交流接觸器最佳分斷區域的探討

鄭　昕　許志紅

(福州大學電氣工程與自動化學院　福州　350116)

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交流接觸器最佳分斷區域的探討

鄭昕許志紅

(福州大學電氣工程與自動化學院福州350116)

摘要為抑制交流接觸器分斷過程的電弧，以觸頭電壓為研究對象，在大量試驗的基礎上對不同分斷時刻觸頭電壓的變化趨勢及電流過零后的熄弧情況進行了研究。利用小波能量譜分析了不同電流、不同功率因數情況下交流接觸器在電流過零前1 ms內不同分斷區域的電弧電壓能量時譜，統計和分析電弧電壓第一次過零前后的變化趨勢和特征。對交流接觸器最佳分斷區域進行探討并提出以觸頭電壓過零后300 μs內的高尺度小波能量時譜最大值作為電弧重燃與否的判斷依據。確定了電流過零前 0.4～0.6 ms和0.9～1.0 ms兩個最佳分斷區域并提出了基于分斷時刻tf及小波能量時譜幅值E4的交流接觸器自適應分斷控制策略。

關鍵詞：觸頭電壓熄弧最佳分斷區域小波能量譜控制策略

0引言

交流接觸器在分斷過程會產生電弧，嚴重影響其可靠運行。作為控制電器，交流接觸器通常不會采用如配電電器那樣較強的滅弧措施，所以分斷大電流時對觸頭的燒損十分嚴重。雖然采用半導體電力電子開關并聯觸頭兩端的混合式開關控制技術可以實現交流接觸器的無弧分斷，但其成本較高且存在無明顯斷口的隱患，僅適用于礦山等防爆要求高的場所。對于一般的用電場合，出于安全考慮，普遍希望電器開關具有明顯的斷口，多采用傳統結構的交流接觸器。隨著智能化控制技術的迅速發展，可以方便地實現交流接觸器在起動、吸持、分斷階段的過程控制。因此研究交流接觸器最佳分斷區域及其控制技術對解決觸頭的電弧燒蝕并大幅提高接觸器的電壽命具有實際意義。近年來，在電弧動態特性方面的研究取得了很多成果，文獻[1-3]從宏觀的角度分別采用磁流體動力學理論、電弧鏈式模型和電磁逆問題求解方法對電弧進行三維仿真和重構，對電弧運動過程的等離子噴流及電弧形態等進行了描述。文獻[4]結合低壓交流接觸器自身特點，建立了交流接觸器鏈式電弧模型，研究了電弧參數的徑向分布規律，在假定電弧局部熱力學平衡的情況下，利用Matlab求解電弧動態模型。電弧仿真模型在開關電器的設計階段具有重要的指導意義，但是在實際運行過程中由于電弧動態特性的測量具有一定的局限性，難以實現實時檢測和調整。

