直流连接器电弧行为分析

直流连接器电弧行为分析

0直流电弧电弧特性试验分析直隶仪是一种自动控制装置，是机械和电气行业的重要支柱。接触器触头断开电路时,触头间发生的电弧放电导致了触头材料的烧蚀,直接制约其可靠性和电寿命。从20世纪初开始,就有许多学者对直流电弧的特性进行研究并提出了公式,如Ayrton公式、Steinmetz公式、Nottingham公式、Myers公式等,但这些公式或是参数太难以确定,或是受电压、电流等级限制,大大限制了它们的可使用性。国内对开关电器电弧特性的研究多集中于断路器、继电器等低压电器,鲜有研究高压大功率的直流接触器电弧特性的文章发表。本文对GX14-CAB型号直流接触器进行试验分析,并依此确立适用于该型接触器的电弧一般公式。最后,利用Matlab/Simulink建立直流接触器模型,验证公式的准确性,以便为研究各种限制电弧的措施提供仿真分析的基础。1桥桥的气化断裂直流接触器的触头分断过程中,触头接触面积减小,接触部位温度上升。当触头分离到某一时刻,接触部位的温度上升到触头材料的熔点后,接触处的金属局部熔化,在触头间形成液态金属桥。随着触头的继续分离,接触部位局部温度上升到触头材料的沸点,最终导致金属桥的气化断裂。由于该电弧属于金属相电弧,随着接触器触头间距的增大,周围环境气体将被电离,当触头达到临界间隙时,电弧由金属相转换到气体相,称为气相电弧。1.1触头材料不同时点最小生弧条件的研究研究表明,当接触器触头分断电路时,只要电压和被开断电流满足一定关系,触头间即会产生电弧。文献对触头材料不同时的最小生弧条件的研究结果表明,常用的触头材料最小生弧电压在12～16V,最小生弧电流约为数百毫安。触头分断电弧电压U、电流i变化示意图如图1所示。由图1可知,若接触器在t1时刻分断电路时满足生弧条件,电弧电压突变为最小生弧电压Umin。1.2电弧停发期各因素的影响通过对GX14-CAB型号直流接触器作大量分断电弧试验发现:触头打开后,电弧电压突变为最小生弧电压Umin,然后有一段时间电弧电压基本保持不变。将触头打开到电弧电压有明显的上升之间的时期称为电弧停滞时期。影响电弧停滞时间的主要因素有:触头开断速度、触头材料、灭弧室结构、触头形状和表面状况等。由图1可知,在t1～t2时间内,电弧电压和电弧电流基本保持不变;在t2时刻,电弧电压才有明显的突变,t1～t2即为电弧停滞时间。1.3直流分离器开断过电流时电弧电流的衰减由图1可知,电弧停滞时期过后电弧电压再次发生突变,突变后的电压U0约为2Umin。以t2为起点,电弧开始运动,进入拉弧时期,该时期内电弧电压、电流均随时间变化。结合试验结果和文献研究成果可认为,直流接触器在开断大电流时电弧电流线性衰减。由此,可建立电弧电流线性衰减模型。当触头电弧进入拉弧时期后,电弧电流按线性规律下降到熄弧电流值。其数学表达式为iarc=-kt+i0(1)式中i0——拉弧起始电流,由i0=U-U0Ri0=U−U0R确定,其中,U为试验电源电压,R为负载电阻k——电流衰减系数1.4最小拉弧电压的计算直流电弧静态伏安特性的公式为Uarc=Ki-δl+Umin(2)式中K——常数,与电路条件有关i——电弧电流δ——常数,电弧在空气中燃烧时,其值为1l——电弧长度Umin——最小拉弧电压式(2)是以l为参数。事实上,在接触器分断的过程中,l一直在变化,即可认为l为时间t的函数。对于灭弧措施的直流接触器来说,式(2)中的常数δ可取为1。那么,电弧伏安特性可简化为Uarc=Κ(t)i+U0(3)Uarc=K(t)i+U0(3)1.5电弧消失或燃烧当接触器触头处于拉弧时期时,随着接触器触头间距的增大,电弧长度l增大,电弧电流减小。由式(2)可知,触头间距的增大使得电弧电压升高,维持电弧继续燃烧所需的外加电压升高;当触头间距增大到某临界值时,外加电压小于此间距下的电弧电压,电源电压将不足以维持此时的电弧继续燃烧,电弧熄灭。不同电弧长度时的伏安特性曲线如图2所示,直线为阻性负载特性曲线。由图2可见,随着电弧长度的增加,电弧伏安特性向上移动。电弧稳定燃烧的电流值逐渐减小,一直减小到相应于直线U0-iR和电弧特性曲线切点的熄弧电流值ir,对应的弧长lr称为临界弧长;超过临界弧长后,作用于其上的电压已不足以维持电弧继续燃烧,因而电弧熄灭,电流突然降为零。