DQZHAN訊：交流接觸器*佳分?jǐn)鄥^(qū)域

福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院的研究人員鄭昕、許志紅，在2016年第7期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》上撰文，為抑制交流接觸器分?jǐn)噙^(guò)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(guò)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(guò)零前1ms內(nèi)不同分?jǐn)鄥^(qū)域的電弧電壓能量時(shí)譜，統(tǒng)計(jì)和分析了電弧電壓**次過(guò)零前后的變化趨勢(shì)和特征。

對(duì)交流接觸器*佳分?jǐn)鄥^(qū)域進(jìn)行了探討并提出以觸頭電壓過(guò)零后300μs內(nèi)的高尺度小波能量時(shí)譜*大值作為電弧重燃與否的判斷依據(jù)。確定了電流過(guò)零前0.4~0.6ms和0.9~1ms兩個(gè)*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?

交流接觸器在分?jǐn)噙^(guò)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)采用配電電器那樣強(qiáng)的滅弧措施，其分?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(kāi)關(guān)并聯(lián)觸頭兩端的混合式開(kāi)關(guān)控制技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)交流接觸器的無(wú)弧分?jǐn)?，但其成本較高且存在無(wú)明顯斷口的隱患，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**考慮，普遍希望電器開(kāi)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，可以方便的實(shí)現(xiàn)交流接觸器在起動(dòng)、吸持、分?jǐn)嚯A段的過(guò)程控制。因此研究交流接觸器*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(lái)，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?wèn)題求解方法對(duì)電弧進(jìn)行三維仿真和重構(gòu)，對(duì)電弧運(yùn)動(dòng)過(guò)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(kāi)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(guò)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(kāi)關(guān)電器的電弧在操作過(guò)程中可直接觀測(cè)到的是其電路特性，包括電弧電壓、電弧電流、電弧能量、電弧溫度和阻抗特性等。文獻(xiàn)[5]研究了低壓直流斷路器電弧等離子體運(yùn)動(dòng)特性，建立了考慮紊流效應(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)[6]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(guò)計(jì)算獲得了電弧運(yùn)動(dòng)及切割過(guò)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)[7]和[8]分別通過(guò)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?

文獻(xiàn)[9]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)[10]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)[11]對(duì)電弧放電過(guò)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)[12]對(duì)不同保護(hù)電路的繼電器開(kāi)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(guò)計(jì)算電弧能量來(lái)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(kāi)關(guān)電器的通斷控制相結(jié)合，無(wú)法實(shí)現(xiàn)在運(yùn)行中對(duì)電弧侵蝕的抑制。文獻(xiàn)[13-15]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(guò)零時(shí)打開(kāi)實(shí)現(xiàn)無(wú)弧或微弧分?jǐn)唷?

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(guò)程的復(fù)雜性[16]，要**控制觸頭完全在電流過(guò)零點(diǎn)打開(kāi)存在很大困難，實(shí)際的做法是在電流過(guò)零前某一時(shí)刻開(kāi)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)[17]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(guò)程和分?jǐn)噙^(guò)程中的線(xiàn)圈電壓、電流進(jìn)行仿真分析，但沒(méi)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?終目的之一是抑制觸頭的電弧侵蝕，而分?jǐn)噙^(guò)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^(guò)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(jiàn)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^(guò)程展開(kāi)研究，分析電流**次過(guò)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)[13]相結(jié)合，探討交流接觸器的*佳分?jǐn)鄥^(qū)域及自適應(yīng)抑制分?jǐn)嚯娀〉目刂撇呗浴?

圖9控制策略圖

結(jié)論

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

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

2）交流接觸器的*佳分?jǐn)鄥^(qū)域在電流過(guò)零前的0.4~0.6ms和0.9~1ms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(guò)零前的電弧能量相對(duì)較小。

3）控制接觸器觸頭在電流過(guò)零前1ms內(nèi)的區(qū)域分?jǐn)鄷r(shí)，其觸頭電壓在過(guò)零后300μs內(nèi)的高尺度小波能量時(shí)譜*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*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。