大容量交流接觸器電壽命提升仿真分析和試驗(yàn)研究

摘 要：

大容量交流接觸器使用時負(fù)載電流大、功率因數(shù)小、電弧熄滅時能量大，對滅弧系統(tǒng)要求高。通過理論分析、高速攝影和電壽命試驗(yàn)等方法研究不同觸頭系統(tǒng)和滅弧系統(tǒng)的滅弧能力，為提升大容量交流接觸器電壽命和使用可靠性提供參考。

關(guān)鍵詞：

大容量; 交流接觸器; 滅弧系統(tǒng); 電壽命

中圖分類號： TM572.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號： 2095-8188（2024）01-0060-05

DOI：

10.16628/j.cnki.2095-8188.2024.01.011

Simulation Analysis and Experimental Study on Electrical Lifetime Improvement of Big-Capacity AC Contactors

LIU Zhenxiang， XIAO Tifeng， ZHU Yingping， ZHENG Qianjun， WANG jian， LUO Yang

（Zhejiang Chint Electrics Co.，Ltd.， Wenzhou 325603， China）

Abstract：

Big-capacity AC contactors have a high requirement on the arc extinction system due to a large load current，small power factor and high energy when the arc is extinguished.Through theoretical analysis，high-speed photography and electrical life testing，the arc extinguishing ability of different contact systems and arc extinguishing systems is studied，which can provide the reference for improving the electrical life and reliability of large capacity AC contactors.

Key words：

big-capacity; AC contractor; arc extinction system; electrical lifetime

0 引 言

交流接觸器是一種適用于遠(yuǎn)距離頻繁接通和分?jǐn)嘟涣髦麟娐芳按笕萘靠刂齐娐返碾娖?。其主要用作控制交流感?yīng)電動機(jī)的起動、停止、反轉(zhuǎn)和調(diào)整，并可與熱繼電器或其他適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)裝置組合成電磁起動器，當(dāng)電路中發(fā)生過載或斷相故障時用于保護(hù)電動機(jī)［1］。

交流電流的瞬時值隨時間變化，每周期內(nèi)有兩次通過零點(diǎn)，并在電流過零時電弧熄滅。交流接觸器一般采用的熄弧方法有拉長電弧、縱縫滅弧和金屬柵片滅弧 ［2］。

大容量交流接觸器觸頭系統(tǒng)多采用直動式雙觸點(diǎn)結(jié)構(gòu)，并采用強(qiáng)磁吹回路，配合滅弧系統(tǒng)進(jìn)行滅弧。電流流過動、靜觸頭及滅弧件產(chǎn)生磁場，電弧在電磁力的作用下迅速離開觸頭，進(jìn)入滅弧室。

文獻(xiàn)［3］是利用高速攝影的方法，研究不同觸頭和滅弧系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)對大容量交流接觸器滅弧性能的影響。文獻(xiàn)［4-7］通過試驗(yàn)的方法研究了不同滅弧結(jié)構(gòu)對交流接觸器電壽命的影響。上述文獻(xiàn)僅從試驗(yàn)的角度進(jìn)行滅弧性能和電壽命的研究。

本文首先利用Ansys仿真軟件對交流接觸器觸頭系統(tǒng)和滅弧系統(tǒng)進(jìn)行3D建模仿真分析，計算不同觸頭系統(tǒng)和滅弧系統(tǒng)分?jǐn)嗟碾娀∷艿拇糯盗瓦\(yùn)動速度，對比其滅弧性能。再利用高速攝影的方法，研究不同系統(tǒng)對交流接觸器滅弧性能的影響。最后按電壽命試驗(yàn)條件和方法進(jìn)行電壽命試驗(yàn)。通過理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，研究Ie=500 A的不同觸頭系統(tǒng)和滅弧系統(tǒng)的交流接觸器滅弧能力。

1 研究對象

選取某一額定工作電流為500 A的三相交流接觸器，其額定工作電壓為400 V。交流接觸器觸頭系統(tǒng)和滅弧系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。

交流接觸器不同結(jié)構(gòu)的接觸橋和引弧件如圖2所示。其基本安裝、配合及對交流接觸器影響的尺寸相同。

三相交流接觸器（以下簡稱接觸器）的幾何模型如圖1，接觸橋處于最大開距位置（為方便研究，僅顯示其中一相）。不同結(jié)構(gòu)的接觸橋和引弧件示意見圖2，并組成3種組合形式。不同結(jié)構(gòu)的接觸橋和引弧件組合形式如表1所示。組合2和組合3相較于組合1，接觸橋的結(jié)構(gòu)和工藝簡單，引弧件跑弧道面積大，并在引弧件上設(shè)置一體結(jié)構(gòu)的增磁塊。

2 仿真分析

利用 Ansys 軟件建立接觸器觸頭系統(tǒng)三維模型。電弧受力坐標(biāo)系示意圖如圖3所示。采用r=1 mm的圓柱體表示初始電弧，對初始電弧和移動到觸頭邊緣的電弧進(jìn)行建模，查看電弧根部的電磁力。根據(jù)接觸器AC-4電壽命試驗(yàn)條件，接通和分?jǐn)嚯娏鳛?倍額定工作電流［8］，因此仿真時采用AC 3 000 A電流激勵，在靜磁場中模擬。

