交流接觸器能效等級的試驗方法及不確定案例分析

摘 要：GB 21518—2022《交流接觸器能效限定值及能效等級》已于2022年12月29日經國家市場監督管理總局批準發布，于2024年1月1日正式實施。新標準正式實施后，滿足新標準適用條件的，所有大陸境內生產、進口、銷售的交流接觸器產品必須滿足新標準中能效規定值。在滿足一定的條件下，生產企業可以自行根據標準測量吸持功率，評定能效等級。本文針對新標準中交流接觸器線圈吸持功率的試驗方法進行了詳細整理分析，并根據標準要求進行了不確定評定，為廣大交流接觸器生產企業自行測量吸持功率提供了參考，引導交流接觸器生產企業正確理解新標準中關于吸持功率的測量和如何分析吸持功率的不確定度。

關鍵詞：交流接觸器，吸持功率，測量結果，能效等級，不確定度評定

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2024.08.032

0 引 言

世界很多國家自20世紀70年代末以來相繼啟動實施能效標準制度，現在已覆蓋近100個經濟體。我國于2005年3月1日正式建立能效標識制度，2016年6月1日重新修訂了《能源效率標識管理辦法》。

交流接觸器是我國首批3C認證產品之一，是一種廣泛用于電力行業的工業產品。作為廣泛使用的低壓電器產品，低壓電器行業一直關注接觸器的功耗問題。交流接觸器是實行能源效率標識管理的用能產品[1]。國家將交流接觸器產品列入第五批能效標識產品目錄，于2010年開始實施對該產品的能效標識管理。交流接觸器2010—2023年備案型號2.4萬個，其中1級能效75個，2級能效15，195個，節能產品占比62.9%。本文介紹了交流接觸器的吸持功率試驗方法和不確定度評定。

1 交流接觸器線圈的功率分析

交流接觸器是利用彈簧力與電磁力相互配合的原理工作的，從而實現觸頭接通、承載和分斷正常電路條件（包括過載運行條件）下的電流。交流接觸器線圈的功率主要包括吸合功率和吸持功率兩部分，從GB/T 14048.4—2020中可以得知兩者的定義：使交流接觸器從斷電狀態動作至通電狀態所需的功率即為交流接觸器的吸合功率，維持電磁鐵操作所需的功率即為交流接觸器的吸持功率[2]。

結合定義分析一下交流接觸器的工作過程，當交流接觸器線圈通電后，靜鐵芯產生了電磁吸力以吸合銜鐵，使與銜鐵相連的觸頭動作，使接觸器處于閉合工作狀態，反之，交流接觸器線圈斷電后，靜鐵芯的電磁力消失，作用在銜鐵上的彈簧推動銜鐵，帶動觸頭分開，使交流接觸器處于斷開停止工作狀態。通過以上分析，可以得出吸合功率就是線圈在吸合瞬間的功率，雖然線圈在吸合起動瞬間功耗較大，但時間很短（幾十毫秒），相比于交流接觸器產品總的能耗，毫秒級的起動過程的功率占比較小，通常為5%，可以忽略不計[3]。而交流接觸器維持電磁鐵保持電磁力，使交流接觸器主觸頭一直保持閉合工作狀態，此時，功率損耗主要集中在吸持銜鐵和克服彈簧反力上，即吸持功率，占交流接觸器產品總能耗的絕大部分。因此，通過測量交流接觸器吸持功率，可以確定其能效值及能效等級。交流接觸器根據其額定工作電流和吸持功率，能效等級分為1級、2級、3級，逐次降低，3級能效最低。1級能效限定值均是4.5V·A，2級能效最高值為18.0V·A，3級能效最高值為240.0V·A，具體能效等級分級可參考GB 21518—2022《交流接觸器能效限定值及能效等級》中表1。

2 交流接觸器吸持功率的試驗方法

通過上面的分析，交流接觸器的能效值是通過測量吸持功率來確定的。

交流接觸器吸持功率的試驗方法為：在（23±3）℃環境溫度下，主電路或控制電源電路中不應有任何負載，對交流接觸器線圈施加額定控制電源電壓，測量交流接觸器閉合狀態下的吸持功率，控制電路輸入端電流達到穩定時進行控制電路電流（單位：A）和電壓（單位：V）的測量，二者相乘得出吸持功率（單位：V·A）。以上試驗方法來自于GB 21518—2022《交流接觸器能效限定值及能效等級》。交流接觸器試驗接線圖見圖1。

