交流接觸器最佳分?jǐn)鄥^(qū)域的探討

鄭　昕　許志紅

(福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院　福州　350116)

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交流接觸器最佳分?jǐn)鄥^(qū)域的探討

鄭昕許志紅

(福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院福州350116)

摘要為抑制交流接觸器分?jǐn)噙^程的電弧，以觸頭電壓為研究對(duì)象，在大量試驗(yàn)的基礎(chǔ)上對(duì)不同分?jǐn)鄷r(shí)刻觸頭電壓的變化趨勢(shì)及電流過零后的熄弧情況進(jìn)行了研究。利用小波能量譜分析了不同電流、不同功率因數(shù)情況下交流接觸器在電流過零前1 ms內(nèi)不同分?jǐn)鄥^(qū)域的電弧電壓能量時(shí)譜，統(tǒng)計(jì)和分析電弧電壓第一次過零前后的變化趨勢(shì)和特征。對(duì)交流接觸器最佳分?jǐn)鄥^(qū)域進(jìn)行探討并提出以觸頭電壓過零后300 μs內(nèi)的高尺度小波能量時(shí)譜最大值作為電弧重燃與否的判斷依據(jù)。確定了電流過零前 0.4～0.6 ms和0.9～1.0 ms兩個(gè)最佳分?jǐn)鄥^(qū)域并提出了基于分?jǐn)鄷r(shí)刻tf及小波能量時(shí)譜幅值E4的交流接觸器自適應(yīng)分?jǐn)嗫刂撇呗浴?/p>

關(guān)鍵詞：觸頭電壓熄弧最佳分?jǐn)鄥^(qū)域小波能量譜控制策略

0引言

交流接觸器在分?jǐn)噙^程會(huì)產(chǎn)生電弧，嚴(yán)重影響其可靠運(yùn)行。作為控制電器，交流接觸器通常不會(huì)采用如配電電器那樣較強(qiáng)的滅弧措施，所以分?jǐn)啻箅娏鲿r(shí)對(duì)觸頭的燒損十分嚴(yán)重。雖然采用半導(dǎo)體電力電子開關(guān)并聯(lián)觸頭兩端的混合式開關(guān)控制技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)交流接觸器的無弧分?jǐn)啵涑杀据^高且存在無明顯斷口的隱患，僅適用于礦山等防爆要求高的場(chǎng)所。對(duì)于一般的用電場(chǎng)合，出于安全考慮，普遍希望電器開關(guān)具有明顯的斷口，多采用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的交流接觸器。隨著智能化控制技術(shù)的迅速發(fā)展，可以方便地實(shí)現(xiàn)交流接觸器在起動(dòng)、吸持、分?jǐn)嚯A段的過程控制。因此研究交流接觸器最佳分?jǐn)鄥^(qū)域及其控制技術(shù)對(duì)解決觸頭的電弧燒蝕并大幅提高接觸器的電壽命具有實(shí)際意義。近年來，在電弧動(dòng)態(tài)特性方面的研究取得了很多成果，文獻(xiàn)[1-3]從宏觀的角度分別采用磁流體動(dòng)力學(xué)理論、電弧鏈?zhǔn)侥Ｐ秃碗姶拍鎲栴}求解方法對(duì)電弧進(jìn)行三維仿真和重構(gòu)，對(duì)電弧運(yùn)動(dòng)過程的等離子噴流及電弧形態(tài)等進(jìn)行了描述。文獻(xiàn)[4]結(jié)合低壓交流接觸器自身特點(diǎn)，建立了交流接觸器鏈?zhǔn)诫娀∧Ｐ?，研究了電弧參?shù)的徑向分布規(guī)律，在假定電弧局部熱力學(xué)平衡的情況下，利用Matlab求解電弧動(dòng)態(tài)模型。電弧仿真模型在開關(guān)電器的設(shè)計(jì)階段具有重要的指導(dǎo)意義，但是在實(shí)際運(yùn)行過程中由于電弧動(dòng)態(tài)特性的測(cè)量具有一定的局限性，難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)和調(diào)整。

開關(guān)電器的電弧在操作過程中可直接觀測(cè)到其電路特性，包括電弧電壓、電弧電流、電弧能量、電弧溫度和阻抗特性等[5，6]。文獻(xiàn)[7]研究了低壓直流斷路器電弧等離子體運(yùn)動(dòng)特性，建立了考慮湍流效應(yīng)的三維電弧模型并對(duì)其進(jìn)行了數(shù)字化分析。文獻(xiàn)[8]基于磁流體動(dòng)力學(xué)建立了考慮柵片燒蝕金屬蒸氣的三維空氣電弧模型，通過計(jì)算獲得了電弧運(yùn)動(dòng)及切割過程的電弧電壓、電弧溫度及金屬蒸氣濃度的分布情況。文獻(xiàn)[9，10]分別通過流體力學(xué)計(jì)算軟件和PSCAD軟件對(duì)低壓斷路器觸頭分?jǐn)嗪蟮碾妷夯謴?fù)特性進(jìn)行了建模和仿真，分析了電弧和瞬時(shí)恢復(fù)電壓電場(chǎng)強(qiáng)度與溫度分布的關(guān)系及瞬時(shí)恢復(fù)電壓對(duì)斷路器分?jǐn)嗄芰Φ挠绊憽Ｎ墨I(xiàn)[11]從材料的角度分析了不同觸頭材料的燃弧能量變化趨勢(shì)，發(fā)現(xiàn)觸頭燒蝕越嚴(yán)重其燃弧能量的增幅越大。文獻(xiàn)[12]研究了直流電磁接觸器的電壓和電流對(duì)燃弧時(shí)間和電弧能量的影響，表明在燃弧時(shí)間很短的情況下電壓大小對(duì)燃弧時(shí)間的影響不大，同時(shí)燃弧能量隨電壓、電流的增加而增大。文獻(xiàn)[13]對(duì)電弧放電過程進(jìn)行了光譜分析并給出了弧柱區(qū)的能量計(jì)算方法。文獻(xiàn)[14]對(duì)不同保護(hù)電路的繼電器開斷感性負(fù)載時(shí)的觸點(diǎn)電弧侵蝕情況進(jìn)行了試驗(yàn)研究，提出了通過計(jì)算電弧能量來預(yù)測(cè)電壽命的方法。以上文獻(xiàn)對(duì)電弧的電路特性進(jìn)行了研究和分析，但是，并未與開關(guān)電器的通斷控制相結(jié)合，無法實(shí)現(xiàn)運(yùn)行中對(duì)電弧侵蝕的抑制。文獻(xiàn)[15-17]提出了零電流分?jǐn)嗪头窒嗫刂频募夹g(shù)，使交流接觸器觸頭在電流過零時(shí)打開，實(shí)現(xiàn)無弧或微弧分?jǐn)?。由于交流接觸器動(dòng)作機(jī)構(gòu)的不穩(wěn)定性和電弧燃燒過程的復(fù)雜性[18]，要精確控制觸頭完全在電流過零點(diǎn)打開存在很大困難，實(shí)際的做法是在電流過零前某一時(shí)刻開斷觸頭，由于接觸器動(dòng)作機(jī)構(gòu)的分散性，零電流分?jǐn)嗫刂七€存在一定的不可靠性。文獻(xiàn)[19]設(shè)計(jì)了一種閉環(huán)斬波起動(dòng)的交流接觸器智能控制模塊，并對(duì)起動(dòng)過程和分?jǐn)噙^程中的線圈電壓、電流進(jìn)行仿真分析，但沒有涉及對(duì)電弧特性參數(shù)的分析和控制。交流接觸器智能分?jǐn)嗫刂频淖罱K目的之一是抑制觸頭的電弧侵蝕，而分?jǐn)噙^程的電弧燃燒情況可直接反映智能控制的效果。目前，將分?jǐn)噙^程電弧運(yùn)動(dòng)、熄弧情況等直接影響觸頭電磨損的現(xiàn)象引入智能控制中的研究尚未見報(bào)道。

