交流接触器最佳分断区域的探讨

交流接触器最佳分断区域的探讨郑昕;许志红【摘要】为抑制交流接触器分断过程的电弧,以触头电压为研究对象,在大量试验的基础上对不同分断时刻触头电压的变化趋势及电流过零后的熄弧情况进行了研究.利用小波能量谱分析了不同电流、不同功率因数情况下交流接触器在电流过零前1ms内不同分断区域的电弧电压能量时谱，统计和分析电弧电压第一次过零前后的变化趋势和特征.对交流接触器最佳分断区域进行探讨并提出以触头电压过零后300ps内的高尺度小波能量时谱最大值作为电弧重燃与否的判断依据•确定了电流过零前0.4~0.6ms和0.9~1.0ms两个最佳分断区域并提出了基于分断时刻tf及小波能量时谱幅值E4的交流接触器自适应分断控制策略.期刊名称】《电工技术学报》年(卷),期】2016(031)007【总页数】9页(P198-206)【关键词】触头电压;熄弧;最佳分断区域;小波能量谱;控制策略【作者】郑昕;许志红【作者单位】福州大学电气工程与自动化学院福州350116;福州大学电气工程与自动化学院福州350116【正文语种】中文中图分类】TM572交流接触器在分断过程会产生电弧，严重影响其可靠运行。作为控制电器，交流接触器通常不会采用如配电电器那样较强的灭弧措施，所以分断大电流时对触头的烧损十分严重。虽然采用半导体电力电子开关并联触头两端的混合式开关控制技术可以实现交流接触器的无弧分断，但其成本较高且存在无明显断口的隐患，仅适用于矿山等防爆要求高的场所。对于一般的用电场合，出于安全考虑，普遍希望电器开关具有明显的断口，多采用传统结构的交流接触器。随着智能化控制技术的迅速发展，可以方便地实现交流接触器在起动、吸持、分断阶段的过程控制。因此研究交流接触器最佳分断区域及其控制技术对解决触头的电弧烧蚀并大幅提高接触器的电寿命具有实际意义。近年来，在电弧动态特性方面的研究取得了很多成果，文献［1-3］从宏观的角度分别采用磁流体动力学理论、电弧链式模型和电磁逆问题求解方法对电弧进行三维仿真和重构，对电弧运动过程的等离子喷流及电弧形态等进行了描述。文献［4］结合低压交流接触器自身特点，建立了交流接触器链式电弧模型，研究了电弧参数的径向分布规律，在假定电弧局部热力学平衡的情况下，利用Matlab求解电弧动态模型。电弧仿真模型在开关电器的设计阶段具有重要的指导意义，但是在实际运行过程中由于电弧动态特性的测量具有一定的局限性，难以实现实时检测和调整。开关电器的电弧在操作过程中可直接观测到其电路特性，包括电弧电压、电弧电流电弧能量、电弧温度和阻抗特性等［5，6］。文献［7］研究了低压直流断路器电弧等离子体运动特性，建立了考虑湍流效应的三维电弧模型并对其进行了数字化分析。文献［8］基于磁流体动力学建立了考虑栅片烧蚀金属蒸气的三维空气电弧模型，通过计算获得了电弧运动及切割过程的电弧电压、电弧温度及金属蒸气浓度的分布情况。文献［9，10］分别通过流体力学计算软件和PSCAD软件对低压断路器触头分断后的电压恢复特性进行了建模和仿真，分析了电弧和瞬时恢复电压电场强度与温度分布的关系及瞬时恢复电压对断路器分断能力的影响。文献［11］从材料的角度分析了不同触头材料的燃弧能量变化趋势，发现触头烧蚀越严重其燃弧能量的增幅越大。文献［12］研究了直流电磁接触器的电压和电流对燃弧时间和电弧能量的影响，表明在燃弧时间很短的情况下电压大小对燃弧时间的影响不大，同时燃弧能量随电压、电流的增加而增大。文献［13］对电弧放电过程进行了光谱分析并给出了弧柱区的能量计算方法。