徐永海 蘭巧倩 洪旺松

(1.新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華北電力大學(xué))北京 102206 2.國(guó)網(wǎng)上海市電力公司市南供電公司 上海 200233)

0 引言

交流接觸器作為連通或切斷電路的一種機(jī)電設(shè)備，在多個(gè)行業(yè)都有較廣泛地應(yīng)用［1］。交流接觸器是電壓暫降敏感設(shè)備之一，當(dāng)其經(jīng)受電壓暫降時(shí)，相關(guān)過(guò)程控制系統(tǒng)可能被中斷，因而會(huì)造成用戶的巨大損失［2-4］，尤其在電壓暫降發(fā)生頻次較高的地區(qū)，損失會(huì)更為嚴(yán)重［5-7］。

文獻(xiàn)［8］利用PSCAD/EMTDC 建立交流接觸器模型，分析了電壓暫降起始點(diǎn)對(duì)交流接觸器相應(yīng)特性以及穿越能力的影響，得到了暫降起始點(diǎn)對(duì)應(yīng)的角度越大交流接觸器的暫降穿越能力越強(qiáng)這一結(jié)論。文獻(xiàn)［9］建立了交流接觸器的動(dòng)態(tài)模型，并利用優(yōu)化后的算法進(jìn)行仿真計(jì)算，得到了交流接觸器的CBEMA曲線。文獻(xiàn)［10］利用能量轉(zhuǎn)換關(guān)系將電壓暫降過(guò)程中的交流接觸器分為向系統(tǒng)吸收能量以及將機(jī)械能量反饋給電網(wǎng)兩種，并通過(guò)建立基于磁路的交流接觸器模型，研究了電壓暫降過(guò)程中交流接觸器特性。文獻(xiàn)［11］建立了與文獻(xiàn)［9］一致的交流接觸器數(shù)學(xué)模型，研究了電壓暫降對(duì)交流接觸器的影響，并利用CBEMA 給出了暫降幅值、持續(xù)時(shí)間以及暫降起始點(diǎn)對(duì)接觸器的影響。文獻(xiàn)［12］利用改進(jìn)的仿真工具，仿真了電力系統(tǒng)惡劣條件下交流接觸器的相應(yīng)特性，在研究電壓暫降幅值以及持續(xù)時(shí)間之外，文獻(xiàn)［12］也研究了暫降起始點(diǎn)以及相位跳變對(duì)交流接觸器的影響。文獻(xiàn)［13］在考慮了電壓暫降幅值、持續(xù)時(shí)間以及暫降類型同時(shí)，也考慮了暫降起始點(diǎn)對(duì)交流接觸器以及開(kāi)關(guān)電源的影響，并給出了耐受曲線。文獻(xiàn)［14］用電磁以及機(jī)械方程構(gòu)建了交流接觸器模型，研究了電壓暫降對(duì)接觸器的影響，通過(guò)仿真，研究了暫降幅值、持續(xù)時(shí)間對(duì)接觸器的影響，給出了即使接觸器在暫降條件下并未脫扣也會(huì)影響其壽命的觀點(diǎn)。

文獻(xiàn)［15-18］對(duì)交流接觸器進(jìn)行了試驗(yàn)研究，分析其敏感度。其中文獻(xiàn)［15］對(duì)一個(gè)典型交流接觸器進(jìn)行試驗(yàn)，將暫降電壓穿越能力作為其電壓暫降敏感度衡量指標(biāo)，并建立交流接觸器模型，將兩者的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，由于僅有一個(gè)試品，文中所得結(jié)論難以具有普遍性。文獻(xiàn)［16］對(duì)不同類型交流接觸器進(jìn)行了試驗(yàn)研究，研究了暫降幅值、持續(xù)時(shí)間以及暫降起始點(diǎn)對(duì)接觸器的影響，結(jié)果表明不同類型接觸器對(duì)電壓暫降有不同的耐受能力，但文中未進(jìn)行相位跳變以及典型暫降事件等因素對(duì)交流接觸器的影響研究。文獻(xiàn)［17］利用搭建的電壓暫降發(fā)生裝置對(duì)暫降事故中用戶使用的交流接觸器樣品進(jìn)行了試驗(yàn)研究，考察了電壓暫降幅值以及持續(xù)時(shí)間對(duì)交流接觸器的影響，并根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制交流接觸器電壓暫降耐受能力特性曲線，但文獻(xiàn)［17］考察的接觸器個(gè)數(shù)僅為一個(gè)，涉及的影響因素局限在暫降幅值以及持續(xù)時(shí)間。文獻(xiàn)［18］利用電壓暫降發(fā)生源、功率測(cè)量裝置、變壓器、電源以及示波器等構(gòu)成的暫降發(fā)生裝置，研究了相同暫降幅值與持續(xù)時(shí)間但不同暫降起始點(diǎn)的電壓暫降對(duì)交流接觸的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明暫降起始點(diǎn)是影響交流接觸器對(duì)電壓暫降敏感度的一個(gè)重要因素。

