针对直流输电换流变压器冷却器控制箱接触器发热及异响缺分析研究与优化治理_电气经济_机械工业北京电工技术经济研究所

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针对直流输电换流变压器冷却器控制箱接触器发热及异响缺分析研究与优化治理

作者: 王海锋 刘宁 (中国南方电网有限责任公司超高压输电公司曲靖局)  来源: 时间:2019-05-21

摘要接触器是现今很多控制回路的重要组成单元,接触器工作性能的好坏将直接影响到相关控制回路的正常通断,在电力系统中还将对电力系统的稳定运行造成冲击。在我国电力系统的变电站中使用大量的接触器来实现通过低电压二次回路控制高电压一次回路的通断,在运行过程中发现接触器存在发热严重、异常振动、异响等现象,严重影响相关控制系统的正常运行。本文将以某±500kV换流站换流变压器冷却器控制箱交流电源进线主接触器的异常发热、振动、异响为分析研究对象,具体分析研究以下内容:

(1)分析了接触器异常发热原因。接触器异常发热主要有线圈发热、铁心发热、触头发热、引流线接线端子发热。结合实际生产接触器具体情况对比分析发现接触器铁心氧化锈蚀导致铁心发热是接触器发热最常见的故障。

(2)分析了接触器异常振动、异响原因。交流控制电流使得线圈产生的磁场也是交变的,在交变过程中当电磁铁在电流过零时,吸力减少到小于反力时,铁心吸合不牢,使得铁心产生周期性振动和异响。铁心的氧化锈蚀使得接触面不平时,不能稳定吸合,导致接触器异常振动与异响。

(3)提出了关于接触器异常发热、振动、异响的处理优化方法。经根据接触器异常原因的分析研究,提出了针对直流输电换流变压器冷却器控制箱接触器异常发热、振动、异响的处理方案,并经现场试验验证其可行性和实效性。

本文具体分析了直流输电中换流变压器冷却器控制箱接触器异常发热、振动、异响的原因,提出了一种接触器异常故障的解决方法,并在现场实施方案中对理论分析进行验证。

关键词:接触器;发热;异响;铁心;氧化锈蚀。

 

引言

接触器控制容量大,适用于频繁操作和远距离控制,是自动控制系统中的重要元件之一[1]。在电力系统中,接触器多用来控制电机电源回路的通断,接触器能否正常工作将直接影响到电力系统中相关回路的正常通断和一次设备的正常运行。以某±500kV换流站换流变压器冷却器控制箱交流电源进线主接触器的异常发热、振动、异响为例,接触器异常退出运行后将导致冷却器电机不能正常切换,换流变压器冷却器不能正常运行,会造成换流变压器的油温、绕温过高,迫使直流停运,对电网的稳定运行造成威胁。

对接触器异常发热、振动、异响的分析研究,得出一种接触器异常发热、振动、异常的隐患治理方案,对于电网自动化控制系统和电网的稳定运行都有着较大的意义。

目前,对于接触器的研究主要集中于接触器的触头动态响应、接触器温度场、接触器发热模型的建立等方面的研究。2006年,任万滨、崔黎等利用有限元分析法分析了密封继电器的内部温度场,探讨了包括模型建立、热载荷计算、边界条件施加等采用有限元分析的关键技术[2]2007年,刘伯明就基于的迎击式接触器触头动态响应的研究[3]做了深入研究,为接触器触头的设计提供了参考;2010年,季良、陈德桂等就带电压反馈智能接触器进行了热模型分析,得出与普通交流接触器相比,智能交流接触器在更小的线圈及铁心参数下,仍可有效降低磁系统的发热温升[4],且稳态工作下的温升满足国家标准要求。

在直流输电工程中经常会遇到接触器的异常发热和异响故障,而现在对于接触器的研究大部分集中在高校和一些科研机构,与直流输电这个领域相结合的实际性研究只在少数接触器厂家遇到问题时会有深入研究。因此,结合直流输电工程中接触器的实际应用情况来对其发热、异响等异响状态的分析研究,对确保接触器在直流输电工程中的稳定运行有着重要意义。