文献［14］对不同保护电路的继电器开断感性负载时的触点电弧侵蚀情况进行了试验研究，提出了通过计算电弧能量来预测电寿命的方法。以上文献对电弧的电路特性进行了研究和分析，但是，并未与开关电器的通断控制相结合，无法实现运行中对电弧侵蚀的抑制。文献［15-17］提出了零电流分断和分相控制的技术，使交流接触器触头在电流过零时打开，实现无弧或微弧分断。由于交流接触器动作机构的不稳定性和电弧燃烧过程的复杂性［18］，要精确控制触头完全在电流过零点打开存在很大困难，实际的做法是在电流过零前某一时刻开断触头，由于接触器动作机构的分散性，零电流分断控制还存在一定的不可靠性。文献［19］设计了一种闭环斩波起动的交流接触器智能控制模块，并对起动过程和分断过程中的线圈电压、电流进行仿真分析，但没有涉及对电弧特性参数的分析和控制。交流接触器智能分断控制的最终目的之一是抑制触头的电弧侵蚀，而分断过程的电弧燃烧情况可直接反映智能控制的效果。目前，将分断过程电弧运动、熄弧情况等直接影响触头电磨损的现象引入智能控制中的研究尚未见报道。本文在试验的基础上，对不同分断时刻的触头分断过程展开研究，分析电流第一次过零后电弧的重燃与熄灭特征及其提取方法，并与零电流分断控制技术［15］相结合，探讨交流接触器的最佳分断区域及自适应抑制分断电弧的控制策略。为降低触头的电弧侵蚀，对最佳分断区域的要求是电弧在过零前的能量应尽可能小且电流第一次过零时就熄灭电弧。交流电弧能量Wh的基本公式为［20］在采用零电流分断控制技术对不同交流接触器进行电寿命的试验中，均发现存在电弧能量最小的分断区域。现以CJ20—63A和CJ20—100A两种交流接触器为对象，统计tf在0~1ms内的不同时刻分断的熄弧情况，从大量实测数据中选取不同分断时刻的波形数据，每个时刻各取20组进行统计，将过零后重燃次数列于表1中。试验电源电压220V，电流600A，功率因数0.35。从表1中可见，tf=0~0.3ms、0.7~0.9ms及1.2ms区域内都有重燃，而在tf=0.4~0.6ms和tf=0.9~1.0ms区域内都未重燃，在0.9ms时仅63A样机重燃一次，说明确实存在最佳分断区域。为统计长期工作后样机的重燃现象，在同样的试验条件下对两台样机进行了电寿命试验，控制电路设定分断时刻为电流过零前0.5ms。在试验中发现前5000次通断时，分断时刻大多集中在过零点附近区域，而后5000次时分断时刻大多集中在过零前1ms附近区域。根据“浴盆曲线”规律［21］分析，这是由于前5000次试验时接触器处于磨合期，固有动作时间易产生漂移使分断时间受到影响；后5000次时则由于接触器处于耗损失效期，触头磨损较严重导致超程减小而使固有动作时间缩短。在前5000次寿命试验中，100A样机共采集53次电弧重燃现象，63A样机采集到61次；后5000次寿命试验中，100A样机采集到52次电弧过零重燃，而63A样机采集到58次。将各次电弧重燃时对应的分断时刻进行统计，结果如图2所示。从图中可看出，在前5000次试验中，两种样机电弧重燃次数最多的分断区域为tf=0~0.3ms，另外在tf=0.7~0.9ms和1.1ms以上区域也有较多次的重燃现象，而在廿=0.4~0.6ms和0.9~1ms两个区域几乎不重燃。在后5000次试验中得到相同的结论，只是电弧重燃最多的分断区域在tf=1.1ms以上。从以上的统计结果可以发现，在试验所采用的负载条件下，触头在电流过零前0.4~0.6ms和0.9~1ms这两个区域内分断时都不容易发生过零后的燃弧现象。