摘 要： 在交流接觸器電氣性能試驗(yàn)中，通斷過(guò)程中主電路電壓、電流波形是判斷試驗(yàn)失效原因和制定改善方案的重要依據(jù)。選取交流接觸器接通分?jǐn)嘣囼?yàn)和電壽命試驗(yàn)中幾種典型的通斷失效波形，對(duì)這些波形進(jìn)行分析，并給出這些波形對(duì)應(yīng)的失效模式及其機(jī)理。

關(guān)鍵詞： 交流接觸器; 接通分?jǐn)嘣囼?yàn); 電壽命試驗(yàn); 波形圖; 相量圖; 首開(kāi)相

中圖分類(lèi)號(hào)： TM572.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 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

交流接觸器（以下簡(jiǎn)稱(chēng)接觸器）的額定接通分?jǐn)嗄芰υ囼?yàn)、約定操作性能試驗(yàn)和電壽命試驗(yàn)（以下統(tǒng)稱(chēng)電氣性能試驗(yàn)）是接觸器電氣性能測(cè)試最核心的項(xiàng)目，在接觸器的研發(fā)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過(guò)程中始終是被關(guān)注的重點(diǎn)。電氣性能試驗(yàn)中，各試驗(yàn)通斷過(guò)程中主電路各相的電壓、電流波形是判斷試驗(yàn)失效原因和制定改善方案的重要依據(jù)，可以稱(chēng)之為接觸器的“心電圖”。

文獻(xiàn)［1］在接觸器電氣性能試驗(yàn)過(guò)程中逐次實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電源電壓、觸頭斷口電壓和負(fù)載電流，獲取6路電壓和3路電流的動(dòng)態(tài)變化波形，然后根據(jù)電壓、電流變化特征及多路采樣信號(hào)間的特征，提出多路采樣數(shù)據(jù)融合的處理方法，提取電應(yīng)力特征參數(shù)，為接觸器電壽命變化規(guī)律研究提供了數(shù)據(jù)。文獻(xiàn)［2］通過(guò)采集主回路電流信號(hào)、線(xiàn)圈電流信號(hào)、主觸點(diǎn)溫度以及環(huán)境溫度、檢測(cè)輔助觸點(diǎn)狀態(tài)等，實(shí)現(xiàn)對(duì)接觸器工作狀態(tài)的監(jiān)測(cè);再通過(guò)對(duì)所采集數(shù)據(jù)處理分析，實(shí)現(xiàn)接觸器的故障診斷并預(yù)計(jì)其剩余壽命。文獻(xiàn)［3］通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析接觸器分?jǐn)嗖ㄐ蔚碾妷?、電流波形和燃弧時(shí)間、彈跳時(shí)間、燃弧能量、接觸阻抗等電性能參數(shù)，總結(jié)了觸頭開(kāi)距對(duì)接觸器電氣性能的影響。

本文通過(guò)對(duì)接觸器電氣性能試驗(yàn)通斷波形和實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果的分析，得出通斷波形與電氣性能試驗(yàn)失效模式的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并嘗試給出原因分析，給研發(fā)人員制定改善方案提供參考。

1 接觸器電氣性能試驗(yàn)

GB/T 14048.4—2020《低壓開(kāi)關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備 第4-1部分：接觸器和電動(dòng)機(jī)起動(dòng)器 機(jī)電式接觸器和電動(dòng)機(jī)起動(dòng)器（含電動(dòng)機(jī)保護(hù)器）》^［4］對(duì)接觸器不同使用類(lèi)別下的電氣性能試驗(yàn)做出具體要求，如試驗(yàn)電壓、試驗(yàn)電流、功率因數(shù)、操作頻率、通電時(shí)間以及瞬態(tài)恢復(fù)電壓特性等;并要求AC-4電壽命試驗(yàn)電路按接通分?jǐn)嘣囼?yàn)電路。GB/T 14048.1—2023《低壓開(kāi)關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備 第1部分：總則》^［5］給出接通分?jǐn)嘣囼?yàn)的電路圖，要求該電路的電源端和阻抗端只能有一端中性點(diǎn)接地。接觸器接通分?jǐn)嘣囼?yàn)電路（AC-4電壽命試驗(yàn)電路）如圖1所示。

因?yàn)榻佑|器最主要的用途是控制電動(dòng)機(jī)，所以這2項(xiàng)試驗(yàn)的試驗(yàn)電路采用了電源中性接地的線(xiàn)路，這樣更接近電動(dòng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行。

2 接觸器正常通斷過(guò)程

本文選取接觸器AC-4電壽命試驗(yàn)的通斷失效波形作為分析對(duì)象。AC-4不僅是接觸器的一項(xiàng)重要且典型的使用類(lèi)別，而且是行業(yè)內(nèi)快速驗(yàn)證其電氣性能的常用手段，故選用AC-4相關(guān)的通斷波形進(jìn)行分析對(duì)其他使用類(lèi)別的相應(yīng)試驗(yàn)具有充分的代表性。

