真空接触器的应用
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真空开关早在1897年就成为人们公认的理想断路方式,大约在1920年开始应用于断路器。
真空接触器并不是什么新鲜事物,它们已经广泛应用于全球众多行业,并久经考验。
本文中,我们将分析真空灭弧室的优点、用户应用优势以及注意事项。
简介
过去35年里,真空灭弧室已经用于各种开关应用。
本文中,我将向大家介绍现有真空灭弧室的类型、它们相互之间的区别、典型应用以及用户使用经验。
真空开关早在1897年就成为人们公认的理想断路方式大约在1920年开始应用于断路器。
这些真空设备的早期开发是在美国进行的,但由于不能保持真空,难以维持高介电强度,导致其实用性较差。
20世纪50年代,真空开关制造技术臻于完善,开始实现了商业化,并在60年代初期扩展到断路器和接触器的各种应用中。
真空灭弧室、断路器或真空接触器。
图1中显示的是一个典型的额定值为13.8kV/400A的断路器瓷瓶和一个额定值为5kV/400A的真空接触器瓷瓶的对比图。
两种设备设计用于不同用途。
断路器用于不频繁地开关大电流(短路电流),而接触器用于频繁地开关小电流(电机电流)。
即使在今天,许多真空启动器仍采用混合设计,将具有断路器开关特点的灭弧室开关安装在熔断式接触器的轮架组件上。
设备制造材料、灭弧方式和触头动作行程的不同,其开关特性、电气和机械寿命也会完全产生不同。
因此,用户在为适当应用选择设备时需要查看设备的材料、灭弧方式和触头动作行程。
即使在今天,许多真空启动器仍采用混合设计,将具有断路器开关特点的灭弧室开关安装在熔断式接触器的轮架组件上。
对用户来说,这种方法只实现了真空开关的少数优点,并且应用时如不注意应用事项,还可能会碰到一些缺陷。
应用
为什么要选择真空开关呢?首先,我们从工程应用和用户利益的角度来看看。
该技术始于1960年代中期,发展到现在已趋于成熟。
从其发展历程来看,灭弧介质从使用绝缘油变为空气,现在又发展为真空。
美国业界发现真空作为开关介质具有以下优点:
1. 电弧能耗低
2. 打弧时间短
3. 电弧隔离所需的动作小
4. 电弧抑制
这些特性在实际应用中意味着:
1. 电气和机械寿命长
2. 尺寸极其紧凑
3. 无需电弧隔板和熄弧线圈
如果说还有什么缺点,那就是真空作为灭弧介质效果太好了,以至于不采取适当控制电弧就会过早熄灭,即在电流零点之前就熄灭。
根据具体应用选择正确的触头材料,可是实现对电弧的控制。
这一现象已广为人知,多年来一直受到设计师设制造商的重视。
最理想的情况是在电流零点处或者尽可能靠近零点处将电弧熄灭,然而灭弧时(无论使用何种介质)会形成“电流截流”,进而在系统中引起瞬变电压。
正确设计的接触器触头加入了低蒸汽熔点的触头电弧材料,实现了低“电流截流值”,从而使得真空接触器具备安全开关特性。
欧姆
电流截流值是随着真空开关的出现而进入我们词汇表中的术语。
电流截流值是随着20世纪50年代真空开关开始商业化而进入我们词汇表中的术语。
早期的开关装置使用的介质是空气或者是油,这类介质恢复速率相对缓慢,当主触头将要分开时,电弧在熄灭之前要跨越好几次零点。
现在的开关,其张开的间隙间的介电强度大到可以防止再次打弧,从而阻止电流向后持续半个周期。
随着真空介质的引入,由于其介质恢复速度非常快,因此使得真空开关具备与空气或油介质开关完全不同的特征。
真空接触器中的断弧
当真空灭弧室(无论是断路器还是接触器)的主触头断开时,由于触头质量小,隔离高达高电压限值的电弧所需的触头运动也较小,因此很容易形成高速运动。
同样地,电弧会在半个周期内的第一个电流零点熄灭。
由于真空开关的介质恢复速度快,其真空灭弧室中的电弧会在电流零点前熄灭,这使得电流在瞬间降到零点,并在下游设备中产生感应电压或者瞬变电压。
这个可通过公式计算得出。
= 瞬变电压
= 电流截流值
= 浪涌阻抗
