交流接觸器電壽命試驗平臺設計

陸偉 顏世燦

【摘 要】接觸器是一種典型的控制型電器元件，安裝使用方便簡單，其價格相對其他控制器件較低，在很多領域有廣泛應用，適用于各種自動控制系統。有些電氣系統對可靠性與安全性要求較高，所以要求系統內的各種低壓器件必須具備高可靠性。電壽命試驗是檢驗接觸器是否可靠的非常重要的試驗項目之一，也是檢驗交流接觸器可靠性的一種高效簡便的試驗方法，可以用于分析接觸器失效的原因，可以作為接觸器設計修改的重要依據。因此，開發一款功能齊全、成本低廉的電壽命實驗平臺意義重大。文章介紹了電壽命試驗的標準和要求、電壽命的試驗方案、試驗參數的計算、試驗系統的設計過程及元器件選型要求，對電壽命試驗平臺的工作原理和設計思路做了詳細分析，并且選擇一款典型產品驗證了設計的電壽命試驗平臺的可操作性。

【關鍵詞】交流接觸器;電壽命試驗;可靠性檢驗

【中圖分類號】TM572.2 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2022）04-0018-04

0 引言

接觸器根據其應用可分為交流接觸器和直流接觸器，其工作原理是線圈接通流過電流，電磁感應生成磁場，磁芯吸合帶動聯動機構使主觸頭閉合，通過調節線圈的控制電壓就能達到控制主電路的目的，可以快速且頻繁地接通分斷主線路，廣泛應用于控制廠礦設備、配電系統等場合。隨著工業制造水平的提高，交流接觸器的外形和尺寸不斷變化、工作性能不斷提高。交流接觸器工作的環境和工作特性要求其必須不停地導通斷開，接觸器的電壽命特性是影響整個用電控制系統可靠性的關鍵，決定了整個系統的可靠性和安全性[1]。

電壽命是指電器在不需要維修或更換零部件的條件下，按照標準規定進行接通和分斷試驗，在保證試品不損壞的情況下能承受的載荷操作次數[2];交流接觸器的電壽命試驗是根據國家標準《低壓開關設備和控制設備第4-1部分：接觸器和電動機起動器機電式接觸器和電動機起動器》（GB/T 14048.4）[3]要求的試驗條件測試其能不能滿足電動合分次數。就目前的電壽命檢驗檢測測試情況看，通常只能給出一個最終是否通過檢測的試驗結果，對于試驗過程中的相關檢測數據無法采集，也就無法判斷在試驗過程中接觸器的狀態和不合格接觸器失效的原因。本研究介紹了交流接觸器的電壽命試驗系統的原理，建立了實驗平臺，并且在試驗過程中不間斷地采集監測接觸器電壓、電流等狀態，采集到的試驗波形信號可以直觀地顯示接觸器的狀態，對接觸器狀態的評價提供了充足的數據支持，可對設計和改進產品提供依據，并以某交流接觸器為例進行電壽命試驗，驗證設計方案的可行性。

1 交流接觸器電壽命試驗條件

根據國家標準GB/T 14048.4的規定，交流接觸器按使用類別可分為AC-1、AC-2、AC-3、AC-4等。不同的工作制對應不同的應用場合，工作制AC-1主要是應用在無感或微感負載場合，如白熾燈、電阻爐等;工作制AC-2主要應用于小電感負載，如控制繞線式異步電動機的啟動和停止;工作制AC-3主要應用是控制鼠籠型異步電動機的啟動、停止分斷;工作制AC-4主要應用于控制籠型異步電動機的啟動、反轉和點動[4];國家標準GB/T 14048.4中規定了不同工作制的接觸器的電壽命檢測條件（見表1）。

2 電壽命試驗的系統研究

根據國家標準中對交流接觸器電壽命試驗的要求和被試品的實際情況，不同類型交流接觸器電壽命試驗的測試要求也不盡相同，該系統根據不同的試驗情況，應該具有如下功能：①根據被試品的不同工作制，要求的試驗電壓、電流和功率因數不同，系統需要可以設置試驗電路中電壓、電流和功率因數的值，試驗系統可以根據試驗參數調整電壓。②試驗系統適用于AC-1～AC-4的交流接觸器的測試試驗，針對不同的工作制，可以直接在試驗系統中設置。③試驗系統可以根據不同產品、不同的工作制設置試驗參數，例如試驗電壓、試驗電流、功率因數、接通分斷時間等，同時能夠直觀顯示試驗波形，直接讀取試驗數據。④試驗系統有多個輸出端口，能夠滿足多個產品同時測試，提高檢測效率[5]。

