直流連接器電弧行為分析

直流連接器電弧行為分析

0直流電弧電弧特性試驗(yàn)分析直隸儀是一種自動(dòng)控制裝置，是機(jī)械和電氣行業(yè)的重要支柱。接觸器觸頭斷開電路時(shí),觸頭間發(fā)生的電弧放電導(dǎo)致了觸頭材料的燒蝕,直接制約其可靠性和電壽命。從20世紀(jì)初開始,就有許多學(xué)者對(duì)直流電弧的特性進(jìn)行研究并提出了公式,如Ayrton公式、Steinmetz公式、Nottingham公式、Myers公式等,但這些公式或是參數(shù)太難以確定,或是受電壓、電流等級(jí)限制,大大限制了它們的可使用性。國(guó)內(nèi)對(duì)開關(guān)電器電弧特性的研究多集中于斷路器、繼電器等低壓電器,鮮有研究高壓大功率的直流接觸器電弧特性的文章發(fā)表。本文對(duì)GX14-CAB型號(hào)直流接觸器進(jìn)行試驗(yàn)分析,并依此確立適用于該型接觸器的電弧一般公式。最后,利用Matlab/Simulink建立直流接觸器模型,驗(yàn)證公式的準(zhǔn)確性,以便為研究各種限制電弧的措施提供仿真分析的基礎(chǔ)。1橋橋的氣化斷裂直流接觸器的觸頭分?jǐn)噙^程中,觸頭接觸面積減小,接觸部位溫度上升。當(dāng)觸頭分離到某一時(shí)刻,接觸部位的溫度上升到觸頭材料的熔點(diǎn)后,接觸處的金屬局部熔化,在觸頭間形成液態(tài)金屬橋。隨著觸頭的繼續(xù)分離,接觸部位局部溫度上升到觸頭材料的沸點(diǎn),最終導(dǎo)致金屬橋的氣化斷裂。由于該電弧屬于金屬相電弧,隨著接觸器觸頭間距的增大,周圍環(huán)境氣體將被電離,當(dāng)觸頭達(dá)到臨界間隙時(shí),電弧由金屬相轉(zhuǎn)換到氣體相,稱為氣相電弧。1.1觸頭材料不同時(shí)點(diǎn)最小生弧條件的研究研究表明,當(dāng)接觸器觸頭分?jǐn)嚯娐窌r(shí),只要電壓和被開斷電流滿足一定關(guān)系,觸頭間即會(huì)產(chǎn)生電弧。文獻(xiàn)對(duì)觸頭材料不同時(shí)的最小生弧條件的研究結(jié)果表明,常用的觸頭材料最小生弧電壓在12～16V,最小生弧電流約為數(shù)百毫安。觸頭分?jǐn)嚯娀‰妷篣、電流i變化示意圖如圖1所示。由圖1可知,若接觸器在t1時(shí)刻分?jǐn)嚯娐窌r(shí)滿足生弧條件,電弧電壓突變?yōu)樽钚∩‰妷篣min。1.2電弧停發(fā)期各因素的影響通過對(duì)GX14-CAB型號(hào)直流接觸器作大量分?jǐn)嚯娀≡囼?yàn)發(fā)現(xiàn):觸頭打開后,電弧電壓突變?yōu)樽钚∩‰妷篣min,然后有一段時(shí)間電弧電壓基本保持不變。將觸頭打開到電弧電壓有明顯的上升之間的時(shí)期稱為電弧停滯時(shí)期。影響電弧停滯時(shí)間的主要因素有:觸頭開斷速度、觸頭材料、滅弧室結(jié)構(gòu)、觸頭形狀和表面狀況等。由圖1可知,在t1～t2時(shí)間內(nèi),電弧電壓和電弧電流基本保持不變;在t2時(shí)刻,電弧電壓才有明顯的突變,t1～t2即為電弧停滯時(shí)間。1.3直流分離器開斷過電流時(shí)電弧電流的衰減由圖1可知,電弧停滯時(shí)期過后電弧電壓再次發(fā)生突變,突變后的電壓U0約為2Umin。以t2為起點(diǎn),電弧開始運(yùn)動(dòng),進(jìn)入拉弧時(shí)期,該時(shí)期內(nèi)電弧電壓、電流均隨時(shí)間變化。結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果和文獻(xiàn)研究成果可認(rèn)為,直流接觸器在開斷大電流時(shí)電弧電流線性衰減。由此,可建立電弧電流線性衰減模型。當(dāng)觸頭電弧進(jìn)入拉弧時(shí)期后,電弧電流按線性規(guī)律下降到熄弧電流值。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為iarc=-kt+i0(1)式中i0——拉弧起始電流,由i0=U-U0Ri0=U?U0R確定,其中,U為試驗(yàn)電源電壓,R為負(fù)載電阻k——電流衰減系數(shù)1.4最小拉弧電壓的計(jì)算直流電弧靜態(tài)伏安特性的公式為Uarc=Ki-δl+Umin(2)式中K——常數(shù),與電路條件有關(guān)i——電弧電流δ——常數(shù),電弧在空氣中燃燒時(shí),其值為1l——電弧長(zhǎng)度Umin——最小拉弧電壓式(2)是以l為參數(shù)。