第35卷第3期 2007年2月1日 继电器 RELAY Vl0l_35 NO.3 Feb.1,2007 双线圈继电器线圈互感效应导致的可靠性问题案例研究 吴义彬,张茂松,袁朝阳 (洪都无线电厂,江西南昌330003) 摘要:针对继电保护与电力自动化设备现场实际使用中,双线圈小型出口中间继电器所出现的典型问题案例,从分析双线圈 继电器线圈互感效应与消弧回路优化方案选择入手,以实验测量验证为依据,系统地比较分析、研究了双线圈继电器的线圈 两端不接消弧回路、并联电阻二极管消弧回路、并联电阻电容消弧回路等方案的优缺点。并提出了实际运行中相关典型可靠 性故障问题的解决方案:并联电阻与电容消弧回路(电容量可根据消弧电压与动作时间的要求择优选择)可以从根本上消除 双线圈继电器因线圈互感效应导致的线圈匝间击穿、短路、发热、断线等恶性故障。 关键词:双线圈;继电器;互感;可靠性;消弧回路 Case study of reliability induced by coil mutual inductance effect of the double-coil relay WU Yi—bin.ZHANG Mao—song.YUAN Chao—yang (Hongdu Radio Factory,Nanchang 330003,China) Abstract:To the typical problem of the miniature intermediate relay of double.coil appearing in the particular application of relay protection and electric power automation equipment,this paper introduces optimizing plans of coil mutual inductance of the double—coil relay and arC—restrainting circuit、It analyses and studies according tO experiments the advantage and shortcoming of fl number of plans,such as the both ends of the double coils not connecting the arC—restrainting circuit,the both ends parallel connecting resistance and capacitance etc.It also gives fl solution to the typical reliability problem in actural operation.i、e、parallel connecting the resistance and capacitance arC—restrainting circuit tO eliminate and capacitance arC—rtstrainting circuit tO eliminate coil short circuit.heating.breaking off,etc、due tO the coil mutualinductance of the double—coil relay、 Key words:two coils;relay;mutual inductnce;relaiability;arC—extinguishing circuit 中图分类号:TM58 文献标识码: B 文章编号: 1003—4897(2007)03—0077—06 0引言 双线圈继电器在继电保护与电力自动化设备 中应用广泛。主要应用于电力系统各种继电保护装 置中断路器操作回路内的防跳回路、自保持回路、 断路器位置信号回路以及强电中央信号回路等。该 圈①线匝间击穿、短路、发热、断线故障概率高。 类继电器在实际使用中,如果未采用恰当的消弧抑 制电路,则可能出现因为两线圈相互产生互感效 应,从而导致电压线圈匝间击穿、短路、发热、断 线等恶性故障。 图1故障电路原理图 Fig、1 Fault circuit theory 1.2理论分析 1.2.1双线圈互感自感效应 分槽绕制的双线圈继电器的两个线圈示意如 1 双线圈继电器在实际使用中的典型可靠 性故障案例之一 1.1故障电路原理 图2,当线圈①中加激励(或去激励)的瞬间,即线 圈激励量由0增加至额定值(或由额定值递减至0), 某设备采用JHX一3F/B一048—050—2H继电器,实 用电路如图1所示。现场运行时,发现电压启动线 相应产生的磁通 鱼随之变化,在线圈①中产生自 感应电动势的同时,在线圈②中也产生互感应电动 维普资讯 http://www.cqvip.com
