交流接触器典型通断过程分析

摘 要： 在交流接触器电气性能试验中，通断过程中主电路电压、电流波形是判断试验失效原因和制定改善方案的重要依据。选取交流接触器接通分断试验和电寿命试验中几种典型的通断失效波形，对这些波形进行分析，并给出这些波形对应的失效模式及其机理。

关键词： 交流接触器; 接通分断试验; 电寿命试验; 波形图; 相量图; 首开相

中图分类号： TM572.2

文献标志码： A

文章编号： 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

交流接触器（以下简称接触器）的额定接通分断能力试验、约定操作性能试验和电寿命试验（以下统称电气性能试验）是接触器电气性能测试最核心的项目，在接触器的研发设计和生产过程中始终是被关注的重点。电气性能试验中，各试验通断过程中主电路各相的电压、电流波形是判断试验失效原因和制定改善方案的重要依据，可以称之为接触器的“心电图”。

文献［1］在接触器电气性能试验过程中逐次实时监测电源电压、触头断口电压和负载电流，获取6路电压和3路电流的动态变化波形，然后根据电压、电流变化特征及多路采样信号间的特征，提出多路采样数据融合的处理方法，提取电应力特征参数，为接触器电寿命变化规律研究提供了数据。文献［2］通过采集主回路电流信号、线圈电流信号、主触点温度以及环境温度、检测辅助触点状态等，实现对接触器工作状态的监测;再通过对所采集数据处理分析，实现接触器的故障诊断并预计其剩余寿命。文献［3］通过统计分析接触器分断波形的电压、电流波形和燃弧时间、弹跳时间、燃弧能量、接触阻抗等电性能参数，总结了触头开距对接触器电气性能的影响。

本文通过对接触器电气性能试验通断波形和实际试验结果的分析，得出通断波形与电气性能试验失效模式的对应关系，并尝试给出原因分析，给研发人员制定改善方案提供参考。

1 接触器电气性能试验

GB/T 14048.4—2020《低压开关设备和控制设备 第4-1部分：接触器和电动机起动器 机电式接触器和电动机起动器（含电动机保护器）》^［4］对接触器不同使用类别下的电气性能试验做出具体要求，如试验电压、试验电流、功率因数、操作频率、通电时间以及瞬态恢复电压特性等;并要求AC-4电寿命试验电路按接通分断试验电路。GB/T 14048.1—2023《低压开关设备和控制设备 第1部分：总则》^［5］给出接通分断试验的电路图，要求该电路的电源端和阻抗端只能有一端中性点接地。接触器接通分断试验电路（AC-4电寿命试验电路）如图1所示。

因为接触器最主要的用途是控制电动机，所以这2项试验的试验电路采用了电源中性接地的线路，这样更接近电动机的实际运行。

2 接触器正常通断过程

本文选取接触器AC-4电寿命试验的通断失效波形作为分析对象。AC-4不仅是接触器的一项重要且典型的使用类别，而且是行业内快速验证其电气性能的常用手段，故选用AC-4相关的通断波形进行分析对其他使用类别的相应试验具有充分的代表性。

接触器的额定接通和分断试验、约定操作性能试验和AC-4电寿命试验，虽然在功率因数、通断电流值和瞬态恢复电压参数方面稍有差异，但其试验电路结构相同，故通断波形所反映的内在机理相同。

2.1 电弧运动过程

接触器电弧开断过程如图2所示。过程可分为电弧停滞、电弧运动、电弧进入灭弧室、电流过零等阶段，对应的电弧电压和电流如图2（b）。电弧停滞阶段，此时刚开始燃弧，电弧较短，电弧压降很小，电弧弧根的移动速度也相对较小。随后，电弧加速运动和拉长，电弧电压迅速上升。然后是电弧进入灭弧室阶段，若该段电压波形出现较大幅度的波动，则说明电弧在往复进出灭弧室（栅片）;若平滑如直线则说明电弧进入栅片效果良好。最后是电弧过零阶段，在交流电流过零点附近的区域电弧熄灭^［6］。

由图2视频截图可以清晰观察到电弧分断过程的几个典型阶段，尤其是电弧反复进出灭弧室栅片的过程。图2（a）中第3、第4幅截图显示电弧已进入栅片，而第5、第6幅截图显示电弧发生背后击穿而退出了栅片。这个过程与图2（b）中电弧电压波形严重波动段完全对应，文献［7］中也有类似的结论。本次虽然成功分断电弧，但在分断过程中电弧多次进出灭弧室栅片，对银点和栅片烧蚀比较严重。