本文将以某±500kV换流站换流变压器冷却器控制箱交流电源进线所使用的ABB公司生产的A185-30-11-80型三相接触器的异常发热、振动、异响为分析研究对象,具体研究内容如下:

1)接触器异常发热原因分析研究。

(3)       接触器异常振动、异响原因分析研究。

1              针对接触器异常发热、振动、异响提出一种解决方案,并在实际生产系统中对理论进行验证。

1         接触器异常原因分析研究

1.1    接触器的基本工作原理

ABB公司生产的A185-30-11-80型三相接触器(如图1)所示为例,对接触器基本工作原理做简要阐述。

A185-30-11-80型三相接触器主要由线圈、铁心、3对主NO触点、1对辅助NO触点和1对辅助NC触点构成。其主要工作原理为:当接触器线圈流过交流电流时,线圈电流会产生磁场,产生的磁场使静铁心产生电磁吸力吸引动铁心向静铁心方向吸合,动铁心在运动过程中带动交流触点动作,常闭触点断开,常开触点闭合,将一次侧的交流电源闭合,向冷却器提供工作电源[5]。当线圈断电时,电磁吸力消失,衔铁在释放弹簧的作用下释放,使触点复原,常开触点,同时一次侧交流电源断开。在本文研究对象中,A185-30-11-80型三相接触器用于将冷却器的三相交流工作电源与二次控制回路隔离同时可以实现二次回路控制电源的通断来实现交流电源的通断控制。

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1  ABBA185-30-11-80型三相接触器

 

 

1.2    接触器异常发热原因分析

由接触器的基本组成元件和工作原理可知,常见接触器发热类型可以分为:线圈发热、铁心发热、触点发热、引流线端发热。

1)接触器线圈发热

1)交流接触器在实际工作中处于恶劣环境,使得现场实际线圈的使用条件与线圈的额定技术参数不相符:比如过高的控制电压、太频繁的操作等都会造成线圈在通电过程中(特别是接通电流瞬间)流过大于额定工作电流数倍的电流引起线圈严重过载发热。

2)线圈本身的制造工艺不精或设计存在缺陷:如某些厂家的接触器线圈选用耐温较低的漆包线作为线圈导线,导致线圈的绝缘能力下降,出现匝间短路引起发热严重;在设计时为减小线圈匝数和接触器的体积而过高的提高线圈温升,使线圈长期在高温环境下工作,降低线圈绝缘强度;铁心吸合不到位导致去磁气隙过大,会引起流过线圈的工作电流增大,导致线圈发热。

3)吸力、反力设计不合理:电压低时,吸合困难,动作时间长,线圈承受起动大电流的时间增加,使线圈发热电阻增大,又驱使吸力更明显欠缺[6],吸合更加困难,甚至不能吸合。导致线圈在空心电抗下工作,流过较大电流,容易烧坏线圈。

本文所研究的±500kV换流站换流变压器冷却器控制箱交流电源进主接触器的发热现象经现场测量发现不存在线圈发热现象,线圈发热在接触器发热情况中较为少见。

2)接触器触头发热

接触器触头在接触不良或者长期工作于大电流环境下会有严重发热现象。

造成接触器接触不良的主要原因有:接触器触头本身制造工艺不够精湛,使用时间过长等原因造成触头有烧融、局部放电等现象(如图2所示);同时触头弹片存在质量问题,压力太小,不能完美贴合;铁心因为腐蚀、生锈或者线圈励磁不够等原因不能完全吸合导致触头不能完全闭合也会造成触头接触不良。


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2 接触器触点存有放电烧融现象

本文所研究的±500kV换流站换流变压器冷却器控制箱交流电源进主接触器的发热现象经现场研究分析发现不存在触头发热现象。接触器在设计时候都会关注触头回路的导电良好性以及其回路电阻,较少出现接触器因为触头接触不良而引起严重的发热现象。