过零后，触头两端的电压是直接反映电弧情况的一个参量，如果电流过零以后触头两端的电压趋向于电源电压，说明此时电弧趋于熄灭，触头电压上升幅度快、速度大；反之，则电弧趋于燃烧，触头两端电压趋向于较低的电弧电压，其上升的幅度和速度较缓慢。因此，研究电流过零前后触头两端的电压变化趋势对探讨交流接触器的最佳分断区域有意义。同时，还应对不同负载条件下的情况进行分析。在低压供电系统中，电磁式交流接触器是使用量最大的一种控制电器，其触头系统为桥式双断点结构形式，本文以此为对象展开进一步研究。选取三台不同规格的样机CJ40—100A（A样机）、CJ20—40A（B样机）和CLC1—0910（C样机）进行分断试验。触头电压取自两个静触头之间。虽然开断电路时将在两个断口上形成串联电弧，两个断口的瞬时电压和瞬时功率可能不一致，但是由于接触器为频繁操作的控制电器，其电寿命可达到数百万次，只要燃弧能量在长期累计的统计意义上是趋于一致的，就不会造成两对触头之间的磨损不均匀而引起电寿命的降低［18］，因此直接测量两个静触头之间的电压不会影响研究的结果。试验在福建省产品质量检验研究院进行，主电路电源电压和控制电源电压均为220V。分断控制电路采用单片机PIC16F73设计，控制接触器触头在电流过零前的不同分断时刻打开。所用测试系统是基于Labview的新型数采系统［22］，采样频率为100kHz，其所采集的电压和电流波形数据格式为Labview软件的LVM格式。在100A电流下分别采集cos申=0.32、0.61、0.88三种不同功率因数下的A样机分断波形数据进行分析，并对该样机在15A和100A两种电流等级下的测试结果以及相同条件下的三种规格样机的试验结果分别进行比较。通过分析采集到的触头电压变化趋势来分析电弧是否熄灭。由于触头电压在电流过零后瞬间变化趋势的差别并不明显，传统的测量分析方法难以准确描述其变化的趋势和强度，因此需要引入一种新的分析算法。本文对采集到的触头电压波形进行小波能量谱变换，利用触头电压的小波能量时谱特征来反映触头电压的变化趋势。小波能量谱分析方法是把能量概念引入到二进小波分析中，通过不同尺度小波分解的能量谱来确定信号变化趋势的强弱，识别出通常难以发现的信号。其原理如下［23］。若有一信号X(t)为能量有限信号，其小波变换定义为在二进小波变换中，常用光滑函数的导函数作为小波函数，而样条函数是一种分段光滑函数且在连接点处具有一定的光滑性，同时B样条半正交小波函数具有显式解析式，推导简单，支撑集短，易于在计算机上编程实时实现［24］。因此本文选取3次B样条函数的导函数为小波函数对触头电压信号进行变换。利用小波分解快速递推算法，可得到离散信号x(t)的3次B样条二进小波变换公式［25］令E2jx(t)为第j尺度下细节的能量，则该信号的小波能量时谱为［26］利用Labview软件编制了3次B样条二进小波能量时谱变换程序，支持LVM数据格式，可读取试验采集到的交流接触器分断过程触头电压波形数据进行变换和分析。考虑实时性与计算的复杂性，进行4层分解变换得到第四尺度下的小波能量时谱E4的波形，其中低通与带通滤波器的脉冲响应系数为［27］g0=-2g1=2h-1=h2=0.125h0=h1=0.375由于电弧电流和电压是同相的，触头的分断时刻tf在数值上等于电弧电压波形从产生到第一次过零的时间。通过分断控制电路控制触头在电流过零前0~1ms附近区域分断，采集触头电压在不同廿下的波形并进行分析。首先对A样机在电流100A、cos申=0.32条件下进行测试，利用分断控制电路控制接触器在tf=0~1.4ms的不同时刻分断，将测量得到的过零前的触头电压峰值Uxh，也就是第一次过零前的电压熄弧尖峰列于表2中。