本文在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)不同分?jǐn)鄷r(shí)刻的觸頭分?jǐn)噙^程展開研究，分析電流第一次過零后電弧的重燃與熄滅特征及其提取方法，并與零電流分?jǐn)嗫刂萍夹g(shù)[15]相結(jié)合，探討交流接觸器的最佳分?jǐn)鄥^(qū)域及自適應(yīng)抑制分?jǐn)嚯娀〉目刂撇呗浴?/p>

1最佳分?jǐn)鄥^(qū)域試驗(yàn)

為降低觸頭的電弧侵蝕，對(duì)最佳分?jǐn)鄥^(qū)域的要求是電弧在過零前的能量應(yīng)盡可能小且電流第一次過零時(shí)就熄滅電弧。

交流電弧能量Wh的基本公式為[20]

式中，ts為電弧產(chǎn)生時(shí)刻；tx為電弧熄滅時(shí)刻；uh、ih分別為電弧電壓和電弧電流。可見，第一次過零時(shí)觸頭間隙的電弧能量與過零前的燃弧時(shí)間有關(guān)，燃弧時(shí)間越長(zhǎng)電弧能量越大，電弧越不容易熄滅，同時(shí)觸頭受到的侵蝕越嚴(yán)重，因此交流接觸器最佳分?jǐn)鄥^(qū)域應(yīng)選在電流過零前0～1 ms附近的時(shí)間區(qū)域內(nèi)為宜。用tf來表示觸頭打開到電弧電流第一次過零的時(shí)間，如圖1所示。圖1為福州大學(xué)低壓電器檢測(cè)中心實(shí)測(cè)的分?jǐn)嗖ㄐ?，圖中第一個(gè)通道為電流波形，橫坐標(biāo)都為時(shí)間，圖中實(shí)測(cè)的tf=0.7 ms。

圖1　tf=0.7 ms的實(shí)測(cè)波形Fig.1　Measured waveforms with tf=0.7 ms

在采用零電流分?jǐn)嗫刂萍夹g(shù)對(duì)不同交流接觸器進(jìn)行電壽命的試驗(yàn)中，均發(fā)現(xiàn)存在電弧能量最小的分?jǐn)鄥^(qū)域?，F(xiàn)以CJ20—63A和CJ20—100A兩種交流接觸器為對(duì)象，統(tǒng)計(jì)tf在0～1 ms內(nèi)的不同時(shí)刻分?jǐn)嗟南ɑ∏闆r，從大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中選取不同分?jǐn)鄷r(shí)刻的波形數(shù)據(jù)，每個(gè)時(shí)刻各取20組進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，將過零后重燃次數(shù)列于表1中。試驗(yàn)電源電壓220 V，電流600 A，功率因數(shù)0.35。

表1　重燃次數(shù)統(tǒng)計(jì)

從表1中可見，tf=0～0.3 ms、0.7～0.9 ms及1.2 ms區(qū)域內(nèi)都有重燃，而在tf=0.4～0.6 ms和tf=0.9～1.0 ms區(qū)域內(nèi)都未重燃，在0.9 ms時(shí)僅63 A樣機(jī)重燃一次，說明確實(shí)存在最佳分?jǐn)鄥^(qū)域。

圖2　電弧重燃的分?jǐn)鄥^(qū)域統(tǒng)計(jì)Fig.2　Counting for breaking areas with arc reigniting

