铁路信号灯用交流继电器转换时间提取方法

李建文，李 聪，李志伟，朱均超，张宝峰

(1.天津理工大学 电气电子工程学院，天津 300384;2.天津市复杂系统控制理论及应用重点实验室,天津 300384)

0 引言

在铁路信号系统中，为了提升色灯信号机的可靠性，色灯信号机的点灯单元通常采用具备主、副灯丝的灯泡，正常工作状态下主灯丝工作，当主灯丝失效时由灯丝转换继电器自动切换到副灯丝，实现信号机的不间断工作。因此，交流灯丝转换继电器的可靠性对铁路色灯信号机的安全运行至关重要，而继电器转换时间是其重要的参数。

早期的继电器转换时间检测设备以电秒表和光线示波器为主，人工操作的方式使得检测具有较大的局限性。近年来，随着科学技术的不断发展进步，出现了许多基于计算机控制技术的继电器检测设备，也促使许多学者对继电器的时间参数和动态特性问题展开了更精密的分析和研究。如乔延华等[1]基于ADAMS软件对磁保持继电器的动态性能进行了分析和优化；李文华等[2-3]研究了直流电磁继电器的二次吸合和二次释放特性，对改善继电器的动态性能有较大参考意义；关欣等[4]用曲线拟合等方法对直流继电器吸合与释放阶段时间参数进行了准确计算；赵韩等[5]提出了交流继电器触点二次燃弧现象的改善方案；蒋丽丽等[6]设计了基于机器视觉的继电器轭铁高精度测量系统；王淑娟等[7]设计了继电器寿命检测系统，研究了触点熔焊的原因；李志刚等[8]基于继电器时间参数建立了寿命预测模型；刘建强等[9]提出了一种高速铁路用继电器的状态检测和可靠性评估方法。

上述研究对继电器可靠性检测具有重要的意义，但目前对继电器的动态特性的检测主要集中于吸合特性，通过测量继电器线圈受到激励吸合过程中的一些特性参数的变化来评价其性能，对断电释放过程中的动态特性研究较少，尤其对于交流灯丝转换继电器的动态释放特性鲜有研究。交流灯丝转换继电器的线圈故障主要包括工作值过大或者释放值过小，这都会导致其不能正常工作或者可靠切换。虽然在出厂时会有相应检测，但是在实际工作过程中，因温度、湿度和振动等因素的影响，会造成触点表面的腐蚀或氧化，进而引起转换时间的超限。因此，转换时间是反映交流灯丝转换继电器在实际工作中可靠性的重要参数。针对铁路点灯单元所用交流灯丝转换继电器的工作特性，本文主要研究其断电释放过程中的性能参数变化，通过采集线圈电流和触点电压数据，计算动触点释放过程中的时间参数，并结合高速相机分析触点运动状态，验证本文参数计算方法的可行性与准确性。

1 测试方法

1.1 测试原理

根据GB/T6902-2010中的定义，交流灯丝转换继电器的触点主要分为动触点，动合触点和动断触点，时间参数主要包括吸合时间和转换时间。

根据交流灯丝转换继电器的转换功能，当线圈通电时，动触点与动合触点吸合，当线圈断电时，动触点与动断触点吸合，因此通过检测线圈电流和触点电压的变化，可以得知触点和线圈的工作状态，进而获得继电器的时间参数。图1为本文研究的某型号交流灯丝转换继电器实物图，本文重点研究交流灯丝转换继电器释放过程中的动态特性，分析提取触点转换过程中表征触点状态的时间参数，结合图2的线圈电流和触点电压的波形数据变化，本文研究的参数定义如下：

图1 交流灯丝转换继电器

图2 转换过程

转换时间：向继电器线圈通以额定值，从线圈断电起，到动触点与动断触点完全闭合所需的时间。其中转换时间又包括缓放时间、间隙时间和触点弹跳时间，其定义如下：

1)缓放时间：向继电器线圈通以额定值，从线圈断电起，至动合触点断开所需要的时间。

2)间隙时间：动触点与动合触点完全断开到动触点与动断触点开始闭合所需要的时间。

3)触点弹跳时间：继电器动触点与动断触点闭合时，触点不规则通断现象所包括的时间。

1.2 测试系统

在实际工程应用中，继电器供电由220 V交流电压降为12 V实现，采集线圈电压和触点电流均不影响交流灯丝转换继电器的工作线路。同时，为了更好的分析交流灯丝转换继电器触点的断电转换过程，本文采用高速相机拍摄触点运动状态，高速相机及电参数采集系统如图3所示。具体流程为：通过测试控制器同时触发交流固态继电器和高速相机，通过固态继电器的通断来模拟线圈故障，高速相机拍摄触点运动状态图像；数据采集和处理系统将转换过程中的线圈电流和触点电压数据实时发送到计算机，由计算机进行后续的数据分析和处理工作。

图3 测试系统

2 触点释放过程分析

2.1 释放机理分析

线圈断电之后，线圈电流逐渐减小，但线圈与铁芯及气隙产生的电磁力依然大于弹簧弹力和触点压力的合力，此时衔铁并未运动，直到线圈电流减小到产生的电磁力小于合力，此时衔铁开始运动，并带动触点在动合触点表面滑动，直至超程结束，动触点与动合触点分离，此过程线圈电流变化如图4所示。