3 吸持功率不確定評定

不確定度是測量結果質量的指標。不確定度越小，測量結果與被測量的真值愈接近，質量越高，水平越高，其使用價值越高；不確定度越大，測量結果的質量越低，水平越低，其使用價值也越低[3]。GB 21518—2022新標準中要求：測試吸持功率的測量不確定度應小于5%[4]。下面以控制電源AC220V的接觸器為例進行不確定度評定。

3.1 吸持功率的數學模型

本次吸持功率測量采用功率分析儀測量交流接觸器線圈的電壓和電流，故交流接觸器的吸持功率按照式（1）計算：

式中：Sh為接觸器吸持功率，V·A；US為額定控制電源電壓，V；I為額定控制電源電壓下的控制電流的有效值，A。

3.2 吸持功率的不確定度來源

本次吸持功率的不確定度來源為：（1）測量電壓重復性引入的標準不確定度UAV，采用A類方法評定；（2）測量電流重復性引入的標準不確定度uAC，采用A類方法評定；（3）測量設備電壓引入的標準不確定度uBV，采用B類方法評定；（4）測量設備電流引入的標準不確定度u BC，采用B類方法評定；（5）測量環境溫度引入的標準不確定度。由于測試過程中對環境溫度的要求范圍相對寬泛，對吸持功率的影響量無法得知，只要符合標準對環境溫度（23±3）℃的要求即可。根據行業經驗，此試驗環境下引入的標準不確定度可忽略不計[5]。對于直接測量，各不確定度分量互不相關，采用均和根方法合成，求得合成不確定度UC（Sh）為：

3.3 吸持功率的不確定度的評定

3.3.1 測量的電壓和電流不確定度的A類評定

對交流接觸器線圈進行10次獨立的測量電壓和電流，見表1。

用貝塞爾公式分別計算電壓和電流的測量結果，可得電壓和電流的A類方法評定標準不確定度，計算公式見（3）和（4）：

式中：uAV為測量電壓的A類不確定度分量；UAC為測量電流的A類不確定度分量；USi為第i次測得的電壓值； 為n 次獨立測得的電壓的平均值；Ii為第i 次測得的電流值； 為n 次獨立測得的電流的平均值；n為獨立測量的次數，這里n =10。

3.3.2 測量的電壓和電流不確定度的B類評定

由功率分析儀引起的電壓相對不確定度分量為u BV，根據校準證書信息知該儀器設備的電壓相對不確定度為uBV =1.5×10-4，k =2；由功率分析儀引起的電流相對不確定度分量為uBC，據校準證書信息知該儀器設備的電流相對不確定度為uBC =6×10-4，k =2。

3.3.3 吸持功率的合成不確定度

交流接觸器吸持功率測量的各不確定分量及吸持功率不確定度，如表2所示。

4 結 語

本文介紹了新國標GB 21518—2022中規定的測量吸持功率的試驗方法和吸持功率不確定度評定，為企業能效管理提供了理論依據，有利于能效交流接觸器的推廣，引導廣大企業正確理解新標準要求。吸持功率不確定度的評定為今后類似試驗項目的測量不確定度提供了有效參考，具有一定的代表性。

參考文獻

[1]交流接觸器能源效率計量檢測規則： JJ F 12 61.18—2017[S].

[2]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（含電動機保護器）：GB/T 14048.4—2020[S].

[3]鄭世欣.GB 21518—2022《交流接觸器能效限定值及能效等級》最新標準解讀[J].電器工業，2023（10）：28-31.

[4]交流接觸器能效限定值及能效等級：GB 21518—2022[S].

[5]楊祥.交流接觸器線圈功率損耗測量結果的不確定度評定[J].電器與能效管理技術，2016（11）：65-68+74.

作者簡介

杜紅亮，碩士研究生，高級工程師，主要從事中低壓電器產品檢驗工作。

（責任編輯：袁文靜）

基金項目：本文受2023年山東省產品質量檢驗研究院電器所儲備項目“光伏發電系統相關產品檢測用電弧發生器”（項目編號：2023ZJKY001）資助。