拍合式继电器簧片和电弧运动关系测试与分析*

张 星, 刘向军

(福州大学 电气工程与自动化学院, 福建 福州 350108)

0 引 言

小型拍合式功率继电器广泛应用于各种类型的家用电器中,主要负责开断交流负载,在分断过程中会产生高能量的交流电弧。小型拍合式功率继电器结构简单,体积较小,无灭弧装置,主要依靠交流电流过零熄弧,因此燃弧时间普遍较长,电弧对触点具有较强的烧蚀作用,当烧蚀量累积到一定程度时就会发生触点失效;此外电弧运动不规律,时常跑出触点烧蚀簧片,使簧片变形弯曲,进而影响功率继电器的电寿命和可靠性。由于电弧的产生时间极短,温度极高,不可能对其进行直接观察,因此长久以来如何对电弧进行可视化研究,理解其燃弧机理和电弧特性一直是很多学者研究的方向。

开关电器电弧是一个复杂的现象,传热、气体流动、电场和磁场都是影响电弧的重要因素[1]。目前,人们对电弧的研究主要有两种手段:实验测试与数值仿真。电弧测试的方法主要有光纤阵列法、光谱测量法和高速摄像法等[2]。光纤阵列法主要用于测试电弧等离子体的动态过程,如文献[3]利用二维光纤阵列测量了大电流开关电弧附近发现的等离子体流动,研究了单次大电流放电过程中电极和电弧表面的变化。光谱测量法用于测试等离子体中的原子密度和分子温度、等离子体化学组成及电场强度分布等参数,如文献[4,5]利用光谱测量法分别测量长间隙空气电弧等离子体和焊接电弧的温度场分布。文献[6]利用彩色摄像机和光谱仪进行联合测温,实现了燃弧过程不同时刻电弧温度场空间分布的测量,并应用该方法研究了不同电流下的稳态电弧温度场分布。高速摄像法可以拍摄电弧的燃烧过程,得到高清晰度的图像,如文献[7-9]利用电荷耦合元件(Charge Coupled Devices,CCD)对电弧运动过程进行影像捕捉,分析了电弧燃烧过程的形态特点;文献[10-12]利用高速摄像机拍摄电器分断过程产生的电弧,采集并处理电弧图像,分析电弧的形态特征和运动特性。此外,文献[13-16]采用高速摄像机对电器机构进行动态测试,深入分析了电磁机构或触头系统的三维动作过程。以上研究在电弧测试和电器动作机构动态特性方面取得了一定成果,但均未将电弧和机构动作联系起来研究动作机构对电弧的影响。

由于电弧的产生和熄灭与电器动作机构的运动存在紧密的关系,对电弧与机构运动的相互关系进行研究,可以了解电弧运动特性和触头侵蚀机理,从而有助于改进继电器的结构设计,提高动作可靠性[17]。小型拍合式功率继电器主要由电磁机构、推动块、动簧片、静簧片以及底座组成,体积小,结构简单。由于簧片的刚度较小,触头分断时簧片在反力的作用下左右振动,同时,电弧也随着簧片的振动在触头表面上下运动。因此,本文提出一种测试方法,利用高速摄像机测试系统,在尽量保持产品原状态下,实现对继电器簧片和电弧的非接触式同步测试,利用MATLAB和 Image-Pro Plus 图像处理软件进行处理,得到簧片振动与触头电弧弧根位移的关系曲线,通过对动、静簧片进行处理,分析影响簧片刚度对电弧运动的影响,为继电器结构改进,提高电寿命与可靠性提供参考。

1 同步测试系统

簧片与电弧的同步测试系统框图如图1所示。该测试系统主要由高速摄像机、选相分闸模块、照明装置、继电器固定平台和计算机等组成。

本文使用Phantom M310高速摄像机,最大分辨率为1 280×800,最小曝光时间为2 μs,最高拍摄速率为650 000帧/s,与计算机组成图像采集与处理系统,记录继电器接通/分断过程中簧片和电弧的图像。同时,采用数字示波器记录电弧电压和电流波形。采用Image-Pro Plus软件提取簧片上所贴的标记点坐标值,并转化为实际位移,得出簧片位移随时间变化的曲线。利用MATLAB对电弧图像进行处理,提取电弧弧根的坐标值,绘制弧根运动曲线。