為統(tǒng)計(jì)長(zhǎng)期工作后樣機(jī)的重燃現(xiàn)象，在同樣的試驗(yàn)條件下對(duì)兩臺(tái)樣機(jī)進(jìn)行了電壽命試驗(yàn)，控制電路設(shè)定分?jǐn)鄷r(shí)刻為電流過零前0.5 ms。在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)前5 000次通斷時(shí)，分?jǐn)鄷r(shí)刻大多集中在過零點(diǎn)附近區(qū)域，而后5 000次時(shí)分?jǐn)鄷r(shí)刻大多集中在過零前1 ms附近區(qū)域。根據(jù)“浴盆曲線”規(guī)律[21]分析，這是由于前5 000次試驗(yàn)時(shí)接觸器處于磨合期，固有動(dòng)作時(shí)間易產(chǎn)生漂移使分?jǐn)鄷r(shí)間受到影響；后5 000次時(shí)則由于接觸器處于耗損失效期，觸頭磨損較嚴(yán)重導(dǎo)致超程減小而使固有動(dòng)作時(shí)間縮短。在前5 000次壽命試驗(yàn)中，100 A樣機(jī)共采集53次電弧重燃現(xiàn)象，63 A樣機(jī)采集到61次；后5 000次壽命試驗(yàn)中，100 A樣機(jī)采集到52次電弧過零重燃，而63 A樣機(jī)采集到58次。將各次電弧重燃時(shí)對(duì)應(yīng)的分?jǐn)鄷r(shí)刻進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖2所示。從圖中可看出，在前5 000次試驗(yàn)中，兩種樣機(jī)電弧重燃次數(shù)最多的分?jǐn)鄥^(qū)域?yàn)閠f=0～0.3 ms，另外在tf=0.7～0.9 ms和1.1 ms以上區(qū)域也有較多次的重燃現(xiàn)象，而在tf=0.4～0.6 ms和0.9～1 ms兩個(gè)區(qū)域幾乎不重燃。在后5 000次試驗(yàn)中得到相同的結(jié)論，只是電弧重燃最多的分?jǐn)鄥^(qū)域在tf=1.1 ms以上。

從以上的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在試驗(yàn)所采用的負(fù)載條件下，觸頭在電流過零前0.4～0.6 ms和0.9～1 ms這兩個(gè)區(qū)域內(nèi)分?jǐn)鄷r(shí)都不容易發(fā)生過零后的燃弧現(xiàn)象。過零后，觸頭兩端的電壓是直接反映電弧情況的一個(gè)參量，如果電流過零以后觸頭兩端的電壓趨向于電源電壓，說明此時(shí)電弧趨于熄滅，觸頭電壓上升幅度快、速度大；反之，則電弧趨于燃燒，觸頭兩端電壓趨向于較低的電弧電壓，其上升的幅度和速度較緩慢。因此，研究電流過零前后觸頭兩端的電壓變化趨勢(shì)對(duì)探討交流接觸器的最佳分?jǐn)鄥^(qū)域有意義。同時(shí)，還應(yīng)對(duì)不同負(fù)載條件下的情況進(jìn)行分析。

2電弧電流過零前后的觸頭電壓

2.1研究方案

在低壓供電系統(tǒng)中，電磁式交流接觸器是使用量最大的一種控制電器，其觸頭系統(tǒng)為橋式雙斷點(diǎn)結(jié)構(gòu)形式，本文以此為對(duì)象展開進(jìn)一步研究。選取三臺(tái)不同規(guī)格的樣機(jī)CJ40—100A(A樣機(jī))、CJ20—40A(B樣機(jī))和CLC1—0910(C樣機(jī))進(jìn)行分?jǐn)嘣囼?yàn)。觸頭電壓取自兩個(gè)靜觸頭之間。雖然開斷電路時(shí)將在兩個(gè)斷口上形成串聯(lián)電弧，兩個(gè)斷口的瞬時(shí)電壓和瞬時(shí)功率可能不一致，但是由于接觸器為頻繁操作的控制電器，其電壽命可達(dá)到數(shù)百萬次，只要燃弧能量在長(zhǎng)期累計(jì)的統(tǒng)計(jì)意義上是趨于一致的，就不會(huì)造成兩對(duì)觸頭之間的磨損不均勻而引起電壽命的降低[18]，因此直接測(cè)量?jī)蓚€(gè)靜觸頭之間的電壓不會(huì)影響研究的結(jié)果。

試驗(yàn)在福建省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)研究院進(jìn)行，主電路電源電壓和控制電源電壓均為220 V。分?jǐn)嗫刂齐娐凡捎脝纹瑱C(jī)PIC16F73設(shè)計(jì)，控制接觸器觸頭在電流過零前的不同分?jǐn)鄷r(shí)刻打開。所用測(cè)試系統(tǒng)是基于Labview的新型數(shù)采系統(tǒng)[22]，采樣頻率為100 kHz，其所采集的電壓和電流波形數(shù)據(jù)格式為L(zhǎng)abview軟件的LVM格式。在100 A電流下分別采集cosφ=0.32、0.61、0.88三種不同功率因數(shù)下的A樣機(jī)分?jǐn)嗖ㄐ螖?shù)據(jù)進(jìn)行分析，并對(duì)該樣機(jī)在15 A和100 A兩種電流等級(jí)下的測(cè)試結(jié)果以及相同條件下的三種規(guī)格樣機(jī)的試驗(yàn)結(jié)果分別進(jìn)行比較。通過分析采集到的觸頭電壓變化趨勢(shì)來分析電弧是否熄滅。

由于觸頭電壓在電流過零后瞬間變化趨勢(shì)的差別并不明顯，傳統(tǒng)的測(cè)量分析方法難以準(zhǔn)確描述其變化的趨勢(shì)和強(qiáng)度，因此需要引入一種新的分析算法。本文對(duì)采集到的觸頭電壓波形進(jìn)行小波能量譜變換，利用觸頭電壓的小波能量時(shí)譜特征來反映觸頭電壓的變化趨勢(shì)。

2.2觸頭電壓的小波能量譜分析

小波能量譜分析方法是把能量概念引入到二進(jìn)小波分析中，通過不同尺度小波分解的能量譜來確定信號(hào)變化趨勢(shì)的強(qiáng)弱，識(shí)別出通常難以發(fā)現(xiàn)的信號(hào)。其原理如下[23]。

若有一信號(hào)x(t)為能量有限信號(hào)，其小波變換定義為

式中，σ為尺度參數(shù)，σ>0；τ為時(shí)間參數(shù)；ψ[(t-τ)/σ]為小波基函數(shù)ψ(t)經(jīng)過τ及σ變換而形成的小波函數(shù)簇。令E(τ)為信號(hào)x(t)的能量沿時(shí)間軸的分布，則有