事實(shí)上,在接觸器分?jǐn)嗟倪^程中,l一直在變化,即可認(rèn)為l為時(shí)間t的函數(shù)。對(duì)于滅弧措施的直流接觸器來說,式(2)中的常數(shù)δ可取為1。那么,電弧伏安特性可簡(jiǎn)化為Uarc=Κ(t)i+U0(3)Uarc=K(t)i+U0(3)1.5電弧消失或燃燒當(dāng)接觸器觸頭處于拉弧時(shí)期時(shí),隨著接觸器觸頭間距的增大,電弧長(zhǎng)度l增大,電弧電流減小。由式(2)可知,觸頭間距的增大使得電弧電壓升高,維持電弧繼續(xù)燃燒所需的外加電壓升高;當(dāng)觸頭間距增大到某臨界值時(shí),外加電壓小于此間距下的電弧電壓,電源電壓將不足以維持此時(shí)的電弧繼續(xù)燃燒,電弧熄滅。不同電弧長(zhǎng)度時(shí)的伏安特性曲線如圖2所示,直線為阻性負(fù)載特性曲線。由圖2可見,隨著電弧長(zhǎng)度的增加,電弧伏安特性向上移動(dòng)。電弧穩(wěn)定燃燒的電流值逐漸減小,一直減小到相應(yīng)于直線U0-iR和電弧特性曲線切點(diǎn)的熄弧電流值ir,對(duì)應(yīng)的弧長(zhǎng)lr稱為臨界弧長(zhǎng);超過臨界弧長(zhǎng)后,作用于其上的電壓已不足以維持電弧繼續(xù)燃燒,因而電弧熄滅,電流突然降為零。由此可以得出,直流接觸器觸頭間電弧的熄弧條件為dUarcdi=d(U-iR)di(4)dUarcdi=d(U?iR)di(4)2制度驗(yàn)時(shí)電弧電壓與電弧電流的測(cè)量帶有電弧的直流阻性負(fù)載電路如圖3所示。進(jìn)行試驗(yàn)時(shí),通過接觸器兩端電壓和負(fù)載電壓得到電弧電壓與電弧電流。試驗(yàn)選用GX14-CAB型號(hào)接觸器,線路電感約50μH,具體參數(shù)如表1所示。2.1接觸劃分時(shí)的弧電壓不同試驗(yàn)條件下的最小起弧電壓如表2所示,對(duì)試驗(yàn)結(jié)果取平均值,直流接觸器觸頭分?jǐn)鄷r(shí)的最小生弧電壓Umin=16V。2.2電池中斷時(shí)間不同電路條件下的電弧停滯時(shí)間,如表3所示。對(duì)其取平均值,作為電弧模型的平均電弧停滯時(shí)間,約0.020ms。2.3試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合幾種不同電路條件下的突變電壓值,如表4所示?？傻玫酵蛔冸妷篣0統(tǒng)計(jì)值為30V。為確定式(1)中的k,對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。擬合結(jié)果發(fā)現(xiàn):k與電壓U和負(fù)載R有關(guān),即iarc=U-U0R-(A-BR)t(5)iarc=U?U0R?(A?BR)t(5)其中,A取(52.24-0.15U);B取(10.2-0.0357U)。2.4arc+uarc的計(jì)算對(duì)式(3)中的K(t)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合,結(jié)果為Uarc=(A-BR)tiarc+30(6)Uarc=(A?BR)tiarc+30(6)其中,A取(25U-1050);B取2.9U。2.5直流分離器熄弧電流值的計(jì)算由式(5)可得時(shí)間t與電流i的關(guān)系為t=(U-U0)/R-iarc(52.24-0.15U)-(10.2-0.0357U)R(7)t=(U?U0)/R?iarc(52.24?0.15U)?(10.2?0.0357U)R(7)將式(7)代入式(6),并對(duì)iarc求導(dǎo),后與式(4)聯(lián)立,可得到熄弧電流值為式(8)即為直流接觸器在不同電壓條件、不同負(fù)載條件下的熄弧電流值。為驗(yàn)證式(8)的準(zhǔn)確性,將不同條件下的熄弧電流值的試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較,結(jié)果如表5所示。