选相分闸模块的作用是控制继电器的分断时刻,从而控制燃弧时间。在进行测试时,选相分闸模块的检零电路通过电流互感器检测主回路电流,并将电流的正弦信号转换为方波信号(正弦信号的过零点变为方波信号的上升沿和下降沿)输出给单片机模块。当单片机检测到方波信号的上升沿时,便会控制触头在1 ms后断开,因此每组实验均在交流电流的正半周相同时刻分断,各组的实验条件保持一致,从而有利于对比分析不同簧片振动特性下继电器的电弧运动特性,探索簧片振动与电弧运动之间的关系。

为了便于拍摄继电器机构和电弧图像,又不影响电弧的运动特性,拆除继电器的外壳,以有机玻璃封装。为了精确测量继电器动作过程中簧片的瞬时位置,本文通过在动、静簧片的顶部各贴上一片白色薄纸,大小仅1 mm×1 mm,通过高速摄像机采集薄纸上的黑色标记点图像,经过图像处理后获取标记点的位置信息。拍合式继电器的触簧系统如图2所示,其中触点直径为2.8 mm,开距为0.5 mm。

2 测试结果与处理

2.1 实验条件

本文研究的小型拍合式继电器线圈额定电压为12 V DC,主回路工频电压为240 V AC,电流为10 A,负载为阻感性,功率因数为0.75。对同一型号的10只继电器样品分别进行以下实验:

(1)不作任何处理,作为对照实验;

(2)用刚度较大的金属薄片固定静簧片,在不影响继电器分断的情况下减弱静簧片的振动;

(3)用同一种方式加固动簧片,同时减弱动簧片和静簧片的振动。

在上述实验条件下分别拍摄电弧从产生到熄灭的过程。测试现场图如图3所示。

为保证完整清晰地拍摄电弧和触簧系统的运动过程,拍摄前调节拍摄画面的分辨率和曝光时间以及相机镜头的焦距和光圈等参数,以达到最佳成像效果。所拍摄的分断过程簧片和触头电弧运动的部分图像如图4所示。图片分辨率为128×128,曝光时间为3.02 μs,拍摄速率为90 000帧/s。

图4 分断过程簧片和触头电弧运动的部分图像

通过观察电弧燃烧的视频发现,在电弧运动最剧烈或电弧运动范围最大的情况下,弧根始终停留在触点表面上,没有离开触点,但有离开触点表面的趋势,弧根在触点的顶部和底部如图5所示。

2.2 图像处理与参数提取

采用图像处理软件Image-Pro Plus对采集到的标记点图像进行处理,取得各个时刻对应标记点的二维坐标,再将该坐标数值乘以一个标定值(该标定值为簧片上两个标记点的实际距离与经图像处理所得的这两个标记点的像素距离之比),从而得到簧片位移特性曲线。

本文采用Image-Pro Plus软件的高斯高通滤波器进行图像滤波,并利用MATLAB软件的灰度变换函数对电弧进行灰度增强,可有效抑制电弧的光晕和背景区域,突出电弧边缘,达到改善图像质量的效果。经过上述步骤处理得到的部分电弧图像如图6所示。

图6 处理后得到的部分电弧图像

考虑到本文研究的具体对象是电弧的弧根部分,弧根位于动触点和静触点的平面上,通过Canny算子对电弧图像进行边缘检测,提取电弧的边界位置,区分电弧和背景区域。Canny算子边缘检测结果如图7所示。

图7 Canny算子边缘检测结果

弧根位于动触点和静触点的平面上,即电弧图像中的左侧弧根和右侧弧根。用MATLAB编程自动提取弧根位置的算法如下:

(1) 读入边缘检测后的电弧图像,用find函数寻找电弧边缘点的像素点坐标,存入数组。

(2) 将该数组按照横坐标排序。

(3) 横坐标为最小值的像素点即为电弧左侧弧根的像素点,横坐标为最大值的像素点即为右侧弧根的像素点。

(4) 将弧根中心处像素点坐标作为弧根像素点坐标,得到弧根各个时刻对应位置点的二维坐标,同样地将该数值乘以标定值,从而得到弧根的运动特性曲线。

3 实验结果与分析

3.1 簧片与电弧运动的关系曲线

本文将电弧与动触头表面接触的弧根作为左弧根,与静触点接触的弧根作为右弧根,左右弧根始终在触点表面做上下运动,因此本文以竖直方向的位移来表征弧根的运动特性。根据电弧的起始时刻将弧根的运动曲线添加到簧片的位移特性曲线上,得到随时间变化的簧片位移与电弧运动之间的关系曲线。由于篇幅的限制,10只继电器样品的试验结果无法逐一列出,而且多只继电器样品的试验结果具有相似性,因此本文列出了3只具有代表性的继电器样品的试验结果以及数据分析,分别如图8～图10所示(每条曲线均由800多帧图片对应的数据点描绘而成)。其中图8列出了各组实验的电弧电压和电流的波形。对于动簧片和静簧片,水平向右是正方向;对于弧根,竖直向下是正方向。