在二進(jìn)小波變換中，常用光滑函數(shù)的導(dǎo)函數(shù)作為小波函數(shù)，而樣條函數(shù)是一種分段光滑函數(shù)且在連接點(diǎn)處具有一定的光滑性，同時(shí)B樣條半正交小波函數(shù)具有顯式解析式，推導(dǎo)簡(jiǎn)單，支撐集短，易于在計(jì)算機(jī)上編程實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)[24]。因此本文選取3次B樣條函數(shù)的導(dǎo)函數(shù)為小波函數(shù)對(duì)觸頭電壓信號(hào)進(jìn)行變換。利用小波分解快速遞推算法，可得到離散信號(hào)x(t)的3次B樣條二進(jìn)小波變換公式[25]

式中，j為分解尺度數(shù)，j∈(1，J)，其中J為分解的最高尺度數(shù)；當(dāng)j=1時(shí)，S20x(t)為原始輸入信號(hào)；hk和gk分別為尺度函數(shù)和小波函數(shù)對(duì)應(yīng)的低通與帶通濾波器響應(yīng)系數(shù)。

令E2jx(t)為第j尺度下細(xì)節(jié)的能量，則該信號(hào)的小波能量時(shí)譜為[26]

利用Labview軟件編制了3次B樣條二進(jìn)小波能量時(shí)譜變換程序，支持LVM數(shù)據(jù)格式，可讀取試驗(yàn)采集到的交流接觸器分?jǐn)噙^程觸頭電壓波形數(shù)據(jù)進(jìn)行變換和分析?？紤]實(shí)時(shí)性與計(jì)算的復(fù)雜性，進(jìn)行4層分解變換得到第四尺度下的小波能量時(shí)譜E4的波形，其中低通與帶通濾波器的脈沖響應(yīng)系數(shù)為[27]

g0=-2g1=2h-1=h2=0.125h0=h1=0.375

3結(jié)果分析

由于電弧電流和電壓是同相的，觸頭的分?jǐn)鄷r(shí)刻tf在數(shù)值上等于電弧電壓波形從產(chǎn)生到第一次過零的時(shí)間。通過分?jǐn)嗫刂齐娐房刂朴|頭在電流過零前0～1 ms附近區(qū)域分?jǐn)啵杉|頭電壓在不同tf下的波形并進(jìn)行分析。

3.1電流過零前觸頭電壓的變化

首先對(duì)A樣機(jī)在電流100 A、cosφ=0.32條件下進(jìn)行測(cè)試，利用分?jǐn)嗫刂齐娐房刂平佑|器在tf=0～1.4 ms的不同時(shí)刻分?jǐn)啵瑢y(cè)量得到的過零前的觸頭電壓峰值Uxh，也就是第一次過零前的電壓熄弧尖峰列于表2中。從表2中可以看出，熄弧尖峰在tf=0.4～0.8 ms區(qū)域較大，均達(dá)到20 V以上，其他區(qū)域均在20 V以下，此時(shí)的實(shí)測(cè)電源電壓瞬時(shí)值為283 V。

表2　A樣機(jī)在100 A，cosφ=0.32條件下的Uxh

圖3　100 A電流，不同功率因數(shù)下的UxhFig.3　Uxh under 100 A current in different cosφ

將cosφ=0.61及cosφ=0.88條件下測(cè)得的Uxh隨分?jǐn)鄷r(shí)刻變化的曲線與cosφ=0.32的曲線同時(shí)繪于圖3中，cosφ=0.61及cosφ=0.88時(shí)其熄弧尖峰出現(xiàn)時(shí)的電源電壓瞬時(shí)值分別為246 V和147 V。從圖中可見，三種功率因數(shù)下熄弧尖峰均隨分?jǐn)鄷r(shí)刻的增加而逐漸上升，功率因數(shù)為0.32和0.61條件下的熄弧尖峰在tf=0.6 ms時(shí)達(dá)到最大，而后有所下降，功率因數(shù)在0.88的情況下熄弧尖峰在tf=1 ms時(shí)達(dá)到最大，而后開始降低，分析其原因如下：在電路負(fù)載阻性不大時(shí)，當(dāng)tf較小(0.6 ms以下)時(shí)電弧電流接近零點(diǎn)，在極短時(shí)間內(nèi)電弧能量基本不變，觸頭打開后電弧電阻也基本不變，tf越長(zhǎng)觸頭打開時(shí)的電流越大，因此熄弧尖峰逐漸增加；當(dāng)tf較大(0.6 ms以上)時(shí)，電弧能量隨tf增大而增大，電流過零時(shí)弧柱溫度相對(duì)較高，直徑減小，電弧電阻下降，因此熄弧尖峰有所降低。在cosφ=0.32條件下對(duì)另兩臺(tái)樣機(jī)進(jìn)行同樣的測(cè)試，得到相同的觸頭電壓變化趨勢(shì)。

對(duì)于感性負(fù)載，當(dāng)電弧電流ih下降到接近零時(shí)，其下降速度與熄弧尖峰Uxh的關(guān)系可用表示為[20]

式中，Um為觸頭所在電路的電源電壓幅值；L為電路中電感。可見Uxh的增大將使電弧電流下降速度增大。對(duì)阻感性負(fù)載來說，線路中還存在等效電阻的電壓，此時(shí)的Um不再是電源電壓幅值，而是對(duì)應(yīng)功率因數(shù)下的電源電壓瞬時(shí)值，但是Uxh的增大同樣使電弧電流下降速度增大，意味著電流過零前的零休時(shí)間增加，電弧越容易冷卻。從圖3中可見，當(dāng)tf>0.4 ms時(shí)，三種功率因數(shù)下的Uxh都相對(duì)較大，因此控制接觸器在電流過零前0.4 ms以上的區(qū)域分?jǐn)嘞鄬?duì)更有利于熄滅電弧。

3.2電流過零后觸頭電壓的變化

將采集到的電壓波形數(shù)據(jù)輸入自行編制的小波能量譜程序中，取第四尺度小波能量時(shí)譜值E4作為特征數(shù)據(jù)分析電流過零后的觸頭電壓變化。觸頭電壓及其小波能量時(shí)譜波形如圖4所示。

圖4　觸頭電壓波形及其小波能量時(shí)譜Fig.4　Waveform of contact voltage and its wavelet-energy spectrum in time domain

