低压交流接触器电弧形态转变与运动特性研究

张 军，刘教民，孙 祎，王震洲

（1.河北工业大学 电气工程学院，天津 300130；2.华北电力大学 电气工程学院，北京 102206；3.河北科技大学信息学院，石家庄 050018）

0 引言

低压电器触头间电弧放电现象是在开关电器通断电路过程中经常发生的一种物理现象．低压电器开关电弧能在瞬间释放巨大的能量，使其温度迅速增高并使放电间隙内的电流密度和压力瞬间增大，严重影响低压电器的可靠运行并缩短其工作寿命[1-6]．利用高速图像采集系统对低压电器开关电弧燃弧过程进行图像采集并将采集到的图像在计算机的屏幕上显示出来，有利于研究人员全方位的观察电弧在燃弧过程中的变化情况进而帮助研究人员归纳低压电器开关电弧在燃弧过程的运动特性，为改进低压电器的结构提供理论基础．本文利用新型电弧图像高速采集系统对 CJX1-12/22型号的交流接触器进行电弧图像的采集并对所得的一系列的电弧图像信息进行分析计算得到低压交流接触器电弧在整个燃弧到灭弧过程中的弧柱直径及电弧直径变化速度的变化数值并归纳出低压交流接触器电弧形态转变过程规律，为研究和提高低压开关电器的可靠性和分断能力创造了条件．

1 低压电器开关电弧图像采集系统

低压电器开关电弧的燃弧时间十分短暂（少于数10ms），因此，必须利用专门的高速测试仪器采集电弧图像．低压电器开关电弧图像采集系统的设计和实现，要综合考虑两方面的性能指标：系统的分辨率（时间分辨率和空间分辨率）和计算机的数据处理．采集系统的时间分辨率要求系统对电弧图像的采样时间尽可能短而其空间分辨率则要求系统所采集到的低压电器开关电弧的图像尽可能清晰以利于对电弧的研究．这就要求电弧图像采集系统具有一个大的缓冲区且其数据存储响应时间应尽可能短．

因此，本文中的系统采用的CCD（64×64象素的256级灰度等级）作为图像敏感器，该种CCD的时间分辨率最高可以达到1万帧/秒．在拍摄真空电弧图像时，采用干涉滤光技术，以期得到时间和空间上分辨率高的光谱数据，进行分析研究．采集系统硬件设计如图1所示，包括真空开关电弧发生装置、光学系统、数据采集系统、同步触发系统、计算机处理设备及显示设备几个部分．

图像敏感器CCD芯片在接收到电弧的光信号后，将二维电弧图像信号转变为一维的电弧视频信号，然后利用A/D转换器再将一维的视频信号转变为数字量信号并输出（RS-422通信方式）．由于CCD图像数据输出速率比较高．在最高速率拍摄电弧图像时计算机总线直接传输数据速率跟不上CCD发出的数据速率，因此本文的系统选用TMS320C40 DSP芯片作为缓冲接口单元的CPU（指令周期小于50 ns）．

电弧图像采集的同步控制是整个测试系统中一个关键环节．由于图像数据存储容量有限且开关电弧燃弧具有瞬时特性，因此系统同步控制对于可靠地采集和准确曝光捕捉整个电弧运动过程有十分重要的作用．触发过早，图像采集过程晚于电器触头分离时刻，将有可能采集不到起弧的过程；反之，如果触发太晚，图像采集过程过早，则将有可能图像采集过程已经结束，而电弧仍在燃烧，采集不到电弧的熄弧过程．严重情况下，甚至什么电弧信息也采集不到，因此必须设计同步触发电路．对于不同的低压电器触头电弧的拍摄可归为两类触发电路，一类为被动式触发，如小型断路器等手动切换电器类，在手动电器触头分离产生电弧的同时，触发计算机控制CCD开始拍摄．另一类为主动式触发单元，如交流接触器、继电器等具有电磁线圈或能进行电动操作的电器，利用计算机发出触发信号控制触头分离从而产生电弧，与此同时控制采集系统开始同步拍摄．

本文采用CJX1-12/22型交流接触器作为实验试品．在CJX1-12/22接触器灭弧室侧面对应触头的位置开一观察窗（大小1.5 cm×2.0 cm）．实验时电气回路为AC 220 V、感性负载，分别对分断电流为5 A及10 A的情况进行图像采集．实验时，在镜头前加装超窄带滤光片以得到电弧的单一辐射图像．图1给出了低压电器开关电弧图像采集系统的原理图．

在实际应用中，测试系统获取的原始图像一般是不完美的，由于噪声、光照、拍摄角度不正等原因，图像的质量不高，所以需要进行图像处理，以有利于提取有关电弧形态转变与运动特性的信息．新型电弧图像高速采集系统将CCD图像传感器的图像数据传送到DSP数字信号处理，DSP再通过PCI总线将图像信息传送给图像采集控制程序．之后系统对所得的电弧图像信息先后进行了几何校正，灰度变换，滤除噪声的平滑处理以及边缘锐化处理，为之后的图像分析和理解奠定了基础，具体图像处理的流程图如图2所示．图3是经过处理的电弧从燃弧到灭弧的一系列图像．

