交流控制設備主備電源轉換失效分析和處理方法研究

劉少波

（國營蕪湖機械廠，安徽 蕪湖 241007）

某大型交流電源系統平臺向交流負載提供115V/400Hz三相交流電。交流電源系統為雙通道供電系統，單通道額定容量為40kVA，正常情況下，左、右交流發電通道獨自工作，分別向各自一側交流負載供電，當其中任一發電通道故障時，通過交流控制設備內主備電源轉換接觸器C800的控制，將左、右兩側交流匯流條連接在一起，由正常供電的發電通道向全體交流負載供電。

交流控制設備主要由C800接觸器等組成。C800接觸器電路圖見圖1，包括3組主觸點組成的工作電路和6組輔助觸點組成的狀態顯示電路，其工作原理以左交流發電通道為例，3組主觸點A2、B2、C2向左通道交流負載提供115V/400Hz三相交流電，常開觸點A1、B1、C1接至左通道交流發電機，是左通道負載的主供電電源；常閉觸點A3、B3、C3接至右通道交流發電機，是左通道負載的備份供電電源。6組輔助觸點中的3組分別連接到屏幕、燈光、語音系統，在左交流通道退網，切換至右交流電網供電時，輔助觸點轉換，分別通過文字、燈光、語音報送“左交流發電機故障”信息。

圖1 C800接觸器電路圖

故障案例中失效的C800接觸器轉換時間為零，導致主、備交流電源帶大負載轉換時，主觸點拉弧，左右三相交流電瞬間發生相間短路，造成主觸點熔融，左右交流發電通道均退網，伴隨輔助觸點轉換異常后報故信息紊亂。關于交流電源系統帶大負載切換備份電源，接觸器轉換時間為零造成相間短路，引發交流控制設備內主、備電源轉換失效的案例還鮮有報道，因此，本例接觸器轉換時間為零的失效分析及改進，對后續類似的電路設計、維護具有參考價值。

1 故障現象和初步判斷

某大型交流電源系統平臺在雙通道各一臺發電機同時帶載起動過程中，發生兩臺發電機投網不成功，交流控制設備內控制左發電機投網、及投網不成功后切換備份電源的C800接觸器3組主觸點嚴重燒蝕，觸點熔融失效；6組輔助觸點中的2組觸點斷電后不釋放，造成電源管理計算機未回采到左發電機失效信號并采取保護措施，以及燈光和語音系統報送“左交流發電機故障”信息而屏幕無告警信息的矛盾現象。

第一次發生上述現象時，故障點集中在C800接觸器毋庸置疑，更換一件新品后故障消失。由于該型接觸器裝入交流控制設備前，已按照制造廠技術資料篩選過線圈電阻、觸點接觸電阻和壓降、吸合/釋放電壓和時間、吸合/釋放回跳時間和觸點同步時間等技術指標，初步判斷這件C800接觸器存在制造缺陷，比如主觸點附近因某種特殊原因產生了金屬多余物，卡滯在主觸點處引發了短路后導致。

第二次發生上述現象是更換了一件C800接觸器新品約半年時間后，故障發生的時機完全相同，但個體制造缺陷的猜測已非常存疑，深層次的原因待分析和求證。

2 故障分析和求證

2.1 故障分析

鑒于兩次故障發生的時機相同，故障分析從梳理發電機開始投網和主備電源切換的工作原理入手。

正常情況下，左、右交流發電通道獨自工作，分別向各自一側交流負載供電，但是，左、右交流發電機初始發電成功并投網一般存在時間差，假設右交流發電機先發電成功并投網，此時左交流發電機尚未發電成功投網，那么，左交流發電通道的負載通過C800接觸器的常閉觸點A3、B3、C3，從右通道交流發電機獲取115V/400Hz三相交流電，見圖1。當左交流發電機發電成功并投網，左交流發電通道的負載從C800接觸器的常閉觸點，轉換為從常開觸點A1、B1、C1獲取左交流發電機輸出的115V/400Hz三相交流電。當上述C800接觸器帶大負載進行主備電源轉換時，因觸點拉弧等原因，造成常閉觸點斷開到常開觸點吸合的轉換時間為零時，左、右交流發電機會發生相間短路，造成主觸點燒蝕、熔融等故障。當接觸器帶載轉換的負荷較小，觸點拉弧也較小，或接觸器自身質量高，使主觸點轉換時間大于零時，這種相間交流電短路的現象就不會發生了。

