低壓交流接觸器電弧形態轉變與運動特性研究

張 軍，劉教民，孫 祎，王震洲

（1.河北工業大學 電氣工程學院，天津 300130；2.華北電力大學 電氣工程學院，北京 102206；3.河北科技大學信息學院，石家莊 050018）

0 引言

低壓電器觸頭間電弧放電現象是在開關電器通斷電路過程中經常發生的一種物理現象．低壓電器開關電弧能在瞬間釋放巨大的能量，使其溫度迅速增高并使放電間隙內的電流密度和壓力瞬間增大，嚴重影響低壓電器的可靠運行并縮短其工作壽命[1-6]．利用高速圖像采集系統對低壓電器開關電弧燃弧過程進行圖像采集并將采集到的圖像在計算機的屏幕上顯示出來，有利于研究人員全方位的觀察電弧在燃弧過程中的變化情況進而幫助研究人員歸納低壓電器開關電弧在燃弧過程的運動特性，為改進低壓電器的結構提供理論基礎．本文利用新型電弧圖像高速采集系統對 CJX1-12/22型號的交流接觸器進行電弧圖像的采集并對所得的一系列的電弧圖像信息進行分析計算得到低壓交流接觸器電弧在整個燃弧到滅弧過程中的弧柱直徑及電弧直徑變化速度的變化數值并歸納出低壓交流接觸器電弧形態轉變過程規律，為研究和提高低壓開關電器的可靠性和分斷能力創造了條件．

1 低壓電器開關電弧圖像采集系統

低壓電器開關電弧的燃弧時間十分短暫（少于數10ms），因此，必須利用專門的高速測試儀器采集電弧圖像．低壓電器開關電弧圖像采集系統的設計和實現，要綜合考慮兩方面的性能指標：系統的分辨率（時間分辨率和空間分辨率）和計算機的數據處理．采集系統的時間分辨率要求系統對電弧圖像的采樣時間盡可能短而其空間分辨率則要求系統所采集到的低壓電器開關電弧的圖像盡可能清晰以利于對電弧的研究．這就要求電弧圖像采集系統具有一個大的緩沖區且其數據存儲響應時間應盡可能短．

因此，本文中的系統采用的CCD（64×64象素的256級灰度等級）作為圖像敏感器，該種CCD的時間分辨率最高可以達到1萬幀/秒．在拍攝真空電弧圖像時，采用干涉濾光技術，以期得到時間和空間上分辨率高的光譜數據，進行分析研究．采集系統硬件設計如圖1所示，包括真空開關電弧發生裝置、光學系統、數據采集系統、同步觸發系統、計算機處理設備及顯示設備幾個部分．

圖像敏感器CCD芯片在接收到電弧的光信號后，將二維電弧圖像信號轉變為一維的電弧視頻信號，然后利用A/D轉換器再將一維的視頻信號轉變為數字量信號并輸出（RS-422通信方式）．由于CCD圖像數據輸出速率比較高．在最高速率拍攝電弧圖像時計算機總線直接傳輸數據速率跟不上CCD發出的數據速率，因此本文的系統選用TMS320C40 DSP芯片作為緩沖接口單元的CPU（指令周期小于50 ns）．

電弧圖像采集的同步控制是整個測試系統中一個關鍵環節．由于圖像數據存儲容量有限且開關電弧燃弧具有瞬時特性，因此系統同步控制對于可靠地采集和準確曝光捕捉整個電弧運動過程有十分重要的作用．觸發過早，圖像采集過程晚于電器觸頭分離時刻，將有可能采集不到起弧的過程；反之，如果觸發太晚，圖像采集過程過早，則將有可能圖像采集過程已經結束，而電弧仍在燃燒，采集不到電弧的熄弧過程．嚴重情況下，甚至什么電弧信息也采集不到，因此必須設計同步觸發電路．對于不同的低壓電器觸頭電弧的拍攝可歸為兩類觸發電路，一類為被動式觸發，如小型斷路器等手動切換電器類，在手動電器觸頭分離產生電弧的同時，觸發計算機控制CCD開始拍攝．另一類為主動式觸發單元，如交流接觸器、繼電器等具有電磁線圈或能進行電動操作的電器，利用計算機發出觸發信號控制觸頭分離從而產生電弧，與此同時控制采集系統開始同步拍攝．

本文采用CJX1-12/22型交流接觸器作為實驗試品．在CJX1-12/22接觸器滅弧室側面對應觸頭的位置開一觀察窗（大小1.5 cm×2.0 cm）．實驗時電氣回路為AC 220 V、感性負載，分別對分斷電流為5 A及10 A的情況進行圖像采集．實驗時，在鏡頭前加裝超窄帶濾光片以得到電弧的單一輻射圖像．圖1給出了低壓電器開關電弧圖像采集系統的原理圖．

在實際應用中，測試系統獲取的原始圖像一般是不完美的，由于噪聲、光照、拍攝角度不正等原因，圖像的質量不高，所以需要進行圖像處理，以有利于提取有關電弧形態轉變與運動特性的信息．新型電弧圖像高速采集系統將CCD圖像傳感器的圖像數據傳送到DSP數字信號處理，DSP再通過PCI總線將圖像信息傳送給圖像采集控制程序．之后系統對所得的電弧圖像信息先后進行了幾何校正，灰度變換，濾除噪聲的平滑處理以及邊緣銳化處理，為之后的圖像分析和理解奠定了基礎，具體圖像處理的流程圖如圖2所示．圖3是經過處理的電弧從燃弧到滅弧的一系列圖像．