開關電器的電弧在操作過程中可直接觀測到其電路特性，包括電弧電壓、電弧電流、電弧能量、電弧溫度和阻抗特性等[5，6]。文獻[7]研究了低壓直流斷路器電弧等離子體運動特性，建立了考慮湍流效應的三維電弧模型并對其進行了數字化分析。文獻[8]基于磁流體動力學建立了考慮柵片燒蝕金屬蒸氣的三維空氣電弧模型，通過計算獲得了電弧運動及切割過程的電弧電壓、電弧溫度及金屬蒸氣濃度的分布情況。文獻[9，10]分別通過流體力學計算軟件和PSCAD軟件對低壓斷路器觸頭分斷后的電壓恢復特性進行了建模和仿真，分析了電弧和瞬時恢復電壓電場強度與溫度分布的關系及瞬時恢復電壓對斷路器分斷能力的影響。文獻[11]從材料的角度分析了不同觸頭材料的燃弧能量變化趨勢，發現觸頭燒蝕越嚴重其燃弧能量的增幅越大。文獻[12]研究了直流電磁接觸器的電壓和電流對燃弧時間和電弧能量的影響，表明在燃弧時間很短的情況下電壓大小對燃弧時間的影響不大，同時燃弧能量隨電壓、電流的增加而增大。文獻[13]對電弧放電過程進行了光譜分析并給出了弧柱區的能量計算方法。文獻[14]對不同保護電路的繼電器開斷感性負載時的觸點電弧侵蝕情況進行了試驗研究，提出了通過計算電弧能量來預測電壽命的方法。以上文獻對電弧的電路特性進行了研究和分析，但是，并未與開關電器的通斷控制相結合，無法實現運行中對電弧侵蝕的抑制。文獻[15-17]提出了零電流分斷和分相控制的技術，使交流接觸器觸頭在電流過零時打開，實現無弧或微弧分斷。由于交流接觸器動作機構的不穩定性和電弧燃燒過程的復雜性[18]，要精確控制觸頭完全在電流過零點打開存在很大困難，實際的做法是在電流過零前某一時刻開斷觸頭，由于接觸器動作機構的分散性，零電流分斷控制還存在一定的不可靠性。文獻[19]設計了一種閉環斬波起動的交流接觸器智能控制模塊，并對起動過程和分斷過程中的線圈電壓、電流進行仿真分析，但沒有涉及對電弧特性參數的分析和控制。交流接觸器智能分斷控制的最終目的之一是抑制觸頭的電弧侵蝕，而分斷過程的電弧燃燒情況可直接反映智能控制的效果。目前，將分斷過程電弧運動、熄弧情況等直接影響觸頭電磨損的現象引入智能控制中的研究尚未見報道。

本文在試驗的基礎上，對不同分斷時刻的觸頭分斷過程展開研究，分析電流第一次過零后電弧的重燃與熄滅特征及其提取方法，并與零電流分斷控制技術[15]相結合，探討交流接觸器的最佳分斷區域及自適應抑制分斷電弧的控制策略。

1最佳分斷區域試驗

為降低觸頭的電弧侵蝕，對最佳分斷區域的要求是電弧在過零前的能量應盡可能小且電流第一次過零時就熄滅電弧。

交流電弧能量Wh的基本公式為[20]

式中，ts為電弧產生時刻；tx為電弧熄滅時刻；uh、ih分別為電弧電壓和電弧電流。可見，第一次過零時觸頭間隙的電弧能量與過零前的燃弧時間有關，燃弧時間越長電弧能量越大，電弧越不容易熄滅，同時觸頭受到的侵蝕越嚴重，因此交流接觸器最佳分斷區域應選在電流過零前0～1 ms附近的時間區域內為宜。用tf來表示觸頭打開到電弧電流第一次過零的時間，如圖1所示。圖1為福州大學低壓電器檢測中心實測的分斷波形，圖中第一個通道為電流波形，橫坐標都為時間，圖中實測的tf=0.7 ms。

圖1　tf=0.7 ms的實測波形Fig.1　Measured waveforms with tf=0.7 ms

在采用零電流分斷控制技術對不同交流接觸器進行電壽命的試驗中，均發現存在電弧能量最小的分斷區域。現以CJ20—63A和CJ20—100A兩種交流接觸器為對象，統計tf在0～1 ms內的不同時刻分斷的熄弧情況，從大量實測數據中選取不同分斷時刻的波形數據，每個時刻各取20組進行統計，將過零后重燃次數列于表1中。試驗電源電壓220 V，電流600 A，功率因數0.35。

表1　重燃次數統計

從表1中可見，tf=0～0.3 ms、0.7～0.9 ms及1.2 ms區域內都有重燃，而在tf=0.4～0.6 ms和tf=0.9～1.0 ms區域內都未重燃，在0.9 ms時僅63 A樣機重燃一次，說明確實存在最佳分斷區域。