一78一 继电器 势。反之,如果在线圈②中加激励(或去激励)的瞬 间,同样地也会在线圈②中产生自感应电动势,在 线圈①中产生互感应电动势。这就是双线圈继电器 两个线圈在激励或去激励瞬变过程中必然产生的 出高达500多伏的瞬时电动势。由于0.025 toni漆 包线的层间耐压标准定为l50 Vac(漆包圆绕组线第 一部分:一般规定,GB6109.卜90),故此时,给继电 器反复多次激励时,绕组匝间易发生电击穿,损坏 自感、互感效应。 图2两线圈互感 Fig.2 Two—coil mutual inductance 1.2.2双线圈单稳态B型极化继电器 图l所示故障电路,属双线圈单稳态B型极化 继电器的实用电路,一般是先给启动线圈①加激 励,继电器可靠动作,接着给保持线圈②加激励, 继电器维持动作状态,再去掉启动线圈①激励信 号,继电器由保持线圈②维持动作状态。如去掉保 持线圈②激励信号,继电器则返回初始状态。 由此可见,在给保持线圈②加激励的瞬间,启 动线圈①除了本身的激励信号外,还有来自保持线 圈②激励瞬间产生的互感电压。由上面的分析可知: 先是给启动线圈①加48 V直流电压信号,继电器动 作,接着给保持线圈②加0.5 A电流信号。这时, 由互感原理可知,在启动线圈①中会产生互感电压。 W1一dcP,2:一 --L1坚-Z] (1) df df df At 式中: 表示变化的电流 与 匝相交链的磁链, 表示线圈①的圈数, 表示与线圈①交链的磁通 是由线圈②的电流 所产生的,厶表示线圈①的电感 量。 又JHX一3F/B一048的线圈匝数是9 500匝,线 径0=0.025哪,测量值厶=1.041 H,近似计算为 △ =0.5 A,A ≈1.0 ms: d cP,2eM12:一9500×—一—1.04l×0.5/(1.0× df 10一。)≈--520.5 V 根据法拉第电磁感应定律,向各线圈施加及截 断电压时,会在另一线圈产生感应电压。感应电动 势和磁通变化率与线圈的匝数成正比,与施加及截 断线圈电压的变化率成正比,致使另一线圈中感应 漆包线的绝缘层和金属芯线,使线圈匝间击穿、短 路、发热、断线。 1.3实测试验 1)图l案例实测线路图及波形数据见图3与 图4、图5所示(示波器为美国泰克Tektronix TDS210系列数字式实时示波器,P2100 10×无源 探极)。 测试方法:接通水银开关Q(没有电接触时的机 械抖动),继电器可靠动作,线圈②在加0.5 A激 励的瞬间在线圈①中产生的互感电压,如图4波形 所示:如断开水银开关Q,即断开线圈②电流,在线 圈①中产生的互感电压,如图5波形所示。 图3测试电路图 Fig.3 Testing circuit 5 0 ms/格 5 0 ms/格 图4测试波形 图5测试波形 Fig.4 Testing wave Fig.5 Testing wave 实测结果:图4、5表明,在线圈②激励与去 激励过程中,在线圈①中产生的互感电压分别为 358 V与128 V。 2)在实际使用中,有的用户在JHX一3F/B一048- 050—2H继电器的线圈上并联电阻、二极管作为消弧 维普资讯 http://www.cqvip.com
