真空接触器应用问题

1、真空接触器应用问题 John S. Lett Joslyn Clark Controls Lancaster, S.C. USA 在上中西部地区电气工业展览会上展示 2000 年4 月20 日 真空接触器并不是什么新鲜事物，它们已经得到了实践的充分验证，广泛应用在全球许多工业应用领域中。 本次我们将一起来研究真空断续器的优点、它对于用户应用的优势和考前须知。 引言 在过去的35 年间，真空断续器被应用到各种开关应用中。在本讨论中，我将向大家介绍现有装置的类型、相互之间的差异、典型的应用场合以及使用者获得的经验。 真空开关早在1897 年就成为人们公认的理想断续方法。其在断路器中的应用被认为大约

2、始于1920 年。这些装置的早期开发是在美国进行的，但不进行连接抽真空就无法保持较高的电介质强度，导致这种装置无法得到实际应用。50 年代，制造工艺改良到了完美的程度，使这种装置实现了商品化，在60 年代初期开始出现了用于断路器和接触器应用场合的各种产品。 真空断续器、断路器或真空接触器。图 1 中，左侧为一个典型的 13.8kV/400A 断路器瓷瓶，与 5kV/400A的真空接触器进行比拟。两种装置设计用于完成不同的工作。断路器用于不频繁地开合大电流短路，接触器用于频繁地开合小电流电机电流。 材料、控制电弧的不同方法和触点动作距离可决定完全不同的开关特性以及平均电气和机械寿命。用户在为适当

3、的应用选择装置时需对此进行正确评价。 即使在今天，许多启动器仍采用空气断路启动器的混合设计，具有断路器开关特性的断续器开关安装在一个带保险丝的接触器支架组件上。对用户来说，只实现了真空开关的少数优点，应用时如不认真地考虑，还会碰到一些缺点。 应用 那么为什么要考虑真空开关呢？首先让我们来看一下工程应用中要考虑的因素以及对用户的好处。 从一项成熟技术的 35 年开展历史中，我们可以看出，起电弧的介质已经从油变为空气，再变为现在的真空。在美国进行的研究说明，真空作为开关介质有以下优点： I 电弧能量低 II 打弧时间短 III 电弧隔离所需的动作小 IV 电弧抑制 这些特性在实际中意味着： I 电

4、气和机械寿命长 II 体积极小 III 无电弧隔板或熄弧线圈 由此可以看出，如果有什么缺点的话，就是真空作为介质太优秀了，如果不进行适当的控制，会使电弧被过早的熄灭，即在电流零点之前就熄灭。 通过为适当的应用选择正确的触点材料来实现对电弧的控制。此现象已被广泛熟知，多年来一直受到设计师和制造商的重视。最理想的情况是在电流零点处或尽量靠近电流零点处将电弧熄灭，不管用什么介质，所导致的“电流斩波将在系统中引起瞬变。正确设计的接触器中参加了低蒸气熔点的触点打弧材料，以此实现较低的“电流斩波，从而得到平安的开关特性。 最初设计的装置用于断路器任务，即开关大电流，短路电流等，然后被应用到接触器机电开关任

5、务中，如果不采取非常谨慎的措施，可引起下游设备的瞬变问题。诳悸钦婵斩闲魇保没菲兰壅婵战哟?器和真空断路器之间这些微妙而重要的差异。 电流斩波是随着 50 年代真空开关商品化而进入我们词汇表中的术语。早期在空气或油中的开关方式在电介质恢复速度方面相对较慢，当主触点将要分开时，电弧在最后熄灭前可能会跨越几次零值，在已经张开的间隙间的电介质强度足以防止再次打弧，因此电流再持续半周。引入真空作为电介质后，它与空气或油电介质有完全不同的特性，使其具有非常快速的电介质恢复速度。 真空中的电弧开断 主触点的开断 断路器电流斩波等级一般为A=10A，平均值真空接触器电流斩波等级 平均值0.55A，最大值0.9

6、A Ic 电弧材料凝结和电流停止流动的点或电流值给闭合线圈断电电压瞬变 VT=Ic×Zo 典型电路Zo=3000对典型的真空断路器 如果Ic =10A，那么：=34,160V，为不可接受的等级 对真空接触器VT=Ic×Zo =6860V，为合理的瞬变 在真空断续器的主触点断开时，不管是断路器还是接触器，由于质量小，隔离有限的高压以下的电弧所需的运动也小，很容易实现高速运动。同样地，电弧将在第一个电流零点处在半周内被熄灭。由于电介质的恢复速度快，真空断续器内的电弧在电流零点前有熄灭的趋势，这将使电流瞬间降到零，对下游设备产生感应电压或电压瞬变。 可用公式计算来估量。 VT=电

7、压瞬变 Ic =电流斩波 Zo=浪涌阻抗 因此，如果电流斩波为 0.9A 而浪涌阻抗为 3000，电压瞬变将等于在系统电压均方根值上加 2700V，不论系统电压为4160 还是5kV。但是，如果电流斩波为15A，乘以3000的浪涌阻抗，电压瞬变会等于在电源电压均方根值上加30kV。 从上面可以看出我们对浪涌阻抗值进行了一些假设，此值很难得到且随电路不同而变化。此外，电机或干式变压器要承受的电压瞬变也很难从电机和变压器制造商处得到。 真空接触器目前被用在15kV 以下的低压和中压系统上： - 电机 标准和高效感应 同步 绕线转子滑环 - 变压器馈线开合 - 电容器开合 变压器和电容器的开合通常用