綜上所述，目前國(guó)內(nèi)外所進(jìn)行的交流接觸器對(duì)電壓暫降敏感度試驗(yàn)研究中，主要存在試品選取不夠廣泛、考慮的電壓暫降特征量欠缺完備性以及較少考慮特殊電壓暫降事件的影響等。同時(shí)，相關(guān)的試驗(yàn)研究多來(lái)自于國(guó)外文獻(xiàn)，國(guó)內(nèi)的研究很少。在以往理論以及試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，分別選取國(guó)內(nèi)外多個(gè)主流品牌交流接觸器，考量了電壓暫降幅值、持續(xù)時(shí)間、暫降起始點(diǎn)、相位跳變、頻率波動(dòng)以及諧波等電壓暫降特征量的影響，并進(jìn)行了多重暫降、由故障升級(jí)引起的暫降以及處于免疫曲線上方的暫降3 種特殊電壓暫降事件對(duì)交流接觸器的影響的試驗(yàn)研究。通過(guò)大量試驗(yàn)分析了各個(gè)影響因素對(duì)交流接觸器的影響，并在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上提取了交流接觸器的敏感度曲線。

1 交流接觸器工作原理

圖1為交流接觸器的結(jié)構(gòu)原理圖。當(dāng)線圈兩端加上電源電壓時(shí)，線圈中產(chǎn)生電流，交變的電流產(chǎn)生交變的磁通，從而使得靜鐵心產(chǎn)生電磁吸力，當(dāng)電磁吸力大于彈簧的拉力時(shí)，將動(dòng)鐵心吸合，當(dāng)小于彈簧拉力時(shí)，動(dòng)鐵心聯(lián)動(dòng)部分便會(huì)與靜鐵心斷開(kāi)，進(jìn)而使得主觸頭斷開(kāi)切斷負(fù)載電源。

圖1 交流接觸器的結(jié)構(gòu)原理圖Fig.1 The structure of the contactor

由于磁通正弦交變性決定了電磁吸力具有脈動(dòng)性，電磁吸力以2 倍電源頻率周期性變化。這種在工頻電源條件下每秒鐘重復(fù)100 次的現(xiàn)象稱為銜鐵的振動(dòng)現(xiàn)象。為避免振動(dòng)現(xiàn)象，在靜鐵心上加入短路環(huán)。在短路環(huán)的作用為磁極端面處將磁通分為兩部分，這兩部分磁通彼此之間存在一定的相位差。導(dǎo)體與短路環(huán)磁通產(chǎn)生的電磁吸力不同時(shí)為零，且吸合時(shí)彈簧彈力為一定值，只要合成的最小電磁吸力大于彈簧拉力，那么銜鐵便會(huì)可靠吸合，當(dāng)合成電磁吸力小于彈簧拉力，那么銜鐵會(huì)跳開(kāi)，造成交流接觸器脫扣。

電壓暫降為短時(shí)電壓下降，會(huì)使磁通減小，導(dǎo)致合成吸力減小，當(dāng)合成吸力的最小值小于彈簧拉力，交流接觸器將脫扣。電壓暫降幅值以及暫降起始點(diǎn)等特征量都會(huì)影響磁通的變化，進(jìn)而影響交流接觸器的狀態(tài)，且各特征量對(duì)交流接觸器的影響規(guī)律不相同，本文將用試驗(yàn)的方法進(jìn)行研究。

2 試驗(yàn)研究方案

試驗(yàn)原理接線圖如圖2所示，試驗(yàn)接線圖如圖3所示，試驗(yàn)器材主要包括暫降發(fā)生源、控制計(jì)算機(jī)、交流接觸器、燈具負(fù)載與示波器。

圖2 試驗(yàn)原理接線圖Fig.2 The principle diagram of experiments

圖3 試驗(yàn)實(shí)物接線圖Fig.3 The physical connection of experiments

2.1 暫降發(fā)生源

試驗(yàn)采用的暫降發(fā)生源為Chroma 61860 回收式電網(wǎng)模擬電源，電壓為0～300 V，最大功率為60 kV˙A，基波頻率可調(diào)范圍在30～100 Hz。通過(guò)暫降源操作界面或控制計(jì)算機(jī)控制界面的功能選項(xiàng)可以方便地實(shí)現(xiàn)分段電壓編輯、諧波與間諧波電壓設(shè)置，還可通過(guò)導(dǎo)入數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)任意波形操作等，以模擬實(shí)際電網(wǎng)發(fā)生的電壓暫降，將暫降相接入接觸器控制線圈兩端，進(jìn)行接觸器暫降敏感度試驗(yàn)。通過(guò)觀察負(fù)載以及線圈兩端電壓波形，可計(jì)算分析得到交流接觸器在電壓暫降下正常工作時(shí)間，以得到交流接觸器對(duì)電壓暫降的敏感度。

