首页 > 论文范文 > 工程工业论文 > 电力工业论文 > 电力系统论文 > 交流接触器额定开断试验TRV调频装置参数计算与研究

交流接触器额定开断试验TRV调频装置参数计算与研究

2024-01-17 23 上传者：管理员

摘要：额定电流开断试验是考核交流接触器开断额定负载的能力，在开断瞬间交流接触器的两端需要分别承受电源侧TRV和负载侧TRV的考核。依据国家标准(GB/T 14808—2016)对4种类别交流接触器额定电流开合试验的TRV参数要求，计算了满足额定电压3.6～12.0 kV交流接触器试验回路电源侧TRV和负载侧TRV调频装置的电气参数。最后，在PSCAD/EMTDC仿真软件中搭建了额定电压7.2 kV、额定开断电流4 kA的试验电路，验证了电源侧TRV和负载侧TRV的预期参数均满足标准要求。

关键词：
交流接触器
后备保护
开断试验
电源侧TRV
负载侧TRV
加入收藏

交流接触器适用于额定电压3.6～12.0 kV、频率为50 Hz及以下配电网及控制领域，起到通断、转换和保护等作用[1,2,3]。国家标准GB/T 14808—2016《高压交流接触器、基于接触器的控制器及电动机起动器》中规定了AC-1、AC-2、AC-3、AC-4这4种类型的交流接触器，主要用于电阻炉的投切，以及电动机的起动、制动和点动[4,5,6,7]。目前，接触器的主要类型有电磁式、真空接触器和SF6接触器。

交流接触器类似于中压配电网中的负荷开关，两者都没有短路开断能力，需要采用熔断器或断路器作为后备保护。当要求接触器局部短路开断能力时，需要和短路保护装置(SCPD)进行配合，如熔断器由交流接触器关合和开断工作负载电流，由短路保护装置开断短路电流。交流接触器主要应用在频繁操作的工况下，通常具有非常高的机械寿命，在不检修的情况下可达到50 000次以上[8]。

交流接触器能够在正常运行和过载条件下关合、持续承载和开断额定电流。开断工作电流瞬间交流接触器的两端需要分别承受电源侧TRV和负载侧TRV的考核，电源侧TRV由电源回路的电感和对地杂散电容振荡所产生，负载侧TRV由负载阻抗和对地杂散电容振荡所产生。额定电流开断试验是考核交流接触器开断额定负载的能力，电源侧TRV和负载侧TRV调频装置分别用来模拟产生接触器开断瞬间电源侧的暂态电压和负载侧的暂态电压。

1、标准规定的试验参数及试验回路

国家标准GB/T 14808—2016《高压交流接触器、基于接触器的控制器及电动机起动器》第6.102节中规定了交流接触器额定开断能力的验证试验，以及第6.104节中规定了交流接触器短路电流开断能力的验证试验。

1.1 试验参数

标准中规定了AC-1、AC-2、AC-3、AC-4这4种类型的交流接触器，分别应用在不同的负载回路中，主要区别体现在额定工作电流和功率因数的不同。这4种类型的交流接触器在额定电压下的额定开断能力的试验方式及具体参数要求如表1所示。

表1 额定关合和开断能力的试验方式及具体参数要求

表1中，Ie为接触器的额定工作电流，Ic为开断电流。当接触器需要具备短路关合和开断能力时，需要配备短路保护装置(SCPD)使其具备短路关合和开断性能。标准中规定交流接触器的短路电流关合和开断试验，应在与短路保护配合装置的、具有短路关合和开断能力的接触器上进行。

1.2 试验回路

根据标准的规定和要求，交流接触器的额定开断能力的验证试验回路由电源侧部分和负载侧部分组成，具体如图1所示。

图1 额定关合和开断能力的验证试验回路

图1中，G为试验电源，MS为合闸开关，MB为操作开关，Ls为电源侧调节电抗器，T为试验变压器，TO为被试接触器，LL为负载侧调节电抗器，RL为负载侧功率因数电阻。特别地，试验电源可以采用专用的大容量短路发电机，也可以是电网接入的10 kV网络电源。

有关标准规定试验回路的电阻和电抗需调节到满足规定的试验电流和功率因数，调节试验电流的总阻抗应分布在试验回路的电源侧和负载侧，要求电源侧的阻抗不应大于试验回路总阻抗的10%。电源侧TRV(瞬态恢复电压)的要求应符合GB 1984—2014的6.104.5对S1级(电缆系统)断路器的要求[9,10],开断时负载侧TRV的振幅系数kaf和频率f[5,6] 为