2.2 故障求證

下面設計并制作專用檢測電路，求證上述分析。

GJB 1461A-2017《大功率電磁繼電器通用規范》中，轉換時間的定義是：轉換觸點組中，從閉合觸點斷開到斷開觸點閉合之間的時間間隔。對于多組觸點的繼電器，轉換時間定義為：從最慢斷開的一組閉合觸點斷開到最快閉合的一組斷開觸點閉合之間的時間間隔。因此，綜合故障電路時的帶載情況，設計C800接觸器轉換時間測試電路見圖2。

圖2 C800接觸器轉換時間測試電路

經理論計算，結合實踐經驗及驗證，圖2中主觸點外加28V直流電壓和5A的阻性負載，可近似替代故障發生時的交流電源投網和轉換工況。按圖2的測試電路，取一件C800接觸器合格品，測試A、B、C三組觸點在線圈外加28V直流電壓吸合時的轉換時間分別為1.90ms、1.80 ms、2.20ms，波形圖見圖3；測試A、B、C三組觸點在線圈電壓釋放時的轉換時間分別為1.85ms、1.75 ms、1.55ms，波形圖見圖4。

圖3 吸合轉換時間合格的C800接觸器波形圖

圖4 釋放轉換時間合格的C800接觸器波形圖

普查20件與本例故障時機工況相同、工作時間超過500小時的C800接觸器，其中19件合格，主觸點轉換時間均大于零，波形圖與圖3、圖4類似。1件不合格，該件C800接觸器的B相轉換時間為零，其A、B、C三組觸點在線圈外加28V直流電壓吸合時的轉換時間分別為0.70ms、0ms、0.50ms，波形圖見圖5，X軸（時基）放大十倍圖見圖6；A、B、C三組觸點在線圈電壓釋放時的轉換時間分別為0.10ms、0ms、0.70ms，波形圖略。

圖5 吸合轉換時間不合格的C800接觸器波形圖

圖6 吸合轉換時間不合格的C800接觸器波形圖（放大十倍）

從圖5、圖6可以看出，此件C800接觸器的B相轉換時間為零。補充求證兩項試驗工作如下：首先，測試本件接觸器的線圈電阻、觸點接觸電阻和壓降、吸合/釋放電壓和時間、吸合/釋放回跳時間和觸點同步時間等技術指標，均在合格范圍內。說明轉換時間不合格的接觸器，其他指標不一定不合格。其次，對照上文中燒蝕故障的2件C800接觸器，作破壞性分解，發現主觸點燒蝕最嚴重的均為B相，其它主觸點、輔助觸點的損傷狀況遞減，求證結果與理論分析一致。

3 處理措施

3.1 增加C800接觸器轉換時間的監測

針對本文C800接觸器轉換時間為零，導致交流電源系統雙通道供電同時失效的安全隱患，對庫存和后續采購的新品，按圖2增加轉換時間大于零的檢測指標要求。對與本例故障時機工況相同的所有同型號接觸器進行普查，更換不合格品；并增加500小時離位定檢要求。

3.2 尋求C800接觸器替代產品

C800接觸器主觸點結構是單臂轉換式，在線圈外加吸合電壓時，一條公共臂從常閉觸點切換至常開觸點，在主觸點公共端一直接通交流大負載的情況下，接觸器常閉觸點向常開觸點轉換時存在拉弧現象，拉弧可能造成常閉觸點還未斷開、常開觸點已接通，引發交流電相間短路。可尋求其他結構的接觸器替代產品，徹底消除帶載轉換時主觸點拉弧短路的安全隱患。

4 結語

本文對某型交流控制設備故障開展了分析和求證，并提供了對設備內部主要部件——C800接觸器短期監控轉換時間、長期尋求替代產品的處理措施，對包含帶載轉換大功率接觸器的設備或系統設計、使用維護等具有一定參考價值。

（1）C800接觸器及類似主觸點結構的接觸器，在帶載轉換主備交流電源時，如主觸點轉換時間為零，存在相間短路的安全隱患。設計選型時可考慮避免。

（2）接觸器轉換時間應大于零的技術要求，應納入作為帶載轉換主備電源使用的接觸器的測試技術指標。