真空接觸器應(yīng)用問題

1、真空接觸器應(yīng)用問題 John S. Lett Joslyn Clark Controls Lancaster, S.C. USA 在上中西部地區(qū)電氣工業(yè)展覽會(huì)上展示 2000 年4 月20 日 真空接觸器并不是什么新鮮事物，它們已經(jīng)得到了實(shí)踐的充分驗(yàn)證，廣泛應(yīng)用在全球許多工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域中。 本次我們將一起來研究真空斷續(xù)器的優(yōu)點(diǎn)、它對(duì)于用戶應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)和考前須知。 引言 在過去的35 年間，真空斷續(xù)器被應(yīng)用到各種開關(guān)應(yīng)用中。在本討論中，我將向大家介紹現(xiàn)有裝置的類型、相互之間的差異、典型的應(yīng)用場(chǎng)合以及使用者獲得的經(jīng)驗(yàn)。 真空開關(guān)早在1897 年就成為人們公認(rèn)的理想斷續(xù)方法。其在斷路器中的應(yīng)用被認(rèn)為大約

2、始于1920 年。這些裝置的早期開發(fā)是在美國(guó)進(jìn)行的，但不進(jìn)行連接抽真空就無法保持較高的電介質(zhì)強(qiáng)度，導(dǎo)致這種裝置無法得到實(shí)際應(yīng)用。50 年代，制造工藝改良到了完美的程度，使這種裝置實(shí)現(xiàn)了商品化，在60 年代初期開始出現(xiàn)了用于斷路器和接觸器應(yīng)用場(chǎng)合的各種產(chǎn)品。 真空斷續(xù)器、斷路器或真空接觸器。圖 1 中，左側(cè)為一個(gè)典型的 13.8kV/400A 斷路器瓷瓶，與 5kV/400A的真空接觸器進(jìn)行比擬。兩種裝置設(shè)計(jì)用于完成不同的工作。斷路器用于不頻繁地開合大電流短路，接觸器用于頻繁地開合小電流電機(jī)電流。 材料、控制電弧的不同方法和觸點(diǎn)動(dòng)作距離可決定完全不同的開關(guān)特性以及平均電氣和機(jī)械壽命。用戶在為適當(dāng)

3、的應(yīng)用選擇裝置時(shí)需對(duì)此進(jìn)行正確評(píng)價(jià)。 即使在今天，許多啟動(dòng)器仍采用空氣斷路啟動(dòng)器的混合設(shè)計(jì)，具有斷路器開關(guān)特性的斷續(xù)器開關(guān)安裝在一個(gè)帶保險(xiǎn)絲的接觸器支架組件上。對(duì)用戶來說，只實(shí)現(xiàn)了真空開關(guān)的少數(shù)優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用時(shí)如不認(rèn)真地考慮，還會(huì)碰到一些缺點(diǎn)。 應(yīng)用 那么為什么要考慮真空開關(guān)呢？首先讓我們來看一下工程應(yīng)用中要考慮的因素以及對(duì)用戶的好處。 從一項(xiàng)成熟技術(shù)的 35 年開展歷史中，我們可以看出，起電弧的介質(zhì)已經(jīng)從油變?yōu)榭諝?，再變?yōu)楝F(xiàn)在的真空。在美國(guó)進(jìn)行的研究說明，真空作為開關(guān)介質(zhì)有以下優(yōu)點(diǎn)： I 電弧能量低 II 打弧時(shí)間短 III 電弧隔離所需的動(dòng)作小 IV 電弧抑制 這些特性在實(shí)際中意味著： I 電