从表2中可以看出，熄弧尖峰在tf=0.4~0.8ms区域较大，均达到20V以上，其他区域均在20V以下，此时的实测电源电压瞬时值为283V。将cos申=0.61及cos申=0.88条件下测得的Uxh随分断时刻变化的曲线与cos甲=0.32的曲线同时绘于图3中，cos甲=0.61及cos甲=0.88时其熄弧尖峰出现时的电源电压瞬时值分别为246V和147V。从图中可见，三种功率因数下熄弧尖峰均随分断时刻的增加而逐渐上升，功率因数为0.32和0.61条件下的熄弧尖峰在tf=0.6ms时达到最大，而后有所下降，功率因数在0.88的情况下熄弧尖峰在tf=1ms时达到最大，而后开始降低，分析其原因如下：在电路负载阻性不大时，当tf较小（0.6ms以下）时电弧电流接近零点，在极短时间内电弧能量基本不变，触头打开后电弧电阻也基本不变，tf越长触头打开时的电流越大，因此熄弧尖峰逐渐增加；当tf较大（0.6ms以上）时，电弧能量随tf增大而增大，电流过零时弧柱温度相对较高，直径减小，电弧电阻下降，因此熄弧尖峰有所降低。在cos申=0.32条件下对另两台样机进行同样的测试，得到相同的触头电压变化趋势。对于感性负载，当电弧电流ih下降到接近零时，其下降速度与熄弧尖峰Uxh的关系可用表示为[20]将采集到的电压波形数据输入自行编制的小波能量谱程序中，取第四尺度小波能量时谱值E4作为特征数据分析电流过零后的触头电压变化。触头电压及其小波能量时谱波形如图4所示。为了有效反映过零瞬间触头间隙的电弧熄灭情况，对实测电压波形过零后第一个点的E4值进行分析。在电流为100A和15A情况下分别对A样机的触头电压波形进行小波能量谱变换，表3为100A时过零后第一个点的E4值，并将两种电流下的数据绘制于图5中。分析得到的数据，发现在100A和15A电流下，过零后瞬间的E4值变化趋势基本一致，即在tf=0~0.3ms区域较小，在0.4~0.6ms区域逐渐增大，0.6ms后又逐渐降低，但是在0.9~1.0ms区域又逐渐增大。小波能量时谱的幅值越大，表示电流过零后触头电压上升的幅度和速度越大，触头电压越趋向于电路的电源电压，电弧趋向熄灭；反之，则触头电压趋向于较小的电弧电压，电弧趋向于重燃。因此，根据实测的数据说明A样机在0.4~0.6ms和0.9~1.0ms区域分断时，触头电压更趋向电源电压变化。另外，当分断时刻超过2ms后，不论是在15A还是100A电流下，过零后的E4都逐渐增大，超过5ms后，E4值甚至达到表中数值的10倍以上，这是由于分断时刻过长时，电流过零后触头的间隙已经拉开很大的距离，此时电弧更容易散热，介质恢复快，但是其过零前燃弧时间很长，电弧能量较大，对触头的烧蚀更加严重，长期工作时触头的可靠性降低。在cos申=0.32、0.61及0.88三种功率因数下对A样机的触头电压E4值进行分析，测试电流为100A，将变换后的E4数据同时绘于图6中。从图中可见，在0.32和0.61功率因数下E4值随分断时刻的变化趋势与前面的测试结果基本一致，在tf=0.4~0.6ms和0.9~1.0ms两个区域的E4都逐渐增大，反映出在这两种负载性质下，接触器在这两个区域分断时，电弧易于熄灭。但是在功率因数为0.88时，情况有所差别，电弧相对容易熄灭的区域位于tf=0.4~0.6ms，而在0.9~1.0ms区域相对更难熄弧，这是由于当负载性质偏向于阻性时，电弧电流过零时的零休时间比偏感性负载下的长，在相同条件下若过零前的燃弧时间越长，过零时电弧能量越大，电弧反而更不容易熄灭。