3)接触器引流线端发热

接触器在进行引流线接线时如接线端子与压接螺栓对位不准确,会造成引流线接线端子在运行中因为接触器开断等带来的振动而松动。这样,接线端子会因为工作环境湿度高产生锈蚀、污垢均会造成进出线接触不良而发热严重。同时由于接线端子松动甚至有脱落趋势,会出现尖端放电引起周围温度的急速升高并伴随有异常噪音。

在电力系统变电站现场安装过程中都会针对接线端子的接线情况是否符合要求作严格把控,但是仍然会有少部分的接线端子因为施工工艺不精湛等原因造成后期松动引起异常发热。

本文所研究的±500kV换流站换流变压器冷却器控制箱交流电源进主接触器就存有少量的引流线接线端子异常发热的情况,图3为某引流线接线端子异常发热的红外成像图,从图3可以看出,最右侧相的接线端子的温度明显高出另外两相,发热异常。

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3 接触器引流线接线端子异常发热红外成像图

4)接触铁心发热

在接触器的异常发热现象中,铁心的发热最为常见,其主要发热有以下三个方面:

1)铁心的固有温升:接触器线圈在通电以后,由于线圈本身电阻的存在,将有部分电能转换为热能向铁心扩散,会导致工作中的铁心有一个必然的温升[7],这是属于铁心的正常发热现象。只要线圈的设计温升不要过高,铁心不会因固有温升引起发热异常。

2)磁滞损耗:交流电流通过线圈产生一个随着电流变化的交变磁场,使得铁心需要不断经历磁化和消磁的过程,铁心在反复磁化过程中因磁滞现象的存在而消耗的能量,这部分消耗的能量并转化为热能使得铁心的温度升高。

3)涡流损耗:由于接触器铁心不是密闭的,当线圈流过电流通过电磁感应使得铁心吸合时铁心会存在漏磁现象,会在沿铁心产生环形感应电流,产生涡流损耗。

由以上分析可知磁滞和涡流是铁心发热的主要原因,为了减少接触器的涡流与磁滞发热,接触器的铁心和衔铁一般用高磁导率的E形硅钢片,并与绝缘层交替叠加制作,在保证其导磁性的前提下尽可能地避免在铁心中形成涡流引起发热。

接触器铁心在实际的运行环境中,因为本身制作工艺粗糙、环境恶劣等原因造成铁心氧化锈蚀,产生污垢等原因降低其导磁性和绝缘强度,使得涡流损耗过高引起异常发热。对本文所研究的±500kV换流站换流变压器冷却器控制箱交流电源进线异常发热的主接触器进行现场解体研究发现,异常发热的接触器都存在着严重的铁心氧化锈蚀现象(如图4所示),可见铁心氧化锈蚀是导致其发热异常的关键原因,本文1.4将对铁心氧化锈蚀原因作详细分析。

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4 异常发热接触器铁心严重锈蚀

1.3 接触器异常振动、异响原因分析

对于交流接触器来说,其控制电流为交变的交流电源。当电磁铁线圈电流过零时,在铁心中感应出来的磁通也将出现一个过零位置,此时铁心之间的吸力减少到小于弹簧的反力,则铁心吸合不牢,使得铁心出现周期性振动[8],同时当铁心极面不平时,就会产生噪声,导致接触器异常振动异响。具体可分为三方面原因:

1)衔铁与铁心的接触面接触不良或衔铁歪斜:动衔铁与静铁心在由于长时间的操作碰撞,接触面磨损变形不再平整;或接触面上有锈蚀、污迹等造成接触不良,吸合不稳定产生振动和噪声。