接觸器的額定接通和分?jǐn)嘣囼?yàn)、約定操作性能試驗(yàn)和AC-4電壽命試驗(yàn)，雖然在功率因數(shù)、通斷電流值和瞬態(tài)恢復(fù)電壓參數(shù)方面稍有差異，但其試驗(yàn)電路結(jié)構(gòu)相同，故通斷波形所反映的內(nèi)在機(jī)理相同。

2.1 電弧運(yùn)動(dòng)過(guò)程

接觸器電弧開(kāi)斷過(guò)程如圖2所示。過(guò)程可分為電弧停滯、電弧運(yùn)動(dòng)、電弧進(jìn)入滅弧室、電流過(guò)零等階段，對(duì)應(yīng)的電弧電壓和電流如圖2（b）。電弧停滯階段，此時(shí)剛開(kāi)始燃弧，電弧較短，電弧壓降很小，電弧弧根的移動(dòng)速度也相對(duì)較小。隨后，電弧加速運(yùn)動(dòng)和拉長(zhǎng)，電弧電壓迅速上升。然后是電弧進(jìn)入滅弧室階段，若該段電壓波形出現(xiàn)較大幅度的波動(dòng)，則說(shuō)明電弧在往復(fù)進(jìn)出滅弧室（柵片）;若平滑如直線(xiàn)則說(shuō)明電弧進(jìn)入柵片效果良好。最后是電弧過(guò)零階段，在交流電流過(guò)零點(diǎn)附近的區(qū)域電弧熄滅^［6］。

由圖2視頻截圖可以清晰觀察到電弧分?jǐn)噙^(guò)程的幾個(gè)典型階段，尤其是電弧反復(fù)進(jìn)出滅弧室柵片的過(guò)程。圖2（a）中第3、第4幅截圖顯示電弧已進(jìn)入柵片，而第5、第6幅截圖顯示電弧發(fā)生背后擊穿而退出了柵片。這個(gè)過(guò)程與圖2（b）中電弧電壓波形嚴(yán)重波動(dòng)段完全對(duì)應(yīng)，文獻(xiàn)［7］中也有類(lèi)似的結(jié)論。本次雖然成功分?jǐn)嚯娀。诜謹(jǐn)噙^(guò)程中電弧多次進(jìn)出滅弧室柵片，對(duì)銀點(diǎn)和柵片燒蝕比較嚴(yán)重。

2.2 接通時(shí)主電路電壓和電流

接觸器C相首熄弧如圖3所示。接觸器電氣性能試驗(yàn)接通與分?jǐn)噙^(guò)程的主電路電壓波形變化機(jī)理基本相同，將在后續(xù)章節(jié)詳細(xì)分析。接通時(shí)的電流波形在文獻(xiàn)［6，8］等諸多文獻(xiàn)中都有詳細(xì)論述。

如圖3（c），接通時(shí)B、C相電流有明顯的直流分量存在。合閘電壓相角與功率因數(shù)角之差等于0或π時(shí)，該相的暫態(tài)電流沒(méi)有直流分量，電流波形完全對(duì)稱(chēng)且與穩(wěn)態(tài)時(shí)完全一致;合閘電壓相角與功率因數(shù)角之差等于±π/2時(shí)，暫態(tài)電流的直流分量最大;合閘電壓瞬時(shí)值為0時(shí)獲得最大的接通電流峰值，但不大于穩(wěn)態(tài)電流峰值的2倍，即接通電流沖擊系數(shù)卡帕值隨功率因數(shù)角的不同在1～2變動(dòng)。

2.3 分?jǐn)鄷r(shí)主電路電壓和電流

機(jī)械式開(kāi)關(guān)電器正常分?jǐn)鄷r(shí)，都是首先過(guò)零的那一相首先分?jǐn)嘞ɑ。ㄊ组_(kāi)相），然后經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，剩余兩相同時(shí)熄弧^［8］。不考慮分?jǐn)鄷r(shí)的反感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，接觸器C相首開(kāi)熄弧瞬間到三相全部熄弧之前，由圖1簡(jiǎn)化而來(lái)的主電路等效電路以及各電壓、電流的參考方向如圖3（a），首開(kāi)相熄弧前后的相量圖如圖3（b）。其中，UA、UB、UC為相電壓，IA、IB、IC為相電流;UAB、UBC、UCA為線(xiàn)電壓;U′C為C相首開(kāi)后的斷口電壓;I′AB為C相首開(kāi)后A、B相之間的線(xiàn)電流;I′A、I′B為C相首開(kāi)后的A、B兩相的相電流;φ為功率因數(shù)角，本文試驗(yàn)設(shè)定cosφ=0.65;Z為試驗(yàn)阻抗;N為阻抗中性點(diǎn)。