2.2 交流接觸器

為了使試驗(yàn)結(jié)果較好地反映電壓暫降對(duì)實(shí)際應(yīng)用較為廣泛的交流接觸器的影響，試驗(yàn)中選擇了目前我國(guó)市場(chǎng)上4 個(gè)主流品牌相同參數(shù)的接觸器作為代表試品，其中國(guó)內(nèi)與國(guó)外品牌各2 個(gè)。選取線圈電壓為220 V 的接觸器作為試品，主觸頭電流選較為常用的65 A 與63 A。每個(gè)廠家采用兩個(gè)相同型號(hào)交流接觸器以避免試驗(yàn)過(guò)程中因制造工藝差別引起的誤差。詳細(xì)接觸器編號(hào)、型號(hào)以及主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 交流接觸器類型及參數(shù)Tab.1 The type and parameters of AC contactor

2.3 主要影響因素及設(shè)置

試驗(yàn)首先考察電壓暫降特征量對(duì)交流接觸器的影響，主要包括暫降幅值、持續(xù)時(shí)間、暫降起始點(diǎn)、相位跳變、頻率波動(dòng)以及諧波，在此基礎(chǔ)上研究典型暫降事件對(duì)交流接觸器的影響，考察的典型電壓暫降事件主要包括多重暫降、由故障升級(jí)引起的暫降以及處于免疫曲線上方的電壓暫降。為了能較準(zhǔn)確地得到交流接觸器正常工作臨界電壓，電壓設(shè)置間隔為5%?；陔妷簳航灯鹗键c(diǎn)對(duì)交流接觸器影響的四分之一對(duì)稱性，主要對(duì)0～90°起始點(diǎn)暫降的影響進(jìn)行詳細(xì)研究。根據(jù)對(duì)實(shí)測(cè)波形的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，主要對(duì)0～90°相位跳變進(jìn)行研究。對(duì)于暫降過(guò)程中可能伴隨的頻率波動(dòng)的影響進(jìn)行了研究。此外，還考慮了在系統(tǒng)中3、5、7 次諧波的影響。試驗(yàn)中相關(guān)參量的詳細(xì)設(shè)置如表2所示。

表2 試驗(yàn)影響因素及其設(shè)置Tab.2 The factors and setting of experiments

2.4 試驗(yàn)步驟

本試驗(yàn)測(cè)量量主要有交流接觸器線圈電流、電壓以及負(fù)荷B 相電壓。通過(guò)得到的線圈電壓以及負(fù)荷B相電壓可分別得到暫降起始點(diǎn)時(shí)刻以及交流接觸器脫扣時(shí)刻。在負(fù)荷B 相電壓不發(fā)生中斷的情況下，結(jié)合線圈電流波形可以分析得到接觸器發(fā)生響聲和抖動(dòng)現(xiàn)象的時(shí)刻。為了得到每個(gè)幅值以及暫降起始點(diǎn)下的持續(xù)時(shí)間，本試驗(yàn)方案在設(shè)置暫降時(shí)間時(shí)將最長(zhǎng)時(shí)間設(shè)置為60 s。如果在設(shè)定暫降情況下，交流接觸器耐受時(shí)間超過(guò)60 s，則意味著接觸器在此種情況下可正常工作;如果交流接觸器在設(shè)定的暫降情況下脫扣，那么從后期數(shù)據(jù)處理中可以簡(jiǎn)單地得到交流接觸器耐受時(shí)間。這樣的試驗(yàn)方案可以提高試驗(yàn)的效率，避免重復(fù)試驗(yàn)。

下面以考量暫降起始點(diǎn)試驗(yàn)的步驟為例說(shuō)明，其他考量的特征量步驟與其類似，考量暫降起始點(diǎn)對(duì)交流接觸器的影響試驗(yàn)主要試驗(yàn)步驟如下:

1)持續(xù)時(shí)間和暫降起始點(diǎn)保持不變，分別選取60 s 和0°，電壓從100%依次減少到0，間隔為5%。

2)暫降起始點(diǎn)由0°增加到90°，間隔為15°，重復(fù)步驟1)和步驟2)。

在暫降幅值和起始點(diǎn)確定的情況下，為了消除剩磁的影響，更準(zhǔn)確地得到交流接觸器脫扣時(shí)電壓暫降持續(xù)時(shí)間，完成每次試驗(yàn)后，需要將交流接觸器斷電1 min，再次進(jìn)行試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