吴义彬,等双线圈继电器线圈互感效应导致的可靠性问题案例研究 一79一 电路,实测线路图及波形数据见图6与图7、图8 所示。测试方法:线圈②激励与去激励的瞬间,在 线圈①中产生激励时的互感电压与去激励时的互 感电压分别为图7和图8所示(示波器、无源探极 同图3)。 实测结果:图7、图8表明,在线圈②激励与 去激励过程中,在线圈①中产生的互感电压分别为 356 V与2.92 V。故并联电阻、二极管回路,只对 去激励互感电压产生良好的消弧作用,而对激励线 图9测试电路图 Fig、9 Testing circuit 圈②时在线圈①中产生的互感电压完全没有消弧 作用。 0 图6测试电路图 Fig.6 Testing circuit 50.0v/格 5 0 ms/格 5 0 ms/格 图7测试波形 图8测试波形 Fig 7 Testing wave Fig.8 Testing wave 3)如在jHx一3F/B一048—050—2H继电器的线圈 上并联电阻、电容作为消弧电路,实测线路图及波 形数据见图9与图lO、图11所示。测试方法:线 圈②激励与去激励的瞬间,在线圈①中产生激励时 的互感电压与去激励时的互感电压分别为图10和 图11所示(示波器、无源探极同图3)。 实测结果:图10、11表明,在线圈②激励与 去激励过程中,在线圈①中产生的互感电压分别为 1 1.8 V与9 V。从根本上解决了互感电压消弧问题。 曩期 25 0 ms/格 25 0 ms/格 图10测试波形 图11测试波形 Fig.10 Testing wave Fig、11 Testing wave 1.4实测试验结果 并联电阻、电容消弧回路对继电器动作和释放 时间是有影响的。有鉴于此,为了验证影响大小, 进行了动作和释放时间测试试验,实测结果如表1 所示。 . 表1时间测试对比 Tab.1 Time testing contrast JHX~3F/B启动线 JHX-3F/B保持线圈 圈048 050 测试条件 动作 释放 动作 释放 时间 时间 时间 时间 /ms /IllS /ms /mS 线圈两端未接消弧回路, 4.8 2.6 2.4 2.8 额定值激励,如图3 线圈两端并联电阻、二极 4.8 4.8 2.4 4.8 管,额定值激励,如图6 线圈两端并联电阻、电容(1 4.8 l0.8 3.0 4.0 u F),额定值激励,如图9 结果:并联电阻、电容对继电器的动作时间的 影响不大,对继电器的释放时问有较大的影响。选 择容量较小的电容,对继电器的释放时间的影响会 小一些,可根据实际使用对消弧电压与释放时间的 要求,进行电容容量的优选工作,决定并联多大的 电容。 1.5解决方案(推荐) 理论分析与实测实验结果表明:1)在继电器的 维普资讯 http://www.cqvip.com
一8O一 继电器 线圈②上加激励或去激励的瞬间,在线圈①中会产 生较高的互感电压;2)在继电器的线圈上并联电 阻、二极管,可以较好地抑制去激励时的互感电压, 但对激励时的互感电压没有抑制作用;3)在继电器 的线圈上并联电阻、电容,可以很好地抑制激励与 去激励时的互感电压,可显著提高线圈的实际使用 式中: 表示变化的电流 与 匝相交链的磁链, 表示线圈③的圈数, 。 表示与线圈③交链的磁通 是由线圈④的电流 所产生的,厶表示线圈③的电 感量。 又JHX~121F/B一110的线圈匝数是24 000匝, 线径 =0.03 mm,测量值 =9.2 H,近似计算为 可靠性。 图12推荐使用原理图 Fig.12 Recommendation use circuit figure 建议解决方案:采用图12所示的线路使用双 线圈继电器,可以避免线圈匝问击穿、短路、发热、 断线等不可靠现象(电容的大小可根据实际情况 选择)。 2 双线圈继电器在实际使用中的典型可靠 性故障案例之二 2.1故障电路原理图 某设备采用JHX一121F/B一1 10一O015—2H2D继电 器,实用电路如图13所示。整批调试时,发现电 压启动线圈线匝问击穿、短路、发热、断线故障。 2.2理论分析 如图13所示,先是给启动线圈③加110 V直 流电压信号,继电器可靠动作,接着给保持线圈④ 加1.5 V电压信号。这时,在启动线圈③中产生的 互感电压为 0 T:1 图13故障电路原理图 Fig.13 Fault circuit theory :一 :一 :一 堕 一 d d df △t (2) A‘=0.62A,A厶≈3.2 ms: d(P34eM34=--24 O00X——df ≈一9.2X 0.62/(3.2 x 10 )≈一1 782.5 V ‘ JHX一121F/B—O015的线圈电阻/?-=2.25 Q,额 定电流 u/ 1.5/2.25:0.667 A,又JHX-121F/B一 0015的动作值为1.05 V,动作电流为L= ̄/R=-1.05/ 2.25=0.467 A。