為了有效反映過零瞬間觸頭間隙的電弧熄滅情況，對(duì)實(shí)測(cè)電壓波形過零后第一個(gè)點(diǎn)的E4值進(jìn)行分析。

3.2.1不同電流情況

在電流為100 A和15 A情況下分別對(duì)A樣機(jī)的觸頭電壓波形進(jìn)行小波能量譜變換，表3為100 A時(shí)過零后第一個(gè)點(diǎn)的E4值，并將兩種電流下的數(shù)據(jù)繪制于圖5中。

表3　100 A條件下的E4值

圖5　A樣機(jī)在不同電流下的E4值Fig.5　E4 of A prototype under different current

分析得到的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在100 A和15 A電流下，過零后瞬間的E4值變化趨勢(shì)基本一致，即在tf=0～0.3 ms區(qū)域較小，在0.4～0.6 ms區(qū)域逐漸增大，0.6 ms后又逐漸降低，但是在0.9～1.0 ms區(qū)域又逐漸增大。小波能量時(shí)譜的幅值越大，表示電流過零后觸頭電壓上升的幅度和速度越大，觸頭電壓越趨向于電路的電源電壓，電弧趨向熄滅；反之，則觸頭電壓趨向于較小的電弧電壓，電弧趨向于重燃。因此，根據(jù)實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)說明A樣機(jī)在0.4～0.6 ms和0.9～1.0 ms區(qū)域分?jǐn)鄷r(shí)，觸頭電壓更趨向電源電壓變化。

另外，當(dāng)分?jǐn)鄷r(shí)刻超過2 ms后，不論是在15 A還是100 A電流下，過零后的E4都逐漸增大，超過5 ms后，E4值甚至達(dá)到表中數(shù)值的10倍以上，這是由于分?jǐn)鄷r(shí)刻過長(zhǎng)時(shí)，電流過零后觸頭的間隙已經(jīng)拉開很大的距離，此時(shí)電弧更容易散熱，介質(zhì)恢復(fù)快，但是其過零前燃弧時(shí)間很長(zhǎng)，電弧能量較大，對(duì)觸頭的燒蝕更加嚴(yán)重，長(zhǎng)期工作時(shí)觸頭的可靠性降低。

3.2.2不同功率因數(shù)情況

在cosφ=0.32、0.61及0.88三種功率因數(shù)下對(duì)A樣機(jī)的觸頭電壓E4值進(jìn)行分析，測(cè)試電流為100 A，將變換后的E4數(shù)據(jù)同時(shí)繪于圖6中。從圖中可見，在0.32和0.61功率因數(shù)下E4值隨分?jǐn)鄷r(shí)刻的變化趨勢(shì)與前面的測(cè)試結(jié)果基本一致，在tf=0.4～0.6 ms和0.9～1.0 ms兩個(gè)區(qū)域的E4都逐漸增大，反映出在這兩種負(fù)載性質(zhì)下，接觸器在這兩個(gè)區(qū)域分?jǐn)鄷r(shí)，電弧易于熄滅。但是在功率因數(shù)為0.88時(shí)，情況有所差別，電弧相對(duì)容易熄滅的區(qū)域位于tf=0.4～0.6 ms，而在0.9～1.0 ms區(qū)域相對(duì)更難熄弧，這是由于當(dāng)負(fù)載性質(zhì)偏向于阻性時(shí)，電弧電流過零時(shí)的零休時(shí)間比偏感性負(fù)載下的長(zhǎng)，在相同條件下若過零前的燃弧時(shí)間越長(zhǎng)，過零時(shí)電弧能量越大，電弧反而更不容易熄滅。由于交流接觸器在低壓控制系統(tǒng)中所控制的負(fù)載大多為電機(jī)，其負(fù)載性質(zhì)偏感性，因此控制接觸器在tf=0.4～0.6 ms和0.9～1.0 ms兩個(gè)區(qū)域分?jǐn)嗤瑯佑欣陔娀∠纭?/p>

圖6　A樣機(jī)在不同功率因數(shù)下的E4值Fig.6　E4 of A prototype under different cosφ

3.2.3不同規(guī)格樣機(jī)

本文還對(duì)A、B和C三種不同規(guī)格的樣機(jī)在相同條件下進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試以分析在觸頭大小、接觸面積和接觸力不同的條件下觸頭電壓的變化規(guī)律是否具有一致性，測(cè)試條件均為I=100 A、cosφ=0.32。圖7為三臺(tái)樣機(jī)的測(cè)試結(jié)果。在相同條件下，三臺(tái)樣機(jī)在不同分?jǐn)鄷r(shí)刻分?jǐn)嗪蟮腅4變化趨勢(shì)基本一致，且小波能量譜變換的結(jié)果表明，在不同的觸頭結(jié)構(gòu)參數(shù)下同樣在tf=0.4～0.6 ms和0.9～1.0 ms兩個(gè)區(qū)域內(nèi)分?jǐn)嘤|頭電弧容易熄滅。

圖7　不同規(guī)格樣機(jī)的E4值Fig.7　E4 of different prototypes

3.3電弧重燃的判據(jù)

對(duì)于交流接觸器，如果采用智能控制技術(shù)將分?jǐn)噙^程的觸頭打開時(shí)刻控制在電流過零前的一個(gè)小區(qū)域內(nèi)，那么，此時(shí)傳統(tǒng)意義上的縱縫和滅弧柵片對(duì)電弧的影響可以暫不考慮。電流過零后的0～300 μs是熄弧過程的關(guān)鍵時(shí)期[20]，通過小波能量時(shí)譜變換程序計(jì)算電流過零后300 μs內(nèi)觸頭電壓的E4值并進(jìn)行比較分析。以A樣機(jī)為例，將試驗(yàn)電流增大到640 A，cosφ=0.32。在tf=0.2 ms、0.3 ms、0.8 ms、1.3 ms及3.1 ms時(shí)分別采集重燃波形。將觸頭電壓第一次過零后300 μs內(nèi)的E4最大值分別列于表4中。