3.1 暫降幅值、持續(xù)時(shí)間以及起始點(diǎn)對(duì)交流接觸器敏感度的影響

3.1.1 對(duì)稱性驗(yàn)證試驗(yàn)

為驗(yàn)證交流接觸器的對(duì)稱性，在0°～360°電壓暫降起始點(diǎn)下，電壓從100%下降到0，每步以5%下降，對(duì)C1交流接觸器進(jìn)行了試驗(yàn)研究，根據(jù)實(shí)測(cè)波形計(jì)算對(duì)應(yīng)暫降起始點(diǎn)以及暫降幅值下交流接觸器的正常工作時(shí)間。每個(gè)暫降起始點(diǎn)下均以正常工作時(shí)間為橫坐標(biāo)，暫降幅值為縱坐標(biāo)，繪制0°～360°起始點(diǎn)下C1接觸器的敏感度曲線如圖4a 所示，最大正常工作時(shí)間曲線如圖4b 所示。由圖4a 可知，0°、180°和360°起始點(diǎn)下的敏感度曲線幾乎重合;90°和270°起始點(diǎn)下的敏感度曲線幾乎重合;45°、135°、225°和315°起始點(diǎn)下的敏感度曲線存在略微差異，但也幾乎重合。由圖4b 可知，0°～360°電壓暫降起始點(diǎn)下得到的C1交流接觸器的最大正常工作時(shí)間曲線滿足近似四分之一對(duì)稱性。

圖4 0°～360°電壓暫降起始點(diǎn)C1 交流接觸器的敏感度曲線與最大正常工作時(shí)間曲線Fig.4 The C1’s sensitivity curve and maximum time curve of normal operation at the point on wave from 0°to 360°

由圖4a 和圖4b 的試驗(yàn)結(jié)果可知，電壓暫降起始點(diǎn)對(duì)于交流接觸器的影響滿足近似四分之一對(duì)稱性，即在暫降起始點(diǎn)對(duì)C2～C8接觸器試驗(yàn)時(shí)只需研究0°～90°起始點(diǎn)即可以滿足要求。

3.1.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

本文試驗(yàn)結(jié)果反映了現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，如文獻(xiàn)［17］所述，某半導(dǎo)體制造商在某次電壓暫降事件中，多個(gè)接觸器脫扣。其電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)設(shè)備記錄此次電壓暫降事故暫降幅值為26%，持續(xù)時(shí)間為61 ms，為重現(xiàn)事故對(duì)接觸器影響，文獻(xiàn)［17］對(duì)接觸器樣本進(jìn)行試驗(yàn)分析，設(shè)置暫降起始點(diǎn)為100°，進(jìn)行試驗(yàn)的樣本與本文中C3、C4接觸器品牌相同，僅額定線圈電流不同，因此將文獻(xiàn)［17］試驗(yàn)結(jié)果與C3在90°暫降起始點(diǎn)下敏感度曲線進(jìn)行比較，如圖5所示。由圖5可知，兩者敏感度曲線趨勢(shì)相同，但也存在一定差異，其差異部分是由于試驗(yàn)時(shí)所設(shè)置的暫降起始點(diǎn)以及試品線圈額定電流有一定差異等引起的。

圖6為0°～90°暫降起始點(diǎn)下，C1～C8交流接觸器敏感度曲線。

圖5 文獻(xiàn)［17］接觸器與C3敏感度曲線Fig.5 The contactor of paper ［17］and C3’s sensitivity curve

圖6 0°～90°電壓暫降起始點(diǎn)下C1～C8交流接觸器的敏感度曲線Fig.6 The C1～C8’s sensitivity curve at the point on wave from 0°to 90°

由圖6可知，C1～C8交流接觸器的敏感度曲線具有相同的走勢(shì)。分析圖6可知:

1)暫降幅值與持續(xù)時(shí)間是影響交流接觸器敏感度的重要因素。當(dāng)暫降幅值高于交流接觸器正常工作的臨界幅值時(shí)(例如C1在0°暫降起始點(diǎn)下正常工作的臨界幅值為50%)，交流接觸器不會(huì)脫扣;反之，則可能脫扣，且脫扣與否和持續(xù)時(shí)間密切相關(guān)，例如C1在0°暫降起始點(diǎn)與40%暫降幅值時(shí)，當(dāng)持續(xù)時(shí)間大于36 ms時(shí)，接觸器肯定脫扣;而當(dāng)持續(xù)時(shí)間小于36 ms時(shí)，接觸器則保持吸合狀態(tài)。

