鄧豐強(qiáng)， 莊 正， 王智東,2， 楊 玲， 梁 梅，林映溪， 冒 杰， 林文智

(1.華南理工大學(xué) 電力學(xué)院,廣州 510641；2.華南理工大學(xué)廣州學(xué)院 電氣工程學(xué)院,廣州 510800)

0 引 言

電流繼電器和電壓繼電器直接反映電力系統(tǒng)異常甚至故障時(shí)的電流和電壓變化，是電力系統(tǒng)繼電保護(hù)基礎(chǔ)[1-3]。高校開設(shè)的本科繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)，也普遍設(shè)置電流繼電器和電壓繼電器課程內(nèi)容。電磁式繼電器作為使用最早、應(yīng)用范圍最廣泛的一種繼電器形式，具有生動(dòng)直觀、原理清晰等優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)前本科繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)也大多采用電磁式繼電器[4-9]。

作為繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，本科繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)繼電器內(nèi)容主要研究電磁式繼電器特性。對(duì)于電磁式電流和電壓繼電器而言，通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得繼電器動(dòng)作值和返回值的實(shí)際數(shù)值，并與繼電器整定值比較，進(jìn)而分析返回系數(shù)等繼電器特性數(shù)據(jù)，加深學(xué)生對(duì)繼電器原理和具體應(yīng)用的理解[10-13]。

1 實(shí)驗(yàn)接線和現(xiàn)象

1.1 接線方法與實(shí)驗(yàn)過(guò)程

電磁式電流和電壓繼電器的實(shí)驗(yàn)接線見圖1。對(duì)于電磁式電流繼電器，調(diào)壓器輸出可調(diào)電源，并與滑動(dòng)變阻器互相配合，調(diào)節(jié)電流繼電器所需的電流大小。電壓繼電器反映的是施加在電壓繼電器的電壓大小，因此在接線方式上則更加簡(jiǎn)單，只需將調(diào)壓器直接施壓在電壓繼電器上[14-15]。

(a) 電壓繼電器接線圖

(b) 電流繼電器接線圖

圖1 電流、電壓繼電器特性實(shí)驗(yàn)接線圖

電磁式電流、電壓繼電器實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)改變不同幅值的電流或電壓的輸出，觀察繼電器開關(guān)的動(dòng)作情況。電流和電壓繼電器的開關(guān)回路的實(shí)驗(yàn)接線方法完全一樣。

為了直觀體現(xiàn)繼電器開關(guān)的動(dòng)作情況，將220 V的直流電源和帶有電阻的信號(hào)燈接入繼電器的觸點(diǎn)回路，這樣，燈的亮或滅就直接反映了繼電器處于合閉或開斷狀態(tài)。

1.2 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

我校有不同使用年限的多個(gè)電磁式電流和電壓繼電器，提供給本科生用于繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)課程使用。本科生在做電磁式電流、電壓繼電器特性實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)兩種電磁式繼電器所呈現(xiàn)出來(lái)的特性存在一定的差異性，主要表現(xiàn)在：

(1) 電流繼電器的特性較為穩(wěn)定，實(shí)際的動(dòng)作值跟事先所設(shè)定的繼電器整定值非常接近，電流繼電器偏差很小；相對(duì)于電流繼電器特性實(shí)驗(yàn)中穩(wěn)定的測(cè)量值，電壓繼電器特性實(shí)驗(yàn)數(shù)值與整定值的偏差幅度范圍則較大，電壓繼電器所呈現(xiàn)的特性具有一定的波動(dòng)性，較為不穩(wěn)定。

(2) 進(jìn)一步實(shí)測(cè)電壓繼電器的性能，發(fā)現(xiàn)電壓繼電器的使用年限長(zhǎng)短對(duì)其特性數(shù)據(jù)影響較大。使用年限較長(zhǎng)的電磁式電壓繼電器，當(dāng)繼電器特性實(shí)驗(yàn)調(diào)節(jié)供給繼電器的電壓的過(guò)程中，供給電壓與繼電器的電壓整定值還有較大偏差時(shí)，反映電壓繼電器開關(guān)狀態(tài)的信號(hào)燈便開始閃爍，直至所供給的電壓增大到一定數(shù)值時(shí)，信號(hào)燈才穩(wěn)定下來(lái)，說(shuō)明此時(shí)電壓繼電器的開關(guān)才完全接通或斷開。

