交流接触器最佳分断区域的探讨

郑　昕　许志红

(福州大学电气工程与自动化学院　福州　350116)



交流接触器最佳分断区域的探讨

郑昕许志红

(福州大学电气工程与自动化学院福州350116)

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1 ms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300 μs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 0.4～0.6 ms和0.9～1.0 ms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。

关键词：触头电压熄弧最佳分断区域小波能量谱控制策略

0引言

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。

1最佳分断区域试验

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]

式中，ts为电弧产生时刻；tx为电弧熄灭时刻；uh、ih分别为电弧电压和电弧电流。可见，第一次过零时触头间隙的电弧能量与过零前的燃弧时间有关，燃弧时间越长电弧能量越大，电弧越不容易熄灭，同时触头受到的侵蚀越严重，因此交流接触器最佳分断区域应选在电流过零前0～1 ms附近的时间区域内为宜。用tf来表示触头打开到电弧电流第一次过零的时间，如图1所示。图1为福州大学低压电器检测中心实测的分断波形，图中第一个通道为电流波形，横坐标都为时间，图中实测的tf=0.7 ms。

图1　tf=0.7 ms的实测波形Fig.1　Measured waveforms with tf=0.7 ms

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0～1 ms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220 V，电流600 A，功率因数0.35。

表1　重燃次数统计

从表1中可见，tf=0～0.3 ms、0.7～0.9 ms及1.2 ms区域内都有重燃，而在tf=0.4～0.6 ms和tf=0.9～1.0 ms区域内都未重燃，在0.9 ms时仅63 A样机重燃一次，说明确实存在最佳分断区域。

图2　电弧重燃的分断区域统计Fig.2　Counting for breaking areas with arc reigniting

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0.5 ms。在试验中发现前5 000次通断时，分断时刻大多集中在过零点附近区域，而后5 000次时分断时刻大多集中在过零前1 ms附近区域。根据“浴盆曲线”规律[21]分析，这是由于前5 000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5 000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5 000次寿命试验中，100 A样机共采集53次电弧重燃现象，63 A样机采集到61次；后5 000次寿命试验中，100 A样机采集到52次电弧过零重燃，而63 A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5 000次试验中，两种样机电弧重燃次数最多的分断区域为tf=0～0.3 ms，另外在tf=0.7～0.9 ms和1.1 ms以上区域也有较多次的重燃现象，而在tf=0.4～0.6 ms和0.9～1 ms两个区域几乎不重燃。在后5 000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=1.1 ms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0.4～0.6 ms和0.9～1 ms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。

2电弧电流过零前后的触头电压

2.1研究方案

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220 V。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100 kHz，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100 A电流下分别采集cosφ=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15 A和100 A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。

2.2触头电压的小波能量谱分析

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

式中，σ为尺度参数，σ>0；τ为时间参数；ψ[(t-τ)/σ]为小波基函数ψ(t)经过τ及σ变换而形成的小波函数簇。令E(τ)为信号x(t)的能量沿时间轴的分布，则有

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]

式中，j为分解尺度数，j∈(1，J)，其中J为分解的最高尺度数；当j=1时，S20x(t)为原始输入信号；hk和gk分别为尺度函数和小波函数对应的低通与带通滤波器响应系数。

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

3结果分析

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0～1 ms附近区域分断，采集触头电压在不同tf下的波形并进行分析。

3.1电流过零前触头电压的变化

首先对A样机在电流100 A、cosφ=0.32条件下进行测试，利用分断控制电路控制接触器在tf=0～1.4 ms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=0.4～0.8 ms区域较大，均达到20 V以上，其他区域均在20 V以下，此时的实测电源电压瞬时值为283 V。

表2　A样机在100 A，cosφ=0.32条件下的Uxh

图3　100 A电流，不同功率因数下的UxhFig.3　Uxh under 100 A current in different cosφ

将cosφ=0.61及cosφ=0.88条件下测得的Uxh随分断时刻变化的曲线与cosφ=0.32的曲线同时绘于图3中，cosφ=0.61及cosφ=0.88时其熄弧尖峰出现时的电源电压瞬时值分别为246 V和147 V。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=0.6 ms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=1 ms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(0.6 ms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(0.6 ms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cosφ=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]