2)0°起始點(diǎn)下，敏感度曲線在低于接觸器正常工作的臨界暫降幅值后，隨著暫降幅值的降低，持續(xù)時(shí)間逐漸增大，即暫降幅值越小，交流接觸器可保持吸合狀態(tài)的時(shí)間越長(zhǎng);90°起始點(diǎn)下的敏感度曲線在低于接觸器正常工作的臨界暫降幅值后，隨著暫降幅值的降低，持續(xù)時(shí)間逐漸減小或者不變。由此可知，暫降的起始點(diǎn)對(duì)于交流接觸器的敏感度曲線有較大的影響。

3)分析C1～C8敏感度曲線可知，隨著暫降起始點(diǎn)增大，交流接觸器正常工作臨界電壓下降;在低于接觸器正常工作臨界電壓后，隨著暫降幅值減小以及暫降起始點(diǎn)增大，持續(xù)時(shí)間減小。

4)C1和C2、C3和C4、C5和C6、C7和C8是4 組分屬于4 個(gè)廠家、同一型號(hào)的交流接觸器。由圖6可知，同一廠家的兩交流接觸器敏感度曲線基本相同，但存在一定的差異，如0°起始點(diǎn)下得到的C1和C2交流接觸器的敏感度曲線存在一定差異，在0°起始點(diǎn)下，C1的臨界電壓幅值為51.3%，而C2為56.8%，即C2對(duì)于0°起始點(diǎn)下的電壓暫降幅值更為敏感。

5)由圖6可知，C1(C2)和C3(C4)、C5(C6)和C7(C8)屬于容量相同，國(guó)內(nèi)外不同廠家的交流接觸器，得到的0°～90°電壓暫降起始點(diǎn)下交流接觸器的敏感度曲線也存在較大的差異。尤其是0°～90°電壓暫降起始點(diǎn)下C5(C6)和C7(C8)的敏感度曲線差異較大。如0°起始點(diǎn)下，C5較C7的正常工作臨界暫降幅值大即C5敏感度較高。

3.2 電壓暫降相位跳變對(duì)交流接觸器的影響

相位跳變是電壓暫降的重要特征量之一，對(duì)于C1～C8交流接觸器，分別進(jìn)行了0°和90°起始點(diǎn)下，0°～90°相位跳變對(duì)其影響的試驗(yàn)研究。通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果分析可知，雖然相位跳變對(duì)交流接觸器的影響較暫降起始點(diǎn)小，但也存在一定影響，如圖7所示的C1與C7在0°與90°暫降起始點(diǎn)下，相位跳變對(duì)交流接觸器影響的敏感度曲線。

分析圖7可知:

1)通過(guò)對(duì)比C1與C7兩個(gè)交流接觸器敏感度曲線可知，不同品牌接觸器受到交流接觸器的影響存在差異，相位跳變對(duì)C1接觸器的影響較對(duì)C7的影響大。

圖7 0°、90°電壓暫降起始點(diǎn)與0°～90°相位跳變下C1、C7交流接觸器的敏感度曲線Fig.7 The C1and C7’s sensitivity curve to phase shift from 0° to 90°at the point on wave of 0° and 90°

2)通過(guò)分析C1接觸器在0°與90°暫降起始點(diǎn)下的耐受曲線可知，0°暫降起始點(diǎn)下，相位跳變范圍在0°～63°時(shí)，隨著相位跳變值增大，交流接觸器正常工作臨界電壓減小。而當(dāng)相位跳變范圍在63°～90°范圍內(nèi)時(shí)，其正常工作臨界電壓變化情況則相反。90°暫降起始點(diǎn)下，存在相位跳變情況下的正常工作臨界電壓較不存在相位跳變情況時(shí)大。

3)通過(guò)分析C1接觸器在0°與90°暫降起始點(diǎn)下的敏感度曲線可知:0°暫降起始點(diǎn)下，對(duì)于相同暫降幅值，存在相位跳變時(shí)持續(xù)時(shí)間較小，如圖7a 中0°暫降起始點(diǎn)幅值為40%時(shí)，不存在相位跳變情況下持續(xù)時(shí)間為35 ms，相位跳變?yōu)?7°情況下時(shí)持續(xù)時(shí)間為43 ms;而90°暫降起始點(diǎn)結(jié)論與0°相反，如圖7b 中90°暫降起始點(diǎn)幅值為30%時(shí)，不存在相位跳變情況下持續(xù)時(shí)間為23 ms，相位跳變?yōu)?7°情況下時(shí)持續(xù)時(shí)間為11 ms。