圖2　電弧重燃的分斷區域統計Fig.2　Counting for breaking areas with arc reigniting

為統計長期工作后樣機的重燃現象，在同樣的試驗條件下對兩臺樣機進行了電壽命試驗，控制電路設定分斷時刻為電流過零前0.5 ms。在試驗中發現前5 000次通斷時，分斷時刻大多集中在過零點附近區域，而后5 000次時分斷時刻大多集中在過零前1 ms附近區域。根據“浴盆曲線”規律[21]分析，這是由于前5 000次試驗時接觸器處于磨合期，固有動作時間易產生漂移使分斷時間受到影響；后5 000次時則由于接觸器處于耗損失效期，觸頭磨損較嚴重導致超程減小而使固有動作時間縮短。在前5 000次壽命試驗中，100 A樣機共采集53次電弧重燃現象，63 A樣機采集到61次；后5 000次壽命試驗中，100 A樣機采集到52次電弧過零重燃，而63 A樣機采集到58次。將各次電弧重燃時對應的分斷時刻進行統計，結果如圖2所示。從圖中可看出，在前5 000次試驗中，兩種樣機電弧重燃次數最多的分斷區域為tf=0～0.3 ms，另外在tf=0.7～0.9 ms和1.1 ms以上區域也有較多次的重燃現象，而在tf=0.4～0.6 ms和0.9～1 ms兩個區域幾乎不重燃。在后5 000次試驗中得到相同的結論，只是電弧重燃最多的分斷區域在tf=1.1 ms以上。

從以上的統計結果可以發現，在試驗所采用的負載條件下，觸頭在電流過零前0.4～0.6 ms和0.9～1 ms這兩個區域內分斷時都不容易發生過零后的燃弧現象。過零后，觸頭兩端的電壓是直接反映電弧情況的一個參量，如果電流過零以后觸頭兩端的電壓趨向于電源電壓，說明此時電弧趨于熄滅，觸頭電壓上升幅度快、速度大；反之，則電弧趨于燃燒，觸頭兩端電壓趨向于較低的電弧電壓，其上升的幅度和速度較緩慢。因此，研究電流過零前后觸頭兩端的電壓變化趨勢對探討交流接觸器的最佳分斷區域有意義。同時，還應對不同負載條件下的情況進行分析。

2電弧電流過零前后的觸頭電壓

2.1研究方案

在低壓供電系統中，電磁式交流接觸器是使用量最大的一種控制電器，其觸頭系統為橋式雙斷點結構形式，本文以此為對象展開進一步研究。選取三臺不同規格的樣機CJ40—100A(A樣機)、CJ20—40A(B樣機)和CLC1—0910(C樣機)進行分斷試驗。觸頭電壓取自兩個靜觸頭之間。雖然開斷電路時將在兩個斷口上形成串聯電弧，兩個斷口的瞬時電壓和瞬時功率可能不一致，但是由于接觸器為頻繁操作的控制電器，其電壽命可達到數百萬次，只要燃弧能量在長期累計的統計意義上是趨于一致的，就不會造成兩對觸頭之間的磨損不均勻而引起電壽命的降低[18]，因此直接測量兩個靜觸頭之間的電壓不會影響研究的結果。

試驗在福建省產品質量檢驗研究院進行，主電路電源電壓和控制電源電壓均為220 V。分斷控制電路采用單片機PIC16F73設計，控制接觸器觸頭在電流過零前的不同分斷時刻打開。所用測試系統是基于Labview的新型數采系統[22]，采樣頻率為100 kHz，其所采集的電壓和電流波形數據格式為Labview軟件的LVM格式。在100 A電流下分別采集cosφ=0.32、0.61、0.88三種不同功率因數下的A樣機分斷波形數據進行分析，并對該樣機在15 A和100 A兩種電流等級下的測試結果以及相同條件下的三種規格樣機的試驗結果分別進行比較。通過分析采集到的觸頭電壓變化趨勢來分析電弧是否熄滅。