如图8～图10所示,触点分离后动簧片和静簧片仍然持续地左右振动,由于两者振动不同步,导致触点间距持续变化。随着动/静簧片的振动,弧根也在触点表面不停地运动,直到电流过零熄灭,燃弧时间均为9 ms。

图8所示为继电器a在3种条件下拍摄后处理得到的动/静簧片与弧根之间的运动曲线,动簧片的初始振幅分别为0.15、0.20、0.13 mm,熄弧时刻振幅分别为0.02、0.03、0 mm,静簧片的初始振幅分别为0.18、0.08、0.07 mm,熄弧时刻振幅分别为0.14、0、0 mm。弧根在0～3 ms内最大位移分别为1.12、1.29、1.25 mm,在3～9 ms最大位移分别为1.05、0.91、0.47 mm。继电器a在不作任何处理的条件下电弧运动有一个明显特征:弧根在动/静簧片相互靠近时运动范围增大,上下运动较为剧烈;静簧片加固后,其振幅明显减小,且衰减较快,静簧片加固后由于反力增大,导致动/静簧片分离后动簧片振幅增加。弧根在0～3 ms的运动范围增大,在3～9 ms的运动范围减小,并出现两段较为平稳的燃烧时间段;动/静簧片均加固后,动/静簧片的振幅均减小并且衰减极快,弧根在0～3 ms的运动范围较大,弧根最大位移1.25 mm,在3～9 ms的运动范围明显减小,弧根最大位移0.47 mm,电弧燃烧较为平稳。当簧片振动幅度较大时,电弧运动较为剧烈,与此同时电弧电压的波形也波动较大;当簧片振幅较小时,电弧运动较稳定,电弧电压的波形也较为平滑。导致电弧电压呈波浪形的原因是随着动/静簧片的非同步振动,触头开距不断发生变化,弧长也相应变化,引起电弧电压变化。

图9所示为继电器b在3种试验条件下拍摄后处理得到的动/静簧片与弧根之间的运动曲线,动簧片的初始振幅分别为0.19、0.25、0.18 mm,熄弧时刻振幅分别为0.04、0.05、0 mm,静簧片的初始振幅分别为0.18、0.07、0.06 mm,熄弧时刻振幅分别为0.05、0、0 mm。弧根的最大位移分别为1.75、1.42、1.36 mm。继电器b在不作任何处理的条件下电弧上下运动较为剧烈,弧根的运动范围较大;静簧片加固后,静簧片的振幅明显减小,且衰减较快,静簧片加固后反力增大,导致动簧片的振幅增加,电弧的上下运动仍比较剧烈,但电弧的运动范围减小;动/静簧片均加固后,动簧片的振幅没有明显减小但衰减极快,动簧片振动一次便恢复静止,电弧的上下运动没有得到进一步的改善,但电弧的运动范围有所减小。

图10所示为继电器c在3种试验条件下拍摄后处理得到的动/静簧片与弧根之间的运动曲线,动簧片的初始振幅分别为0.08、0.09、0.08 mm,熄弧时刻振幅分别为0、0.02、0 mm,静簧片的初始振幅分别为0.09、0.09、0.08 mm,熄弧时刻振幅分别为0.04、0、0 mm。弧根的最大位移分别为1.22、1.12、1.03 mm。继电器c在不作任何处理的条件下动簧片的振幅较小,衰减也较快,电弧运动的规律性不强;静簧片加固后,静簧片的振幅明显减小,且衰减较快,电弧的运动范围减小,出现两段较为稳定的燃烧时间段;动/静簧片均加固后,动簧片的振幅没有明显减小但衰减极快,电弧在0～3 ms运动范围较大,弧根最大位移1.03 mm,在3～9 ms运动范围较小,弧根最大位移0.19 mm,电弧燃烧相对平稳。