3.3 電壓暫降中頻率波動(dòng)對(duì)交流接觸器的影響

考察了49 Hz、50 Hz、51 Hz 下電壓暫降對(duì)交流接觸器的影響。通過(guò)大量的試驗(yàn)結(jié)果分析可知，雖然頻率波動(dòng)對(duì)交流接觸器的影響較暫降起始點(diǎn)小，但影響也存在。且各接觸器敏感度曲線相似，如圖8所示。

圖8 0°、90°電壓暫降起始點(diǎn)下頻率波動(dòng)對(duì)C1交流接觸器影響的敏感度曲線Fig.8 C1’s sensitivity curve to frequency fluctuationat point on wave of 0° and 90°

由圖8可以發(fā)現(xiàn)，頻率波動(dòng)對(duì)于交流接觸器并沒(méi)有顯著的影響，3 種頻率下的交流接觸器的敏感度曲線幾乎重合。但仍舊可以發(fā)現(xiàn)，90°起始點(diǎn)下，交流接觸器正常工作臨界電壓隨著頻率的增大而增大。

3.4 電壓暫降伴隨諧波對(duì)交流接觸器的影響

電壓暫降中可能會(huì)伴隨有諧波，試驗(yàn)中設(shè)定3、5、7 次諧波含有率分別為10%、7%、3%。在0°和90°起始點(diǎn)下，得到了伴隨有諧波時(shí)電壓暫降對(duì)C1～C8交流接觸器影響的敏感度曲線，由于篇幅所限，此處僅給出C1接觸器敏感度曲線如圖9所示。

圖9 0°、90°電壓暫降起始點(diǎn)下諧波對(duì)C1交流接觸器影響的敏感度曲線Fig.9 C1’s sensitivity curve to harmonic at point on wave of 0° and 90°

對(duì)比圖9中C1接觸器在相同暫降起始點(diǎn)條件下有無(wú)疊加諧波的敏感度曲線可知，實(shí)驗(yàn)所設(shè)諧波含量對(duì)交流接觸器影響不大。

3.5 故障升級(jí)引起的連續(xù)電壓暫降對(duì)交流接觸器的影響

在電力系統(tǒng)中，單相故障或兩相故障由于電弧等因素的影響會(huì)發(fā)展為三相故障，此過(guò)程引起的電壓暫降是一個(gè)暫降發(fā)生于另一個(gè)暫降還未結(jié)束時(shí)，稱為連續(xù)電壓暫降，其電壓下降、恢復(fù)過(guò)程較復(fù)雜，對(duì)系統(tǒng)中設(shè)備影響也較大。因此進(jìn)行了由故障升級(jí)引起的連續(xù)電壓暫降對(duì)C1～C8交流接觸器影響的試驗(yàn)研究，其中將暫降設(shè)置在0°起始點(diǎn)和0°相位跳變。根據(jù)3.1 節(jié)中交流接觸器對(duì)電壓暫降幅值的免疫能力試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)置了6 組試驗(yàn)如表3 所示。由于不同廠家接觸器對(duì)電壓暫降幅值的耐受能力的差異性，設(shè)置了不同的持續(xù)時(shí)間。作為示例，圖10為0～40%連續(xù)暫降的瞬時(shí)值以及有效值隨時(shí)間變化的波形圖。C1、C2試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。由于篇幅所限，未將C3～C8試驗(yàn)結(jié)果放入文中。

表3 連續(xù)電壓暫降對(duì)交流接觸器的影響試驗(yàn)設(shè)置Tab.3 The setting of continuous voltage sag experiments

圖10 連續(xù)暫降0～40%暫降有效值瞬時(shí)值及有效值Fig.10 Instantaneous and RMS value of 0～40%continuous voltage sag

表4 連續(xù)暫降下C1和C2交流接觸器的狀態(tài)統(tǒng)計(jì)表Tab.4 The state of C1and C2during continuous voltage sag experiments

對(duì)C3、C4，C5、C6，C7、C8三組接觸器分別進(jìn)行分析，可得到C1和C2相似的結(jié)論，可知故障升級(jí)引起的連續(xù)暫降中，交流接觸器的敏感度增大，易受到連續(xù)暫降的影響導(dǎo)致斷開(kāi)。

由表4 可知，對(duì)于1%～40%的電壓暫降，C1和C2交流接觸器都保持了吸合的狀態(tài)，60 ms 的持續(xù)時(shí)間小于第一階段幅值1%暫降的交流接觸器臨界斷開(kāi)的持續(xù)時(shí)間，接觸器不斷開(kāi)，但60 ms 大于第二階段幅值40%暫降的交流接觸器臨界斷開(kāi)的持續(xù)時(shí)間，接觸器仍舊不斷開(kāi)。對(duì)于40%～1%的電壓暫降，C1和C2交流接觸器卻都斷開(kāi)了，持續(xù)了相同的時(shí)間，因?yàn)?0 ms 大于第一階段幅值40%暫降的交流接觸器臨界斷開(kāi)的持續(xù)時(shí)間。由此可知，暫降幅值和持續(xù)時(shí)間相同的連續(xù)暫降的波形對(duì)交流接觸器是否斷開(kāi)存在較大的影響。