由于觸頭電壓在電流過零后瞬間變化趨勢的差別并不明顯，傳統的測量分析方法難以準確描述其變化的趨勢和強度，因此需要引入一種新的分析算法。本文對采集到的觸頭電壓波形進行小波能量譜變換，利用觸頭電壓的小波能量時譜特征來反映觸頭電壓的變化趨勢。

2.2觸頭電壓的小波能量譜分析

小波能量譜分析方法是把能量概念引入到二進小波分析中，通過不同尺度小波分解的能量譜來確定信號變化趨勢的強弱，識別出通常難以發現的信號。其原理如下[23]。

若有一信號x(t)為能量有限信號，其小波變換定義為

式中，σ為尺度參數，σ>0；τ為時間參數；ψ[(t-τ)/σ]為小波基函數ψ(t)經過τ及σ變換而形成的小波函數簇。令E(τ)為信號x(t)的能量沿時間軸的分布，則有

在二進小波變換中，常用光滑函數的導函數作為小波函數，而樣條函數是一種分段光滑函數且在連接點處具有一定的光滑性，同時B樣條半正交小波函數具有顯式解析式，推導簡單，支撐集短，易于在計算機上編程實時實現[24]。因此本文選取3次B樣條函數的導函數為小波函數對觸頭電壓信號進行變換。利用小波分解快速遞推算法，可得到離散信號x(t)的3次B樣條二進小波變換公式[25]

式中，j為分解尺度數，j∈(1，J)，其中J為分解的最高尺度數；當j=1時，S20x(t)為原始輸入信號；hk和gk分別為尺度函數和小波函數對應的低通與帶通濾波器響應系數。

令E2jx(t)為第j尺度下細節的能量，則該信號的小波能量時譜為[26]

利用Labview軟件編制了3次B樣條二進小波能量時譜變換程序，支持LVM數據格式，可讀取試驗采集到的交流接觸器分斷過程觸頭電壓波形數據進行變換和分析。考慮實時性與計算的復雜性，進行4層分解變換得到第四尺度下的小波能量時譜E4的波形，其中低通與帶通濾波器的脈沖響應系數為[27]

g0=-2g1=2h-1=h2=0.125h0=h1=0.375

3結果分析

由于電弧電流和電壓是同相的，觸頭的分斷時刻tf在數值上等于電弧電壓波形從產生到第一次過零的時間。通過分斷控制電路控制觸頭在電流過零前0～1 ms附近區域分斷，采集觸頭電壓在不同tf下的波形并進行分析。

3.1電流過零前觸頭電壓的變化

首先對A樣機在電流100 A、cosφ=0.32條件下進行測試，利用分斷控制電路控制接觸器在tf=0～1.4 ms的不同時刻分斷，將測量得到的過零前的觸頭電壓峰值Uxh，也就是第一次過零前的電壓熄弧尖峰列于表2中。從表2中可以看出，熄弧尖峰在tf=0.4～0.8 ms區域較大，均達到20 V以上，其他區域均在20 V以下，此時的實測電源電壓瞬時值為283 V。

表2　A樣機在100 A，cosφ=0.32條件下的Uxh

圖3　100 A電流，不同功率因數下的UxhFig.3　Uxh under 100 A current in different cosφ

將cosφ=0.61及cosφ=0.88條件下測得的Uxh隨分斷時刻變化的曲線與cosφ=0.32的曲線同時繪于圖3中，cosφ=0.61及cosφ=0.88時其熄弧尖峰出現時的電源電壓瞬時值分別為246 V和147 V。從圖中可見，三種功率因數下熄弧尖峰均隨分斷時刻的增加而逐漸上升，功率因數為0.32和0.61條件下的熄弧尖峰在tf=0.6 ms時達到最大，而后有所下降，功率因數在0.88的情況下熄弧尖峰在tf=1 ms時達到最大，而后開始降低，分析其原因如下：在電路負載阻性不大時，當tf較小(0.6 ms以下)時電弧電流接近零點，在極短時間內電弧能量基本不變，觸頭打開后電弧電阻也基本不變，tf越長觸頭打開時的電流越大，因此熄弧尖峰逐漸增加；當tf較大(0.6 ms以上)時，電弧能量隨tf增大而增大，電流過零時弧柱溫度相對較高，直徑減小，電弧電阻下降，因此熄弧尖峰有所降低。在cosφ=0.32條件下對另兩臺樣機進行同樣的測試，得到相同的觸頭電壓變化趨勢。