學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，容易出現(xiàn)困惑，不知道動(dòng)作值和返回值應(yīng)該記錄哪個(gè)時(shí)刻的值，信號(hào)燈開始閃爍時(shí)刻、持續(xù)閃爍時(shí)刻或是完全穩(wěn)定時(shí)刻對(duì)應(yīng)的電壓值。而引導(dǎo)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象進(jìn)行歸納、總結(jié)，進(jìn)而分析產(chǎn)生現(xiàn)象的原因，將有助于學(xué)生更深入掌握專業(yè)內(nèi)容，提高學(xué)生的綜合分析能力。

本文先對(duì)本科繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)室的所有電磁式電流和電壓繼電器進(jìn)行測(cè)試，以歸納繼電器特性數(shù)據(jù)，從統(tǒng)計(jì)角度分別歸納兩種繼電器特性數(shù)據(jù)的相關(guān)性。進(jìn)而結(jié)合電磁式繼電器的結(jié)構(gòu)，分析電壓繼電器反映電壓繼電器觸點(diǎn)狀態(tài)的信號(hào)燈閃爍的原因。

2 統(tǒng)計(jì)分析

我校面向本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)室當(dāng)前擁有8臺(tái)繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)綜合平臺(tái)，其中5臺(tái)為2007年投入教學(xué)使用，3臺(tái)為2015年新近購(gòu)買。

每個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)有6個(gè)電磁式電流繼電器和1個(gè)電磁式電壓繼電器。其中3個(gè)電磁式電流繼電器的最大量程為6 A，整定值4.2 A；另外3個(gè)電磁式電流繼電器的最大量程為3 A，整定值取中位區(qū)間值1.4 A；電磁式電壓繼電器的最大量程為60 V，整定值48 V。

對(duì)上述8個(gè)繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的所有電磁式電流和電壓繼電器進(jìn)行繼電器特性實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)，通過(guò)調(diào)節(jié)可調(diào)變壓器，觀察動(dòng)作信號(hào)燈的狀態(tài)，記錄動(dòng)作值和返回值。對(duì)所取得的數(shù)據(jù)，以對(duì)應(yīng)的整定值為基數(shù)，進(jìn)行歸一化處理。

對(duì)8臺(tái)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的所有電磁式繼電器進(jìn)行實(shí)測(cè)，每個(gè)繼電器做兩次實(shí)驗(yàn)，得到96組電流繼電器的數(shù)據(jù)和16組電壓繼電器數(shù)據(jù)。

對(duì)電流繼電器和電壓繼電器的抖動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如圖2所示。實(shí)測(cè)現(xiàn)象表明，電流繼電器抖動(dòng)的次數(shù)為0，沒(méi)有出現(xiàn)抖動(dòng)現(xiàn)象，而電壓繼電器抖動(dòng)的次數(shù)為10次，占電壓繼電器比例的62.5%；并且電壓繼電器中的10次抖動(dòng)現(xiàn)象都集中在5臺(tái)舊的繼電器上，3臺(tái)新的繼電器沒(méi)有抖動(dòng)現(xiàn)象，說(shuō)明繼電器的新舊程度對(duì)電壓繼電器是否抖動(dòng)關(guān)系密切。

圖2 電流繼電器和電壓繼電器抖動(dòng)比例對(duì)比

電壓繼電器特性實(shí)驗(yàn)中，使用年限較長(zhǎng)的電壓繼電器的動(dòng)作值和返回值的實(shí)測(cè)過(guò)程都會(huì)出現(xiàn)信號(hào)燈閃爍的現(xiàn)象。而使用年限較短的電壓繼電器的信號(hào)燈閃爍現(xiàn)象不明顯甚至幾乎沒(méi)有。

這說(shuō)明電壓繼電器使用年限越長(zhǎng)，電壓繼電器實(shí)測(cè)的動(dòng)作值與整定值等表征電磁式電壓繼電器特性的參數(shù)具有較大的偏差范圍。在繼電器特性實(shí)驗(yàn)中，直接表現(xiàn)在反映繼電器開關(guān)狀態(tài)的信號(hào)燈，在供給繼電器的電壓調(diào)整過(guò)程中的很長(zhǎng)一段范圍內(nèi)，持續(xù)出現(xiàn)閃爍的現(xiàn)象。

2.1 動(dòng)作值統(tǒng)計(jì)分析

由于電磁式繼電器可以直觀觀察到整定值，從而可以直接與動(dòng)作值做比較，為了方便理解，采用相對(duì)偏差來(lái)分析電流繼電器和電壓繼電器。定義動(dòng)作值相對(duì)偏差:

(1)

