高压真空接触器电气控制回路的优化设计

高压真空接触器电气控制回路的优化设计

【摘要】针对高压真空接触器及其与微机保护装置配合的电气控制回路，通过实际应用和与断路器的对比，分析存在的问题及其原因，提出了较好解决问题的方案。

【关键词】高压真空接触器电气控制回路优化设计

高压真空接触器具有噪声小、使用寿命长、可频繁操作等优势，在电厂、石化、冶金、矿业等领域，广泛用于高压电动机的控制和保护。高压真空接触器可与高压熔断器以及继电保护装置组合在一起，成为具有综合保护特性的高压真空接触器一熔断器组合电器。也称综合起动器，俗称F—C回路。短路保护由熔断器进行，而高压真空接触器主要保护负载的过载等。

传统继电保护装置基于各种继电器的配合实现各种保护和控制功能，微机综保装置的成功应用大大简化了保护和控制回路，降低了回路故障率，在断路器应用上获得普遍认可。但传统继电保护装置和微机保护装置多针对高压断路器的应用而设计、开发，且由于接触器的电气控制原理图的自身设计原因，则普遍存在如下问题：

(1)不能进行分、合闸回路监视；

(2)防跳功能无法实现；

(3)不能可靠合闸等。

针对上述问题，本文对机械保持型高压真空接触器的电气控制原理进行了较为详细的分析，并提出了可靠的解决办法。

1 问题的出现及其原因分析

高压断路器经过几十年的发展，其电气接线图从早期的油断路器和ZN21、ZN28真空断路器的简单原理逐步发展为VD4、VS1等具有很强的通用性，包含了防跳、闭锁的功能，可普遍与常规综保和微机综保配合实现对设备运行的可靠控制、保护和监视等。从而大大提高了设备现场运行的可靠性、实用性。高压真空接触器的操动机构多为电磁机构，不同于断路器的弹操机构，没有储能回路，因此其控制回路也大有不同。长期以来，大多厂家在接触器没有设计相应功能，但在实际应用过程中，高压真空接触器和高压断路器经常在同一配电室运行。为统一管理，大多用户都要求接触器与断路器具有基本类似的保护控制回路，确保其正常操作、记录、巡视等习惯上与断路器一致，从而避免主观可能导致的事故。因此，我们有必要分析、探讨高压真空接触器的控制原理，并探讨其功能最优的电气控制方案。

目前，高压真空接触器典型的电气原理图如图1所示。

图中虚线框内为接触器的内部线路，其合闸过程如下：启动SC合闸按钮，合闸辅助继电器K2则动作，K2的两个串联常开触点切换成闭合触点，合闸回路得电，机构动作，机械锁扣使接触器保持在合闸位置，完成合闸操作，合闸后。接触器的辅助触点S3切换，解除合闸控制回路的K2。分闸过程如下：启动SO分闸按钮，分闸线圈得电，解除机械锁扣，接触器分闸，辅助触点S3切换。

该原理图的优点是回路简单，原理清晰，分析容易，但并不符合实际应用需要。在实际应用过程中，暴露出较多的问题：

(1)没有防跳回路。防跳功能能够防止开关在合分操作后，合闸信号和分闸信号持续时，造成开关频繁自动合分的现象。较多厂家在接触器没有设计防跳回路，需要在外部通过增加中间继电器等实现该功能。多数用户习惯于将接触器的控制回路与断路器对等起来分析，而断路器的防跳均在开关内部实现，通过短接两个接线即可启用该功能。高压真空接触器控制和保护的负载多为高压电动机。高压电动机启动电流较大(一般为满载电流的6倍)，没有防跳功能的接触器控制故障时会导致负载对电网的极大冲击。造成系统配电设备和负载的严重损伤。因此，非常有必要对高压真空接触器设计防跳回路。

(2)存在合闸不可靠的可能。辅助开关触点的切换几乎都有一个特征：常开触点切换成闭合触点要比常闭触点切换成断开触点的时间晚，一般在40％左右的行程，有些则达到60％，具体分析见图2。同时高压真空接触器的合闸时间要比高压断路器长，断路器的合闸时间一般在60ms以内。而接触器一般为100～150ms。因此有可能出现合闸按钮按下时，高压真空接触器还没有真正合到位，S3辅助触点就已经断开，将合闸回路切除，则合闸辅助继电器K2有可能动作没到位或者刚到位就失电释放(继电器动作时间和返回时间一般为20ms左右)，导致合闸回路没有得到充分的能量输入，合闸不能到位。此时，即使合闸按钮的

