喬卿陽,沈宇鵬,許太亞
斷路器電子脫扣器輸出繼電器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)
喬卿陽1,沈宇鵬2,許太亞2
(1.武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所,武漢 430064;2. 武漢長(zhǎng)海電氣科技開發(fā)有限公司,武漢 430064)
針對(duì)斷路器電子脫扣器驅(qū)動(dòng),本文設(shè)計(jì)了一種繼電器觸點(diǎn)雙極串聯(lián)輸出方案。介紹了負(fù)載的性能要求,詳細(xì)闡述了負(fù)載回路的工作原理。試驗(yàn)證明該方案提高了電子脫扣器的分?jǐn)嗄芰?,保證了斷路器的工作可靠性。
斷路器 觸點(diǎn)雙極串聯(lián) 分?jǐn)嗄芰?/p>
直流斷路器是直流電力系統(tǒng)重要的保護(hù)元件,其保護(hù)功能可通過電磁脫扣器與電子脫扣器實(shí)現(xiàn)。電磁脫扣器通常實(shí)現(xiàn)短路保護(hù),在出現(xiàn)過載工況時(shí),電磁脫扣器保護(hù)實(shí)現(xiàn)比較困難,此時(shí)需要電子脫扣器作為后備保護(hù),實(shí)現(xiàn)斷路器的短路保護(hù)和過載保護(hù)功能。
斷路器作為保護(hù)元件,為保證其控制電源的供電可靠性,通常采用220VDC蓄電池供電方式為其提供控制電源,斷路器操作機(jī)構(gòu)及分合閘線圈的工作電壓即為220VDC。在空氣中開斷電路時(shí),只要電壓在12~20 V,被開斷電流在0.25~1 A,在電器的觸頭間隙就會(huì)產(chǎn)生電弧[1]。電侵蝕是觸頭損壞的主要原因,在閉合狀態(tài)下電弧對(duì)觸頭的危害很小,但是在分?jǐn)噙^程中,由于分?jǐn)噙^程歷時(shí)較長(zhǎng),在整個(gè)分?jǐn)嗟钠陂g,由于金屬材料的觸頭間的轉(zhuǎn)移和液態(tài)金屬的濺射以及金屬蒸汽的擴(kuò)散,將對(duì)電器產(chǎn)生很大的危害[2]。直流電流的分?jǐn)噙^程中,電弧沒有過零點(diǎn),電弧難以熄滅,導(dǎo)致小型功率繼電器難以實(shí)現(xiàn)較高的直流電流分?jǐn)嗄芰Γ⌒凸β世^電器的分?jǐn)嚯妷阂话悴怀^125VDC,難以滿足直流斷路器的工作需要。通過以上分析可知,提高繼電器的觸頭弧壓及縮短繼電器分?jǐn)鄷r(shí)間是提高繼電器分?jǐn)嗄芰Φ年P(guān)鍵。本文設(shè)計(jì)了一種輸出繼電器觸點(diǎn)雙極串聯(lián)的電子脫扣器,提高了輸出繼電器斷口弧壓,提高了電子脫扣器的分?jǐn)嗄芰?,大大提升了電子脫扣器的工作可靠性?/p>
斷路器分閘回路電氣原理圖見圖1。斷路器分閘可通過兩個(gè)回路實(shí)現(xiàn)。當(dāng)分閘信號(hào)開關(guān)閉合時(shí),分閘線圈得電,分勵(lì)脫扣器動(dòng)作,斷路器實(shí)現(xiàn)分閘操作。斷路器分閘動(dòng)作到位后,分閘信號(hào)斷開或者QF輔助開關(guān)由常閉觸點(diǎn)轉(zhuǎn)換為常開觸點(diǎn),分閘線圈失電,完成電動(dòng)操作分閘過程。
斷路器出現(xiàn)過載或斷路工況時(shí),電子脫扣器輸出分閘信號(hào),分勵(lì)脫扣器驅(qū)動(dòng)信號(hào)觸點(diǎn)閉合,分閘線圈得電,分勵(lì)脫扣器動(dòng)作,斷路器實(shí)現(xiàn)分閘操作。斷路器分閘動(dòng)作到位后,QF輔助開關(guān)由常閉觸點(diǎn)轉(zhuǎn)換為常開觸點(diǎn),分閘線圈失電,斷路器完成保護(hù)動(dòng)作,此時(shí)分勵(lì)脫扣器驅(qū)動(dòng)信號(hào)斷開。
圖1 斷路器分閘回路電氣原理圖
通過電動(dòng)操作進(jìn)行操作時(shí),由于分閘信號(hào)觸點(diǎn)容量通常較大,滿足分閘線圈功率要求,故電動(dòng)操作過程對(duì)分閘信號(hào)操作時(shí)序無特殊要求,其閉合時(shí)間滿足斷路器分閘時(shí)間即可。即若斷路器分閘時(shí)間為60 ms,則分閘信號(hào)閉合時(shí)間超過60 ms即可。
