摘 要:设计了一种能实现无弧开断的新型交流接触器。以实现接触器无弧分断的功能,给出了这种新型交流接触器的设计、工作原理、设计分析及结论。这种接触器的特点是延长交流接触器寿命。
关键词:交流接触器 无弧分断
一、概述
在大气中开断电路时,如果电源电压超过12～20V,被开断的电流超过0.25～1A,在触头间隙(弧隙)中会产生一团温度极高、发出强光和能导电的近似于圆柱形的气体,称为电弧。电弧是一种气体放电的特殊形式,气体放电的形式很多,有电晕放电、辉光放电、火花放电和弧光放电等。
当开关电器的触头间发生电弧时,它烧损触头并危及绝缘,在最严重情况下甚至可能引起相间短路,或使开关电器爆炸,形成火灾,影响电力系统安全运行。因此,在电器学中研究电弧的目的,主要侧重于掌握电弧产生与熄灭的规律,探索采取适当措施以熄灭电弧。电弧发现于19世纪初期,那时人们还只懂得将电弧拉长以便熄灭。近数十年来,对电弧的研究发展较快,电弧的数学模型日益受到重视,利用电子计算机可以计算电弧的动态过程及有关参数。但由于电弧过程的复杂性,要正确地设计灭弧室,还必须进行大量的科学实验以及从生产实践中不断总结提高。
二、灭弧原理的研究
1斯列宾理论
在交流接触器中触头刚分开时在气隙间形成高电场场将电子从阴极表面拉出,导致气体游离,从而产生电弧。
由于本次设计的是交流接触器,因此弄清交流电弧的熄弧理论具有重要意义。斯列宾提出弧隙介质强度恢复理论,即在电流过零时刻开始,一方面弧隙上的电压从熄弧电压开始上升,要恢复到电源电压;另一方面在电流过零时弧隙有一定的介质强度,并随着去游离程度而不断上升。电弧的熄灭或重燃就决定于这两过程的“竞赛”结果。因此,交流电弧熄灭条件为:在交流电流过零后,弧隙中的实际介质恢复强度特性总是高于加到弧隙上的实际恢复电压特性。
2熄灭电弧的基本方法
根据斯列宾理论,一般采取的熄弧的方法如下:
(1)拉长电弧如在大气中分开触头将电弧拉长,使电弧冷却而熄灭。或者利用导电回路的磁场产生的电动力拉长电弧,或者利用磁吹线圈产生的磁场,使电弧受电动力而被拉长。
(2)纵缝灭弧利用磁吹线圈将电弧吹入用耐弧绝缘材料(耐弧塑料或陶瓷)制成的具有纵向缝隙的灭弧室中。纵缝与电弧接触具有冷却作用并可以产生表面复合作用。
(3)金属栅片(去离子栅)灭弧利用栅片(铁板镀锌)对电弧的吸引作用及磁吹线圈的作用将电弧引入栅片中,栅片将电弧分割成许多串联的短弧。
3常用的灭弧装置
根据上述原则,常用的灭弧装置有:
1.绝缘材料灭弧罩利用回路的电动力拉长电弧,使之与陶土灭弧罩或塑料灭弧罩接触,电弧被拉长和冷却熄灭。交流接触器也可以利用近阴极效应熄弧。这是一种最简单的灭弧装置,适用于容量较小的交流接触器,操作频率可以比较高。
2.多纵逢灭弧室电弧在回路电动力作用下被迅速拉长和进入纵逢中,电弧被分成多条细弧,并且迅速冷却而熄灭,用于操作频率比较高和额定电流较大的接触器中,灭弧能力比较强。
3.栅片灭弧室电弧在回路电动力及铁栅片的吸力作用下,进入栅片之间,被栅片分割成多个串联的短弧,由于直流电弧的近极压降或交流电弧的近阴极效应而熄灭电弧。这种灭弧室喷弧距离小,过电压低,常用于交流接触器,尤其适用于较高工作电压的交流接触器,例如CJ20—160/11及CJ20—630/11(额定工作电压为1140V)接触器就采用这种灭弧室。但是,栅片吸收电弧能量后温度上升很快,不适合于太高的操作频率。
4.串联磁吹和绝缘材料灭弧室串联磁吹线圈在弧区产生较强的磁场,电弧在磁场中受到较强的电动力作用,而被拉长和迅速进入绝缘灭弧室中,被灭弧室壁冷却而熄灭。灭弧室由陶土或耐弧塑料制成,有多纵缝、横隔板、窄缝和迷宫式等多种结构。这种灭弧室的热量易于散出,灭弧室的耐热性好,故可以用于较高的操作频率,直流接触器常用这种灭弧装置。但是,它的喷弧距离大,声光效应大,过电压较高和用铜量大,此外,用于交流接触器时,由于吹弧线圈的铁心和铁夹板(铁轭)中有铁损耗,使其磁通落后于电流一个相位差角,而产生使电弧反吹的电动力等缺点。因而交流接触器很少采用这种灭弧室。
5.真空灭弧室近年来国内已经研制成功真空、接触器。其灭弧装置为真空灭弧室。当交流电弧电流过零时,游离气体以极快的速度向弧区以外扩散,弧隙介质恢复强度迅速上升,从而使电弧熄灭。这种灭弧室的优点是具有很强的熄灭交流电弧的能力。灭弧室密封,电弧及游离气体不能逸出,使用安全。而且,触头电磨损小,点寿命高,但是价格比较高。
4传统灭弧装置的缺点
接触器主触点在通过电流的状态下,闭合分开时,在瞬间会产生电弧光。电流越大,产生的电弧光越大,电压越高,电弧击穿能力越强,产生的电弧越长。传统灭弧装置虽然能在短时间内熄灭电弧,但不能完全避免电弧的产生。触点之间产生的电弧会对触点造成损坏,熔蚀触点,使其表面接触电阻增大并造成切断电路时间延长,使电路相与相之间产生飞弧短路;电弧严重时,大面积熔蚀触点,造成熔焊,特别是频繁地起动和停止,更易使交流接触器的触点粘合或烧毁,对电气设备安全运行危害极大。需要频繁地更换接触器的触头,增加设备维修工作量和生产成本,甚至会由于触点飞弧或熔融而导致生产事故。