對于初始電弧，計算得到電弧所受磁吹力。初始電弧受到的磁吹力如表2所示。

由表2可見，組合2和組合3在靜觸頭側(cè)的磁吹力，均高于組合1，相較于組合1分別提高18.4%和24.8%，中間段的磁吹力也有一定的提高，分別為7%和11.7%。

對于運(yùn)動到觸頭邊緣的電弧進(jìn)行計算。電弧移動到觸頭邊緣時的磁吹力如表3所示;吹弧磁場強(qiáng)度如表4所示。

由表3可見，電弧各個部位所受磁吹力都有數(shù)值上的增大。組合2和組合3較組合1依然是對靜觸頭側(cè)弧根磁吹力的提升效果明顯，分別提升18.1%和21.6%。

初始電弧的運(yùn)動速度計算公式為

v=C05BIP0d 49+42BIP0d（1）

式中： C0——聲速，343 m/s;

B——吹弧磁場;

I——電流，3 000 A;

P0——基本大氣壓，取1.013×105 Pa;

d——電弧直徑，2×10-3 m。

由仿真得到電弧運(yùn)動到觸頭邊緣時電弧靜觸頭側(cè)弧根位置的平均磁通密度，并按公式計算電弧運(yùn)動速度。電弧運(yùn)動速度估算如表5所示。

經(jīng)計算可得，電弧運(yùn)動速度的提升比例與電磁力的提升比例十分接近，組合2和組合3相較于組合1分別提升了15.9%和21.1%，且依然是組合3的提升效果更好。

3 高速攝影試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方法

為方便研究，選擇單極電器驗(yàn)證單相交流接通和分?jǐn)嗄芰υ囼?yàn)電路［9］，接觸器A相通AC 220 V 50 Hz交流電，并按有載操作使用類別為AC-4設(shè)置試驗(yàn)參數(shù)［8］，試驗(yàn)電流為3 000 A、功率因數(shù)為0.35。通電時間根據(jù)試驗(yàn)條件及接觸器線圈吸合和釋放時間進(jìn)行設(shè)置，以保證產(chǎn)品有充足的時間完成一次完整的吸合動作。按上述條件進(jìn)行多次試驗(yàn)，充分觀察和分析電弧的熄滅動態(tài)。

為便于拍攝電弧，在滅弧室側(cè)面開孔并安裝透明板，拍攝前調(diào)整攝像機(jī)參數(shù)［10］。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

接觸器使用組合1結(jié)構(gòu)的電弧情況如圖4所示。

由圖4可見，電弧生成時幾乎不受電動力作用，在觸頭根部燃燒，對動、靜觸頭及引弧件燒蝕較大。從波形圖來看，電弧在電流過零后重新燃弧，總?cè)蓟r間12.65 ms。另外，雖然電弧在重新燃弧后進(jìn)入滅弧室，但滅弧柵片分割短弧的數(shù)量少于接觸器設(shè)計數(shù)量，只被前方3片分割，不利于電弧熄滅。該結(jié)構(gòu)燃弧時間長、滅弧性能差。

接觸器使用組合2結(jié)構(gòu)和組合3結(jié)構(gòu)的電弧情況分別如圖5、圖6所示。由圖5、圖6可見，與組合1不同的是，電弧在生成時即受到強(qiáng)大的電磁力的作用，瞬間被拉進(jìn)滅弧室，并被滅弧柵片隔斷為多個短弧，且進(jìn)入每個滅弧柵片中。由波形圖看出，電弧在電流過零時熄滅，燃弧時間分別為7.87 ms和6.93 ms，較組合1有明顯縮短。

綜合上述試驗(yàn)結(jié)果，組合1電弧生成時在觸頭根部燃燒，電動力較小，且電弧發(fā)生重燃，被滅弧柵片分割數(shù)量少于設(shè)計數(shù)量。組合2和組合3電弧發(fā)生時即在電動力作用下快速進(jìn)入滅弧室，被滅弧柵片分割多段短弧，且沒有發(fā)生重燃，其滅弧效果優(yōu)于組合1。

4 電壽命試驗(yàn)

根據(jù)電壽命試驗(yàn)的方法和條件［8］，進(jìn)行AC-4電壽命試驗(yàn)，按三極電器驗(yàn)證接通和分?jǐn)嗄芰Φ脑囼?yàn)電路［7］，對3種組合結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)樣品通400 V、3 000 A的交流電，功率因數(shù)為0.35。通電時間根據(jù)試驗(yàn)條件及接觸器線圈吸合釋放時間進(jìn)行設(shè)置，以保證產(chǎn)品有充足的時間完成一次完整的吸合動作。

試驗(yàn)結(jié)束后統(tǒng)計不同組合結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品電壽命次數(shù)。電壽命試驗(yàn)統(tǒng)計如表6所示;電壽命試驗(yàn)燒蝕情況如圖7所示。