對于感性負載，當電弧電流ih下降到接近零時，其下降速度與熄弧尖峰Uxh的關系可用表示為[20]

式中，Um為觸頭所在電路的電源電壓幅值；L為電路中電感。可見Uxh的增大將使電弧電流下降速度增大。對阻感性負載來說，線路中還存在等效電阻的電壓，此時的Um不再是電源電壓幅值，而是對應功率因數下的電源電壓瞬時值，但是Uxh的增大同樣使電弧電流下降速度增大，意味著電流過零前的零休時間增加，電弧越容易冷卻。從圖3中可見，當tf>0.4 ms時，三種功率因數下的Uxh都相對較大，因此控制接觸器在電流過零前0.4 ms以上的區域分斷相對更有利于熄滅電弧。

3.2電流過零后觸頭電壓的變化

將采集到的電壓波形數據輸入自行編制的小波能量譜程序中，取第四尺度小波能量時譜值E4作為特征數據分析電流過零后的觸頭電壓變化。觸頭電壓及其小波能量時譜波形如圖4所示。

圖4　觸頭電壓波形及其小波能量時譜Fig.4　Waveform of contact voltage and its wavelet-energy spectrum in time domain

為了有效反映過零瞬間觸頭間隙的電弧熄滅情況，對實測電壓波形過零后第一個點的E4值進行分析。

3.2.1不同電流情況

在電流為100 A和15 A情況下分別對A樣機的觸頭電壓波形進行小波能量譜變換，表3為100 A時過零后第一個點的E4值，并將兩種電流下的數據繪制于圖5中。

表3　100 A條件下的E4值

圖5　A樣機在不同電流下的E4值Fig.5　E4 of A prototype under different current

分析得到的數據，發現在100 A和15 A電流下，過零后瞬間的E4值變化趨勢基本一致，即在tf=0～0.3 ms區域較小，在0.4～0.6 ms區域逐漸增大，0.6 ms后又逐漸降低，但是在0.9～1.0 ms區域又逐漸增大。小波能量時譜的幅值越大，表示電流過零后觸頭電壓上升的幅度和速度越大，觸頭電壓越趨向于電路的電源電壓，電弧趨向熄滅；反之，則觸頭電壓趨向于較小的電弧電壓，電弧趨向于重燃。因此，根據實測的數據說明A樣機在0.4～0.6 ms和0.9～1.0 ms區域分斷時，觸頭電壓更趨向電源電壓變化。

另外，當分斷時刻超過2 ms后，不論是在15 A還是100 A電流下，過零后的E4都逐漸增大，超過5 ms后，E4值甚至達到表中數值的10倍以上，這是由于分斷時刻過長時，電流過零后觸頭的間隙已經拉開很大的距離，此時電弧更容易散熱，介質恢復快，但是其過零前燃弧時間很長，電弧能量較大，對觸頭的燒蝕更加嚴重，長期工作時觸頭的可靠性降低。