三、新型灭弧装置:
随着低压电器技术的不断进步,如今交流接触器机械寿命已达"1000--1500万次以上,而电寿命却只有其机械寿命的十分之一左右.这其中的原因主要是电弧对触头的烧蚀导致的,传统的方法一般多在熄弧能力上进行改进,但都无法彻底消除电弧,即不能实现无弧分断。采用电力电子器件与接触器主触头并联,通过简单可靠的控制电路对可控硅的导通和截时间与接触器的固有通断时间精确配合进行控制,实现主电路的无触点通断,也就是实现无弧通断。同时主电路的正常接通期间,电力电子器件可控硅不工作!仍由接触器的触点保持电路的接通状态,这样就克服了单纯采用无触点开关抗浪涌电流能力差的缺陷。这种静止式交流接触器具有动作时间快、操作频率高、电气寿命长和无噪声等一系列优点,但其不足之处是过载、过压能力低,主回路压降损耗大,必须附加散热装置和保护装置,成本较贵等。混合式交流接触器是由晶闸管开关和交流接触器组合而成的一种无互通断开关。交流接触器触头的接触电阻及其压降很低,但在分断电路时产生的电弧将造成触头磨损,降低了使用寿命。如果设法使接触器在无弧的情况下通断,则电寿命将会有极大的提高。混合式交流接触器兼有硅管无弧转换的优点,又有传统接触器过载能力强,主回路压降低的特点。这是传统接触器引入电力电子技术,取长补短,互相组合,不仅大大提高寿命,且接通时能耗低,经济效益好。
1结构与原理
图3.1 混合式接触器工作原理(一相)
如图3.1所示为三相交流混合式接触器中一相的结构原理图。在接触器常开主触头两端有一无弧转换环节,它由双向晶闸管或正反向二个元件并联的单向晶闸管和有关触发控制环节组成。当交流接触器线圈通电,常开主触头KM闭合,主电路通电,ik流过主触头并在ab两端有一压降△Uab,它决定于触头回路的阻抗和主回路负载电流。在额定电流下△Uab的值应小于晶闸管VS1与VS2的导通电压,ZF即使产生足够强度的控制极触发信号,VS1或VS2都不会导通。当触头KM从闭合状态开始断开时,在动触头走完超程之际,主触头间接触电阻剧增,△Uab将大于晶闸管导通电压UT(一般硅晶闸管导通电压为1V左右),电流在分断前使ZF触发信号一直保持着,这样VS1或VS2导通,电流被旁路,经VS1或VS2转移为电流iT,同时闭合的触头KM完全打开,实现了无电弧转移。经VS1或VS2的转移电流过零时,晶闸管自然关断,当电源电压反向时,ZF中无电流触发信号,VS1或VS2继续处于关断状态。
由以上工作原理可见,VS1与VS2转换电流的时间在半个周波之内,在接触器接通负载的整个循环时间内,VS1与VS2并不导通转移大电流。这就为选择较小容量的晶闸管以及不附带散热片创造了条件,从而降低了成本并缩小了体积。
2触发控制电路
触发控制电路的任务是使混合式开关的两部分--晶闸管与接触器再接通和分断是符合规定的顺序,以保证开关的无弧通断和晶闸管的短时工作制。触发控制电路有两种形式,一种是电压型,一种是电流型。
此次设计采用的是电压型的。
图3.2 电压型触发控制电路
图3.2是用于混合式开关的一个电压型触发控制电路。图中J可以是主接触器CJ的辅助触头,也可以是一个与主接触器有某种联锁关系的中间继电器的常开触点。控制电路应保证晶闸管和接触器的先后动作次序,即在开关接通的过程中晶闸管先导通,接触器后闭合;而在开关分断的过程中CJ先打开,晶闸管后关断。
当J采用主接触器的辅助触头时,要求J先于CJ闭合而后于CJ打开。
在图3.3所示的动作次序图中,t=0是启动按钮QA,ta是J触点闭合的时刻,tb是接触器触头闭合的时刻,tc是按下停止按钮TA,td是J触点打开的时刻,由图可见,晶闸管只在接通和分断的过渡期有电流is。△t1是无弧接通时晶闸管的导电时间,△t2是无弧分断时晶闸管的导电时间。△t1决定于接触器CJ的固有动作时间,△t2决定于中间继电器J的固有释放时间,△t1和△t2越小,晶闸管的负担越轻,当开关操作频率且△t1、△t2较大时,晶闸管的负担加重。
图3.3 晶闸管与接触器的动作顺序图
四、辅助触头系统灭弧方法
由于辅助触头开断电流小,不需加特殊的灭弧装置,直接利用双断点触头灭弧。
参考文献:
1.国家标准GB/T14048.1—2000《低压开关设备和控制设备总则》.北京:中国标准出版社,2000
2.国家标准GB14048.5—2001《低压开关设备和控制设备第5—1部分:控制电路电器和开关元件机电式控制电路电器》.北京:中国标准出版社,2001
3.李建明.《电器工艺与工装》.北京:机械工业出版社,2000
4.郑凤翼主编《低压电器及其应用》.北京:人民邮电出版社,1999
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