表4　重燃及未重燃情況下的E4最大值

從表4可以發(fā)現(xiàn)，在某些分?jǐn)鄷r(shí)刻，分?jǐn)嚯娀≡陔娏鞯谝淮芜^零后有時(shí)重燃有時(shí)熄滅，其重燃時(shí)的觸頭電壓的E4值均小于104，而不重燃時(shí)的E4值都大大超過104。而其他分?jǐn)鄷r(shí)刻未發(fā)生重燃的E4值也都大大超過104。試驗(yàn)中將tf增加到3.1 ms時(shí)觸頭電壓的小波能量時(shí)譜最大值在未重燃時(shí)高達(dá)17.9×104，也大大高于重燃時(shí)的6.5×104且重燃次數(shù)大大增加。這是因?yàn)楫?dāng)tf>2.0 ms時(shí)，電流過零后觸頭間隙已經(jīng)很大，同時(shí)電弧已運(yùn)動(dòng)進(jìn)入滅弧室，但是由于過零前的燃弧時(shí)間較長(zhǎng)，電弧能量較大，這與前面的分析結(jié)果也是一致的?？梢姡谪?fù)載性質(zhì)相同的情況下，不論在哪個(gè)時(shí)刻分?jǐn)?，重燃和熄滅的E4最大值都相差很大。因此，當(dāng)tf控制在1 ms以內(nèi)時(shí)，可以將電弧過零后300 μs內(nèi)觸頭電壓的E4最大值作為電弧第一次過零后是否重燃的判據(jù)。在本文的試驗(yàn)條件下，若E4超過104則認(rèn)為電弧趨向重燃，反之則認(rèn)為電弧趨向熄滅。對(duì)于不同等級(jí)的交流接觸器，其電弧過零后300 μs內(nèi)觸頭電壓的E4最大值是不同的，可按上述的方法來確定其重燃的E4特征值。

4最佳分?jǐn)鄥^(qū)域及其控制策略探討

4.1最佳分?jǐn)鄥^(qū)域的確定

通過前面的分析，對(duì)于控制電機(jī)負(fù)載的交流接觸器，當(dāng)tf<1.0 ms時(shí)其與觸頭電壓過零后第一個(gè)點(diǎn)的E4值的關(guān)系可定性用圖8表示，E4在tf=0.4～0.6 ms 和0.9～1.0 ms區(qū)域都存在一個(gè)拐點(diǎn)，在這兩個(gè)區(qū)域內(nèi)分開觸頭時(shí)，電流過零后電弧容易熄滅。

圖8　E4與tf的關(guān)系Fig.8　Relationship between E4 and tf

由此，將交流接觸器的分?jǐn)鄥^(qū)域分成5個(gè)部分，見表5。將不同分?jǐn)鄥^(qū)域的電弧能量Wh、過零前的零休時(shí)間和過零瞬間的E4值列入表中進(jìn)行比較。

表5　不同分?jǐn)鄥^(qū)域的比較

為抑制分?jǐn)嚯娀?，最佳分?jǐn)鄥^(qū)域應(yīng)使觸頭打開后的燃弧能量Wh盡可能小，同時(shí)電弧應(yīng)在電流第一次過零后就熄滅，也就是在電流第一次過零后觸頭電壓應(yīng)趨向電源電壓(即E4值應(yīng)較大)，零休時(shí)間要長(zhǎng)。從表5可以發(fā)現(xiàn)，同時(shí)滿足這些條件的區(qū)域?yàn)閠f=0.4～0.6 ms和0.9～1.0 ms兩個(gè)區(qū)域，這樣tf的可控最佳分?jǐn)鄥^(qū)域從以往認(rèn)為的1.0 ms附近明確為兩個(gè)具體的區(qū)域，可控范圍的確定將降低交流接觸器零電流分?jǐn)嗟目刂齐y度。

4.2自適應(yīng)分?jǐn)嗫刂撇呗?/p>

雖然現(xiàn)有的單片機(jī)控制技術(shù)可以保證準(zhǔn)確地控制分?jǐn)鄷r(shí)刻，但是由于交流接觸器不同系列產(chǎn)品的動(dòng)作時(shí)間不同以及機(jī)構(gòu)動(dòng)作的分散性，要準(zhǔn)確控制觸頭在這兩個(gè)最佳分?jǐn)鄥^(qū)域分?jǐn)嗳匀淮嬖谝欢ɡщy?？煽紤]控制觸頭在電流過零前0～1.0 ms內(nèi)分?jǐn)嗖⒁噪娀∈欠裰厝紒碜詣?dòng)調(diào)節(jié)分?jǐn)鄷r(shí)刻：若電弧熄滅則不改變分?jǐn)鄷r(shí)刻，若電弧重燃則按照就近原則將其調(diào)整到兩個(gè)最佳分?jǐn)鄥^(qū)域內(nèi)。

另外，電網(wǎng)周期波動(dòng)會(huì)改變觸頭電壓和電流的頻率，從而導(dǎo)致對(duì)tf的控制產(chǎn)生誤差。因此在實(shí)際控制中需要實(shí)時(shí)測(cè)量實(shí)際的tf值并自動(dòng)作出調(diào)整。由此提出一種基于觸頭電壓實(shí)時(shí)檢測(cè)的交流接觸器自適應(yīng)分?jǐn)嗫刂撇呗裕鐖D9所示。

圖9　控制策略流程Fig.9　Flow chart of control strategy

給出分?jǐn)嘈盘?hào)后，計(jì)算觸頭電壓波形第一次過零前的燃弧時(shí)間并控制在1.0 ms以內(nèi)。接著對(duì)觸頭電壓進(jìn)行小波能量譜變換，提取觸頭電壓過零后300 μs內(nèi)的E4最大值并與門限值進(jìn)行比較，若大于門限值則保持原來的tf不變，若小于門限值則依據(jù)最佳分?jǐn)鄥^(qū)域修改tf以供下次分?jǐn)鄷r(shí)調(diào)用。在本文的試驗(yàn)條件下，其分?jǐn)噙^程電弧重燃的門限值可選取為104。

該策略利用觸頭電壓及其小波能量時(shí)譜特征值作為控制參數(shù)實(shí)現(xiàn)分?jǐn)噙^程的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，為交流接觸器自適應(yīng)分?jǐn)嗫刂铺峁┝艘环N新的思路，為后續(xù)研究其他結(jié)構(gòu)的交流接觸器自適應(yīng)控制提供了參考。在實(shí)際應(yīng)用中還需要根據(jù)電壓等級(jí)和采樣頻率對(duì)門限值的選取以及硬件電路的構(gòu)造等進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