各組合形式結(jié)構(gòu)的觸頭、引弧件、滅弧柵片及滅弧罩電壽命試驗(yàn)后對比情況：

（1） 組合1結(jié)構(gòu)引弧件燒蝕嚴(yán)重，兩側(cè)面斷開。滅弧罩側(cè)面燒蝕部位基本在滅弧柵片頂端，深度較深，殘留顆粒也較大。由仿真分析及高速攝影試驗(yàn)可以看出，電弧產(chǎn)生至熄滅整個過程中，觸頭系統(tǒng)產(chǎn)生的磁吹力較小，電弧始終在靜觸頭根部燃燒，較難或者基本無法經(jīng)引弧件有效進(jìn)入滅弧罩和滅弧柵片，滅弧罩的滅弧作用微弱。電弧燒蝕引弧件兩側(cè)，能量無法有效散開，最終使觸頭熔焊。引弧件的引弧效果和滅弧系統(tǒng)的滅弧效果較差，滅弧能力較低。

（2） 組合2結(jié)構(gòu)較組合1結(jié)構(gòu)滅弧效果有所改善，從試驗(yàn)結(jié)果反映出，電弧有經(jīng)引弧件向兩端噴射的痕跡，引弧件兩側(cè)基本不會被燒蝕，滅弧罩兩側(cè)的燒蝕位置也已進(jìn)入滅弧柵片靠近根部，電壽命試驗(yàn)次數(shù)較組合1結(jié)構(gòu)明顯增加。由于滅弧件設(shè)置有一體結(jié)構(gòu)的增磁塊，使得系統(tǒng)的磁吹力增加，磁吹強(qiáng)度增大，電弧的運(yùn)動速度加快，電弧能快速進(jìn)入滅弧室，并被滅弧柵片分割成多段短弧，滅弧效果提升。

（3） 組合3結(jié)構(gòu)較組合1和組合2結(jié)構(gòu)滅弧效果更好，其同樣有組合2結(jié)構(gòu)的電弧噴射痕跡，且滅弧罩兩側(cè)的燒蝕位置更深入滅弧柵片根部，同樣利用增磁塊增加磁吹力和磁吹強(qiáng)度，加快電弧運(yùn)動。同時，滅弧件高度與觸點(diǎn)高度相等，電弧噴射至滅弧件上，有利于電弧冷卻，減小觸點(diǎn)周圍的電弧能量，使動靜觸點(diǎn)燒蝕較小，增加使用壽命。通過電壽命試驗(yàn)驗(yàn)證，其電壽命次數(shù)最高。

通過上述電壽命試驗(yàn)及結(jié)果分析，組合3結(jié)構(gòu)充分利用磁吹回路原理和金屬柵片滅弧方法，設(shè)置增磁塊，增大電弧運(yùn)動速度，快速將電弧引入滅弧室，通過滅弧柵片分割電弧，從而達(dá)到有效滅弧，滅弧效果最好。

5 結(jié) 語

本文通過仿真分析電弧運(yùn)動、高速攝影采集電弧走向及電壽命試驗(yàn)驗(yàn)證的方法，研究大容量交流接觸器不同觸頭和滅弧結(jié)構(gòu)對滅弧性能及電壽命的影響。其中觸頭結(jié)構(gòu)、引弧件結(jié)構(gòu)、增磁塊結(jié)構(gòu)對電弧運(yùn)動方向和運(yùn)動速度起著極為重要的作用。特別是增磁塊的設(shè)置，對電動力和磁吹強(qiáng)度影響明顯，并顯著提升電壽命次數(shù)。本文的研究分析，對接觸器電壽命的改進(jìn)和新產(chǎn)品的研發(fā)，具有指導(dǎo)意義。

【參 考 文 獻(xiàn)】

［1］ 周茂祥.低壓電器設(shè)計手冊［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999.

［2］ 賀湘琰.電器學(xué)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

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

［4］ 胡國偉， 張紅偉， 計新華， 等.交流接觸器滅弧結(jié)構(gòu)對電壽命影響的試驗(yàn)研究［J］.電器與能效管理技術(shù)，2022（6）：20-23.

［5］ 計新華， 鄭彬， 張杰， 等.交流接觸器電壽命失效問題分析及驗(yàn)證［J］.電器與能效管理技術(shù)，2021（2）：59-62.

［6］ 趙峰， 楊和， 李玲.關(guān)合電容器組高頻涌流對真空滅弧室絕緣特性的影響研究［J］.高壓電器，2023，59（4）：169-176.

［7］ 畢潔廷， 王巨豐， 王學(xué)彬.固相滅弧裝置原理下多重雷擊防護(hù)過程的仿真與實(shí)驗(yàn)研究［J］.高壓電器， 2022，58（4）：108-114，123.

［8］ 全國低壓電器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)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(jī)起動器 機(jī)電式接觸器和電動機(jī)起動器（含電動機(jī)保護(hù)器）：GB/T 14048.4—2020［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2021.

［9］ 陳德桂.低壓斷路器的開關(guān)電弧與限流技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［10］ 全國低壓電器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)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—2012［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2013.

收稿日期： 20230915