2.2 接通时主电路电压和电流

接触器C相首熄弧如图3所示。接触器电气性能试验接通与分断过程的主电路电压波形变化机理基本相同，将在后续章节详细分析。接通时的电流波形在文献［6，8］等诸多文献中都有详细论述。

如图3（c），接通时B、C相电流有明显的直流分量存在。合闸电压相角与功率因数角之差等于0或π时，该相的暂态电流没有直流分量，电流波形完全对称且与稳态时完全一致;合闸电压相角与功率因数角之差等于±π/2时，暂态电流的直流分量最大;合闸电压瞬时值为0时获得最大的接通电流峰值，但不大于稳态电流峰值的2倍，即接通电流冲击系数卡帕值随功率因数角的不同在1～2变动。

2.3 分断时主电路电压和电流

机械式开关电器正常分断时，都是首先过零的那一相首先分断熄弧（首开相），然后经过一段时间，剩余两相同时熄弧^［8］。不考虑分断时的反感应电动势，接触器C相首开熄弧瞬间到三相全部熄弧之前，由图1简化而来的主电路等效电路以及各电压、电流的参考方向如图3（a），首开相熄弧前后的相量图如图3（b）。其中，UA、UB、UC为相电压，IA、IB、IC为相电流;UAB、UBC、UCA为线电压;U′C为C相首开后的断口电压;I′AB为C相首开后A、B相之间的线电流;I′A、I′B为C相首开后的A、B两相的相电流;φ为功率因数角，本文试验设定cosφ=0.65;Z为试验阻抗;N为阻抗中性点。

首开相分断后、剩余两相分断前，根据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）

由图3和式（1）～式（4）可得出如下结论：

（1） 首开相C相分断时的工频恢复电压是相电压的1.5倍，也是A、B两相分断时工频恢复电压的1.5倍，其分断更为困难，即首开相分断更为困难。

（2） 后分断的A、B两相的电流和触头断口电压在未熄弧前都为首开相的0.866倍;即使是熄弧后，弧隙的工频恢复电压也只是相电压，分断更容易。

（3） 理论上I′AB比IC滞后90°;也就是说，C相电弧过零熄灭后，A、B两相的电弧要再燃烧1/4个周期才会过零，如图3（c）;因此A、B两相比C相电弧多燃烧5 ms，触点烧损比C相严重得多。但电弧不一定刚好在过零点熄灭，故θ角约在90°，C相电弧多燃烧约5 ms。

3 失效波形分析

3.1 分断时两相熔焊

分断时两相熔焊如图4所示。接触器正常接通，分断时A、B两相熔焊，C相正常分断。此时的电路状况与接触器C相首开熄弧瞬间到三相全部熄弧之前主电路相同，因此分断时两相熔焊的等效电路和相量图如图3（a）、图3（b）。两相熔焊最显著特征是有两相电流持续到陪试品分断，电流值只有原相电流的0.866倍;正常分断相触头断口电压升高到相电压的1.5倍。C相分断后，A、B两相电流实际上就是同一个电流;图4（a）中，224 ms后的波形显示两相电流大小相等方向相反，这是由电流互感器的安装方向造成的。即虽然是同一个电流，但电流互感器绕组的绕向因实际线路安装而反向（而这样安装恰好能正确反映各相电流的关联参考方向），因此波形显示相位相差180°。

若电源和阻抗的中性点同时接地，图4（a）中224 ms以后的电流波形将不再相差180°，而是相差120°;本文2.3节的结论也不成立了。具体的电压、电流变化可参照本文2.3节很方便地推导出来，此处不再赘述。

3.2 分断时一相触头熔焊

接触器正常接通时A、C相分断而B相熔焊的波形如图5所示;分断时B相触头熔焊的等效电路和相量图如图6所示。图5（d）中t2时刻之后的等效电路图如图6（a）。A、C两相分断后，三相电流全部为0，根据KVL^［9］可得：

U′C=UC-UB=-UBC（5）

U′A=UA-UB=UAB（6）

对应的相量图如图6（b）。波形分析如下：

（1） t0～t1期间，由图5可知，A、C触头两相先后分离，C相在t1时刻完成分断，而A相在t2时刻分断。

（2） t1～t2期间波形分析参考本文2.3节。A、B相电流在t1时刻发生突变，数值大小减小到原相电流的0.866倍。

（3） t2时刻之后，A相也完成分断，而B相发生熔焊。U′C的相位和幅值在t2时刻发生突变;相位延后60°电角度，只比U′A超前60°，如图6（b）;A、C相断口电压上升为线电压UAB和UBC。

（4） B相已熔焊而电流没有一直持续到陪试品分断，是因为A、C相分断后B相也没有电流通过，本例中B相与A相电流同时为0。而分断结束后B相电压仍为0是其熔焊的最显著特征。

