真空接触器的应用

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1、于Upper Midwest Electrical工业博览会上提出 2000年4月20日Joslyn Clark Controls 公司John S. Lett Joslyn Clark Controls 公司 Lancaster, SC美国 27.07.95关于真空接触器 的应用讨论2白皮书 关于真空接触器 的应用讨论真空开关早在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

2、。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

3、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）。 3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

4、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

5、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。白皮书 关于真空接触器 的应用讨论4ItIcIcIc 电弧材料凝结和电流停止时的点或电流值真空接触器电流截流值平均值0.55A 最大值0.9AVtVTVV = I x Z 典型电路 Z = 3000对于典型的真空断路器 如果I V = 10 x 3000V = 30,000V V = 30,000 = 4,160 = 34,160

6、V 不可接受的瞬变电压瞬变电压对于真空接触器 V = I x ZV - 0.9A（最大值）x 3000*欧姆V = 2700VV = V + V= 2700 + 4160= 6860 V 合理范围内的瞬变电压 真空设备最初设计是用作断路器，即用于开断大电流或短路 电流等，后来扩展到执行电机开关任务的接触器。设备使用 时，需要采取谨慎措施，避免在下游电气设备中引起瞬变电 压。用户在选择真空灭弧室时，需要考虑真空接触器和真空 断路器之间的这些细微而重要的差异。真空接触器中的断弧主触头的 开断合闸线圈 通电断路器电流截流值一般为 10A（平均值） 10 安培，那么最大白皮书 关于真空接触器 的应用讨

7、论5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

8、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

9、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。白皮书 关于真空接触器 的应用讨论6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

10、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 白皮书 关于真空接触器 的应用讨论7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A

11、C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。白皮书 关于真空接触器 的应用讨论8NEMA 规格NEMA 电流额定值HP 额定值 NEMA 最大值HP/KW460v600V4135A100/75160A 200A125/93 150/110150/110

12、 250/1855270A200/150320A 400A250/185 300/220300/220 500/3706540A400/300600A 600A 700A500/370 500/350 550/410575/430 600/470 700/520H2180A1250HP AT 4.16KV200A1500HP/1120KW AT 4.16KVH3360A2500HP 4.16KV400A3000HP/2250KW AT 4.16KVH4540A4000HP AT 4.16KV600A4500HP/3350KW AT 4.16KVH5720A5000HP 4.16KV800A60

13、00HP/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。白皮书 关于真空接触器 的应用讨论9电容器投切是真空接触器的另一个 理想应用

14、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

15、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

16、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。 白皮书 关于真空接触器 的应用讨论10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