2)短路环损坏:交流接触器为了解决铁心在电流过零时出现的零磁通现象,一般都会在铁心端部加装一个短路环,使得在控制电流过零时短路环中能滞后感应出一个与原磁通方向相同的磁场来保证铁心的吸合稳定。在运行过程中,铁心经过多次碰撞后,嵌装在铁心端面内的短路环有可能断裂或脱落。此时在流过线圈的电流为零时,铁心的磁通也将为零,铁心在弹簧作用下有释放的趋势,如流过50Hz的电流时1S将有100个过零点,铁心频繁的“吸合-释放-吸合”,产生强烈振动与异响。

3)机械方面的原因:如果触头压力过大或因活动部分受到卡阻,使衔铁和铁心不能完全吸合,都会产生较强的振声和噪声。

对本文所研究的±500kV换流站换流变压器冷却器控制箱交流电源进线异常振动、异响的接触器解体分析发现,其铁心严重锈蚀,接触面和短路环都有大量的锈迹、污垢(如图5所示)。

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异响、异常振动接触器铁心接触面严重锈蚀

铁心接触面大量锈蚀、污垢的存在使得铁心在电流过零瞬间的吸力与弹簧弹力不能保持平衡,有了释放趋势,出现吸合不稳而导致周期性的振动引起异响。

1.4   接触器铁心锈蚀原因分析

本文所研究的±500kV换流站换流变压器冷却器控制箱交流电源进线为ABB公司生产的A185-30-11-80型三相接触器。经ABB公司调研与技术咨询确认,A185-30-11-80型三相接触器铁心所用的材料不具备防锈防腐蚀的能力,该器件如长期放置在湿度较高的环境中,会导致其铁心严重氧化锈蚀,造成异常发热,吸合不稳,出现异响。

A185-30-11-80型三相接触器铁心表面长时间处于湿气较大环境是造成接触器铁心氧化的主要原因。在实际生产应用中都会对接触器所处工作环境做严格把控,比如加装除湿器、加热器来保证工作环境的温湿度等等。但仍然会出现因为前期设计缺陷,元器件布局不合理等原因导致在运行一段时间后接触器铁心仍旧出现严重氧化锈蚀。以本文所研究的±500kV换流站换流变压器冷却器控制箱交流电源进线接触器为例:

该换流站所用的冷却器控制箱为双层柜体,防护等级为IP55,控制柜采用封闭结构,与外界环境没有空气流通,控制柜采用空调实现内部环境温湿度的调节。空调本身根据设置温度实现制冷及加热功能,并且本身具备一定的除湿功能。控制箱在不经常开关柜门的情况下,其内部的环境湿度应该较低,在这种环境湿度下,导致接触器铁心局部湿度较大的原因就是铁心表面出现过凝露,凝露长期附着在不带电的接触器铁心表面造成铁心氧化生锈。

所谓凝露现象是指器件表面温度下降到露点温度以下时,器件表面与空气反应产生水珠凝结的现象[9]。凝露是否发生取决于柜内温度、相对湿度以及露点温度。环境湿度、相对湿度、露点关系对照表如下表1所示。

1环境湿度、相对湿度、露点关系对照表

相对湿度Rh%

95

90

85

80

75

70

65

60

环境温度Ta

露点Td

10

9.2

8.4

7.6

6.7

5.8

4.8

3.6

2.5

11

10.2

9.4

8.6

7.7

6.7

5.8

4.8

3.5

12

11.2

10.9

9.5

8.7

7.7

6.7

5.5

4.4

13

12.2

11.4

10.5

9.6

8.7

7.7

6.6

5.3

14

13.2

12.4

11.5

10.6

9.6

8.6

7.5

6.4

15

14.2

13.4

12.5

11.6

10.6

9.6

8.4

7.3

16

15.2

14.3

13.4

12.6

11.6

10.6

9.5

8.3

17

16.2

15.3

14.5

13.5

12.5

11.5

10.2

9.2

18

17.2

16.4

15.4

14.5

13.5

12.5

11.3

10.2

19

18.2

17.3

16.5

15.4

14.5

13.4

12.1

11.0

20

19.2

18.3

17.4

16.5

15.4

14.4

13.2

12.0

21

20.2

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