（5） 图5显示A、B相的熄弧时刻比C相晚1个多周期，是因为B相熔焊时的牵拉作用使得A相无法利用触头开距顺利灭弧。这种情况下，A相电弧能够熄灭通常是以烧掉部分触桥为代价的，故这个时间长短并不可预测。

（6） 接通前三相相电压正常说明熔焊就发生在本次动作。根据试验设备保护判断逻辑，即使本次发生了熔焊也还会再进行一次试验动作才会做出熔焊的判断而停止试验，因此A、C相断口电压一直存在，直到下次动作。

以上说明，任何一相分断时熔焊都会产生类似的波形;可单独显示观察每相电压、电流波形或区分各相的颜色进一步确定到底是哪一相失效。

3.3 试品已一相熔焊时的通断波形

本次操作的前一次试验C相已熔焊而A、B相正常工作的波形如图7所示。失效试品分析证明是C相进线、出线双侧触点熔焊。此次试验接通前和分断过程的等效电路和相量图都与图6相似，式（5）、式（6）的形式对于本例也是成立的;只是由B相变成C相，具体图形和方程推导不再赘述。

C相只有电流没有电压是本次试验操作前C相已熔焊最显著的特征。试品接通之前，A、B两相断口电压升高到线电压也是因为C相始终处于接通状态;故只要陪试品闭合就会如同3.2节第3条分析结论一样。然后接通期间一切正常;分断时，A、B相正常分断，C相依旧熔焊，情况与3.2节所述相同。

可进一步说明，任何一相熔焊后继续试验都会产生类似的波形;可单独显示观察每相电压、电流波形或区分各相的颜色进一步确定到底是哪一相失效。

3.4 试品已缺相时的通断波形

本次操作的前一次试验C相已烧断或本次C相未接通而A、B相正常工作的波形如图8所示。即C相整个通断过程中只有电压没有电流。

因为是缺相，所以并不会影响触头断口处的电压分布，故接通前三相电压正常。

本实例中，当B相率先接通时，A、C两相触头断口电压升高到线电压，如同3.3节电流接通前的情况（A相先接通也是同样的波形）。因此，在A相接通前这段时间，B相虽已接通，但既没电压也没电流。

随后A相也接通，此时本例的实际电路则如同3.1节所述分断时的电路状态。在A、B两相通电期间，各电压、电流的变化和波形参见3.1节的分析。A、B两相正常分断熄弧后，三相触头断口电压恢复正常的相电压（缺相的效果相当于该相成功分断）。

可再次说明，任何一相缺相后继续试验都会产生类似的波形;可单独显示观察每相电压、电流波形或区分各相的颜色进一步确定到底是哪一相失效。

4 结 语

本文通过对几个典型的接触器AC-4电寿命试验的通断波形与失效产品的分析研究，推演了其通断过程中电压、电流变化的机理，并予以图形展示。在接触器研发阶段，可以为研发工程师在分析样品失效时提供理论参考。

基于本文的研究成果，还可以进一步深入研究更多种通断失效波形及其原因，为研发人员更快速地分析试验失效样品提供示例参考。

【参 考 文 献】

［1］ 郑淑梅，牛峰，李奎，等.交流接触器电应力特征参数监测及处理方法研究［J］.电器与能效管理技术，2017（20）：1-5，17.

［2］ 廖晓宇，梁慧敏，刘德龙，等.三相交流接触器智能模块设计［J］.电器与能效管理技术，2018（16）：26-31.

［3］ 王天阳，郑哲，张旭，等.新型交流接触器电寿命试验分析系统的设计［J］.电器与能效管理技术，2021（2）：48-53.

［4］ 全国低压电器标准化委员会.低压开关设备和控制设备 第4-1部分：接触器和电动机起动器 机电式接触器和电动机起动器 （含电动机保护器）：GB/T 14048.4—2020［S］.北京：中国标准出版社，2020.

［5］ 全国低压电器标准化委员会.低压开关设备和控制设备 第1部分：总则：GB/T 14048.1—2023［S］.北京：中国标准出版社，2023.

［6］ 陈德桂.低压断路器的开关电弧与限流技术［M］.北京：机械工业出版社，2006.

［7］ 史亚闻，曾萍，葛顺锋.大容量交流接触器灭弧性能的试验研究［J］.电器与能效管理技术，2015（9）：15-19.

［8］ 许志红.电器理论基础［M］.北京：机械工业出版社，2019.

［9］ 邱关源.电路［M］.4版.北京：高等教育出版社，2002.

收稿日期： 20240628