因此,如果电流截流值为0.9安培,浪涌阻抗为3,000欧姆,则在RMS系统电压上产生的瞬变电压为1.8kV,无论系统电压是4160还是5KV。
然而,如果电流截流值是5安培,乘以3000欧姆的浪涌阻抗,那么在RMS系统电压上产生的瞬变电压可达15KV。
可以看到我们在上述分析中对浪涌阻抗的值做了假设,这是因为浪涌阻抗很难得到,而且每个电路浪涌阻抗都不同。
此外,电机或者是干式变压器承受的瞬变电压也很难从电机和变压器制造商处获得。
应用
目前,真空接触器应用于低压以及最高15kV的中压系统。
• 电机
• 标准和高效感应
• 同步
• 绕线转子滑环
• 变压器馈线开关
• 电容器投切
变压器开关或电容器投切通常使用真空接触器或者真空断路器在15KV以上的电压下进行。
真空接触器优点
机械寿命长
电气寿命长
维修少
检修停机时间短
电弧抑制
无熔接
不受环境影响
高循环负载
结构坚固、此存紧凑、噪音低、重量轻
可安装在所有面板上,控制简单一般为3百万次开合,如每天开合30次,
预期寿命可达274年
一般为1百万次开合,如每天开合30次,
预期寿命可达91年
无需特殊的维护技巧或调整
这一点对24小时全时运行很重要
无电离气体,降低了闪络风险
最小的触头颤动、低电弧能量和温度,将触头熔接的风险降到最低
触头处于密封室内,不会受到大气污染物(例如HCl、灰尘、盐雾等)污染
高达1200次开合/小时
比传统的空气断路接触器更小更安静
是小型严密包装电力接触器电路的理想选择
工业用户
石油化工厂和精炼厂
石油化工开采和抽吸设施石油化工运输 – 管道
造纸厂
锯木厂
纺织厂
钢厂
煤矿石的地下开采
煤和矿的露天开采
污水处理工厂
食品加工
材料处理
电气设施
机车运输
岩石碾压和开采
水泥厂
轮胎和橡胶厂
抽水灌溉
泵油
AC和DC驱动器
露天采矿设备地下采矿设备
感应加热 - 熔炉
电容器投切 - 功率因数校正危险区域的防火设备
起重机控制
空气控制 - 压缩机设备MCC制造商
控制面板制造厂家
AC和DC电源
谐波滤波器
AC和DC牵引
转接开关
照明
矿用电铲
拖绳
输送机
破碎机
削木机
轮斗挖掘机
隧道掘进机
电子软启动器
设计合理的真空接触器的固有机械力(触头机械压力)使其能够在所有应用场合都能以最大额定值使用,给用户带来最大的益处。
NEMA 规格
NEMA
电流额定值
HP 额定值
NEMA 最大值
HP/KW
460v600V
4135A100/75160A
200A 125/93
150/110
150/110
250/185
5270A200/150320A
400A 250/185
300/220
300/220
500/370
6540A400/300600A
600A
700A
500/370
500/350
550/410
575/430
600/470
700/520
H2180A1250HP
AT 4.16KV200A 1500HP/1120KW AT 4.16KV
H3360A2500HP
4.16KV400A 3000HP/2250KW AT 4.16KV
H4540A4000HP
AT 4.16KV600A 4500HP/3350KW AT 4.16KV
H5720A5000HP
4.16KV800A 6000HP/4475KW AT 4.16KV
例如,国家标准额定接触器的规格,然后在电压方面设定了适当的HP额定值。
下表列出了NEMA额定值与电流额定值。
例如,国家标准额定接触器的规格,然后在电压方面设定了适当的HP额定值。
下表列出了NEMA额定值与电流额定值。
NEMA – HP/KW额定值对比表
电流额定值
典型标准规格
由于真空接触器的连续电流和分断能力始终能保持在其触头额定值的极限范围内,因此可以根据环境、海拔、占空比、频率、电机安装位置、电压环境以及高效加速时间降额使用。
提升后的HP/KW的额定值是相当大的。
电容器投切是真空接触器的另一个理想应用场合。
电容器投切要涉及到大电流冲击和复燃的问题。
真空接触器用于变压器开关时,要涉及到承载和开断运行电流的问题。