若通過電子脫扣器進(jìn)行斷路器分閘操作,由于電子脫扣器分閘輸出繼電器觸點(diǎn)容量通常不能滿足分閘線圈功率要求,分勵(lì)脫扣器驅(qū)動(dòng)信號(hào)不能實(shí)現(xiàn)回路的分?jǐn)喙δ?。為保護(hù)電子脫扣器輸出繼電器不受損壞,回路的分?jǐn)啾仨氂奢o助開關(guān)QF實(shí)現(xiàn)。
圖2 斷路器動(dòng)作時(shí)序圖
在圖2中,若斷路器電動(dòng)操作分閘時(shí)間如實(shí)線所示,即分勵(lì)脫扣器驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出時(shí)間大于QF轉(zhuǎn)換時(shí)間,則回路分?jǐn)嘤奢o助開關(guān)QF實(shí)現(xiàn),斷路器實(shí)現(xiàn)正常分閘過程。
若斷路器電動(dòng)操作分閘時(shí)間如虛線所示,則分勵(lì)脫扣器驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出時(shí)間小于QF轉(zhuǎn)換時(shí)間,回路的分?jǐn)嘤呻娮用摽燮鬏敵隼^電器實(shí)現(xiàn)。若繼電器分?jǐn)嗳萘啃∮谪?fù)載功率,斷路器分?jǐn)噙^程可能失敗。
現(xiàn)有的電磁式繼電器大多為交流繼電器,具有較好的交流電流分?jǐn)嗄芰?,直流分?jǐn)嗄芰Σ睢T谥绷鳒缁≈?,電弧的電壓值?yīng)在整個(gè)燃弧過程中高于被分?jǐn)嗟闹绷鞴ぷ麟妷海荒芨叩轿<霸O(shè)備絕緣的程度[3]。本論文提出了一種繼電器雙極串聯(lián)輸出的方案,提高了繼電器的弧壓,縮短了繼電器的分?jǐn)鄷r(shí)間,提高輸出繼電器的分?jǐn)嗄芰?,提高了電子脫扣器的工作可靠性?/p>
圖3 繼電器雙極串聯(lián)電路圖
繼電器雙極串聯(lián)電路圖如圖3所示。圖中6、8為一極,2、4為一極。繼電器閉合時(shí),2、4和6、8同時(shí)接通,負(fù)載得電。繼電器斷開時(shí),2、4和6、8兩對(duì)觸點(diǎn)同時(shí)斷開,負(fù)載斷開回路。
繼電器觸點(diǎn)為機(jī)械觸點(diǎn),在機(jī)械觸點(diǎn)斷開過程中,會(huì)產(chǎn)生電弧。電弧的存在使繼電器的成功分?jǐn)啻嬖诤芏嗖淮_定性。在電器設(shè)計(jì)中,經(jīng)常采用提高弧壓的方式提高斷路器的分?jǐn)嗨俣?,減少對(duì)斷路器觸頭的侵蝕。我們可將繼電器觸點(diǎn)視為小型的斷路器觸點(diǎn),則可采用提高繼電器斷口弧壓的方法,提高繼電器的分?jǐn)嗄芰Α?/p>
假設(shè)回路電源電壓為U,負(fù)載阻抗為R,負(fù)載感抗為,在負(fù)載斷開時(shí),電路暫態(tài)電流為,負(fù)載斷口電壓為U,可列出繼電器分?jǐn)鄷r(shí)的暫態(tài)方程:
換算可得:
在繼電器觸點(diǎn)斷開的過程中,電壓擊穿空氣產(chǎn)生電弧,電弧為導(dǎo)電等離子氣體,繼續(xù)提供電流的流通路徑,同時(shí)由于有電流流經(jīng)電弧,電弧會(huì)產(chǎn)生一定的電壓,U即為繼電器觸點(diǎn)的弧壓。
若弧壓U與電源電壓U相等,即U=U,則公式2左端為0,由于RL和L均不為0,故此時(shí)可滿足等式成立條件,即繼電器斷口弧壓達(dá)到電源電壓值時(shí),回路電流降到0,回路斷開。
從上述計(jì)算可以看出,提高弧壓U是提高繼電器分?jǐn)嗄芰Φ年P(guān)鍵。假設(shè)在單極斷口中,斷口建立弧壓為U,則公式2可變換為:
而在雙極串聯(lián)電路中,繼電器存在兩個(gè)觸點(diǎn)斷口,此時(shí)會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)弧壓U和U。由于繼電器斷口觸點(diǎn)材質(zhì)、開距及電流等參數(shù)一致,則UU,此時(shí)公式(2)變換為:
即在繼電器雙極串聯(lián)情況下,繼電器觸點(diǎn)斷口弧壓提高到了原弧壓的兩倍。隨著弧壓的提升,負(fù)載阻抗R及感抗的分壓減小,回路電流下降。
本文選用歐姆龍公司G6B-2214-US-DC24V繼電器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。G6B-2214-US-DC24V為單穩(wěn)態(tài)雙極輸出2a接點(diǎn)繼電器,采用某型斷路器的分勵(lì)線圈作為負(fù)載,線圈阻抗431W,測(cè)試回路工作電源DC220V。測(cè)試回路電流采樣電阻阻值3.3W。
實(shí)驗(yàn)中,分別測(cè)試G6B-2214-US-DC24V繼電器單極斷開線圈負(fù)載的電流和斷口電壓波形及G6B-2214-US-DC24V繼電器雙極串聯(lián)斷開線圈負(fù)載的電流和斷口電壓波形。
圖4 繼電器單極斷開負(fù)載波形圖
圖4為繼電器單極斷開負(fù)載的波形。圖5為繼電器雙極串聯(lián)斷開負(fù)載的波形。圖中通道1為回路電流,通道1中采樣電阻為3.3W,故電壓值/3.3即為回路電流值。通道2為負(fù)載線圈兩端電壓,通道3為繼電器斷口電壓。
在圖4中,分?jǐn)嗲巴ǖ?電壓值1.68 V,可算得電流值為0.509 A,分?jǐn)噙^程中測(cè)得電壓1.2 V,回路電流為0.363 A。在繼電器分?jǐn)噙^程中,通道3測(cè)得的弧壓最高值為28 V。從繼電器開始產(chǎn)生弧壓至回路電流降為0的時(shí)間為17.2 ms,即繼電器分?jǐn)鄷r(shí)間為17.2 ms。
圖5 繼電器雙極串聯(lián)斷開負(fù)載波形圖
在圖5中,分?jǐn)嗲巴ǖ?電壓值1.68 V,可算得電流值為0.509 A。分?jǐn)噙^程中由于串聯(lián)電弧的急劇變化,回路電流呈現(xiàn)較大的波動(dòng),總體電流較圖4中出現(xiàn)較大下降。在繼電器分?jǐn)噙^程中,通道3測(cè)得的弧壓最高值為44 V。從繼電器開始產(chǎn)生弧壓至回路電流降為0的時(shí)間為6.8 ms,即繼電器分?jǐn)鄷r(shí)間為6.8 ms。
繼電器觸點(diǎn)的侵蝕大部分發(fā)生在觸點(diǎn)分?jǐn)噙^程中,分?jǐn)嚯娏髟酱?,分?jǐn)鄷r(shí)間越長(zhǎng),則對(duì)繼電器觸點(diǎn)的侵蝕越嚴(yán)重,可能導(dǎo)致繼電器壽命的降低。通過上述數(shù)據(jù)可以看出,在雙極串聯(lián)工況下,繼電器弧壓有較大提升(提升了將近1倍),繼電器的分?jǐn)鄷r(shí)間由17.2 ms降低為6.8 ms,而分?jǐn)嚯娏鲃t出現(xiàn)的明顯的下降。故在雙極串聯(lián)工況下,可大大改善繼電器觸點(diǎn)侵蝕的情況。
通過以上理論計(jì)算,并通過實(shí)際測(cè)試,在繼電器單極分?jǐn)嗪碗p極串聯(lián)分?jǐn)嗟那闆r下,繼電器的斷口弧壓由28 V提升至44 V,且繼電器的分?jǐn)鄷r(shí)間有17.2 ms降至6.8 ms。由以上實(shí)驗(yàn)可得出繼電器的雙極串聯(lián)可大大提高繼電器的分?jǐn)嗄芰Γ岣呃^電器的工作可靠性,大大提高了電子脫扣器的工作可靠性。
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Design and Test of Output Relay of Circuit Breaker Electronic Release
Qiao Qingyang1, Shen Yupeng2, Xu Taiya2
(1.Wuhan Institute of Marine Electrical Propulsion, Wuhan 430064, China;2.Wuhan Changhai, Wuhan 430064,China)
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1003-4862(2019)12-0062-03
2019-04-17
喬卿陽(1989-),男,工程師。研究方向:電力電子技術(shù),繼電保護(hù)。E-mail: 379385267@qq.com