由于交流接触器在低压控制系统中所控制的负载大多为电机，其负载性质偏感性，因此控制接触器在tf=0.4~0.6ms和0.9~1.0ms两个区域分断同样有利于电弧熄灭。本文还对A、B和C三种不同规格的样机在相同条件下进行了试验测试以分析在触头大小、接触面积和接触力不同的条件下触头电压的变化规律是否具有一致性，测试条件均为1=100A、cos申=0.32。图7为三台样机的测试结果。在相同条件下，三台样机在不同分断时刻分断后的E4变化趋势基本一致，且小波能量谱变换的结果表明，在不同的触头结构参数下同样在廿=0.4~0.6ms和0.9~1.0ms两个区域内分断触头电弧容易熄灭。对于交流接触器，如果采用智能控制技术将分断过程的触头打开时刻控制在电流过零前的一个小区域内，那么，此时传统意义上的纵缝和灭弧栅片对电弧的影响可以暂不考虑。电流过零后的0~300ps是熄弧过程的关键时期［20］，通过小波能量时谱变换程序计算电流过零后300ps内触头电压的E4值并进行比较分析。以A样机为例，将试验电流增大到640A,cos申=0.32。在tf=0.2ms、0.3ms、0.8ms、1.3ms及3.1ms时分别采集重燃波形。将触头电压第一次过零后300ps内的E4最大值分别列于表4中。从表4可以发现，在某些分断时刻，分断电弧在电流第一次过零后有时重燃有时熄灭，其重燃时的触头电压的E4值均小于104，而不重燃时的E4值都大大超过104。而其他分断时刻未发生重燃的E4值也都大大超过104。试验中将tf增加到3.1ms时触头电压的小波能量时谱最大值在未重燃时高达17.9x104,也大大高于重燃时的6.5x104且重燃次数大大增加。这是因为当tf>2.0ms时，电流过零后触头间隙已经很大，同时电弧已运动进入灭弧室，但是由于过零前的燃弧时间较长，电弧能量较大，这与前面的分析结果也是一致的。可见，在负载性质相同的情况下，不论在哪个时刻分断，重燃和熄灭的E4最大值都相差很大。因此，当tf控制在1ms以内时，可以将电弧过零后300ps内触头电压的E4最大值作为电弧第一次过零后是否重燃的判据。在本文的试验条件下，若E4超过104则认为电弧趋向重燃，反之则认为电弧趋向熄灭。对于不同等级的交流接触器，其电弧过零后300ps内触头电压的E4最大值是不同的，可按上述的方法来确定其重燃的E4特征值。通过前面的分析，对于控制电机负载的交流接触器，当tf<1.0ms时其与触头电压过零后第一个点的E4值的关系可定性用图8表示,E4在tf=0.4~0.6ms和0.9~1.0ms区域都存在一个拐点，在这两个区域内分开触头时，电流过零后电弧容易熄灭。由此，将交流接触器的分断区域分成5个部分，见表5。将不同分断区域的电弧能量Wh、过零前的零休时间和过零瞬间的E4值列入表中进行比较。为抑制分断电弧，最佳分断区域应使触头打开后的燃弧能量Wh尽可能小，同时电弧应在电流第一次过零后就熄灭，也就是在电流第一次过零后触头电压应趋向电源电压（即E4值应较大），零休时间要长。从表5可以发现，同时满足这些条件的区域为tf=0.4~0.6ms和0.9~1.0ms两个区域，这样tf的可控最佳分断区域从以往认为的1.0ms附近明确为两个具体的区域，可控范围的确定将降低交流接触器零电流分断的控制难度。虽然现有的单片机控制技术可以保证准确地控制分断时刻，但是由于交流接触器不同系列产品的动作时间不同以及机构动作的分散性，要准确控制触头在这两个最佳分断区域分断仍