3.2.2不同功率因數情況

在cosφ=0.32、0.61及0.88三種功率因數下對A樣機的觸頭電壓E4值進行分析，測試電流為100 A，將變換后的E4數據同時繪于圖6中。從圖中可見，在0.32和0.61功率因數下E4值隨分斷時刻的變化趨勢與前面的測試結果基本一致，在tf=0.4～0.6 ms和0.9～1.0 ms兩個區域的E4都逐漸增大，反映出在這兩種負載性質下，接觸器在這兩個區域分斷時，電弧易于熄滅。但是在功率因數為0.88時，情況有所差別，電弧相對容易熄滅的區域位于tf=0.4～0.6 ms，而在0.9～1.0 ms區域相對更難熄弧，這是由于當負載性質偏向于阻性時，電弧電流過零時的零休時間比偏感性負載下的長，在相同條件下若過零前的燃弧時間越長，過零時電弧能量越大，電弧反而更不容易熄滅。由于交流接觸器在低壓控制系統中所控制的負載大多為電機，其負載性質偏感性，因此控制接觸器在tf=0.4～0.6 ms和0.9～1.0 ms兩個區域分斷同樣有利于電弧熄滅。

圖6　A樣機在不同功率因數下的E4值Fig.6　E4 of A prototype under different cosφ

3.2.3不同規格樣機

本文還對A、B和C三種不同規格的樣機在相同條件下進行了試驗測試以分析在觸頭大小、接觸面積和接觸力不同的條件下觸頭電壓的變化規律是否具有一致性，測試條件均為I=100 A、cosφ=0.32。圖7為三臺樣機的測試結果。在相同條件下，三臺樣機在不同分斷時刻分斷后的E4變化趨勢基本一致，且小波能量譜變換的結果表明，在不同的觸頭結構參數下同樣在tf=0.4～0.6 ms和0.9～1.0 ms兩個區域內分斷觸頭電弧容易熄滅。

圖7　不同規格樣機的E4值Fig.7　E4 of different prototypes

3.3電弧重燃的判據

對于交流接觸器，如果采用智能控制技術將分斷過程的觸頭打開時刻控制在電流過零前的一個小區域內，那么，此時傳統意義上的縱縫和滅弧柵片對電弧的影響可以暫不考慮。電流過零后的0～300 μs是熄弧過程的關鍵時期[20]，通過小波能量時譜變換程序計算電流過零后300 μs內觸頭電壓的E4值并進行比較分析。以A樣機為例，將試驗電流增大到640 A，cosφ=0.32。在tf=0.2 ms、0.3 ms、0.8 ms、1.3 ms及3.1 ms時分別采集重燃波形。將觸頭電壓第一次過零后300 μs內的E4最大值分別列于表4中。

表4　重燃及未重燃情況下的E4最大值

從表4可以發現，在某些分斷時刻，分斷電弧在電流第一次過零后有時重燃有時熄滅，其重燃時的觸頭電壓的E4值均小于104，而不重燃時的E4值都大大超過104。而其他分斷時刻未發生重燃的E4值也都大大超過104。試驗中將tf增加到3.1 ms時觸頭電壓的小波能量時譜最大值在未重燃時高達17.9×104，也大大高于重燃時的6.5×104且重燃次數大大增加。這是因為當tf>2.0 ms時，電流過零后觸頭間隙已經很大，同時電弧已運動進入滅弧室，但是由于過零前的燃弧時間較長，電弧能量較大，這與前面的分析結果也是一致的。可見，在負載性質相同的情況下，不論在哪個時刻分斷，重燃和熄滅的E4最大值都相差很大。因此，當tf控制在1 ms以內時，可以將電弧過零后300 μs內觸頭電壓的E4最大值作為電弧第一次過零后是否重燃的判據。在本文的試驗條件下，若E4超過104則認為電弧趨向重燃，反之則認為電弧趨向熄滅。對于不同等級的交流接觸器，其電弧過零后300 μs內觸頭電壓的E4最大值是不同的，可按上述的方法來確定其重燃的E4特征值。

4最佳分斷區域及其控制策略探討

4.1最佳分斷區域的確定

通過前面的分析，對于控制電機負載的交流接觸器，當tf<1.0 ms時其與觸頭電壓過零后第一個點的E4值的關系可定性用圖8表示，E4在tf=0.4～0.6 ms 和0.9～1.0 ms區域都存在一個拐點，在這兩個區域內分開觸頭時，電流過零后電弧容易熄滅。