注意到式(1)中差值沒(méi)有取絕對(duì)值是為了分析實(shí)驗(yàn)值與整定值的大小。

24臺(tái)整定值為4.2 A的電流繼電器所作的共48次的實(shí)驗(yàn)中，動(dòng)作值與整定值4.2 A的相對(duì)偏差統(tǒng)計(jì)如圖3，動(dòng)作值較為均勻地分布在4.15～4.43 A之間，平均相對(duì)偏差為2.24%，動(dòng)作值相對(duì)偏差較為均勻地分布在2.24%左右。

圖3 4.2 A電流繼電器動(dòng)作值的相對(duì)偏差分布

24臺(tái)整定值為1.4 A的電流繼電器所作的共48次的實(shí)驗(yàn)中，動(dòng)作值與整定值1.4 A的相對(duì)偏差統(tǒng)計(jì)見圖4，動(dòng)作值較為均勻的分布在1.34 ～1.52 A之間，平均相對(duì)偏差為2.04%，動(dòng)作值相對(duì)偏差較為均勻地分布在2.04%左右。

圖4 1.4 A電流繼電器動(dòng)作值的相對(duì)偏差分布

以上兩組電流繼電器動(dòng)作值的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，盡管實(shí)驗(yàn)所用的電磁式電流繼電器使用年限有所差別，但實(shí)際的動(dòng)作值在整定值附近，分布較為集中、均勻和穩(wěn)定，在實(shí)驗(yàn)性能上并無(wú)明顯差異，而且統(tǒng)計(jì)的動(dòng)作值的偏差分布與繼電器的新舊無(wú)明顯關(guān)系。

電壓繼電器的動(dòng)作值偏差分布如圖5所示，相對(duì)偏差在-3%～0%的有6組數(shù)據(jù)，這6組數(shù)據(jù)都是從3臺(tái)新的電壓繼電器上實(shí)驗(yàn)測(cè)得。這表明3臺(tái)新的電圧繼電器因?yàn)閯?dòng)作值精度較高，而實(shí)際的動(dòng)作值比整定值48 V略小，因而出現(xiàn)負(fù)號(hào)。相對(duì)偏差在3%～6%之間的有10組數(shù)據(jù)，這10組數(shù)據(jù)都是從5臺(tái)舊的電壓繼電器上實(shí)驗(yàn)測(cè)得，這表明舊的電壓繼電器實(shí)際的動(dòng)作值比整定值偏大，而且相對(duì)于新的3臺(tái)電壓繼電器，偏差范圍則較小。

圖5 48 V電壓繼電器動(dòng)作值的相對(duì)偏差分布

2.2 返回值統(tǒng)計(jì)分析

動(dòng)作值可以直觀地與整定值做比較，而返回值則沒(méi)有明確的參照值。因此對(duì)于返回值，采用返回值的平均值作為參考，通過(guò)計(jì)算電流繼電器、電圧繼電器的返回值相對(duì)偏差的標(biāo)準(zhǔn)差，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行橫向比較，分析電流繼電器和電壓繼電器的返回值特性差異。定義返回值相對(duì)偏差為:

(2)

標(biāo)準(zhǔn)差也稱均方差，是各數(shù)據(jù)偏離平均數(shù)的距離的平均數(shù)，它是離均差平方和平均后的方根，標(biāo)準(zhǔn)差越小，說(shuō)明偏差分布越均勻，穩(wěn)定度越大。

首先分別計(jì)算4.2 A電流繼電器、1.4 A電流繼電器、48 V電壓繼電器返回值的平均值，然后計(jì)算每組返回值與平均值差值的標(biāo)準(zhǔn)差，如圖6所示，得到4.2 A電流繼電器、1.4 A電流繼電器、48 V電壓繼電器數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.035、0.032、0.046。

圖6 電流和電壓繼電器返回值標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)比

由圖6所示的4.2 A電流繼電器、1.4 A電流繼電器、48 V電壓繼電器返回值標(biāo)準(zhǔn)差的對(duì)比可知，電流繼電器的返回值分布較為均勻，每個(gè)返回值之間的起伏相對(duì)于電壓繼電器而言不大，分布較穩(wěn)定；而電壓繼電器的返回值分布受新舊影響，5臺(tái)舊繼電器的返回值較大，3臺(tái)新繼電器返回值較小，故電壓繼電器的返回值相對(duì)偏差分布相比于電流繼電器而言較為不均，因而平均值相對(duì)偏差的標(biāo)準(zhǔn)差明顯大于電流繼電器的平均值相對(duì)偏差的標(biāo)準(zhǔn)差。