交流接觸器壽命試驗系統的硬件主要包括試驗電源、負載、數據采樣電路和控制部分。試驗電源是變壓器輸出的交流電;負載用功率電阻和空心電抗器制作，可以任意調節功率因數，適用于各類工作制交流接觸器;試驗電路可以分為主電路、電壓電流數據采樣部分和控制部分電路。主回路主要有供電電源、真空接觸器和模擬負載。電壓電流數據采樣部分有電流采樣互感器、電壓采樣傳感器、數據采集器、上位機。控制部分電路為試驗控制臺，可以遠程控制試品通斷。設置完成各項參數，系統可以自動完成測試，采集電壓電流波形并顯示相關數據。試驗主線路如圖1所示。

2.1 電源部分

據國家標準GB/T 14048.4中對AC-3、AC-3e交流接觸器電壽命試驗的規定，接通電流是分斷電流的6倍，實際試驗過程中無法瞬間改變阻抗，所以需要瞬間切換試驗電壓，使分斷電壓為導通電壓的1/6，這樣就能滿足標準要求，因此試驗系統主電路中需要有調壓和電壓切換的功能。

試驗電源是50 Hz正弦波交流電，電壓有效值要穩定在95%～105%。試驗用電源的原理如圖2所示，F1和F2為熔斷器，發生故障時起到保護作用;Q為萬能式斷路器;T1為帶隔離的升壓變壓器;T2為自耦式變壓器，用于實現Ue和1/6的Ue。K1和K2為真空交流接觸器，作為試驗陪試品，接收控制信號閉合時，被試品上得到Ue或1/6的Ue。

2.2 負載部分

負載部分為RL阻感負載，使用空心電感和電阻器串聯，可以實現標準要求的各種功率因數，負載功率因素可設定為±0.3～1.0，電阻調節范圍為12～7 760 mΩ，調節精度為12 mΩ，調節范圍為12～9 204 mΩ，調節精度為12 mΩ，能夠滿足上述各種類別的電壽命試驗的條件，負載原理圖如圖3所示。

2.3 檢測電路

電壽命試驗時需要采集的信號包括額定電壓Ue（K1開關控制）、額定電壓（K2開關控制）、試品接觸器觸點電壓Uc（K3端口電壓）及回路電流I（電流互感器）4個參數。檢測點示意圖如圖4所示。這些電壓、電流信號需要隔離放大處理，以適應A/D量程。共采集三相電路的電流、電壓等6個信號。其中，電壓是指試品觸頭的斷口電壓，電流是指接通時流過接觸器主觸頭的電流。采樣頻率為800 K/s，保證采樣數據的精度和速度，其模數轉換器的量程為-10～10 V。

2.4 電壓傳感器與電流互感器

電壓傳感器采用具有隔離功能的交流電壓傳感器，能夠實時測量試驗電路中的交流電壓，實時輸出相應電壓，電壓采樣高達1 500 V，輸出電壓最高為5 V，輸入輸出比為100∶1，精度等級為0.2 s，沖擊耐受電壓為2.5 kV，需要直流12 V供電，可實現高精度采樣，具有隔離功能，安全性高，抗干擾能力強，響應速度快。電流互感器使用霍爾型電流互感器，額定電壓為500 V，額定頻率為50 Hz。根據試驗參數，電流傳感器有不同的變比可以選擇，有多個電流量程可以選擇，可以提高采樣精度，輸出電流為0～5 A。

控制電路原理圖如圖5所示，K1和K2分別控制接通Ue與1/6Ue。K1和K2互鎖，可以防止同時導通導致電源短路。有些接觸器線圈是直流供電，所以增加整流橋提供直流電壓，提高設備的通用性。

控制器采用“西門子”CPU224，具有24個數字量輸入/輸出點，連接7個擴展模塊后最多可達到168個數字量輸入/輸出點。該控制器存儲空間最高可達20 kB，試驗用控制臺直接控制，通過控制臺可以設置試驗工作次數、接通分斷時間、功率因數等參數，多臺產品可同時進行測試，適用于交流接觸器批量試驗。

