程的幾個典型階段，尤其是電弧反復(fù)進出滅弧室柵片的過程。圖2（a）中第3、第4幅截圖顯示電弧已進入柵片，而第5、第6幅截圖顯示電弧發(fā)生背后擊穿而退出了柵片。這個過程與圖2（b）中電弧電壓波形嚴重波動段完全對應(yīng)，文獻［7］中也有類似的結(jié)論。本次雖然成功分斷電弧，但在分斷過程中電弧多次進出滅弧室柵片，對銀點和柵片燒蝕比較嚴重。

2.2 接通時主電路電壓和電流

接觸器C相首熄弧如圖3所示。接觸器電氣性能試驗接通與分斷過程的主電路電壓波形變化機理基本相同，將在后續(xù)章節(jié)詳細分析。接通時的電流波形在文獻［6，8］等諸多文獻中都有詳細論述。

如圖3（c），接通時B、C相電流有明顯的直流分量存在。合閘電壓相角與功率因數(shù)角之差等于0或π時，該相的暫態(tài)電流沒有直流分量，電流波形完全對稱且與穩(wěn)態(tài)時完全一致;合閘電壓相角與功率因數(shù)角之差等于±π/2時，暫態(tài)電流的直流分量最大;合閘電壓瞬時值為0時獲得最大的接通電流峰值，但不大于穩(wěn)態(tài)電流峰值的2倍，即接通電流沖擊系數(shù)卡帕值隨功率因數(shù)角的不同在1～2變動。

2.3 分斷時主電路電壓和電流

機械式開關(guān)電器正常分斷時，都是首先過零的那一相首先分斷熄?。ㄊ组_相），然后經(jīng)過一段時間，剩余兩相同時熄弧^［8］。不考慮分斷時的反感應(yīng)電動勢，接觸器C相首開熄弧瞬間到三相全部熄弧之前，由圖1簡化而來的主電路等效電路以及各電壓、電流的參考方向如圖3（a），首開相熄弧前后的相量圖如圖3（b）。其中，UA、UB、UC為相電壓，IA、IB、IC為相電流;UAB、UBC、UCA為線電壓;U′C為C相首開后的斷口電壓;I′AB為C相首開后A、B相之間的線電流;I′A、I′B為C相首開后的A、B兩相的相電流;φ為功率因數(shù)角，本文試驗設(shè)定cosφ=0.65;Z為試驗阻抗;N為阻抗中性點。

首開相分斷后、剩余兩相分斷前，根據(jù)KVL和KCL^［9］可得：

U′C=UCA+0.5UAB=1.5UC（1）

I′AB=I′A=I′B（2）

I′AB=UAB/2Z=I′AB∠–φ（3）

I′AB=UAB/2Z= 3UC/（2Z）=0.866IC（4）

由圖3和式（1）～式（4）可得出如下結(jié)論：

（1） 首開相C相分斷時的工頻恢復(fù)電壓是相電壓的1.5倍，也是A、B兩相分斷時工頻恢復(fù)電壓的1.5倍，其分斷更為困難，即首開相分斷更為困難。

（2） 后分斷的A、B兩相的電流和觸頭斷口電壓在未熄弧前都為首開相的0.866倍;即使是熄弧后，弧隙的工頻恢復(fù)電壓也只是相電壓，分斷更容易。

（3） 理論上I′AB比IC滯后90°;也就是說，C相電弧過零熄滅后，A、B兩相的電弧要再燃燒1/4個周期才會過零，如圖3（c）;因此A、B兩相比C相電弧多燃燒5 ms，觸點燒損比C相嚴重得多。但電弧不一定剛好在過零點熄滅，故θ角約在90°，C相電弧多燃燒約5 ms。