8、真空接触器或真空断路器在15kV 以上的电压下进行。 机械寿命长 一般为三百万次开合，如每天开合30 次，平均寿命可达274 年 电气寿命长 一般为一百万次开合，如每天开合30 次，平均寿命可达91 年 维护少 不需要特殊的维护技巧或调节 检修停机时间最短 在24 小时连接操作过程中很重要 电弧抑制 没有电离的气体，降低了闪络危险 无熔焊 最小的触点颤抖、低电弧能量和湿度将触点熔焊的风险降到最小 高循环负载 可达1200 次开合/小时 结构巩固、体积小、噪声低、重量轻 比传统的空气断路接触器更小、噪声更低 可安装在任意平面上，控制简单 对小型密封封装电控接触器电路是理想的选择 石油化工厂和精炼

9、厂 地下采矿设备 石油化工开采和抽吸设施 感应加热熔炉 石油化工输送管道 电容器开合功率因数校正 造纸厂 危险区域防火设备 锯木厂 起重机控制 纺织厂 空气处理压缩设备 钢厂 MCC 制造商 煤和矿石的地下开采 控制板制造厂家 煤和矿石的地面开采 AC 和DC 电源 污水处理厂 谐波滤波器 食品加工 AC 和DC 牵引 材料处理 转接开关 电气设施 照明 机车运输 采掘电铲 石头碾压和采石 拖曳线 水泥厂 输送机 轮胎和橡胶厂 压碎机 抽水灌溉 削木机 泵油 轮式斗式挖士机 AC 和DC 驱动器 隧道开凿机 地面采矿设备 电子软启动器 设计合理的真空接触器内的固有机械力使产品在所有应用场合都能

10、够以最大额定值使用，给用户带来了最大的益处。 例如：国家标准额定接触器的尺寸规格，然后在电压方面施加适当的HP 额定值。下表比拟NEMA 额定值与电流额定值。 NEMA HP/KW 对真空接触器的连续电流，完全可以根据环境、海拔高度、占空比、频率、电机安装位置、电压环境、高效加速时间而减载运行，断续能力仍在接触器额定值极限范围内。增大的HP/KW额定值是相当大的。 变压器的开合涉及到承载和开合运行电流，在设计合理的真空接触器中，变压器中足以产生大小为连续电流20 到40 倍的瞬间起峰电流。 它们有适当的固有机械力来承受这些值以下的间起峰电流波期，不会将主接触器烧断。这是空气断路接触器减载运行的

11、主要原因。 一般情况下，400A 接触器的瞬间起峰电流为40×Ic=16KA，持续时间为8MS。真空接触器按UL508 标准测试可承受18KA-50MS，因此不需减载运行。真空接触器可以满400A 的额定值使用，通常以“KVA为单位来表示这些值。 NEMA 尺寸规格 HP 额定值 NEMA 最大值电流额定值 典型标准规格 NEMA 电流额定值 电容器开合是真空接触器的另一个理想应用场合，电容器开合内在地涉及到大电流涌入和再起弧问题，必须考虑单组开合和组对组开合。 首先考虑给一只电容器初次加电时产生瞬间起峰电流的情况，未充电的电容器组在加电时阻抗实际上为零，这就导致了一个高频瞬间起峰电

12、流。这种爆炸性的能量释放如果不加以限制，会对电容器和接触器都造成损坏。 真空接触器中的高机械接触力有助于防止触点损坏和磨损，消除触点熔焊的风险，使装置可被应用到其最大连续电容器开关额定值上。为延长机械寿命，应使用电抗器将瞬间起峰电流的值限制在触点的“烧断值以下。 当开断电容器组时会产生再起弧，产生的原因是开断速度太慢、接触不良、电介质不好或开合装置上的电弧腔室不干净。 真空接触器内在的具有持续的 高开断速度一般为16-20MS 纯洁的环境洁净的断续器电弧腔室 高品质的电介质真空介质 当开断充电的电容器时，接触器显然是切断了电源，但一旦隔离开后，带电的电容器会设法通过触点间隙向电源放电，因此需要

13、高速开断和持续洁净的电介质和电弧腔室。 空气断路接触器由于无法控制的环境和电弧而容易发生问题，因此要减载运行。 真空接触器通常与切断开关、保险丝/MCCB、过载继电器等保护装置配合使用，并设置在具有不同的密封等级设计的组合启动器中。 这些中低压启动器通常涉及机械联锁的接触器，用于： 换向 降电压启动 双速 双源转接开关 Y-变换 对这些类型的应用应给予特殊的考虑。 真空接触器对低压应用一般有 0.08 英寸的触点开启间隙，对中压应用为 0.15 英寸。在触点跨相连接的电路中，如换向电路，触点间隙只用于分开短路，在这类电路中，为保证安装和组装不良或电接触紊乱危及0.08 英寸的间隙，0.08 英寸机械和电气联锁是非常关键的。 启动器产品也应将真空接触器的优点延伸到启动器产品中。 寿命长，维护少 电弧和电离气体受控制 能产热耗低 小型结构节省占地 可靠的运行设计 故障平安运行能力 维护真空触点有两个关键要素：保持其上没有灰尘和污物，保持接点紧密。 防尘的NEMA 12 外壳和每年15 分钟的预防性维护检查接头扭力可保证启动器可靠地运行许多年。 目前，单独的或电机控制中心启动器款式都有所有这些特点，被很多重工业用户使用和验证，这些用途前面已经讨论过，概括起来包括： 电铲 熔炉 压缩机 精炼厂 平台 井下抽吸 起重机控制 机车 船舶 连续开矿机 长壁开矿机 轧钢厂 电容器组 在本