式中，Um为触头所在电路的电源电压幅值；L为电路中电感。可见Uxh的增大将使电弧电流下降速度增大。对阻感性负载来说，线路中还存在等效电阻的电压，此时的Um不再是电源电压幅值，而是对应功率因数下的电源电压瞬时值，但是Uxh的增大同样使电弧电流下降速度增大，意味着电流过零前的零休时间增加，电弧越容易冷却。从图3中可见，当tf>0.4 ms时，三种功率因数下的Uxh都相对较大，因此控制接触器在电流过零前0.4 ms以上的区域分断相对更有利于熄灭电弧。

3.2电流过零后触头电压的变化

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。

图4　触头电压波形及其小波能量时谱Fig.4　Waveform of contact voltage and its wavelet-energy spectrum in time domain

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。

3.2.1不同电流情况

在电流为100 A和15 A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100 A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。

表3　100 A条件下的E4值

图5　A样机在不同电流下的E4值Fig.5　E4 of A prototype under different current

分析得到的数据，发现在100 A和15 A电流下，过零后瞬间的E4值变化趋势基本一致，即在tf=0～0.3 ms区域较小，在0.4～0.6 ms区域逐渐增大，0.6 ms后又逐渐降低，但是在0.9～1.0 ms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0.4～0.6 ms和0.9～1.0 ms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2 ms后，不论是在15 A还是100 A电流下，过零后的E4都逐渐增大，超过5 ms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。

3.2.2不同功率因数情况

在cosφ=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100 A，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=0.4～0.6 ms和0.9～1.0 ms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=0.4～0.6 ms，而在0.9～1.0 ms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=0.4～0.6 ms和0.9～1.0 ms两个区域分断同样有利于电弧熄灭。

图6　A样机在不同功率因数下的E4值Fig.6　E4 of A prototype under different cosφ

3.2.3不同规格样机

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I=100 A、cosφ=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tf=0.4～0.6 ms和0.9～1.0 ms两个区域内分断触头电弧容易熄灭。

图7　不同规格样机的E4值Fig.7　E4 of different prototypes

3.3电弧重燃的判据

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0～300 μs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300 μs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640 A，cosφ=0.32。在tf=0.2 ms、0.3 ms、0.8 ms、1.3 ms及3.1 ms时分别采集重燃波形。将触头电压第一次过零后300 μs内的E4最大值分别列于表4中。

表4　重燃及未重燃情况下的E4最大值

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3.1 ms时触头电压的小波能量时谱最大值在未重燃时高达17.9×104，也大大高于重燃时的6.5×104且重燃次数大大增加。这是因为当tf>2.0 ms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1 ms以内时，可以将电弧过零后300 μs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300 μs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。

4最佳分断区域及其控制策略探讨

4.1最佳分断区域的确定

通过前面的分析，对于控制电机负载的交流接触器，当tf<1.0 ms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=0.4～0.6 ms 和0.9～1.0 ms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。

图8　E4与tf的关系Fig.8　Relationship between E4 and tf

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。

表5　不同分断区域的比较

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=0.4～0.6 ms和0.9～1.0 ms两个区域，这样tf的可控最佳分断区域从以往认为的1.0 ms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。

4.2自适应分断控制策略

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然存在一定困难。可考虑控制触头在电流过零前0～1.0 ms内分断并以电弧是否重燃来自动调节分断时刻：若电弧熄灭则不改变分断时刻，若电弧重燃则按照就近原则将其调整到两个最佳分断区域内。

另外，电网周期波动会改变触头电压和电流的频率，从而导致对tf的控制产生误差。因此在实际控制中需要实时测量实际的tf值并自动作出调整。由此提出一种基于触头电压实时检测的交流接触器自适应分断控制策略，如图9所示。

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

给出分断信号后，计算触头电压波形第一次过零前的燃弧时间并控制在1.0 ms以内。接着对触头电压进行小波能量谱变换，提取触头电压过零后300 μs内的E4最大值并与门限值进行比较，若大于门限值则保持原来的tf不变，若小于门限值则依据最佳分断区域修改tf以供下次分断时调用。在本文的试验条件下，其分断过程电弧重燃的门限值可选取为104。

该策略利用触头电压及其小波能量时谱特征值作为控制参数实现分断过程的自适应调节，为交流接触器自适应分断控制提供了一种新的思路，为后续研究其他结构的交流接触器自适应控制提供了参考。在实际应用中还需要根据电压等级和采样频率对门限值的选取以及硬件电路的构造等进行进一步的研究。