由此可以得出,直流接触器触头间电弧的熄弧条件为dUarcdi=d(U-iR)di(4)dUarcdi=d(U−iR)di(4)2制度验时电弧电压与电弧电流的测量带有电弧的直流阻性负载电路如图3所示。进行试验时,通过接触器两端电压和负载电压得到电弧电压与电弧电流。试验选用GX14-CAB型号接触器,线路电感约50μH,具体参数如表1所示。2.1接触划分时的弧电压不同试验条件下的最小起弧电压如表2所示,对试验结果取平均值,直流接触器触头分断时的最小生弧电压Umin=16V。2.2电池中断时间不同电路条件下的电弧停滞时间,如表3所示。对其取平均值,作为电弧模型的平均电弧停滞时间,约0.020ms。2.3试验数据的拟合几种不同电路条件下的突变电压值,如表4所示。可得到突变电压U0统计值为30V。为确定式(1)中的k,对试验数据进行拟合。拟合结果发现:k与电压U和负载R有关,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的计算对式(3)中的K(t)进行数据拟合,结果为Uarc=(A-BR)tiarc+30(6)Uarc=(A−BR)tiarc+30(6)其中,A取(25U-1050);B取2.9U。2.5直流分离器熄弧电流值的计算由式(5)可得时间t与电流i的关系为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)将式(7)代入式(6),并对iarc求导,后与式(4)联立,可得到熄弧电流值为式(8)即为直流接触器在不同电压条件、不同负载条件下的熄弧电流值。为验证式(8)的准确性,将不同条件下的熄弧电流值的试验结果与计算结果进行比较,结果如表5所示。其中,熄弧电流试验值与理论值之间误差的计算方法为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)误差=|计算值-试验值|试验值=|计算值−试验值|试验值由表5可见,计算得到的熄弧电流值与试验值的误差均在10%以内,说明利用式(8)计算得到的熄弧电流值比较准确,可用来分析直流接触器的电弧特性。3直流分离器模型验证根据上述分析得到的直流接触器电弧电流衰减模型、伏安特性公式和熄弧电流表达式,利用Matlab/Simulink工具建立直流接触器的仿真模型,分别对100V/42.0A阻性负载、120V/63.4A阻性负载、150V/43.0A阻性负载进行仿真,并将仿真波形和试验波形进行对比,以验证直流接触器仿真模型的准确性。其波形如图4～6所示。由图4～图6可见,由于进行试验时线路电感的影响,触点电弧熄灭瞬间存在一定的电压尖峰和电流突变;电弧电压、电流仿真波形与试验波形基本一致;直流接触器起弧电压和熄弧电流与试验结果基本一致。仿真结果表明,建立的直流接触器模型较好地模拟了接触器分断电路时的电弧特性,可作为研究直流接触器电弧特性的仿真模型使用。4负载-放电结构对接触点的影响以下对负载性质为感性和容性时对触头电弧的影响进行定性分析。4.1纯阻性负载条件下电弧波形的变化根据建立的直流接触器仿真模型,在120V/63.4A阻性负载电路中加入360μH电感进行仿真,并与120V/63.4A纯阻性负载条件下的电弧波形进行比较,结果如图7所示。由图7可见,负载电感的存在使电弧电流无法突变,电弧电流衰减更慢,燃弧时间延长。在有电磁接触器的直流电路中,若负载为阻感性负载,则电弧电压满足Uarc=U-iR-Ldidt。由于电弧电流在拉弧过程中呈衰减趋势,电感上的电压与电源电压方向一致。与相同条件下的阻性负载电路相比,加在电弧两端的电压升高,从而导致燃弧时间变长,熄弧更加困难。4.2触头间产生电弧在高压直流系统中,容性负载是最为重要的负载,具有解耦和滤波作用的电容多被使用。直流接触器分断电路时触头间产生电弧的必要条件是:触头分离后,触头间的电压可突变为最小起弧电压Umin。当负载性质为容性时,由于电容电压无法突变的特性,触头间电压无法突变,因此,当负载性质为容性时,直流接触器触头间不易产生电弧。4.3容性负载对触头电弧的影响研究混合负载对触头电弧的影响可归结为感性负载和容性负载对触头电弧的影响:负载中存在电感时,电感使电路电流无法突变,拉弧时间更长;负载中存在电容时,电容使负载电压无法突变,触头不易产生电弧。5直流电弧光机气动力系统的优化设计本文以高压大电流接触器的触头电弧为对象,通过理论分析,试验、仿真相结合的方法进行研