5結(jié)論

本文以觸頭電壓為研究對(duì)象，通過試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)和理論分析對(duì)低壓系統(tǒng)中使用量最大的橋式雙斷點(diǎn)結(jié)構(gòu)交流接觸器最佳分?jǐn)鄥^(qū)域進(jìn)行了探討，研究結(jié)果表明：

1)在電流過零前0.4～1.0 ms區(qū)域分?jǐn)嘤|頭有利于延長(zhǎng)電流過零前的零休時(shí)間。

2)交流接觸器的最佳分?jǐn)鄥^(qū)域在電流過零前的0.4～0.6 ms和0.9～1.0 ms兩個(gè)區(qū)域，觸頭在此區(qū)域內(nèi)分?jǐn)?，將獲得較長(zhǎng)的零休時(shí)間且電弧不易重燃，同時(shí)過零前的電弧能量相對(duì)較小。

3)控制接觸器觸頭在電流過零前1.0 ms內(nèi)的區(qū)域分?jǐn)鄷r(shí)，其觸頭電壓在過零后300 μs內(nèi)的高尺度小波能量時(shí)譜最大值可作為電弧是否重燃的判據(jù)。

同時(shí)提出了一種新的自適應(yīng)控制策略，采用觸頭電壓經(jīng)小波能量譜變換后的E4最大值作為控制參數(shù)調(diào)節(jié)分?jǐn)鄷r(shí)刻，為有效抑制交流接觸器分?jǐn)嚯娀√峁┝死碚摵蛯?shí)現(xiàn)的方法。

參考文獻(xiàn)

[1]吳翊，榮命哲，楊茜，等.低壓空氣電弧動(dòng)態(tài)特性仿真及分析[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2005，25(21)：143-148.

Wu Yi，Rong Mingzhe，Yang Qian，et al.Simulation on dynamic characteristics of arc in low voltage circuit breaker modelling[J].Proceedings of the CSEE，2005，25(21)：143-148.

[2]王巨豐，黃志都，王嬿蕾，等.基于鏈?zhǔn)降谋饬鲌?chǎng)耦合電弧動(dòng)態(tài)模型[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2012，32(7)：154-160.

Wang Jufeng，Huang Zhidu，Wang Yanlei，et al.A dynamic chain arc model for coupling of explosion airflow field[J].Proceedings of the CSEE，2012，32(7)：154-160.

[3]張鵬飛，張國鋼，楊博宇，等.基于電磁逆問題求解的開關(guān)電弧形態(tài)重構(gòu)方法的研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013，33(12)：159-166.

Zhang Pengfei，Zhang Guogang，Yang Boyu，et al.Research on spatial morphology reconstruction of switching electric arc based on solution to the inverse electromagnetic problem[J].Proceedings of the CSEE，2013，33(12)：159-166.

[4]劉教民，孫祎，王震洲，等.低壓交流接觸器開關(guān)電弧動(dòng)態(tài)模型仿真[J].河北科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，31(4)：334-337.

Liu Jiaoming，Sun Yi，Wang Zhenzhou，et al.Simulation of low voltage AC contactor switching arc dynamic model[J].Journal of Hebei University of Science and Technology 2010，31(4)：334-337.

[5]劉懿瑩，吳翊，榮命哲，等.基于自收縮效應(yīng)液態(tài)金屬限流器中電弧行為特性的實(shí)驗(yàn)研究[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2012，27(5)：192-198.Liu Yiying，Wu Yi，Rong Mingzhe，et al.Experimental research of arc behaviour characteristics in liquid metal current limiter based on self pinch effect[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2012，27(5)：192-198.

[6]翟國富，周學(xué)，楊文英.縱向與橫向磁場(chǎng)作用下分?jǐn)嘀绷鞲行载?fù)載時(shí)的電弧特性實(shí)驗(yàn)[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2011，26(1)：68-74.

Zhai Guofu，Zhou Xue，Yang Wenying.Experiment on DC inductive arcs driven by axial and transverse magnetic fields[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2011，26(1)：68-74.

[7]Ren Zhigang，Wu Mingliang，Yang Fei，et al.Numerical study of the arc behavior in an air DC circuit breaker considering turbulence[J].IEEE Transactions on Plasma Science，2014，42(10)：2712-2713.

[8]楊飛，榮命哲，吳翊，等.考慮柵片燒蝕金屬蒸氣的柵片切割空氣電弧仿真與實(shí)驗(yàn)研究[J].物理學(xué)報(bào)，2011，60(5)：1-9.

Yang Fei，Rong Mingzhe，Wu Yi，et al.Numerical and experimental study of air arc splitting process considering splitter plate erosion[J].Acta Physics Sinica，2011，60(5)：1-9.

[9]Bang B H，Lee Y S，Choi J U，et al.Prediction and improvement of dielectric breakdown between arc contacts in gas circuit breaker[C]//2nd International Conference on Electric Power Equipment，Matsue，2013：1-4.

[10]Halim H A，Noorpi N S，Mukhtar N M，et al.Simulation study of the transient recovery voltage (TRV) on circuit breaker[C]//The 5th International Conference on Computational Intelligence，Modelling and Simulation，Seoul，2013：300-305.

[11]顏小芳，柏小平，劉立強(qiáng).一種空調(diào)交流接觸器用AgNi觸點(diǎn)材料的研究[J].電工材料，2013(2)：13-17.Yan Xiaofang，Bai Xiaoping，Liu Liqiang.AgNi contact material for AC contactor of air conditioner[J].Electrical Engineering Materials，2013(2)：13-17.

[12]Yoshida K，Sawa K，Suzuki K，et al.Influence of voltage and current on arc duration and energy of DC electromagnetic contactor[C]//Proceedings of the Annual Holm Conference on Electrical Contacts，2011：17-21.

[13]Nekahi A，F(xiàn)arokhi S，F(xiàn)arzaneh M，et al.Arc energy and temperature during its propagation over ice-covered surfaces[J].IEEE Transactions on Plasma Science，2014，42(1)：114-119.