3.2 结果讨论

从实验结果可以看出,继电器a和c触头分离后产生的电弧在0～3 ms内运动范围较大,此时的簧片振动幅度也较大,在触头分离的3～9 ms内运动范围较小,此时簧片振动幅度也较小。静簧片加固后,静簧片振动减弱,动簧片振动增强,电弧在0～3 ms内运动范围增加,在3～9 ms内运动范围减小,并出现2 ms以上的平稳燃弧。动/静簧片均加固后,动簧片的振动幅度衰减变快,在0～3 ms簧片振动的幅度较大,电弧的运动范围也较大,但在3～9 ms内,簧片接近静止状态,弧根运动范围大大减小,电弧燃烧相对平稳。继电器b的电弧运动范围最大,弧根上下运动也最为剧烈,在动簧片与静簧片加固后,簧片的振动减弱,并且衰减极快,电弧的运动范围减小。由上述分析可以看出,动/静簧片的振动对电弧运动的影响极大。

继电器分断时,簧片在反力的初始激励作用后,仅靠其本身的弹性恢复力自由地振动,由于受到空气阻力,在振动过程中不断克服阻力做功,消耗能量,振幅会随时间逐渐衰减,因此触簧系统在分断过程是一个有阻尼的自由振动系统。当物体以较低速度在空气中运动,可认为阻尼与速度成正比。取簧片的静止位置为坐标原点,选x轴水平向右为正,根据牛顿第二定律,有阻尼的自由振动微分方程如下:

-mx″=cx′+kx

(1)

化为二阶常系数齐次线性微分方程:

x″+2nx′+p2x=0

(2)

式中:m——簧片的质量;

x——簧片质心的位移;

x′——位移x对时间t的一阶微分;

x″——位移x对时间t的二阶微分;

c——阻尼系数;

k——簧片的弹性常量。

特征根和运动微分方程的通解形式与阻尼大小有关,引入阻尼比ζ=n/p,其是阻尼系数与临界阻尼系数的比值。

在过阻尼(ζ>1)和临界阻尼(ζ=1)这两种情况下簧片位移x是按负指数衰减的非周期性运动,不符合簧片的衰减振动过程。因此本文只分析欠阻尼的情况,而欠阻尼(ζ<1)时的特征根与通解分别为

x=e-nt(C1cosp′t+C2sinp′t)

(3)

式中:C1、C2——积分常数,由簧片运动的初始条件确定。

设t=0时,x=x0,x′=x′0,解得

(4)

将式(4)代入式(3)得到:

x=Ae-ntsin(p′t+α)

(5)

由式(5)可知,x的解有两个因子,一个是衰减的指数函数Ae-nt,将使振幅越来越小,直至振动完全停止;另一个是正弦函数sin(p′t+α),表示系统以相同的周期通过平衡位置。因此,在欠阻尼情况下,簧片的自由振动不是等幅的简谐运动,而是按负指数衰减的衰减振动,衰减振动的频率为p′,衰减速度取决于ζp。阻尼比ζ与簧片的形状、尺寸及介质的性质有关,参数p与簧片的质量和材料性质有关,ζp越大,振动衰减得越快。因此,可以通过改变簧片的形状、尺寸和材料参数来改变簧片的振动特性。

4 结 语

本文针对小型拍合式功率继电器的簧片振动导致电弧时常跑出触头烧蚀簧片的问题,搭建基于高速摄像机的同步测试系统,通过控制变量法依次改变继电器静簧片和动簧片的刚度,拍摄继电器分断过程中电弧运动和机构动作图像,进而处理图像得到簧片的振动特性和电弧运动的关系曲线。通过对比3种条件下的簧片振动特性与电弧运动之间的关系曲线,得出以下结论:

(1)簧片经过加固后,静簧片初始振幅明显减小,动簧片因反力增大而初始振幅变化不大,但动/静簧片的振动衰减速度均变快,电弧的运动范围减小,燃烧相对平稳。

(2)减弱簧片的振动幅度、加快簧片振幅的衰减对电弧的运动范围有明显的改善,其中减小动簧片的振动幅度对电弧运动有着更加显著的影响。

(3)继电器触头分断后,簧片在反力的初始激励后做欠阻尼的自由振动,可以通过改变簧片的形状、尺寸和材料来改变簧片的振动特性,从而改变电弧运动特性。