3.6 多重電壓暫降對(duì)交流接觸器的影響

電力系統(tǒng)中引起多重暫降的原因主要有:①惡劣氣候條件導(dǎo)致兩個(gè)或多個(gè)電壓暫降短時(shí)內(nèi)相繼發(fā)生;②自動(dòng)重合閘失敗引起多重暫降;③自動(dòng)重合閘成功或故障切除后，由于變壓器的勵(lì)磁涌流會(huì)引起另一個(gè)暫降，從而形成多重暫降。

試驗(yàn)設(shè)置了兩組多重暫降情況，分別對(duì)C1～C8進(jìn)行了試驗(yàn)，圖11為30%～100%～10%多重暫降瞬時(shí)值以及有效值隨時(shí)間變化的波形圖，其中為了考量多重暫降對(duì)交流接觸器的影響，避免單段電壓暫降時(shí)接觸器斷開(kāi)，兩段暫降持續(xù)時(shí)間必須小于30%與10%暫降分別作用下接觸器斷開(kāi)的臨界時(shí)間，故本試驗(yàn)設(shè)置30%與10%暫降幅值時(shí)，暫降持續(xù)時(shí)間均為40 ms，其中C1、C2試驗(yàn)結(jié)果如表5 所示。由于篇幅所限，未將C3～C8試驗(yàn)結(jié)果放入本文中。

圖11 多重暫降瞬時(shí)值及有效值Fig.11 Instantaneous and RMS value of 30%～100%～10% multiple sag

表5 多重暫降下C1和C2交流接觸器的狀態(tài)統(tǒng)計(jì)表Tab.5 The state of C1and C2during multiple sag experiments

在第1 組試驗(yàn)中C1和C2交流接觸器都保持了吸合的狀態(tài)，由于在暫降幅值較大時(shí)，設(shè)置時(shí)間小于其臨界時(shí)間，接觸器可正常工作。然后電壓恢復(fù)正常，再發(fā)生暫降幅值較小的電壓暫降，但設(shè)置時(shí)間小于其臨界時(shí)間，故不會(huì)引起交流接觸器斷開(kāi)。在第2 組試驗(yàn)中，每段暫降的持續(xù)時(shí)間都小于各自幅值下交流接觸器斷開(kāi)臨界時(shí)間，但C1和C2均斷開(kāi)，可見(jiàn)多重暫降對(duì)交流接觸器的敏感度影響較大。但C1和C2的持續(xù)時(shí)間不同，這說(shuō)明同一廠家、同一型號(hào)的交流接觸器存在差異性。

由以上分析可知，多重暫降的波形形狀對(duì)于交流接觸器具有較大的影響。多重暫降中，若是先發(fā)生較為嚴(yán)重的暫降，然后又發(fā)生暫降幅值較大的電壓暫降，交流接觸器的敏感度就會(huì)增加;反之則交流接觸器的敏感度就會(huì)下降。對(duì)C3～C8交流接觸器進(jìn)行分析，可得到相似的結(jié)論。

3.7 處于敏感度曲線上方的電壓暫降對(duì)交流接觸器的影響

處于敏感度曲線上方的電壓暫降是指幅值大于接觸器正常工作臨界電壓的暫降，此類電壓暫降不會(huì)使交流接觸器脫扣，但會(huì)使接觸器出現(xiàn)響聲以及輕微抖動(dòng)等現(xiàn)象。圖12為C3交流接觸器在0°和90°起始點(diǎn)下得到的敏感度曲線，其中，敏感度曲線上下方分布的點(diǎn)是記錄下的單個(gè)電壓暫降事件。處于50%和60%兩條虛線區(qū)域內(nèi)的三角形圖標(biāo)所示為電壓暫降事件，表示交流接觸器沒(méi)有斷開(kāi)，卻出現(xiàn)了響聲和輕微抖動(dòng)的現(xiàn)象。如圖12中暫降幅值35%～50%虛線范圍內(nèi)菱形圖標(biāo)所示暫降事件，而處于50%～35%虛線區(qū)域內(nèi)的電壓暫降事件表示交流接觸器斷開(kāi)，同時(shí)出現(xiàn)了劇烈的抖動(dòng)現(xiàn)象。處于50%和60%虛線區(qū)域內(nèi)的電壓暫降事件雖然不影響交流接觸器的正常工作，卻使得交流接觸器出現(xiàn)響聲和抖動(dòng)，這勢(shì)必會(huì)使得交流接觸器的主觸頭出現(xiàn)磨損，降低交流接觸器的使用壽命。處于50%～35%虛線區(qū)域內(nèi)的電壓暫降事件既使得交流接觸器脫扣，又使得觸頭出現(xiàn)劇烈抖動(dòng)，加速了主觸頭的磨損，降低了交流接觸器的使用壽命。因此，為了保證C3交流接觸器的正常工作以及提高交流接觸器的使用壽命，0°起始點(diǎn)下交流接觸器敏感度曲線水平部分電壓臨界值應(yīng)該由50%提高至60%。