3 原理分析

3.1 原理

對(duì)兩種電磁式繼電器的統(tǒng)計(jì)可發(fā)現(xiàn)：電磁式電流繼電器不論新舊與否，幾乎不出現(xiàn)抖動(dòng)現(xiàn)象；而較新的電磁式電壓繼電器也很少出現(xiàn)抖動(dòng)現(xiàn)象，抖動(dòng)現(xiàn)象集中出現(xiàn)在舊的電壓繼電器上。結(jié)合電磁式繼電器原理，進(jìn)一步深入分析上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的原因。

電磁式繼電器動(dòng)作原理圖如圖7所示。電磁式繼電器是由鐵心線圈、彈簧、線路、鐵片、動(dòng)觸點(diǎn)、以及固定觸點(diǎn)構(gòu)成。鐵心線圈在有電流通過(guò)時(shí)相當(dāng)于電磁鐵，當(dāng)線圈回路中通過(guò)的電流達(dá)到一定的值時(shí)，鐵心線圈對(duì)向下鐵片的磁力大于彈簧向上的彈力時(shí)，鐵片帶動(dòng)可動(dòng)觸點(diǎn)向下運(yùn)動(dòng)使動(dòng)觸點(diǎn)與固定觸點(diǎn)接通形成閉合回路，觸點(diǎn)回路接通；當(dāng)線圈回路中通過(guò)的電流達(dá)不到一定的值時(shí)，則產(chǎn)生的磁力較小，鐵心線圈對(duì)向下鐵片的磁力小于彈簧向上的彈力，則在向上合力的作用下動(dòng)觸點(diǎn)返回，故可動(dòng)觸點(diǎn)與固定觸點(diǎn)不接通而使觸點(diǎn)回路斷開。

圖7 電磁式繼電器動(dòng)作原理簡(jiǎn)圖

3.2 線圈的電流驅(qū)動(dòng)

由實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，新的3臺(tái)電壓繼電器沒(méi)有發(fā)生抖動(dòng)現(xiàn)象，而舊的5臺(tái)電壓繼電器全部發(fā)生了抖動(dòng)現(xiàn)象，因此繼電器的抖動(dòng)現(xiàn)象與新舊程度有著很大的關(guān)系。

放置和使用時(shí)間長(zhǎng)短對(duì)繼電器的顯著影響就是使繼電器老化。而繼電器上的觸點(diǎn)不僅與空氣接觸，且由于使用過(guò)程中繼電器頻繁的接通和斷開產(chǎn)生的電火花，極易使觸點(diǎn)氧化銹蝕，使觸點(diǎn)結(jié)構(gòu)變得疏松，表面粗糙，觸點(diǎn)處電阻發(fā)生了一定程度的變化，相當(dāng)于繼電器的觸點(diǎn)部分串聯(lián)了一個(gè)電阻，如圖8所示。由于這個(gè)等效電阻的分壓作用，因此使得繼電器完成動(dòng)作時(shí)的電壓提高了。對(duì)于電磁式繼電器而言，隨著使用年限變長(zhǎng)，或生銹等原因，驅(qū)動(dòng)線圈都會(huì)附加一定的阻抗。

圖8 新、舊繼電器觸點(diǎn)附加電阻的電路示意圖

對(duì)于電流繼電器而言，由于電流繼電器是以電流驅(qū)動(dòng)線圈完成動(dòng)作，觸點(diǎn)老化的附加電阻的分壓作用對(duì)其動(dòng)作時(shí)所需電流值無(wú)影響，所以電流繼電器不會(huì)因老化而發(fā)生抖動(dòng)現(xiàn)象。

對(duì)于電壓繼電器而言，舊的電壓繼電器由于觸點(diǎn)老化，相當(dāng)于增加了大電阻，產(chǎn)生了較大的分壓作用，于是使動(dòng)作值偏大，且使電壓繼電器產(chǎn)生抖動(dòng)；而新的電壓繼電器由于沒(méi)有因?yàn)槔匣a(chǎn)生的附加電阻，因此電壓繼電器動(dòng)作值與理論的整定值較為接近，未發(fā)生抖動(dòng)現(xiàn)象。

4 結(jié) 語(yǔ)

繼電保護(hù)課程繼電器特性實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)電流和電壓兩種電磁式繼電器特性存在差異性，電磁式電壓繼電器的動(dòng)作值和返回值等特性數(shù)據(jù)存在著較大的偏差范圍。對(duì)繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)室的所有電流和電壓繼電器進(jìn)行實(shí)測(cè)，通過(guò)統(tǒng)計(jì)方法歸納電磁式電流和電壓繼電器的特點(diǎn)；進(jìn)而結(jié)合電磁式繼電器原理分析兩種繼電器差異性的原因，幫助學(xué)生更深入掌握繼電器特性。