4、氣和機(jī)械壽命長(zhǎng) II 體積極小 III 無電弧隔板或熄弧線圈 由此可以看出，如果有什么缺點(diǎn)的話，就是真空作為介質(zhì)太優(yōu)秀了，如果不進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂疲瑫?huì)使電弧被過早的熄滅，即在電流零點(diǎn)之前就熄滅。 通過為適當(dāng)?shù)膽?yīng)用選擇正確的觸點(diǎn)材料來實(shí)現(xiàn)對(duì)電弧的控制。此現(xiàn)象已被廣泛熟知，多年來一直受到設(shè)計(jì)師和制造商的重視。最理想的情況是在電流零點(diǎn)處或盡量靠近電流零點(diǎn)處將電弧熄滅，不管用什么介質(zhì)，所導(dǎo)致的“電流斬波將在系統(tǒng)中引起瞬變。正確設(shè)計(jì)的接觸器中參加了低蒸氣熔點(diǎn)的觸點(diǎn)打弧材料，以此實(shí)現(xiàn)較低的“電流斬波，從而得到平安的開關(guān)特性。 最初設(shè)計(jì)的裝置用于斷路器任務(wù)，即開關(guān)大電流，短路電流等，然后被應(yīng)用到接觸器機(jī)電開關(guān)任

5、務(wù)中，如果不采取非常謹(jǐn)慎的措施，可引起下游設(shè)備的瞬變問題。誑悸欽嬋斬閑魘保沒菲蘭壅嬋戰(zhàn)喲?器和真空斷路器之間這些微妙而重要的差異。 電流斬波是隨著 50 年代真空開關(guān)商品化而進(jìn)入我們?cè)~匯表中的術(shù)語。早期在空氣或油中的開關(guān)方式在電介質(zhì)恢復(fù)速度方面相對(duì)較慢，當(dāng)主觸點(diǎn)將要分開時(shí)，電弧在最后熄滅前可能會(huì)跨越幾次零值，在已經(jīng)張開的間隙間的電介質(zhì)強(qiáng)度足以防止再次打弧，因此電流再持續(xù)半周。引入真空作為電介質(zhì)后，它與空氣或油電介質(zhì)有完全不同的特性，使其具有非常快速的電介質(zhì)恢復(fù)速度。 真空中的電弧開斷 主觸點(diǎn)的開斷 斷路器電流斬波等級(jí)一般為A=10A，平均值真空接觸器電流斬波等級(jí) 平均值0.55A，最大值0.9

6、A Ic 電弧材料凝結(jié)和電流停止流動(dòng)的點(diǎn)或電流值給閉合線圈斷電電壓瞬變 VT=Ic×Zo 典型電路Zo=3000對(duì)典型的真空斷路器 如果Ic =10A，那么：=34,160V，為不可接受的等級(jí) 對(duì)真空接觸器VT=Ic×Zo =6860V，為合理的瞬變 在真空斷續(xù)器的主觸點(diǎn)斷開時(shí)，不管是斷路器還是接觸器，由于質(zhì)量小，隔離有限的高壓以下的電弧所需的運(yùn)動(dòng)也小，很容易實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)動(dòng)。同樣地，電弧將在第一個(gè)電流零點(diǎn)處在半周內(nèi)被熄滅。由于電介質(zhì)的恢復(fù)速度快，真空斷續(xù)器內(nèi)的電弧在電流零點(diǎn)前有熄滅的趨勢(shì)，這將使電流瞬間降到零，對(duì)下游設(shè)備產(chǎn)生感應(yīng)電壓或電壓瞬變。 可用公式計(jì)算來估量。 VT=電

7、壓瞬變 Ic =電流斬波 Zo=浪涌阻抗 因此，如果電流斬波為 0.9A 而浪涌阻抗為 3000，電壓瞬變將等于在系統(tǒng)電壓均方根值上加 2700V，不論系統(tǒng)電壓為4160 還是5kV。但是，如果電流斬波為15A，乘以3000的浪涌阻抗，電壓瞬變會(huì)等于在電源電壓均方根值上加30kV。 從上面可以看出我們對(duì)浪涌阻抗值進(jìn)行了一些假設(shè)，此值很難得到且隨電路不同而變化。此外，電機(jī)或干式變壓器要承受的電壓瞬變也很難從電機(jī)和變壓器制造商處得到。 真空接觸器目前被用在15kV 以下的低壓和中壓系統(tǒng)上： - 電機(jī) 標(biāo)準(zhǔn)和高效感應(yīng) 同步 繞線轉(zhuǎn)子滑環(huán) - 變壓器饋線開合 - 電容器開合 變壓器和電容器的開合通常用