而1.5 V继电器线圈两端并联了整 流桥,整流桥的正向电压为1.4 V,可通过电流一 般大于10 A,故整个线路的自保持电流可以为1~ 6 A。这种电路在实际使用中,1.5 V继电器受外界 较大干扰信号时有可能误动作。且电流较大时,继 电器刚动作的瞬间,继电器线圈所通过的电流远大 于0.667 A,由于感应电动势和磁通变化率与线圈 的匝数成正比,与施加及截断线圈电压的变化率成 正比,因此,会在另一线圈中产生更大的感应电压。 有时另一线圈中感应出高达1 000多伏的瞬时电动 势。由于0.03 mm漆包线的层间耐压标准规定为190 (漆包圆绕组线第一部分:一般规定,GB6109.1— 90),故此时,给继电器反复多次激励时,绕组的匝 间易发生电击穿,损坏漆包线的绝缘层和金属芯 线,使线圈线匝问击穿、短路、发热、断线等。 2.3实测试验 1)图13案例实测线路图及波形数据见图14 与图15、16所示。测试方法:线圈④激励与去激 励的瞬间,在线圈③中产生激励时的互感电压与去 激励时的互感电压分别为图15和图16所示(示波 器为美国泰克Tektronix TDS 210系列数字式实 时示波器,HP 9258×100无源探极)。 图14测试电路图 Fig.14 Testing circuit 维普资讯 http://www.cqvip.com
吴义彬,等双线圈继电器线圈互感效应导致的可靠性问题案例研究 一81- 5 0 ms/格 5.0 ms/格 图15测试波形 图16测试波形 Fig.15 Testing wave Fig.16 Testing wave 实测结果:图15、16表明,在线圈④激励与 去激励过程中,在线圈③中产生的互感电压分别为 1 190 V与488 V。 2)在实际使用中,有的用户在JnX一121F/B一 110-0015-2H2D继电器的线圈上并联电阻、二极管 作为消弧电路,实测线路图及波形数据见图17与 图18、图19所示。测试方法:线圈④激励与去激 励的瞬间,在线圈③中产生的激励时的互感电压与 去激励时的互感电压分别为图18和图19所示(示 波器、无源探极同图14)。 0 图17测试电路图 Fig.1 7 Testing circuit 5 0 ms/格 25 0 ms/格 图18测试波形 图19测试波形 Fig.18 Testing wave Fig.19 Testing wave 实测结果:图18、19表明,在线圈④激励与 去激励过程中,在线圈③中产生的互感电压分别为 1 140 V与1.84 V。故并联电阻二极管回路,只对 去激励互感电压产生良好的消弧作用,而对激励线 圈②时在线圈①中产生的互感电压完全没有消弧 作用。 3)如在jnx一121F/B~1 10—0015-2H2D继电器的 线圈上并联电阻、电容作为消弧电路,实测线路图 及波形数据见图20与图21、22所示。测试方法: 线圈④激励与去激励的瞬间,在线圈③中产生激励 时的互感电压、去激励时的互感电压分别为图21 和图22所示(示波器、无源探极同图3)。 实测结果:图21、22表明,在线圈④激励与 去激励过程中,在线圈③中产生的互感电压分别为 22.2 V与l8.8 V。从根本上解决了互感电压消弧 问题。 0 图20测试电路图 Fig.20 Testing circuit 25 0 ms/格 25 0 ms/格 图21测试波形 图22测试波形 Fig.2 1 Testing wave Fig。22 Testing wave 2.4实测结果 并联电阻、电容消弧回路对继电器动作和释放 时间是有影响的。有鉴于此,为了验证影响大小, 进行了动作和释放时间测试试验,实测结果如表2 所示。 实测结果:并联电阻、电容对继电器的动作时 间的影响不大,对继电器的释放时间有较大的影 响。选择容量较小的电容,对继电器的释放时问的 影响会小一些,可根据实际使用对消弧电压与释放 时问的要求,进行电容容量的优选工作,决定并联 多大的电容。 维普资讯 http://www.cqvip.com