式中：Ic和Ur分别为被试接触器的开断电流和额定电压，单位分别为A和V;f的单位为kHz。

2、TRV调频装置参数计算

电源侧TRV调频装置和负载侧TRV调频装置的参数，需要满足一定范围内接触器的试验电压和试验电流需求，图1所示的试验回路能够覆盖的接触器额定电压为3.6 kV、7.2 kV和12.0 kV,各类别下最小开断电流、最大开断电流及相应的功率因数如表2所示。

表2 额定开断能力的试验方式及电流范围

根据表2给出的试验电流范围及功率因数，在给定被试接触器的试验电压下，可以求得试验回路的总阻抗，然后按照电源侧的阻抗取试验回路总阻抗的10%,分别求出电源侧和负载侧的调节阻抗和功率因数电阻，在此基础上，计算出电源侧TRV调频装置和负载侧TRV调频装置的技术参数。

2.1 电源侧TRV调频装置参数计算

国家标准GB/T 14808—2016规定图1所示的试验回路中，电源侧TRV(瞬态恢复电压)参数应满足GB 1984—2014的6.104.5对S1级(电缆系统)断路器的要求，TRV波形及标准值参数的定义如图2所示，TRV调频装置的电路原理如图3所示[11]。

图2 TRV波形及标准参数

图3 TRV调频装置电路原理

电压等级为3.6～12.0 kV的接触器应用在中压配电系统中，在中压配电系统中TRV用2个参数表示，如图2所示，TRV特征参数通过其波形上的3条切线所定义的3个标准值参数来表征，即TRV峰值uc、时间t3和时延td,GB 1984—2014规定的TRV标准值如表3所示。

表3 电源侧TRV的标准值

交流接触器在开断瞬间，由于电场和磁场能量的瞬间交换，电磁振荡产生图2所示的TRV波形和表3中的标准值参数。图3中，R1和C1分别为调频电阻和调频电容，C0为时延电容。R1、C1、C0的经验计算公式为

为等值频率，K的取值范围为0.67～0.75。

在电磁暂态计算程序EMTDC中建立电源侧回路，设置试验回路电源侧电抗参数及式(2)初步计算得到调频装置电路元件参数，校验和修正调频装置的电气参数，使得每挡试验参数下TRV标准值参数均符合标准要求，最终确定的电源侧调频装置电气参数如表4所示。

表4 电源侧TRV调频装置电气参数

如表4所示，R1由12个电阻器组成，接线方式为串联接线，调节范围为0.31～1 279.69 Ω。C1由10个电容器组成，接线方式为并联接线，调节范围为0.006 ～6.394 μF。C0由9个电容器组成，接线方式为并联接线，调节范围为0.006～3.194 μF。

2.2 负载侧TRV调频装置参数计算

国家标准GB/T 14808—2016规定图1所示的试验回路中，负载侧TRV(瞬态恢复电压)参数由式(1)计算所得。负载侧TRV波形与电源侧TRV波形的特征一致，标准中规定了用振幅系数kaf和频率f来表征。kaf为TRV的峰值uc和首开极工频恢复电压的峰值之比，f为第1个振荡半波时长的2倍求导数。

负载侧TRV与电源侧TRV的波形及标准参数相比，可以得出如下结论：两者波形基本相似，均为振荡波；负载侧TRV的振幅系数kaf和电源侧TRV的峰值uc所表达的含义一致，均表示振荡的强度；负载侧TRV的频率f和电源侧TRV的时间t3所表达的含义一致，均表示振荡的频率；负载侧TRV无时延的要求。

鉴于负载侧TRV无时延的要求，负载侧TRV调频装置仅需要调频电阻R2和调频电容C2,因此，TRV调频装置的电路原理同图3,仅需要去掉时延电容支路C0。为了能够实现负载侧TRV波形和参数，需要通过负载侧TRV调频电路在被试接触器开断的瞬间对负载阻抗振荡来产生。如图1所示，被试接触器TO开断后，负载侧的电路方程为