3 失效波形分析

3.1 分斷時兩相熔焊

分斷時兩相熔焊如圖4所示。接觸器正常接通，分斷時A、B兩相熔焊，C相正常分斷。此時的電路狀況與接觸器C相首開熄弧瞬間到三相全部熄弧之前主電路相同，因此分斷時兩相熔焊的等效電路和相量圖如圖3（a）、圖3（b）。兩相熔焊最顯著特征是有兩相電流持續(xù)到陪試品分斷，電流值只有原相電流的0.866倍;正常分斷相觸頭斷口電壓升高到相電壓的1.5倍。C相分斷后，A、B兩相電流實際上就是同一個電流;圖4（a）中，224 ms后的波形顯示兩相電流大小相等方向相反，這是由電流互感器的安裝方向造成的。即雖然是同一個電流，但電流互感器繞組的繞向因?qū)嶋H線路安裝而反向（而這樣安裝恰好能正確反映各相電流的關(guān)聯(lián)參考方向），因此波形顯示相位相差180°。

若電源和阻抗的中性點同時接地，圖4（a）中224 ms以后的電流波形將不再相差180°，而是相差120°;本文2.3節(jié)的結(jié)論也不成立了。具體的電壓、電流變化可參照本文2.3節(jié)很方便地推導(dǎo)出來，此處不再贅述。

3.2 分斷時一相觸頭熔焊

接觸器正常接通時A、C相分斷而B相熔焊的波形如圖5所示;分斷時B相觸頭熔焊的等效電路和相量圖如圖6所示。圖5（d）中t2時刻之后的等效電路圖如圖6（a）。A、C兩相分斷后，三相電流全部為0，根據(jù)KVL^［9］可得：

U′C=UC-UB=-UBC（5）

U′A=UA-UB=UAB（6）

對應(yīng)的相量圖如圖6（b）。波形分析如下：

（1） t0～t1期間，由圖5可知，A、C觸頭兩相先后分離，C相在t1時刻完成分斷，而A相在t2時刻分斷。

（2） t1～t2期間波形分析參考本文2.3節(jié)。A、B相電流在t1時刻發(fā)生突變，數(shù)值大小減小到原相電流的0.866倍。

（3） t2時刻之后，A相也完成分斷，而B相發(fā)生熔焊。U′C的相位和幅值在t2時刻發(fā)生突變;相位延后60°電角度，只比U′A超前60°，如圖6（b）;A、C相斷口電壓上升為線電壓UAB和UBC。

（4） B相已熔焊而電流沒有一直持續(xù)到陪試品分斷，是因為A、C相分斷后B相也沒有電流通過，本例中B相與A相電流同時為0。而分斷結(jié)束后B相電壓仍為0是其熔焊的最顯著特征。

（5） 圖5顯示A、B相的熄弧時刻比C相晚1個多周期，是因為B相熔焊時的牽拉作用使得A相無法利用觸頭開距順利滅弧。這種情況下，A相電弧能夠熄滅通常是以燒掉部分觸橋為代價的，故這個時間長短并不可預(yù)測。

（6） 接通前三相相電壓正常說明熔焊就發(fā)生在本次動作。根據(jù)試驗設(shè)備保護判斷邏輯，即使本次發(fā)生了熔焊也還會再進行一次試驗動作才會做出熔焊的判斷而停止試驗，因此A、C相斷口電壓一直存在，直到下次動作。

以上說明，任何一相分斷時熔焊都會產(chǎn)生類似的波形;可單獨顯示觀察每相電壓、電流波形或區(qū)分各相的顏色進一步確定到底是哪一相失效。

3.3 試品已一相熔焊時的通斷波形

本次操作的前一次試驗C相已熔焊而A、B相正常工作的波形如圖7所示。失效試品分析證明是C相進線、出線雙側(cè)觸點熔焊。此次試驗接通前和分斷過程的等效電路和相量圖都與圖6相似，式（5）、式（6）的形式對于本例也是成立的;只是由B相變成C相，具體圖形和方程推導(dǎo)不再贅述。