图1 低压电器电弧采集系统原理图Fig.1 Low-voltagearc imageacquisition system schematic diagram

图2 图像处理流程图Fig.2 Imageprocessing flow chart

图3 最终处理后的开关电弧图像Fig.3 Final switching arc image

2 对所得开关电弧图像的分析理解

电弧是自然界的复杂现象之一，其中发生了光、磁、电、热等许多物理过程．当电弧图像被拍摄下来后，电弧图像的分析理解是最终的目的．过去在没有较高空间分辨率电弧运动图像的前提下对于电弧的运动速度和弧柱直径的计算均采用电弧电压或光纤光电测试波形在不同时刻（不同测量位置）的相关性来确定．其基本原理为，以两个波形的误差能量方法来确定两个波形的相似性．但是用此种方法确定电弧的运动速度存在着不足之处．1）数学依据是误差能量最小时产生的相似，其本身就存在着误差．2）电弧运动边缘的无规则性，在较小范围内（光纤上）测量波形将会产生较大的误差．3）计算和处理繁琐．而本文的采集系统所采集到的电弧图像直接被传输到计算机进行处理分析计算，其最终处理图像在标定后被直接显示在含有坐标的显示器上．因此研究人员可以直观的得到低压电器开关电弧在燃弧过程中的形态变化．表1列出了CJX1-12/22在不同时间段不同电流情况下其电弧直径的变化平均速度．

对于电弧直径的测量，本文将电弧的直径理解为电弧通道最明亮的部分．表2列出了不同时间的弧柱直径和平均直径．通过对所得的结果进行分析，可以发现低压电器电弧在燃弧的一些特点．

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电弧燃炽初期，其弧柱较短小．随着动触头的移动，电弧被逐渐拉长，电弧直径有明显增加的过程，在达到最大直径后，电弧的直径又逐渐的减小．

在燃炽初期电弧在磁吹力的作用下有一个较大的变化速度此后该速度减小随后又有一次反弹直至最后电弧熄灭．

从整个燃弧过程看，接近低压电器动触头的一端电弧的位置相对稳定而接近静触头的一端（根部）其位置是不断变化的并会出现跳动，这与电弧在燃弧期间电气回路的电压波动可能存在某种程度的联系；就实验电流来看，电弧的运动速度与实验电流有关，随实验电流的增大，电弧运动速度也呈增加趋势．电弧的直径与实验电流也存在着正变关系，即电弧的直径随着实验电流的增大而增加．同时可以发现，分断时电弧燃弧时间随实验电流的增大有增加的趋势．

3 交流接触器灭弧系统的优化

随着经济的发展，小容量交流接触器应运而生．该类交流接触器不再片面的追求机电寿命的提高，而是在强调小型化的基础上，把研究的重点放在分断的可靠性，动作的可靠性以及接触的可靠性等方面．该类交流接触器小型化后，其灭弧室取消了纵缝、栅片或隔弧板等专门灭弧结构，其触头接通和分断的条件恶劣（仅靠机械分断），分断能力受到了极大的限制．采用新型电弧图像高速采集系统对 CJX1-12/22交流接触器电弧形态转变与运动特性进行分析可以发现电弧的直径，运动速度以及燃弧时间都随试验电流的增大有增加的趋势．从拍摄的电弧图像序列可以看出电弧的增长过程相对于熄灭过程来说比较长，一旦电弧被机械拉断，电弧很快就熄灭了，分断过程随之完成．若触头分断后，电弧不能立刻被拉断将会导致低压电器灭弧室内部过热，熔焊低压电器触头以及其灭弧室内壁绝缘材料从而使其失效．要提高小容量接触器的动作可靠性并延长其使用寿命就必须提高其分断能力，快速灭弧．

对于没有磁吹结构的交流接触器，分断电弧基本停止不动，仅能依靠触头分开时拉长电弧，燃弧时间较长，在分断大电流时，灭弧就很困难．通过改进接触器的结构设计，在触头回路加入磁吹结构有助于电弧迅速脱离触头并被拉长，加速其冷却，加快交流接触器灭弧室内空气介质的恢复速度，将有利于熄灭电弧和缩短燃弧时间，可大幅提高其分断能力．

同时电弧被电动力吹进灭弧室后，应得到迅速的冷却．考虑到灭弧室受体积限制，空间狭小，不可能安装纵缝、栅片或隔弧板等灭弧装置．因此，可以选择适当的绝缘材料充当灭弧室壁，并可改变灭弧室壁外形设计增加电弧和灭弧室壁接触面积，从而达到改善灭弧效果的目的．

4 结论

在CCD高速成像技术的基础上开发了新型电弧图像高速连续采集系统．克服了以前高速图像采集系统拍摄成本高、处理周期长、可用信息少的缺点，利用该系统拍摄到 CJX1-12/22交流接触器电弧的整个燃弧过程，为分析低压电器开关电弧动态变化过程创造了条件．

通过对新型图像采集系统的图像以及数据的分析理解，总结出低压接触器分断电弧燃弧过程的形态变化规律和运动特性，发现所得的动态电弧运动图像特征与大量的真空电弧的仿真结果[7-13]相映证．

根据总结出的低压交流接触器电弧的形态转变与运动特性，对交流接触器灭弧系统提出了改进建议．

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