圖8　E4與tf的關系Fig.8　Relationship between E4 and tf

由此，將交流接觸器的分斷區域分成5個部分，見表5。將不同分斷區域的電弧能量Wh、過零前的零休時間和過零瞬間的E4值列入表中進行比較。

表5　不同分斷區域的比較

為抑制分斷電弧，最佳分斷區域應使觸頭打開后的燃弧能量Wh盡可能小，同時電弧應在電流第一次過零后就熄滅，也就是在電流第一次過零后觸頭電壓應趨向電源電壓(即E4值應較大)，零休時間要長。從表5可以發現，同時滿足這些條件的區域為tf=0.4～0.6 ms和0.9～1.0 ms兩個區域，這樣tf的可控最佳分斷區域從以往認為的1.0 ms附近明確為兩個具體的區域，可控范圍的確定將降低交流接觸器零電流分斷的控制難度。

4.2自適應分斷控制策略

雖然現有的單片機控制技術可以保證準確地控制分斷時刻，但是由于交流接觸器不同系列產品的動作時間不同以及機構動作的分散性，要準確控制觸頭在這兩個最佳分斷區域分斷仍然存在一定困難。可考慮控制觸頭在電流過零前0～1.0 ms內分斷并以電弧是否重燃來自動調節分斷時刻：若電弧熄滅則不改變分斷時刻，若電弧重燃則按照就近原則將其調整到兩個最佳分斷區域內。

另外，電網周期波動會改變觸頭電壓和電流的頻率，從而導致對tf的控制產生誤差。因此在實際控制中需要實時測量實際的tf值并自動作出調整。由此提出一種基于觸頭電壓實時檢測的交流接觸器自適應分斷控制策略，如圖9所示。

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

給出分斷信號后，計算觸頭電壓波形第一次過零前的燃弧時間并控制在1.0 ms以內。接著對觸頭電壓進行小波能量譜變換，提取觸頭電壓過零后300 μs內的E4最大值并與門限值進行比較，若大于門限值則保持原來的tf不變，若小于門限值則依據最佳分斷區域修改tf以供下次分斷時調用。在本文的試驗條件下，其分斷過程電弧重燃的門限值可選取為104。

該策略利用觸頭電壓及其小波能量時譜特征值作為控制參數實現分斷過程的自適應調節，為交流接觸器自適應分斷控制提供了一種新的思路，為后續研究其他結構的交流接觸器自適應控制提供了參考。在實際應用中還需要根據電壓等級和采樣頻率對門限值的選取以及硬件電路的構造等進行進一步的研究。

5結論

本文以觸頭電壓為研究對象，通過試驗統計和理論分析對低壓系統中使用量最大的橋式雙斷點結構交流接觸器最佳分斷區域進行了探討，研究結果表明：

1)在電流過零前0.4～1.0 ms區域分斷觸頭有利于延長電流過零前的零休時間。

2)交流接觸器的最佳分斷區域在電流過零前的0.4～0.6 ms和0.9～1.0 ms兩個區域，觸頭在此區域內分斷，將獲得較長的零休時間且電弧不易重燃，同時過零前的電弧能量相對較小。

3)控制接觸器觸頭在電流過零前1.0 ms內的區域分斷時，其觸頭電壓在過零后300 μs內的高尺度小波能量時譜最大值可作為電弧是否重燃的判據。

同時提出了一種新的自適應控制策略，采用觸頭電壓經小波能量譜變換后的E4最大值作為控制參數調節分斷時刻，為有效抑制交流接觸器分斷電弧提供了理論和實現的方法。

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鄭昕男，1976年生，博士，副教授，研究方向為智能電器及其在線監測。

E-mail：27480389@qq.com(通信作者)

許志紅女，1963年生，教授，博士生導師，研究方向為智能電器及其在線監測。

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

作者簡介

中圖分類號：TM572

收稿日期2014-06-06改稿日期2014-09-04

國家自然科學基金(51277031)和福建省自然科學基金(2015J01192)資助項目。