图4 线圈电流放大图

动触点与动合触点分离后，衔铁继续在弹簧弹力作用下使动触点向动断触点方向移动，直到动触点与动断触点接触。

动触点与动断触点接触后并不会立刻停止运动，动触点在弹簧弹力和触点间作用力的合力作用下向动合触点方向移动，由于能量损失，动触点并不会和动合触点再次接触[10]，直到动触点的动能一部分转化为热能，另一部转化为弹簧的弹性势能，动触点才会停止运动，和动断触点完全闭合。

2.2 时间参数分析方法

2.2.1 采集信号处理

交流灯丝转换继电器的工作电压由变压器提供，变压器内部复杂的电磁环境会对电信号的采集产生很大影响，通常采集的交流电信号会存在大量噪声，噪声幅度过大会影响对电信号突变点的判断，因此为了更好的观察交流灯丝转换继电器切换过程中电信号的变化，分析其特征，要对采集信号进行去噪处理，去除无关噪声并保留表征电信号变化的有用突变点。

小波去噪方法经常被应用于采集交流电信号的噪声去除。常用的小波基函数包括db系列小波和sym系列小波，通过对两个小波系列的多次实验对比，选取去噪效果较好的sym8小波作为小波分解的基函数，分解层数为5层，阈值选用可以更好的保留信号突变特征的硬阈值。将原始电信号经过小波去噪之后，用Matlab计算的信号的幅频特性如图5所示，从图5可以看出，小波去噪后交流电信号的频率在50 Hz左右微小波动，说明采用小波去噪的方法较好的去除了无关噪声，保留了有用信息。

图5 去噪后频谱图

2.2.2 线圈断电过程分析

传统的直流继电器线圈断电时刻可以通过设定阈值的方法来查找，但是对于交流继电器来说，因为其工作环境为交流线路，在线圈通断的过程中，查找断电时刻要考虑交流相位的影响，边沿阈值要根据断电时刻相位不同而不断变化，因此适用于直流电磁继电器的直接阈值法和差值法不能用于交流继电器断电时刻的判断。线圈断电时刻根据相位不同可以分为4种情况，在不同的交流相位断开交流灯丝转换继电器的线圈电路，会对交流灯丝转换继电器的时间参数产生影响，图6分别是交流灯丝转换继电器线圈断电的4种情形。

图6 断电过程线圈电流

对于断电时刻的求取，主要采用最小二乘法拟合正常状态下线圈电流，用高斯牛顿法[11]求解参数最优解，将求得参数最优解代回拟合公式，然后将离散时间数据带入拟合公式，得到线圈电流的拟合计算值，最后将相同初始时刻的实测电流值和拟合电流值进行差异比较，进而将断电过程中线圈电流的无规律变化过程转换成趋势变化。线圈正常工作时，差值趋势在0附近收敛，当线圈断电后，差值趋势会逐渐发散。因此通过设定固定阈值，对趋势信号进行判断，将大于固定阈值的第一个点作为断电时刻。具体计算流程如图7所示。

图7 断电时刻计算过程

2.2.3 触点弹跳过程分析

通过对交流灯丝转换继电器进行多次通断实验，分析动触点与动断触点之间的电压变化，判断触点的接触状态。当动触点未与动断触点接触时，触点电压为近似正弦波形，当动触点与动断触点闭合时，由于触点的接触电阻较小，因此触点电压趋近于0，所以根据触点电压的波形，可以初步判定动触点和动断触点的接触状态[12]。

根据触点电压变化特性，本文采用改进的交流幅值快速计算算法。由于传统交流峰值计算算法对噪声敏感，因此首先对采集电压信号进行平滑处理和小波去噪处理，根据交流瞬时值变化求取交流峰值，通过对应时刻交流峰值变化判断触点状态，具体计算步骤如下：

忽略噪声干扰，建立触点电压理想数学模型。动触点切换前动断触点电压模型为:

uq=Uqsin(2πft+φ)

(1)

对式(1)进行求导得:

uq′=2πfUqcos(2πft+φ)

(2)

式(1)和(2)联立得:

(3)

同时uq′也可以表示为:

(4)

当Δt取一个采样周期时Ts，上式可以变换为:

(5)

因此某时刻对应交流电幅值计算公式可近似推导为:

(6)

算法仿真之后触点电压瞬时值与峰值的对应关系如图8所示。图8(a)为触点电压变化波形，图8(b)为对应时刻峰值。求取触点电压瞬时值对应交流电压峰值之后，因触点闭合前后触点电压差值较大，所以通过设定断开的门限值，以第一次小于门限值的时刻为起点，随后记录连续小于门限值的时段，取每个时段第一个时刻记为状态变化时刻，直到不再有电压值大于门限值，则第一个时段和最后一个时段的第一个时刻的差值即为触点弹跳时间。