闭合时间足够长，也不能克服这一点。看似产品机构不可靠的问题，而根本原因是，高压真空接触器的合闸不同于断路器。断路器先通过储能机构储能，合闸时合闸电磁铁得电启动机构合闸即可，合闸过程中的能量来自于其储能机构。而真空接触器的合闸则需要全过程合闸线圈得电，直至合闸到位，因此需要保证合闸回路获得充分的通电时间。根据客户对部分厂家产品的评价，此类问题确实较为普遍。

(3)合闸回路的设计对外部合闸辅助继电器辅助触点的容量要求非常高。通常情况下，高压真空接触器的合闸电流在DC220V时，约为3～7A，接触器式继电器触点长期载流能力虽然达10A以上，而其开断直流电流的能力仅为0.3A(一般额定开断容量为60W)，即使双触点串联额定开断能力也只有0.6A，也无法满足接触器合闸所需的开断和关合容量的要求。因此，用户必须采用能开断大容量的大功率低压接触器来控制合闸。带来成本高、功耗大等问题。

(4)不能实现跳位监视功能(或合闸回路断线功能)。高压断路器通过在分、合闸回路的分闸按钮上并联继电器都可以实现回路监视功能，这些继电器为了保证开关不会误动，其阻值与断路器分、合闸线圈的阻值相比来说很大(比如约为10kΩ)，从而保证继电器可获得足够的分压，而断路器分、合闸线圈不能动作。但高压真空接触器的合闸控制是通过合闸辅助继电器来实现的，该继电器的阻值也比较大(220V的继电器阻值约在8kΩ)。因此在分闸后，合闸线圈分压仍有可能达到动作电压而合闸：或跳位监视继电器分压达不到动作电压而显示回路断线等一系列问题。

(5)不能同微机保护装置可靠匹配。微机综保装置大大简化了开关设备的外围线路，且可靠性、稳定性都有保障。长期以来，微机综保装置的内部接线原理都是针对高压断路器的需要设计的，容纳了保护、控制、监视、通信等功能，成为开关行业的有力保障。高压接触器却很少有人关注，因此，微机装置在高压接触器的控制保护应用上。大多不能完全适用。比如：微机的分合闸控制都设置了自保持回路，确保开关准确到位后。才解除指令。而高压接触器的合闸辅助继电器过大的阻值使得该自保持回路不能启动，因此合闸的可靠性与合闸指令的长短表现出很大关系。同时微机的合位、跳位监视也不能发挥正常功能。个别厂家将接触器的合闸回路与合闸控制回路合并企图解决该问题，但微机的合闸回路瞬间最大通流一般不超过5A，且其开断能力有限。不能直接断开该直流回路，因此，造成微机装置本体合闸回路经常烧坏。

因此，接触器的操作回路既要照顾到与断路器相似，同时还应保证本身操作的可靠性。设计一种实用、可靠的高压接触器电气控制原理变得极为必要。

2 解决方案

根据市场反馈信息以及接触器的设计、应用经验，厦门兴厦控电气有限公司设计了应用于该公司VCF~真空接触器一熔断器组合电器的电气原理图，重新设计了合闸回路和合闸控制回路，如图3所示。

图中虚线框内为接触器的内部线路，其合闸过程如下：启动SC合闸按钮，合闸辅助继电器K2则动作，K2的两个常开触点切换成闭合触点，合闸回路得电，机构动作。机械锁扣使接触器保持在合闸位置，完成合闸操作，同时，接触器的辅助触点S3切换，解除合闸控制回路的K2。分闸过程如下：启动SO分闸按钮，分闸线圈得电，解除机械锁扣，接触器分闸，辅助触点S3切换。

通过该电气控制原理，基本克服了传统原理图所存在的一些缺陷，具体如下：

(1)合闸采用双绕组结构，使产品合闸辅助继电器的可靠性得到大大提高。合闸回路采用双绕组后，合闸辅助继电器闭合瞬间的接通电流和断开瞬间的开断电流均为同时流经合闸线圈YB和保持线圈YC的电流(在电保持中为保持电流)，此电流比较小，因此，普通继电器完全可以满足要求。其合闸过程如下：合闸辅助继电器K2的串联常开触点闭合之后，K1得电，K1的两个串联常开触点切换成闭合触点，短接了YC，此时，电压全部加在YC上，此时电流约在7A以上，接触器合闸，然后K1失电，合闸回路电流又恢复到较