5结论

本文以触头电压为研究对象，通过试验统计和理论分析对低压系统中使用量最大的桥式双断点结构交流接触器最佳分断区域进行了探讨，研究结果表明：

1)在电流过零前0.4～1.0 ms区域分断触头有利于延长电流过零前的零休时间。

2)交流接触器的最佳分断区域在电流过零前的0.4～0.6 ms和0.9～1.0 ms两个区域，触头在此区域内分断，将获得较长的零休时间且电弧不易重燃，同时过零前的电弧能量相对较小。

3)控制接触器触头在电流过零前1.0 ms内的区域分断时，其触头电压在过零后300 μs内的高尺度小波能量时谱最大值可作为电弧是否重燃的判据。

同时提出了一种新的自适应控制策略，采用触头电压经小波能量谱变换后的E4最大值作为控制参数调节分断时刻，为有效抑制交流接触器分断电弧提供了理论和实现的方法。

参考文献

[1]吴翊，荣命哲，杨茜，等.低压空气电弧动态特性仿真及分析[J].中国电机工程学报，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]王巨丰，黄志都，王嬿蕾，等.基于链式的爆炸气流场耦合电弧动态模型[J].中国电机工程学报，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]张鹏飞，张国钢，杨博宇，等.基于电磁逆问题求解的开关电弧形态重构方法的研究[J].中国电机工程学报，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]刘教民，孙祎，王震洲，等.低压交流接触器开关电弧动态模型仿真[J].河北科技大学学报，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]刘懿莹，吴翊，荣命哲，等.基于自收缩效应液态金属限流器中电弧行为特性的实验研究[J].电工技术学报，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]翟国富，周学，杨文英.纵向与横向磁场作用下分断直流感性负载时的电弧特性实验[J].电工技术学报，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]杨飞，荣命哲，吴翊，等.考虑栅片烧蚀金属蒸气的栅片切割空气电弧仿真与实验研究[J].物理学报，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]颜小芳，柏小平，刘立强.一种空调交流接触器用AgNi触点材料的研究[J].电工材料，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，Farokhi S，Farzaneh 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]郭凤仪，王智勇，李颖，等.不同保护电路对继电器电寿命的影响及实验研究[J].中国电机工程学报，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]许志红，张培铭，郑昕.智能交流接触器零电流分断控制技术的实现[J].低压电器，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，许志红，张培铭.一种组合式智能交流接触器[J].江苏电器，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]林在荣，金玉麟，黄晓霞.低压电器分相自适应控制技术的研究与应用[J].电测与仪表，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]刘洪武，谢心意，何艳峰，等.双断点断路器开断过程燃弧能量的不平衡问题[J].电工技术学报，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]汤龙飞，许志红.闭环斩波起动交流接触器控制模块设计[J].中国电机工程学报，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]许志红.电器理论基础[M].1版.北京：机械工业出版社，2014.

[21]许志红，张培铭，郑昕.智能交流接触器可靠性问题的分析[J].低压电器，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]苏金州，许志红，施东升，等.基于Labview的低压电器数据采集系统[J].低压电器，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]张进，冯志鹏，褚福磊.滚动轴承故障特征的时间—小波能量谱提取方法[J].机械工程学报，2011，47(17)：44-49.

Zhang Jin，Feng 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]赵松年，熊小芸.子波变换与子波分析[M].北京：电子工业出版社，1996.

[25]郑昕.低压配电系统短路电流快速分断控制实现的研究[D].福州：福州大学，2007.

[26]李舜酩.二进离散小波能量谱及其对微弱信号的检测[J].中国机械工程，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]陈丽安，张培铭.基于形态小波的低压系统短路故障早期检测[J].中国电机工程学报，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.

郑昕男，1976年生，博士，副教授，研究方向为智能电器及其在线监测。

E-mail：27480389@qq.com(通信作者)

许志红女，1963年生，教授，博士生导师，研究方向为智能电器及其在线监测。

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

作者简介

中图分类号：TM572

收稿日期2014-06-06改稿日期2014-09-04

国家自然科学基金(51277031)和福建省自然科学基金(2015J01192)资助项目。