根据图8的峰值变化规律，可以初步判定图中t1代表动触点与动断触点第一次接触时刻，t2代表动触点与动断触点第一次分离时刻,t3代表动触点与动断触点第二次接触时刻,t4代表动触点与动断触点第二次分离时刻,t5代表动触点与动断触点第三次闭合时刻，即动触点与动断触点完全闭合时刻。正常情况下一次或两次弹跳之后动触点与动断触点完全闭合，但是随着继电器触点的磨损和污染，继电器达到一定使用寿命时，由于动触点与动断触点间的接触摩擦力变小，触点弹跳次数会增加到三次甚至更多。

图8 触点电压与触点状态关系图

3 验证与结果分析

为了验证触点弹跳时间判定方法的准确性，同时选取6只同型号交流灯丝转换继电器，采集线圈电流和触点电压数据，计算缓放时间、间隙时间和触点弹跳时间，结合高速相机拍摄其中一组的触点运动状态。

3.1 动态释放过程验证

采用高速相机拍摄动触点与动断触点和动合触点的接触状态并分析接触时间。高速相机采集采用外部触发方式，线圈断电的同时触发高速相机开始拍摄，自动记录触点状态与拍摄时间，便于确定某时刻触点状态。

通过对交流灯丝转换继电器断电释放机理的分析，可以得知线圈断电之后动触点并不会立即释放。图9为触发后拍摄的动触点与动合触点的接触状态与分离状态，并且从高速相机拍摄图像序列中，发现动触点与动合触点分离过程中并不会出现触点弹跳现象，即动触点与动合触点分离后并不会二次接触。

图9 动触点与动合触点接触状态

同样的，动触点与动断触点第一次接触之后，并不会立即停止运动而稳定闭合，图10为动触点第一次与动断触点接触到动触点最后一次与动断触点分离的过程，分别对应图8中t1～t4四个时刻。从图10的动触点运动状态变化图片序列中可以清晰地观察到动触点与动断触点闭合过程中的触点弹跳现象。图11为动触点与动断触点完全闭合的图像，对应图8中的t5时刻，此后动触点在动断触点表面滑动，但触点间并不会再次分离，从而实现触点间的可靠闭合。

图10 动触点与动断触点接触状态

图11 动触点与动断触点完全闭合状态

本文研究的某型号交流灯丝转换继电器的动断触点和动合触点的间隙距离为4 mm，通电状态下动触点与动断触点的间隙距离为1 mm，断电状态下动触点与动合触点的间隙距离为1 mm。

利用边缘检测算法，对高速相机拍摄的触点图像序列进行处理，提取动触点的运动位移及速度曲线，如图12所示。初始时刻动触点与动合触点闭合，位移和速度近似为0，位移曲线上升阶段和速度曲线大于0的阶段均表示动触点向动断触点方向移动。线圈断电之后，经过缓放时间，动触点与动合触点开始分离，位移曲线开始上升，直到位移趋于稳定，速度曲线先增大后减小,知道速度曲线趋近于0，即时刻t1’,表明动触点和动断触点接触；动触点和动断触点短暂接触之后，动触点向动合触点方向运动，对应速度曲线负向增大，位移曲线开始下降，即时刻t2’,之后速度曲线再次反向减小到0，位移曲线达到反向最大值，但位移最大值小于1 mm。这一过程称为一次触点弹跳过程。t3’和t4’分别对应动触点与动断触点的下一次接触与分离时刻。在t5’之后，速度和位移曲线都趋于0，并且不会出现较大波动，证明动触点和动断触点稳定闭合，完成转换过程。

图12 动触点位移及速度曲线

通过分析高速相机记录的触点图像序列及触点位移和速度曲线数据，可以明确释放过程中动触点的运动状态，并且确定触点间接触状态与分离状态所对应的时刻，结合图8波形和触点弹跳时间计算方法，与高速相机观测数据进行对比，得出表1的对比数据，分别是动触点和动合触点及动断触点接触和分离的时刻，两种测量方法的对比误差在2%以内，说明通过继电器线圈电流和触点电压来确定反映其运动状态的时间参数是准确可行的。

表1 触点弹跳时间对比表

3.2 转换时间计算结果及误差

依照图3所示测试系统，对同型号的6只继电器同时进行切换实验，其中1～3号交流灯丝转换继电器未投入使用，4～6号为投入使用后替换下的交流灯丝转换继电器(未达到使用寿命)。分别对其缓放时间、间隙时间、触点弹跳时间和转换时间进行计算，并与示波器测量的转换时间进行对比，误差比较如表2所示，本文方法测得转换时间与示波器测量值相比，误差在1%以内。说明本文提出时间参数测量方法不受继电器使用次数的影响，可实现对不同剩余寿命的交流灯丝转换继电器的时间参数进行检测，并且具有较好的准确性。

表2 触点转换时间计算结果

4 结束语

交流灯丝转换继电器的转换时间是其可靠性判别的重要参数。本文通过搭建交流灯丝转换继电器参数测试系统进行了触点转换实验，并通过对其动态特性的分析，提出了基于最小二乘法和改进的交流峰值快速计算算法的转换时间提取方法，最后通过多组实验验证了方法的准确性和稳定性，在实际应用中具有较好的指导意义，对于其他种类继电器的时间参数检测也有较高的参考价值。