C相只有電流沒有電壓是本次試驗操作前C相已熔焊最顯著的特征。試品接通之前，A、B兩相斷口電壓升高到線電壓也是因為C相始終處于接通狀態(tài);故只要陪試品閉合就會如同3.2節(jié)第3條分析結(jié)論一樣。然后接通期間一切正常;分斷時，A、B相正常分斷，C相依舊熔焊，情況與3.2節(jié)所述相同。

可進一步說明，任何一相熔焊后繼續(xù)試驗都會產(chǎn)生類似的波形;可單獨顯示觀察每相電壓、電流波形或區(qū)分各相的顏色進一步確定到底是哪一相失效。

3.4 試品已缺相時的通斷波形

本次操作的前一次試驗C相已燒斷或本次C相未接通而A、B相正常工作的波形如圖8所示。即C相整個通斷過程中只有電壓沒有電流。

因為是缺相，所以并不會影響觸頭斷口處的電壓分布，故接通前三相電壓正常。

本實例中，當B相率先接通時，A、C兩相觸頭斷口電壓升高到線電壓，如同3.3節(jié)電流接通前的情況（A相先接通也是同樣的波形）。因此，在A相接通前這段時間，B相雖已接通，但既沒電壓也沒電流。

隨后A相也接通，此時本例的實際電路則如同3.1節(jié)所述分斷時的電路狀態(tài)。在A、B兩相通電期間，各電壓、電流的變化和波形參見3.1節(jié)的分析。A、B兩相正常分斷熄弧后，三相觸頭斷口電壓恢復(fù)正常的相電壓（缺相的效果相當于該相成功分斷）。

可再次說明，任何一相缺相后繼續(xù)試驗都會產(chǎn)生類似的波形;可單獨顯示觀察每相電壓、電流波形或區(qū)分各相的顏色進一步確定到底是哪一相失效。

4 結(jié) 語

本文通過對幾個典型的接觸器AC-4電壽命試驗的通斷波形與失效產(chǎn)品的分析研究，推演了其通斷過程中電壓、電流變化的機理，并予以圖形展示。在接觸器研發(fā)階段，可以為研發(fā)工程師在分析樣品失效時提供理論參考。

基于本文的研究成果，還可以進一步深入研究更多種通斷失效波形及其原因，為研發(fā)人員更快速地分析試驗失效樣品提供示例參考。

【參 考 文 獻】

［1］ 鄭淑梅，牛峰，李奎，等.交流接觸器電應(yīng)力特征參數(shù)監(jiān)測及處理方法研究［J］.電器與能效管理技術(shù)，2017（20）：1-5，17.

［2］ 廖曉宇，梁慧敏，劉德龍，等.三相交流接觸器智能模塊設(shè)計［J］.電器與能效管理技術(shù)，2018（16）：26-31.

［3］ 王天陽，鄭哲，張旭，等.新型交流接觸器電壽命試驗分析系統(tǒng)的設(shè)計［J］.電器與能效管理技術(shù)，2021（2）：48-53.

［4］ 全國低壓電器標準化委員會.低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備 第4-1部分：接觸器和電動機起動器 機電式接觸器和電動機起動器 （含電動機保護器）：GB/T 14048.4—2020［S］.北京：中國標準出版社，2020.

［5］ 全國低壓電器標準化委員會.低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備 第1部分：總則：GB/T 14048.1—2023［S］.北京：中國標準出版社，2023.

［6］ 陳德桂.低壓斷路器的開關(guān)電弧與限流技術(shù)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2006.

［7］ 史亞聞，曾萍，葛順鋒.大容量交流接觸器滅弧性能的試驗研究［J］.電器與能效管理技術(shù)，2015（9）：15-19.

［8］ 許志紅.電器理論基礎(chǔ)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2019.

［9］ 邱關(guān)源.電路［M］.4版.北京：高等教育出版社，2002.

收稿日期： 20240628