8、真空接觸器或真空斷路器在15kV 以上的電壓下進(jìn)行。 機(jī)械壽命長(zhǎng) 一般為三百萬次開合，如每天開合30 次，平均壽命可達(dá)274 年 電氣壽命長(zhǎng) 一般為一百萬次開合，如每天開合30 次，平均壽命可達(dá)91 年 維護(hù)少 不需要特殊的維護(hù)技巧或調(diào)節(jié) 檢修停機(jī)時(shí)間最短 在24 小時(shí)連接操作過程中很重要 電弧抑制 沒有電離的氣體，降低了閃絡(luò)危險(xiǎn) 無熔焊 最小的觸點(diǎn)顫抖、低電弧能量和濕度將觸點(diǎn)熔焊的風(fēng)險(xiǎn)降到最小 高循環(huán)負(fù)載 可達(dá)1200 次開合/小時(shí) 結(jié)構(gòu)鞏固、體積小、噪聲低、重量輕 比傳統(tǒng)的空氣斷路接觸器更小、噪聲更低 可安裝在任意平面上，控制簡(jiǎn)單 對(duì)小型密封封裝電控接觸器電路是理想的選擇 石油化工廠和精煉

9、廠 地下采礦設(shè)備 石油化工開采和抽吸設(shè)施 感應(yīng)加熱熔爐 石油化工輸送管道 電容器開合功率因數(shù)校正 造紙廠 危險(xiǎn)區(qū)域防火設(shè)備 鋸木廠 起重機(jī)控制 紡織廠 空氣處理壓縮設(shè)備 鋼廠 MCC 制造商 煤和礦石的地下開采 控制板制造廠家 煤和礦石的地面開采 AC 和DC 電源 污水處理廠 諧波濾波器 食品加工 AC 和DC 牽引 材料處理 轉(zhuǎn)接開關(guān) 電氣設(shè)施 照明 機(jī)車運(yùn)輸 采掘電鏟 石頭碾壓和采石 拖曳線 水泥廠 輸送機(jī) 輪胎和橡膠廠 壓碎機(jī) 抽水灌溉 削木機(jī) 泵油 輪式斗式挖士機(jī) AC 和DC 驅(qū)動(dòng)器 隧道開鑿機(jī) 地面采礦設(shè)備 電子軟啟動(dòng)器 設(shè)計(jì)合理的真空接觸器內(nèi)的固有機(jī)械力使產(chǎn)品在所有應(yīng)用場(chǎng)合都能

10、夠以最大額定值使用，給用戶帶來了最大的益處。 例如：國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)額定接觸器的尺寸規(guī)格，然后在電壓方面施加適當(dāng)?shù)腍P 額定值。下表比擬NEMA 額定值與電流額定值。 NEMA HP/KW 對(duì)真空接觸器的連續(xù)電流，完全可以根據(jù)環(huán)境、海拔高度、占空比、頻率、電機(jī)安裝位置、電壓環(huán)境、高效加速時(shí)間而減載運(yùn)行，斷續(xù)能力仍在接觸器額定值極限范圍內(nèi)。增大的HP/KW額定值是相當(dāng)大的。 變壓器的開合涉及到承載和開合運(yùn)行電流，在設(shè)計(jì)合理的真空接觸器中，變壓器中足以產(chǎn)生大小為連續(xù)電流20 到40 倍的瞬間起峰電流。 它們有適當(dāng)?shù)墓逃袡C(jī)械力來承受這些值以下的間起峰電流波期，不會(huì)將主接觸器燒斷。這是空氣斷路接觸器減載運(yùn)行的

11、主要原因。 一般情況下，400A 接觸器的瞬間起峰電流為40×Ic=16KA，持續(xù)時(shí)間為8MS。真空接觸器按UL508 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試可承受18KA-50MS，因此不需減載運(yùn)行。真空接觸器可以滿400A 的額定值使用，通常以“KVA為單位來表示這些值。 NEMA 尺寸規(guī)格 HP 額定值 NEMA 最大值電流額定值 典型標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格 NEMA 電流額定值 電容器開合是真空接觸器的另一個(gè)理想應(yīng)用場(chǎng)合，電容器開合內(nèi)在地涉及到大電流涌入和再起弧問題，必須考慮單組開合和組對(duì)組開合。 首先考慮給一只電容器初次加電時(shí)產(chǎn)生瞬間起峰電流的情況，未充電的電容器組在加電時(shí)阻抗實(shí)際上為零，這就導(dǎo)致了一個(gè)高頻瞬間起峰電

