具有短路分断功能的智能交流接触器

王静 戴宇飞

摘要：现阶段，随着我国科技的快速发展，智能控制与保护电器作为一种控制与保护的多功能电器，主要特点是将断路器、接触器、热继电器及隔离器的控制与保护功能集成于一体。CPS可以在正常运行条件下频繁操作接通或分断电路，同时具有负载（如电动机）处于非正常运行状态下的保护功能，特别是在短路故障时能及时开断电路。CPS集成上述功能，形成了适应于电力系统发展、生产、应用需要的新型低压电器，解决了各电器之间的协调配合问题，即在分断短路电流后无需维护即可投入使用，也就是具有分断短路故障后的连续运行性能。

关键词：短路分断；智能；交流接触器

中图分类号：R26 文献标识码：A 文章编号：2095-3178（2018）20-0211-01

引言

交流接触器是控制电器中最主要的产品，是使用量大、面广的基础元件产品。在低壓电器的智能化进程中，相比断路器而言，接触器的智能化进程稍有滞后，其中有技术原因，也有成本的原因。伴随“中国制造2025”和“工业4.0”的推进，以及工业自动化的普及和适应智能制造的要求，提升接触器的可靠性、使用寿命和对其运行过程的监测、控制的要求，必将促进接触器的智能化进程。

1 CPS基本结构

采用3个单极交流接触器组成新型CPS的本体结构，智能控制与保护系统控制三台单相交流接触器和电磁快速斥力机构，每台接触器包含独立的电磁系统、触头系统、灭弧系统。通过控制系统可以独立地控制每相触头的吸合和分断，可以根据三相电流的相位实现不同步吸合或分断，方便地实现零电流分断。由于该CPS对每一相机构进行单独控制，避免出现单相分断同步差问题，从而达到更灵活、更准确控制的目的，实现交流接触器的零电流分断功能。

2 触头系统电动斥力仿真

2.1触头系统电动斥力

低压断路器限流分断的原理是：当短路故障发生时，要求断路器在短路电流达到其预期峰值前分断。大量的限流断路器利用触头臂之间产生的电动斥力来达到限流目的，触头上受到的电动斥力主要由触头系统的电流密度和磁场大小所决定。在短路电流已经到来而脱扣器动作前，电弧电压由于触头闭合保持为零，但当大电流到来时，会产生一定的电动斥力，如果电动斥力大到克服触头预压力，那么操动机构还没动作前触头将被斥开，动静触头在电动斥力的作用下分开，并产生电弧。

2.2 线圈断电后电磁机构剩磁磁通吸力计算

由于考虑CPS在短路故障情况下存在快速电磁斥力机构与交流接触器本体结构动作协调配合的问题，必须计算快速电磁斥力机构未动作条件下，触头系统电动力、弹簧反力、电磁系统剩磁作用力综合作用下的动态特性。因此，计算线圈断电后电磁机构剩磁磁通吸力是必要的。显然，计算该动态吸力，首先应该了解线圈断电后电磁机构铁心中磁通的动态特性。为此，在铁心上加绕一辅助线圈（该线圈为100匝），当原激磁线圈断电后将在该辅助线圈中感应电势，辅助线圈感应。

2.3 电动斥力计算

电动斥力包括触头间电动斥力和触头系统回路间电动斥力。电器的动静触头的接触面尽管看起来很平坦光滑，但它们实际上仅在一些接触斑点上相互接触。当电流通过触头，由于电流线在接触面附近发生收缩，因而在触头间会出现电动斥力（霍尔姆力），这是一种电流自身磁场作用下的电动力，与电流的平方成正比。

3 短路分断功能的智能交流接触器

3.1交流接触器的发展

由于控制交流电的通断，电流方向作周期变化，为解决触头闭合时晶闸管必须是导通的这一问题，早期提出的混合式接触器是采用每相触头两端并联两只互为反向连接的晶闸管或一只双向晶闸管，这样一台三极接触器就需要六只晶闸管或三只双向晶闸管，因此成本高而更难以推广。随着数字技术、微电子技术和电力电子技术的进步，提出了通过对导通角的精确控制，实现每相并联一只晶闸管的方案，大幅降低了成本。

3.2 交流接触器的接通

合闸的关键是触头必须选择在三相晶闸管导通中、当其中任意两相为正、一相为负时的共同导通区闭合，三相波形图的阴影部分为它们的共同导通区，在每个周期有三段合闸“窗口”，相邻两段之间的相角差是60°，每段的时长约3.3ms。触头在晶闸管导通情况下闭合，从而避免了触头闭合时因振动、弹跳而产生电弧。

3.3 短路分断试验

优化后加工的样机在福建省产品质量检验研究院进行短路分断试验，试验过程的参数为：试验电压400V，试验电流50KV，A相短路分断试验波形如下图所示。从下图中可以看出：短路电流峰值大约为预期电流的三分之一，而且持续时间仅为四分之一周波，可见该CPS不仅短路分断能力强，而且限流性能也相当好。

3.4分断试验测试

仿真计算是基于快速斥力动作机构直接推动CPS触头的计算结果。由于加工条件的限制，本文分断试验测试的样机是基于快速斥力动作机构推动CPS铁心进行加工的。测试方法如下：由MATLAB仿真软件产生的短路电流波形数据通过任意波形发生器注入给硬件电路，结合早期检测算法测得故障相角为0°时结果如下图所示，其中通道1为短路电流，通道2为快速电磁斥力机构触发信号，也就是早期检测电路判断到短路电流时刻，通道3为接触器触头信号波形，低电平表示触头闭合，高电平表示触头打开。图下（b）为图下（a）在分断信号时刻的展开波形，从图中可以看出分断时间为1.28ms。

4 结语

综上所述，重点研究了在触头系统回路电动斥力、弹簧反力、剩磁吸力共同作用下集成电器触头的运动轨迹。为了实现集成电器能够在早期检测的基础上快速分断短路故障，将应用于中高压系统上的快速电磁斥力机构引入低压系统，仿真计算了不同电容容量下集成电器触头快速运动的位移曲线。从而在该物理模型的基础上，建立了基于电流形态小波的短路故障早期检测技术、基于快速电磁斥力机构的综合机械与电磁原理的触头短路故障快速动作并限流的样机模型。仿真研究和短路分断试验证明了该技术的可行性，为CPS后续研发提供理论基础和设计依据。

参考文献

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[2]黄世泽，郭其一，章敏娟，朱奇敏.控制与保护开关电器电磁机构运动轨迹仿真研究[J].低压电器，2015，11：5-9.