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DQZHAN訊：交流接觸器*佳分斷區域

福州大學電氣工程與自動化學院的研究人員鄭昕、許志紅，在2016年第7期《電工技術學報》上撰文，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1ms內不同分斷區域的電弧電壓能量時譜，統計和分析了電弧電壓**次過零前后的變化趨勢和特征。

對交流接觸器*佳分斷區域進行了探討并提出以觸頭電壓過零后300μs內的高尺度小波能量時譜*大值作為電弧重燃與否的判斷依據。確定了電流過零前0.4~0.6ms和0.9~1ms兩個*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。

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配電電器那樣強的滅弧措施，其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，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**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，可以方便的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*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的是其電路特性，包括電弧電壓、電弧電流、電弧能量、電弧溫度和阻抗特性等。文獻[5]研究了低壓直流斷路器電弧等離子體運動特性，建立了考慮紊流效應的三維電弧模型并對其進行了數字化分析。

文獻[6]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[7]和[8]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[9]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[10]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[11]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[12]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，無法實現在運行中對電弧侵蝕的抑制。文獻[13-15]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[16]，要**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[17]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*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**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[13]相結合，探討交流接觸器的*佳分斷區域及自適應抑制分斷電弧的控制策略。

圖9控制策略圖

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*大的橋式雙斷點結構交流接觸器*佳分斷區域進行了探討，研究結果表明：

1）在電流過零前0.4~1ms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*佳分斷區域在電流過零前的0.4~0.6ms和0.9~1ms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1ms內的區域分斷時，其觸頭電壓在過零后300μs內的高尺度小波能量時譜*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*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。