[14]郭鳳儀，王智勇，李穎，等.不同保護(hù)電路對(duì)繼電器電壽命的影響及實(shí)驗(yàn)研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2007，27(31)：77-82.

Guo Fengyi，Wang Zhiyong，Li Ying，et al.Influence and experimental study on relay’s electrical life under different protected circuits conditions[J].Proceedings of the CSEE，2007，27(31)：77-82.

[15]許志紅，張培銘，鄭昕.智能交流接觸器零電流分?jǐn)嗫刂萍夹g(shù)的實(shí)現(xiàn)[J].低壓電器，2006(7)：6-11.

Xu Zhihong，Zhang Peiming，Zheng Xin.Realization of zero-current-break control technology for intelligent AC contactor[J].Low Voltage Apparatus，2006(7)：6-11.

[16]巢志洲，許志紅，張培銘.一種組合式智能交流接觸器[J].江蘇電器，2004(5)：4-6.

Chao Zhizhou，Xu Zhihong，Zhang Peiming.A combine type intelligent AC contactor[J].Jiang Shu Apparatus，2004(5)：4-6.

[17]林在榮，金玉麟，黃曉霞.低壓電器分相自適應(yīng)控制技術(shù)的研究與應(yīng)用[J].電測(cè)與儀表，2010，47(12)：61-64.

Lin Zairong，Jin Yulin，Huang Xiaoxia.Research and application on single phase adaptive control technology for low voltage appliance[J].Electrical Measurement & Instrumentation，2010，47(12)：61-64.

[18]劉洪武，謝心意，何艷峰，等.雙斷點(diǎn)斷路器開斷過程燃弧能量的不平衡問題[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2010，25(3)：61-65.

Liu Hongwu，Xie Xinyi，He Yanfeng，et al.Influence of unbalance arcing energy between two breaks of a double-break MCCB[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2010，25(3)：61-65.

[19]湯龍飛，許志紅.閉環(huán)斬波起動(dòng)交流接觸器控制模塊設(shè)計(jì)[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013，33(18)：132-139.

Tang Longfei，Xu Zhihong.Design of an AC contactor control module started by closed loop chopping[J].Proceedings of the CSEE，2013，33(18)：132-139.

[20]許志紅.電器理論基礎(chǔ)[M].1版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014.

[21]許志紅，張培銘，鄭昕.智能交流接觸器可靠性問題的分析[J].低壓電器，2002(3)：10-13

Xu Zhihong，Zhang Peiming，Zheng Xin.Research for the reliability of intelligent AC contactor[J].Low Voltage Apparatus，2002(3)：10-13.

[22]蘇金州，許志紅，施東升，等.基于Labview的低壓電器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].低壓電器，2009(7)：27-30.

Su Jinzhou，Xu Zhihong，Shi Dongsheng，et al.A data acquisition system for low voltage electrical apparatus based on Labview[J].Low Voltage Apparatus，2009(7)：27-30.

[23]張進(jìn)，馮志鵬，褚福磊.滾動(dòng)軸承故障特征的時(shí)間—小波能量譜提取方法[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2011，47(17)：44-49.

Zhang Jin，F(xiàn)eng Zhipeng，Chu Fulei.Extraction of rolling bearing fault feature based on time-wavelet energy spectrum[J].Journal of Mechanical Engineering，2011，47(17)：44-49.

[24]趙松年，熊小蕓.子波變換與子波分析[M].北京：電子工業(yè)出版社，1996.

[25]鄭昕.低壓配電系統(tǒng)短路電流快速分?jǐn)嗫刂茖?shí)現(xiàn)的研究[D].福州：福州大學(xué)，2007.

[26]李舜酩.二進(jìn)離散小波能量譜及其對(duì)微弱信號(hào)的檢測(cè)[J].中國機(jī)械工程，2004，15(5)：394-397.Li Shunming.Detection of weak signal by energy spectrum of dyadic discrete wavelet[J].China Mechanical Engineering，2004，15(5)：394-397.

[27]陳麗安，張培銘.基于形態(tài)小波的低壓系統(tǒng)短路故障早期檢測(cè)[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2005，25(10)：24-28.

Chen Lian，Zhang Peiming.Early detection for short-circuit fault in low voltage systems based on morphology-wavelet[J].Proceedings of the CSEE，2005，25(10)：24-28.

鄭昕男，1976年生，博士，副教授，研究方向?yàn)橹悄茈娖骷捌湓诰€監(jiān)測(cè)。

E-mail：27480389@qq.com(通信作者)

許志紅女，1963年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橹悄茈娖骷捌湓诰€監(jiān)測(cè)。

E-mail：xuzhihong2008@yahoo.com.cn

An Exploration on the Best Breaking Areas of AC Contactors

ZhengXinXuZhihong

(College of Electrical Engineering and AutomationFuzhou UniversityFuzhou350116China)

AbstractIn order to restrain the arc of the AC contactor during breaking, the contact voltage is set as the research objective.The trends of the contact voltage and the arc extinguishing after zero current under different breaking time are studied based on vast experiment data.The energy time spectrums of the arc voltage of the AC contactor in different breaking areas within 1ms before zero current are analyzed by wavelet energy spectrum under different currents and different power factors.The change trend and characteristics of the arc voltage before and after zero crossing are counted and analyzed.The best breaking areas for AC contactor are discussed.And the maximum value of the high scales wavelet energy time spectrum within 300 μs after zero crossing of the contact voltage is presented as the criterion of arc reigniting.Two areas of 0.4～0.6 ms and 0.9～1.0 ms are determined to be the best breaking areas.Then the adaptive control strategy for breaking AC contactors is presented based on the breaking time tf and the amplitude of the wavelet energy time spectrums E4.

Keywords：Contact voltage，arc extinguishing，best breaking areas，wavelet energy spectrum，control strategy

作者簡(jiǎn)介

中圖分類號(hào)：TM572

收稿日期2014-06-06改稿日期2014-09-04

國家自然科學(xué)基金(51277031)和福建省自然科學(xué)基金(2015J01192)資助項(xiàng)目。