12、流。這種爆炸性的能量釋放如果不加以限制，會(huì)對(duì)電容器和接觸器都造成損壞。 真空接觸器中的高機(jī)械接觸力有助于防止觸點(diǎn)損壞和磨損，消除觸點(diǎn)熔焊的風(fēng)險(xiǎn)，使裝置可被應(yīng)用到其最大連續(xù)電容器開關(guān)額定值上。為延長(zhǎng)機(jī)械壽命，應(yīng)使用電抗器將瞬間起峰電流的值限制在觸點(diǎn)的“燒斷值以下。 當(dāng)開斷電容器組時(shí)會(huì)產(chǎn)生再起弧，產(chǎn)生的原因是開斷速度太慢、接觸不良、電介質(zhì)不好或開合裝置上的電弧腔室不干凈。 真空接觸器內(nèi)在的具有持續(xù)的 高開斷速度一般為16-20MS 純潔的環(huán)境潔凈的斷續(xù)器電弧腔室 高品質(zhì)的電介質(zhì)真空介質(zhì) 當(dāng)開斷充電的電容器時(shí)，接觸器顯然是切斷了電源，但一旦隔離開后，帶電的電容器會(huì)設(shè)法通過觸點(diǎn)間隙向電源放電，因此需要

13、高速開斷和持續(xù)潔凈的電介質(zhì)和電弧腔室。 空氣斷路接觸器由于無法控制的環(huán)境和電弧而容易發(fā)生問題，因此要減載運(yùn)行。 真空接觸器通常與切斷開關(guān)、保險(xiǎn)絲/MCCB、過載繼電器等保護(hù)裝置配合使用，并設(shè)置在具有不同的密封等級(jí)設(shè)計(jì)的組合啟動(dòng)器中。 這些中低壓?jiǎn)?dòng)器通常涉及機(jī)械聯(lián)鎖的接觸器，用于： 換向 降電壓?jiǎn)?dòng) 雙速 雙源轉(zhuǎn)接開關(guān) Y-變換 對(duì)這些類型的應(yīng)用應(yīng)給予特殊的考慮。 真空接觸器對(duì)低壓應(yīng)用一般有 0.08 英寸的觸點(diǎn)開啟間隙，對(duì)中壓應(yīng)用為 0.15 英寸。在觸點(diǎn)跨相連接的電路中，如換向電路，觸點(diǎn)間隙只用于分開短路，在這類電路中，為保證安裝和組裝不良或電接觸紊亂危及0.08 英寸的間隙，0.08 英寸機(jī)械和電氣聯(lián)鎖是非常關(guān)鍵的。 啟動(dòng)器產(chǎn)品也應(yīng)將真空接觸器的優(yōu)點(diǎn)延伸到啟動(dòng)器產(chǎn)品中。 壽命長(zhǎng)，維護(hù)少 電弧和電離氣體受控制 能產(chǎn)熱耗低 小型結(jié)構(gòu)節(jié)省占地 可靠的運(yùn)行設(shè)計(jì) 故障平安運(yùn)行能力 維護(hù)真空觸點(diǎn)有兩個(gè)關(guān)鍵要素：保持其上沒有灰塵和污物，保持接點(diǎn)緊密。 防塵的NEMA 12 外殼和每年15 分鐘的預(yù)防性維護(hù)檢查接頭扭力可保證啟動(dòng)器可靠地運(yùn)行許多年。 目前，單獨(dú)的或電機(jī)控制中心啟動(dòng)器款式都有所有這些特點(diǎn)，被很多重工業(yè)用戶使用和驗(yàn)證，這些用途前面已經(jīng)討論過，概括起來包括： 電鏟 熔爐 壓縮機(jī) 精煉廠 平臺(tái) 井下抽吸 起重機(jī)控制 機(jī)車 船舶 連續(xù)開礦機(jī) 長(zhǎng)壁開礦機(jī) 軋鋼廠 電容器組 在本