首開(kāi)相分?jǐn)嗪蟆⑹Ｓ鄡上喾謹(jǐn)嗲?，根?jù)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）

由圖3和式（1）～式（4）可得出如下結(jié)論：

（1） 首開(kāi)相C相分?jǐn)鄷r(shí)的工頻恢復(fù)電壓是相電壓的1.5倍，也是A、B兩相分?jǐn)鄷r(shí)工頻恢復(fù)電壓的1.5倍，其分?jǐn)喔鼮槔щy，即首開(kāi)相分?jǐn)喔鼮槔щy。

（2） 后分?jǐn)嗟腁、B兩相的電流和觸頭斷口電壓在未熄弧前都為首開(kāi)相的0.866倍;即使是熄弧后，弧隙的工頻恢復(fù)電壓也只是相電壓，分?jǐn)喔菀住?/p>

（3） 理論上I′AB比IC滯后90°;也就是說(shuō)，C相電弧過(guò)零熄滅后，A、B兩相的電弧要再燃燒1/4個(gè)周期才會(huì)過(guò)零，如圖3（c）;因此A、B兩相比C相電弧多燃燒5 ms，觸點(diǎn)燒損比C相嚴(yán)重得多。但電弧不一定剛好在過(guò)零點(diǎn)熄滅，故θ角約在90°，C相電弧多燃燒約5 ms。

3 失效波形分析

3.1 分?jǐn)鄷r(shí)兩相熔焊

分?jǐn)鄷r(shí)兩相熔焊如圖4所示。接觸器正常接通，分?jǐn)鄷r(shí)A、B兩相熔焊，C相正常分?jǐn)唷４藭r(shí)的電路狀況與接觸器C相首開(kāi)熄弧瞬間到三相全部熄弧之前主電路相同，因此分?jǐn)鄷r(shí)兩相熔焊的等效電路和相量圖如圖3（a）、圖3（b）。兩相熔焊最顯著特征是有兩相電流持續(xù)到陪試品分?jǐn)?，電流值只有原相電流?.866倍;正常分?jǐn)嘞嘤|頭斷口電壓升高到相電壓的1.5倍。C相分?jǐn)嗪?，A、B兩相電流實(shí)際上就是同一個(gè)電流;圖4（a）中，224 ms后的波形顯示兩相電流大小相等方向相反，這是由電流互感器的安裝方向造成的。即雖然是同一個(gè)電流，但電流互感器繞組的繞向因?qū)嶋H線(xiàn)路安裝而反向（而這樣安裝恰好能正確反映各相電流的關(guān)聯(lián)參考方向），因此波形顯示相位相差180°。

若電源和阻抗的中性點(diǎn)同時(shí)接地，圖4（a）中224 ms以后的電流波形將不再相差180°，而是相差120°;本文2.3節(jié)的結(jié)論也不成立了。具體的電壓、電流變化可參照本文2.3節(jié)很方便地推導(dǎo)出來(lái)，此處不再贅述。

3.2 分?jǐn)鄷r(shí)一相觸頭熔焊

接觸器正常接通時(shí)A、C相分?jǐn)喽鳥(niǎo)相熔焊的波形如圖5所示;分?jǐn)鄷r(shí)B相觸頭熔焊的等效電路和相量圖如圖6所示。圖5（d）中t2時(shí)刻之后的等效電路圖如圖6（a）。A、C兩相分?jǐn)嗪?，三相電流全部?，根據(jù)KVL^［9］可得：

U′C=UC-UB=-UBC（5）

U′A=UA-UB=UAB（6）

對(duì)應(yīng)的相量圖如圖6（b）。波形分析如下：

（1） t0～t1期間，由圖5可知，A、C觸頭兩相先后分離，C相在t1時(shí)刻完成分?jǐn)?，而A相在t2時(shí)刻分?jǐn)唷?/p>

（2） t1～t2期間波形分析參考本文2.3節(jié)。A、B相電流在t1時(shí)刻發(fā)生突變，數(shù)值大小減小到原相電流的0.866倍。

（3） t2時(shí)刻之后，A相也完成分?jǐn)?，而B(niǎo)相發(fā)生熔焊。U′C的相位和幅值在t2時(shí)刻發(fā)生突變;相位延后60°電角度，只比U′A超前60°，如圖6（b）;A、C相斷口電壓上升為線(xiàn)電壓UAB和UBC。

（4） B相已熔焊而電流沒(méi)有一直持續(xù)到陪試品分?jǐn)?，是因?yàn)锳、C相分?jǐn)嗪驜相也沒(méi)有電流通過(guò)，本例中B相與A相電流同時(shí)為0。而分?jǐn)嘟Y(jié)束后B相電壓仍為0是其熔焊的最顯著特征。