其中,熄弧電流試驗(yàn)值與理論值之間誤差的計(jì)算方法為ir=√(25U-1050)-2.9URR?(U-Umin)/R52.24-0.15U-(10.2-0.0357U)R(8)ir=(25U?1050)?2.9URR?(U?Umin)/R52.24?0.15U?(10.2?0.0357U)R????????????????????????????????√(8)誤差=|計(jì)算值-試驗(yàn)值|試驗(yàn)值=|計(jì)算值?試驗(yàn)值|試驗(yàn)值由表5可見,計(jì)算得到的熄弧電流值與試驗(yàn)值的誤差均在10%以內(nèi),說明利用式(8)計(jì)算得到的熄弧電流值比較準(zhǔn)確,可用來分析直流接觸器的電弧特性。3直流分離器模型驗(yàn)證根據(jù)上述分析得到的直流接觸器電弧電流衰減模型、伏安特性公式和熄弧電流表達(dá)式,利用Matlab/Simulink工具建立直流接觸器的仿真模型,分別對(duì)100V/42.0A阻性負(fù)載、120V/63.4A阻性負(fù)載、150V/43.0A阻性負(fù)載進(jìn)行仿真,并將仿真波形和試驗(yàn)波形進(jìn)行對(duì)比,以驗(yàn)證直流接觸器仿真模型的準(zhǔn)確性。其波形如圖4～6所示。由圖4～圖6可見,由于進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)線路電感的影響,觸點(diǎn)電弧熄滅瞬間存在一定的電壓尖峰和電流突變;電弧電壓、電流仿真波形與試驗(yàn)波形基本一致;直流接觸器起弧電壓和熄弧電流與試驗(yàn)結(jié)果基本一致。仿真結(jié)果表明,建立的直流接觸器模型較好地模擬了接觸器分?jǐn)嚯娐窌r(shí)的電弧特性,可作為研究直流接觸器電弧特性的仿真模型使用。4負(fù)載-放電結(jié)構(gòu)對(duì)接觸點(diǎn)的影響以下對(duì)負(fù)載性質(zhì)為感性和容性時(shí)對(duì)觸頭電弧的影響進(jìn)行定性分析。4.1純阻性負(fù)載條件下電弧波形的變化根據(jù)建立的直流接觸器仿真模型,在120V/63.4A阻性負(fù)載電路中加入360μH電感進(jìn)行仿真,并與120V/63.4A純阻性負(fù)載條件下的電弧波形進(jìn)行比較,結(jié)果如圖7所示。由圖7可見,負(fù)載電感的存在使電弧電流無法突變,電弧電流衰減更慢,燃弧時(shí)間延長(zhǎng)。在有電磁接觸器的直流電路中,若負(fù)載為阻感性負(fù)載,則電弧電壓滿足Uarc=U-iR-Ldidt。由于電弧電流在拉弧過程中呈衰減趨勢(shì),電感上的電壓與電源電壓方向一致。與相同條件下的阻性負(fù)載電路相比,加在電弧兩端的電壓升高,從而導(dǎo)致燃弧時(shí)間變長(zhǎng),熄弧更加困難。4.2觸頭間產(chǎn)生電弧在高壓直流系統(tǒng)中,容性負(fù)載是最為重要的負(fù)載,具有解耦和濾波作用的電容多被使用。直流接觸器分?jǐn)嚯娐窌r(shí)觸頭間產(chǎn)生電弧的必要條件是:觸頭分離后,觸頭間的電壓可突變?yōu)樽钚∑鸹‰妷篣min。當(dāng)負(fù)載性質(zhì)為容性時(shí),由于電容電壓無法突變的特性,觸頭間電壓無法突變,因此,當(dāng)負(fù)載性質(zhì)為容性時(shí),直流接觸器觸頭間不易產(chǎn)生電弧。4.3容性負(fù)載對(duì)觸頭電弧的影響研究混合負(fù)載對(duì)觸頭電弧的影響可歸結(jié)為感性負(fù)載和容性負(fù)載對(duì)觸頭電弧的影響:負(fù)載中存在電感時(shí),電感使電路電流無法突變,拉弧時(shí)間更長(zhǎng);負(fù)載中存在電容時(shí),電容使負(fù)載電壓無法突變,觸頭不易產(chǎn)生電弧。5直流電弧光機(jī)氣動(dòng)力系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)本文以高壓大電流接觸器的觸頭電弧為對(duì)象,通過理論分析,試驗(yàn)、仿真相結(jié)合的方法進(jìn)行研