圖1 低壓電器電弧采集系統原理圖Fig.1 Low-voltagearc imageacquisition system schematic diagram

圖2 圖像處理流程圖Fig.2 Imageprocessing flow chart

圖3 最終處理后的開關電弧圖像Fig.3 Final switching arc image

2 對所得開關電弧圖像的分析理解

電弧是自然界的復雜現象之一，其中發生了光、磁、電、熱等許多物理過程．當電弧圖像被拍攝下來后，電弧圖像的分析理解是最終的目的．過去在沒有較高空間分辨率電弧運動圖像的前提下對于電弧的運動速度和弧柱直徑的計算均采用電弧電壓或光纖光電測試波形在不同時刻（不同測量位置）的相關性來確定．其基本原理為，以兩個波形的誤差能量方法來確定兩個波形的相似性．但是用此種方法確定電弧的運動速度存在著不足之處．1）數學依據是誤差能量最小時產生的相似，其本身就存在著誤差．2）電弧運動邊緣的無規則性，在較小范圍內（光纖上）測量波形將會產生較大的誤差．3）計算和處理繁瑣．而本文的采集系統所采集到的電弧圖像直接被傳輸到計算機進行處理分析計算，其最終處理圖像在標定后被直接顯示在含有坐標的顯示器上．因此研究人員可以直觀的得到低壓電器開關電弧在燃弧過程中的形態變化．表1列出了CJX1-12/22在不同時間段不同電流情況下其電弧直徑的變化平均速度．

對于電弧直徑的測量，本文將電弧的直徑理解為電弧通道最明亮的部分．表2列出了不同時間的弧柱直徑和平均直徑．通過對所得的結果進行分析，可以發現低壓電器電弧在燃弧的一些特點．

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電弧燃熾初期，其弧柱較短?。S著動觸頭的移動，電弧被逐漸拉長，電弧直徑有明顯增加的過程，在達到最大直徑后，電弧的直徑又逐漸的減?。?/p>

在燃熾初期電弧在磁吹力的作用下有一個較大的變化速度此后該速度減小隨后又有一次反彈直至最后電弧熄滅．

從整個燃弧過程看，接近低壓電器動觸頭的一端電弧的位置相對穩定而接近靜觸頭的一端（根部）其位置是不斷變化的并會出現跳動，這與電弧在燃弧期間電氣回路的電壓波動可能存在某種程度的聯系；就實驗電流來看，電弧的運動速度與實驗電流有關，隨實驗電流的增大，電弧運動速度也呈增加趨勢．電弧的直徑與實驗電流也存在著正變關系，即電弧的直徑隨著實驗電流的增大而增加．同時可以發現，分斷時電弧燃弧時間隨實驗電流的增大有增加的趨勢．

3 交流接觸器滅弧系統的優化

隨著經濟的發展，小容量交流接觸器應運而生．該類交流接觸器不再片面的追求機電壽命的提高，而是在強調小型化的基礎上，把研究的重點放在分斷的可靠性，動作的可靠性以及接觸的可靠性等方面．該類交流接觸器小型化后，其滅弧室取消了縱縫、柵片或隔弧板等專門滅弧結構，其觸頭接通和分斷的條件惡劣（僅靠機械分斷），分斷能力受到了極大的限制．采用新型電弧圖像高速采集系統對 CJX1-12/22交流接觸器電弧形態轉變與運動特性進行分析可以發現電弧的直徑，運動速度以及燃弧時間都隨試驗電流的增大有增加的趨勢．從拍攝的電弧圖像序列可以看出電弧的增長過程相對于熄滅過程來說比較長，一旦電弧被機械拉斷，電弧很快就熄滅了，分斷過程隨之完成．若觸頭分斷后，電弧不能立刻被拉斷將會導致低壓電器滅弧室內部過熱，熔焊低壓電器觸頭以及其滅弧室內壁絕緣材料從而使其失效．要提高小容量接觸器的動作可靠性并延長其使用壽命就必須提高其分斷能力，快速滅弧．

對于沒有磁吹結構的交流接觸器，分斷電弧基本停止不動，僅能依靠觸頭分開時拉長電弧，燃弧時間較長，在分斷大電流時，滅弧就很困難．通過改進接觸器的結構設計，在觸頭回路加入磁吹結構有助于電弧迅速脫離觸頭并被拉長，加速其冷卻，加快交流接觸器滅弧室內空氣介質的恢復速度，將有利于熄滅電弧和縮短燃弧時間，可大幅提高其分斷能力．

同時電弧被電動力吹進滅弧室后，應得到迅速的冷卻．考慮到滅弧室受體積限制，空間狹小，不可能安裝縱縫、柵片或隔弧板等滅弧裝置．因此，可以選擇適當的絕緣材料充當滅弧室壁，并可改變滅弧室壁外形設計增加電弧和滅弧室壁接觸面積，從而達到改善滅弧效果的目的．

4 結論

在CCD高速成像技術的基礎上開發了新型電弧圖像高速連續采集系統．克服了以前高速圖像采集系統拍攝成本高、處理周期長、可用信息少的缺點，利用該系統拍攝到 CJX1-12/22交流接觸器電弧的整個燃弧過程，為分析低壓電器開關電弧動態變化過程創造了條件．

通過對新型圖像采集系統的圖像以及數據的分析理解，總結出低壓接觸器分斷電弧燃弧過程的形態變化規律和運動特性，發現所得的動態電弧運動圖像特征與大量的真空電弧的仿真結果[7-13]相映證．

根據總結出的低壓交流接觸器電弧的形態轉變與運動特性，對交流接觸器滅弧系統提出了改進建議．

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