（5） 圖5顯示A、B相的熄弧時(shí)刻比C相晚1個(gè)多周期，是因?yàn)锽相熔焊時(shí)的牽拉作用使得A相無(wú)法利用觸頭開(kāi)距順利滅弧。這種情況下，A相電弧能夠熄滅通常是以燒掉部分觸橋?yàn)榇鷥r(jià)的，故這個(gè)時(shí)間長(zhǎng)短并不可預(yù)測(cè)。

（6） 接通前三相相電壓正常說(shuō)明熔焊就發(fā)生在本次動(dòng)作。根據(jù)試驗(yàn)設(shè)備保護(hù)判斷邏輯，即使本次發(fā)生了熔焊也還會(huì)再進(jìn)行一次試驗(yàn)動(dòng)作才會(huì)做出熔焊的判斷而停止試驗(yàn)，因此A、C相斷口電壓一直存在，直到下次動(dòng)作。

以上說(shuō)明，任何一相分?jǐn)鄷r(shí)熔焊都會(huì)產(chǎn)生類(lèi)似的波形;可單獨(dú)顯示觀察每相電壓、電流波形或區(qū)分各相的顏色進(jìn)一步確定到底是哪一相失效。

3.3 試品已一相熔焊時(shí)的通斷波形

本次操作的前一次試驗(yàn)C相已熔焊而A、B相正常工作的波形如圖7所示。失效試品分析證明是C相進(jìn)線(xiàn)、出線(xiàn)雙側(cè)觸點(diǎn)熔焊。此次試驗(yàn)接通前和分?jǐn)噙^(guò)程的等效電路和相量圖都與圖6相似，式（5）、式（6）的形式對(duì)于本例也是成立的;只是由B相變成C相，具體圖形和方程推導(dǎo)不再贅述。

C相只有電流沒(méi)有電壓是本次試驗(yàn)操作前C相已熔焊最顯著的特征。試品接通之前，A、B兩相斷口電壓升高到線(xiàn)電壓也是因?yàn)镃相始終處于接通狀態(tài);故只要陪試品閉合就會(huì)如同3.2節(jié)第3條分析結(jié)論一樣。然后接通期間一切正常;分?jǐn)鄷r(shí)，A、B相正常分?jǐn)?，C相依舊熔焊，情況與3.2節(jié)所述相同。

可進(jìn)一步說(shuō)明，任何一相熔焊后繼續(xù)試驗(yàn)都會(huì)產(chǎn)生類(lèi)似的波形;可單獨(dú)顯示觀察每相電壓、電流波形或區(qū)分各相的顏色進(jìn)一步確定到底是哪一相失效。

3.4 試品已缺相時(shí)的通斷波形

本次操作的前一次試驗(yàn)C相已燒斷或本次C相未接通而A、B相正常工作的波形如圖8所示。即C相整個(gè)通斷過(guò)程中只有電壓沒(méi)有電流。

因?yàn)槭侨毕啵圆⒉粫?huì)影響觸頭斷口處的電壓分布，故接通前三相電壓正常。

本實(shí)例中，當(dāng)B相率先接通時(shí)，A、C兩相觸頭斷口電壓升高到線(xiàn)電壓，如同3.3節(jié)電流接通前的情況（A相先接通也是同樣的波形）。因此，在A相接通前這段時(shí)間，B相雖已接通，但既沒(méi)電壓也沒(méi)電流。

隨后A相也接通，此時(shí)本例的實(shí)際電路則如同3.1節(jié)所述分?jǐn)鄷r(shí)的電路狀態(tài)。在A、B兩相通電期間，各電壓、電流的變化和波形參見(jiàn)3.1節(jié)的分析。A、B兩相正常分?jǐn)嘞ɑ『?，三相觸頭斷口電壓恢復(fù)正常的相電壓（缺相的效果相當(dāng)于該相成功分?jǐn)啵?/p>

可再次說(shuō)明，任何一相缺相后繼續(xù)試驗(yàn)都會(huì)產(chǎn)生類(lèi)似的波形;可單獨(dú)顯示觀察每相電壓、電流波形或區(qū)分各相的顏色進(jìn)一步確定到底是哪一相失效。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)幾個(gè)典型的接觸器AC-4電壽命試驗(yàn)的通斷波形與失效產(chǎn)品的分析研究，推演了其通斷過(guò)程中電壓、電流變化的機(jī)理，并予以圖形展示。在接觸器研發(fā)階段，可以為研發(fā)工程師在分析樣品失效時(shí)提供理論參考。

基于本文的研究成果，還可以進(jìn)一步深入研究更多種通斷失效波形及其原因，為研發(fā)人員更快速地分析試驗(yàn)失效樣品提供示例參考。

【參 考 文 獻(xiàn)】

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收稿日期： 20240628