3 試驗驗證

交流接觸器的基本參數主要包括額定工作電壓、額定工作電流、工頻耐受電壓、沖擊耐受電壓、線圈控制電壓、線圈額定電流、工作制、操作頻率、機械壽命和電壽命。其中，接觸器額定電壓的值應該等于主觸點的額定工作電壓或負載的額定電壓，通常根據應用的環境選擇。最大的導通電流是接觸器導通時能承受的最大電流，大于這個電流會導致觸點熔焊。最大分斷電流是接觸器能不發生拉弧而分斷的最大電流，當大于最大分斷電流時接觸器有可能發生拉弧甚至無法完成分斷。線圈控制電壓是線圈正常工作時的額定電壓，有交流電壓和直流電壓，根據不同的應用場景選擇合適的額定電壓值。接觸器工作制在前文已有介紹。操作頻率是每小時接觸器接通分斷的最大次數，超過這個次數有可能導致接觸器損壞。國家標準GB/T 14048.4—2020中推薦了接觸器機械壽命次數，生產研制接觸器時可以根據這個參數優選值設定，即0.1萬次、0.3萬次、1萬次、3萬次、10萬次、30萬次、100萬次、300萬次、1 000萬次，接觸器的電壽命由制造商設定，一般值是機械壽命的1%～10%[2];試驗檢驗方法由單八制和雙三制，單八制試驗是8臺接觸器同時試驗，不做修理直接按電壽命次數工作。如果合格產品大于6臺，就能認定產品是符合要求的。雙三制試驗是3臺接觸器同時試驗，試驗中不做修理直接按次數工作。若都沒有出現故障，則認定產品是符合要求的，如果有1臺以上產品不合格，可判定產品不合格。如果其中1臺出現故障，則重新選3臺重復試驗，若3臺全部正常，可判定產品合格。整個試驗過程中如果只出現2臺或2臺以上的故障產品，則判定產品不合格。

根據以上參數，本試驗中選取的交流接觸器試品為“德力西”品牌，額定工作電壓為380 V，額定工作電流為25 A，線圈電壓為220 V，工作制為AC-3，標稱電壽命為50萬次，接通分斷頻率為600次/h。

在接觸器的接通和分斷試驗中，接通分斷電壓和接通分斷電流的波形是重要的試驗參數。本試驗數據采集的要求與流程、數據處理與電源頻率、功率因數、燃弧時間等參數，是本試驗系統的關鍵技術之一，這些參數可以精確地反映被試品的狀態。

4 結束語

本文論述了接觸器電壽命的概念及壽命試驗的目的，查閱了低壓電器國家標準GB/T 14048.4，確定了試驗系統的參數和條件。經過計算分析，確定試驗系統的供電電路、阻抗負載、萬能式斷路器、真空接觸器、控制器、數據采集器和顯示裝置，研制出高性能的計算機控制的接觸器電壽命試驗平臺。該平臺可以進行多種工作方式的電壽命試驗，具有多個獨立的試驗通道，每個通道可同時進行多個試品試驗;具有實時顯示接觸器接通、分斷電壓和電流波形的功能，可以讀取導通時間，根據波形判定是否存在拉弧或黏連等現象。該平臺已經應用到實際的低壓電器質量檢驗檢測工作中，顯著提高了接觸器的檢測能力和檢測水平，縮短了檢驗檢測時間，提高了檢測效率。對于客戶來說，通過該平臺能夠詳細了解接觸器試驗過程中的狀態和各項參數指標，對提高接觸器的產品質量及后續改進產品設計有重要的作用。

參 考 文 獻

[1]焦通.交流接觸器電壽命監測研究[D].沈陽：沈陽工業大學，2015.

[2]陸儉國，張乃寬，李奎.低壓電器的試驗與檢測[M].北京：中國電力出版社，2007.

[3]GB/T 14048.4—2020，低壓開關設備和控制設備第4-1部分：接觸器和電動機起動器機電式接觸器和電動機起動器[S].

[4]王麗麗，李奎，黃少坡，等.交流接觸器電氣操作試驗測控技術的研究[J].電器與能效管理技術，2015（10）：1-5，21.

[5]黃少坡，李奎，王洋，等.機電式控制電路電器試驗技術研究[J].電氣傳動，2016（5）：93-96.