式中：uc为调频电容C2上随时间变化的暂态电压；utr为调频电阻R2和调频电容C2上暂态电压的和。

进一步，由式(3)可以得出utr的表达式为

R2、C2的计算步骤为：

a.由表2中的试验参数计算得到RL、LL,给定标准参数kaf和f。

b.设定R2的初值，得到δ,由ω(ω=2πf)和δ得出ω0、β。

c.将U0、ω、ω0、δ、β代入式(4),并求得utr及kaf。

d.当kaf小于标准值时，减小R2;反之，增大R2,重复上述步骤，直到kaf满足标准值的要求。

最终得到满足表2中的试验参数，以及负载侧TRV参数的调频装置电气参数如表5所示。

表5 负载侧TRV调频装置电气参数

如表5所示，R2由10个电阻器组成，接线方式为串联接线，调节范围为5 ～6 395 Ω。C2由9个电容器组成，接线方式为并联接线，调节范围为0.001～0.399 μF。

3、应用算例与仿真结果

以额定电压为7.2 kV、额定开断电流为4 kA的AC-2类别交流接触器为例，应用电源侧和负载侧电气参数的计算公式和计算流程，得到图1中的试验回路电气参数如表6所示。

表6 试验回路电气参数计算结果

基于图1所示的试验回路和表6的数据，应用EMTP仿真计算程序，仿真得到电源侧预期TRV波形如图4所示，负载侧预期TRV波形如图5所示，在电源侧和负载侧TRV波形上读取标准值参数[12,13]。电源侧TRV波形的峰值uc为12.8 kV,时间t3为51.3 μs, 时延td为2.2 μs, 表3要求的预期参数uc为12.3 kV,时间t3为51.0 μs, 时延td为8.0 μs, 预期参数满足标准要求。

交流接触器开断瞬间，负载侧第1开断相TRV装置上的初始电压为4.0 kV,TRV的峰值uc为6.2 kV,时间t3为48 μs。计算得出振幅系数kaf为1.55和振荡频率f为10.4 kHz, 式(1)要求的kaf的范围为1.4～1.6,f不小于8.62 kHz, 预期参数满足标准要求。

图4 电源侧预期TRV波形

图5 负载侧预期TRV波形

根据上述计算结果，结合表4,电源侧调频装置换接后实出的参数为：R1为10.93 Ω(理论值11.1 Ω,实际接线组号为1+2+6,“+”表示串联),电容C1为1.56 μF(理论值1.5 μF,实际接线组号为1‖3,“‖”表示并联),电容C0为0.2 μF(理论值0.2 μF,实际接线组号为6)。负载侧调频装置换接后实出的参数为：R2为50 Ω(理论值50 Ω,实际接线组号为2+4,“+”表示串联),电容C2为0.14 μF(理论值0.137 μF,实际接线组号为5‖6‖8,“‖”表示并联)。

4、结束语

本文分析与研究了交流接触器额定电流开断试验的方式及试验参数，并重点研究了电源侧TRV调频装置和负载侧TRV调频装置，主要结论如下：

a.交流接触器的额定开断能力的验证试验回路由电源侧部分和负载侧部分组成，负载侧TRV与电源侧TRV的波形基本相似，均为振荡波。在被试接触器开断瞬间，电源侧TRV由试验电源，回路电抗和电源侧TRV调频装置振荡产生；负载侧TRV由负载侧TRV调频装置储存的电能和负载回路的电阻和电抗一起振荡产生。

b.电源侧TRV 调频装置由调频电阻R1、频电容C1和C0组成，采用经验公式和仿真计算相结合确定了调频装置的电气参数；负载侧TRV 调频装置由调频电阻R2、调频电容C2组成，通过求解调频支路的电路方程，得出调频装置的电气参数。

参考文献:

[1]郭树财,马彦深,董伟力,等.接触器特性参数测试及关联性分析[J].电器与能效管理技术,2021(4):11-15,33.

[2]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.

[3]许志红.电器理论基础[M].北京:机械工业出版社,2014.

[4]焦通.交流接触器电寿命监测研究[D].沈阳:沈阳工业大学,2015.

[5]中国国家标准化管理委员会.高压交流接触器､基于接触器的控制器及电动机起动器:GB/T 14808—2016 [S].北京:中国标准出版社,2016.

[7]中国航空规划设计研究总院有限公司.工业与民用供配电设计手册(上册)[M].北京:中国电力出版社,2020.

[8]MIRSAD K.高压断路器理论､设计与试验方法[M].王建华,闫静,译.北京:机械工业出版社,2015.