一82一 继电器 表2时间测试对比 4特别说明 JHX 12IF/B启 JHX一121F/B保持 动线圈110 线圈OO15 测试条件 动作 释放 动作 释放 时间 时间 时间 时间 /ms /ms /ms /ms 线圈两端未接消弧回路,额定值激励 12.O 3.6 12.O 3.6 ,如图14 线圈两端并联电阻、二极 管12.8.O 12.O 7.O ,额定值激励,如图17 O 线圈两端并联电阻、电容 (1 F),额定值激励,如 12.O 22.0 14.0 6.O 图2O 2.5解决方案(推荐) 理论分析与实测实验结果表明:1)在继电器的 线圈④上加激励或去激励的瞬间,在线圈③中会产 生很高的互感电压;2)在继电器的线圈上并联电 阻、二极管,可以较好地抑制线圈④去激励时的互 感电压,但对线圈④激励时的互感电压没有抑制作 用;3)在继电器的线圈上并联电阻、电容,可以很 好地抑制激励与去激励时的互感电压,可显著提高 线圈的实际使用可靠性。 O T 一1 图23推荐使用原理图 Fig.23 Recommendation use circuit figure 建议解决方案:采用图23所示的线路使用双线 圈继电器,可以避免线圈匝间击穿、短路、发热、断 线等不可靠现象。(电容的大小可根据实际情况选择) 3典型可靠性故障案例之三 在图23所示电路的实际使用中,千万不能给 1.5 V继电器线圈④误加反向电压,否则由于整流 桥极性反了而不能给1.5 V继电器线圈分流,所有 电流全部通过1.5 V继电器线圈,这时,继电器线 圈两端的电压可能远远大于1.5 V,1.5 V继电器线 圈就有可能立即烧坏。客户实际使用中已经发生过 此类故障的案例。 采用1.5 V线圈并联二极管分流的设备在设计、 调试或维修过程中,千万不能给1.5 V继电器线圈 误加反向电压,否则容易烧坏线圈,造成不可挽回 的损失。 采用图12、图23解决方案完全符合《电力系 统继电保护及安全自动装置反事故措施要点》中对 直流电压在l10 V及以上的中间继电器的消弧回路 相关要求。 表1、表2分别列出了并联电阻二极管、并联 电阻电容对继电器动作和释放时间的影响。 5结束语 实际案例理论分析与实测试验结果表明:双线 圈继电器的选用,必须妥善考虑并合理处理线圈互 感效应可能产生的线圈线匝问击穿、短路、发热、 断线故障等后果。并联电阻与电容消弧回路(电容 量可根据消弧电压与动作时间的要求择优选择)可 以从根本上消除双线圈继电器因线圈互感效应导 致的线圈匝问击穿、短路、发热、断线等恶性故障。 这是实际使用过程中故障后果的教训与经验总结。 此外,对极化继电器激励正、反方向问题也值得客 户高度重视。 参考文献 [1] 吴义彬.继电器用户实用手册[M].北京:国防工业出 版社,1992. WU Yi—bin.The Practicality Handbook of Relay User [M].Beijing:National Defence Industry Press.1 992. [2] 中电元协控制继电器协会.现代继电器技术[z]. 2001. The Association of China Electric Element Control Relay. Modem Technology of Relay[Z].2001. [3] 谭恩鼎.电工基础[M].北京:高等教育出版社,1991. TAN En—ding.Electrician Base L M].Beijing:Higher Education Press,1 99 1. [4] 电力系统继电保护及安全自动装置反事故措施要点 [S]. In Reverse Fault Measure Item of Protection Equipment and Power System Stability Control Devices[S]. [5]GB6109.卜90,漆包圆绕组线第一部分:一般规定[S] GB6109.1.90.Enamelled Round Wind Wire,Part I: General rS]. 收稿日期:2006-08-06; 修回日期:2006—1O一27 作者简介: 吴义彬(1943一),男,教授级高级工程师,中国电子元 件行业协会控制继电器分会理事,享受国务院特殊津贴专 家,长期从事机电元件研究工作; 张茂松(1975一),男,工程师,从事继电器设计、工艺和 生产管理工作;E—mail:zhangmsong@163.com 袁朝阳(198卜),男,助理工程师,从事电器及工业自 动化产品的工艺设计工作
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