合理设计的真空接触器可以承受在变压器中产生的相当于持续工作电流20 - 40倍的冲击电流。
真空接触器有固有机械力,可承受高达持续工作电流20 - 40倍的冲击电流,并且主触头不会烧断。
而空气接触器在这种情况下则需要降额使用。
典型的400A接触器,能在40x-KA冲击电流下坚持8MS。
按照UL508标准测试,真空接触器可在18kA冲击电流下坚持50ms,因此无需降额使用。
真空接触器能够满额定值(400A)使用,通常以 “KVA” 作为单位来表示这些值。
电容器投切是真空接触器的另一个理想应用场合。
电容器投切要涉及到大电流冲击和复燃的问题。
使用时必须考虑是用于单组电容器投切和电容器组之间的投切。
首先要考虑的是电容器首次上电时会产生冲击电流的情况。
未充电的电容器组在加电时实际阻抗为零,因此加电时会形成一个高频的瞬间冲击电流。
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头损坏和磨损,消除触头熔接的风险,并使得接触器应用可达到最大连续电容器投切额定值。
为了延长电气寿命,应使用电抗器将冲击电流限制在触电的“烧断”值以下。
复燃现象发生在电容器组开断期间。
开断速度太慢、接触不良、电介质不好或者开关设备上灭弧室不清洁都有可能产生复燃。
真空接触器具有以下固有特性:
• 开断速度快(一般为16-20MS)
• 环境纯净(清洁的灭弧室)
• 电介质品质高(真空介质)
当切断已充电的电容器时,接触器显然是在切断电源。
但一旦隔离开后,已通电的电容器会通过触头间隙向电源放电,因此需要高速开断,并且要时刻保持电介质和灭弧室清洁。
在不可控和电弧环境中,空气断路接触器很容易出现问题,因此需要根据情况降额使用。
真空接触器一般会和其他保护设备(如切断开关、保险丝/ MCCB、过载继电器)一起使用,并且设置在具有不同密封等级的组合启动器中。
这中低压启动器通常和带有机械联锁的接触器一起应用:• 换向
• 降压起动
• 双速控制
• 双电源 - 转接开关
• 星 - 三角起动
应用
有些应用场合需要特别注意。
真空接触器对于低压应用一般会有0.08"的触头开距间隙,中压为0.15"。
在触头跨相连接的电路中,如换向电路,触头间隙是短路线路中仅有的间隔 (0.080")。
这种状况下,机械和电气联锁就非常关键,可以防止安装和组装不良或电接触紊乱危及0.080"的间隙。
启动器成套组件应该包含真空接触器的优点。
• 寿命长,维护少
• 电弧和电离气体受控制
• 能耗(发热)低
• 紧凑型设计(节省空间)
• 可靠的运行设计
• 故障安全运行能力
维护真空触头时需要注意两个关键点:
1、保持触头上面没有灰尘和污染物;
2、保持接点紧密。
使用NEMA12防尘外壳,并且每年进行15分钟的预防性维护(检查连接扭矩),可保证启动器长年可靠地运行。
• • • • • • • • • • • • •John S. Lett Joslyn Clark Controls Lancaster, SC 美国
目前,无论是单独还是用于电机控制中心的启动器款式都具备上文中提到的所有特性,并且得到了许多重工业用户(前文中提到)的青睐和验证。
概括起来,启动器可很好地用于以下场合:
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采矿机长臂采矿机轧钢厂电容器组
本文中,我们概括了真空中开关电弧的诸多优点,对设计人员和制造商关注的地方也作了详细地讲解。
本次讨论目的就是让用户对这些地方有一定的了解。
欲了解更多信息,请联系我们索取今天讨论的有关下列问题的技术资料的复印件:
1. 关于真空接触器的问与答(包括关于失去真空的讨论)
2. 电流截流的简单说明和使用真空灭弧室时瞬变电压的计算方法
3. 电容器投切应用注意事项以及通过计算限制高频和大电流冲击值
4. 换向真空接触器在起重机控制装置上的应用
5. 能显著延长既有断路器寿命的改造方案
)完成工程研。