圖12 0°、90°起始點(diǎn)下C3交流接觸器敏感度曲線Fig.12 The sensitivity curves of C3at the point on wave of sag initiation 0° and 90°

3.8 交流接觸器敏感度曲線的提取

通過(guò)4 個(gè)國(guó)內(nèi)外不同品牌8 個(gè)接觸器電壓暫降敏感度試驗(yàn)，分別考量了暫降幅值、持續(xù)時(shí)間以及暫降起始點(diǎn)等暫降特征量，連續(xù)暫降、多重暫降等典型電壓暫降事件對(duì)接觸器敏感度的影響。通過(guò)整理3.1 節(jié)～3.7 節(jié)中數(shù)據(jù)，得到綜合考慮暫降特征量以及典型暫降事件等因素且適用于實(shí)際情況的交流接觸器敏感度曲線。

通過(guò)計(jì)算3.1 節(jié)～3.7 節(jié)中各暫降起始點(diǎn)下各暫降幅值下交流接觸器持續(xù)時(shí)間的最大值和最小值，并作敏感度曲線上下限，如圖13所示。交流接觸器敏感度曲線的上限，即發(fā)生在該曲線上側(cè)和左側(cè)的電壓暫降通常不會(huì)引起交流接觸器的斷開(kāi);交流接觸器敏感度曲線的下限，即發(fā)生在該曲線下側(cè)和右側(cè)的電壓暫降通常會(huì)引起交流接觸器的斷開(kāi);處于交流接觸器敏感度曲線上下限兩者之間的區(qū)域?qū)儆诓淮_定區(qū)域，此區(qū)域內(nèi)發(fā)生的電壓暫降可能會(huì)導(dǎo)致交流接觸器斷開(kāi)，也可能不會(huì)影響交流接觸器的正常工作。

圖13 交流接觸器上下限敏感度曲線Fig.13 The limit curves of AC contactor

4 結(jié)論

本文通過(guò)設(shè)計(jì)4 個(gè)不同廠家、相同型號(hào)的交流接觸器對(duì)電壓暫降敏感度試驗(yàn)，并對(duì)比已有文獻(xiàn)試驗(yàn)結(jié)果及事故現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)得到以下結(jié)論:

1)本文中研究的相同型號(hào)的交流接觸器對(duì)電壓暫降特征量以及典型暫降事件敏感度基本相同，但同一型號(hào)、不同廠家交流接觸器對(duì)電壓暫降敏感度存在差異，同一廠家、相同型號(hào)的交流接觸器對(duì)電壓暫降的敏感度也存在差異。

2)交流接觸器具有嚴(yán)格二分之一對(duì)稱，近似四分之一對(duì)稱性。

3)電壓暫降特征量中，對(duì)交流接觸器影響較大的除以往研究較多的暫降幅值以及持續(xù)時(shí)間之外，暫降起始點(diǎn)也是其中一個(gè)重要因素，其中同一暫降幅值下90°暫降起始點(diǎn)耐受時(shí)間較0°暫降起始點(diǎn)耐受時(shí)間短，并且較低度數(shù)暫降起始點(diǎn)下，暫降幅值越小，持續(xù)時(shí)間反而越長(zhǎng)。相比于暫降起始點(diǎn)影響較小的暫降特征量有相位跳變、頻率波動(dòng)以及諧波。

4)典型電壓暫降事件中，對(duì)交流接觸器影響較大的有由故障升級(jí)引起的連續(xù)暫降以及多重暫降，其中連續(xù)暫降會(huì)增加接觸器的敏感度，在發(fā)生多重暫降中，如果先發(fā)生較為嚴(yán)重的暫降，那么接觸器的敏感度將增加。

5)由于處于敏感度曲線上方的電壓暫降會(huì)使交流接觸器震動(dòng)以及出現(xiàn)響聲，降低其壽命，研究降低交流接觸器敏感度措施中，需要特別考慮。

6)綜合暫降特征量與典型暫降事件對(duì)接觸器影響的試驗(yàn)結(jié)果，提取了交流接觸器敏感度曲線，可用于電壓暫降對(duì)交流接觸器影響程度的分析。

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