基于触头动态接触压力的触头弹跳分析

李俊峰 苏秀苹 郑新芳 赵靖英

(1.电磁场与电器可靠性省部共建重点实验室 河北工业大学 天津 300130 2.邯郸学院机电学院 邯郸 056005)



基于触头动态接触压力的触头弹跳分析

李俊峰1，2苏秀苹1郑新芳2赵靖英1

(1.电磁场与电器可靠性省部共建重点实验室 河北工业大学 天津 300130 2.邯郸学院机电学院 邯郸 056005)

根据弹性波原理，以CJ20-25型交流接触器为试验品，采用以压电薄膜为敏感元件制成的触头接触压力传感器，分别测得一相主触头触桥上两个触头的动态接触压力信号，用以研究该相主触头的触头弹跳情况；利用高速摄像机技术分析了触头运动过程中的摆动和振动情况；应用小波工具箱对该触头接触压力信号进行了降噪处理；研究了触头弹跳与触头断通信号的关系以及触头弹跳与合闸相角的关系。由分析结果可见，触头动态接触压力信号可揭示触头弹跳和断通信号的变化原因，合闸相角为60°时，各项指标综合最差。

触头接触压力 触桥 触头弹跳 压电薄膜 危险振动

0 引言

触头在闭合过程中会产生类似弹跳的现象，称为触头的机械振动。触头振动时接触电阻周期性地变化，甚至分离产生电弧，使触头熔焊和烧损，严重影响触头工作。因此，必须了解触头弹跳的物理过程，分析影响弹跳的因素，以便采取适当措施，减小或消除这种有害的机械振动[1-5]。

目前，测量触头弹跳的方法有两种，一种是周亮等[6，7]将动、静触头接入一个直流回路，通过测量回路中电阻两端的电压变化来反映接触器在合闸过程中的弹跳情况。另一种是陈德为等[8-10]应用高速摄像机技术，在动触头触桥侧面设置首开相和非首开相标记点，通过拍摄测量这些标记点的位移得到触头的弹跳信息。但这些测量触头弹跳的方法都有一个误区，就是将触桥的弹跳作为触头的弹跳来研究，这是不严谨的。

目前市场上主流的交流接触器为双E型直动式接触器，每个触头触桥上有两个动触头。由于工作时交流接触器一般是水平安装的，因此触桥是垂直于地面的，在此将某一相主触头触桥上的两个触头分别称为“上触头”和“下触头”，桥式触头系统性能的优劣要用“上、下两个触头”的弹跳情况综合评判。由于受测试方法和准确度的限制，无论高速摄像机技术还是直流回路断通法，都是以某一相主触头触桥为研究单位，无法分开研究该相主触头触桥上、下两个触头的弹跳。本文提出弹性波测试方法，利用PVDF压电薄膜分别测得上、下两个触头的动态接触压力信号，利用该信号同时研究上、下两个触头的弹跳情况，进一步揭示合闸相角、动触头或支架运动速度、线圈电流电压、负载和机械结构等与触头弹跳之间的关系。

1 弹性波测试法

应力波是扰动或外力作用引起的应力和应变在弹性介质中传递的形式。弹性介质中质点间存在相互作用的弹性力。当某处物质粒子离开平衡位置，即发生应变时，该粒子在弹性力的作用下发生振动，同时又引起周围粒子的应变和振动，这样形成的振动在弹性介质中的传播过程称为“弹性波”[11]。

由动、静触头的振动结构可看出，动、静触头都是由轧制铜板制成，有一定的厚度和硬度。动触头撞击静触头时，触头及支撑触点的铜板都会受力变形和产生振动。由弹性波的原理可知，振动所到之处应力和应变会发生变化。将PVDF压电薄膜粘贴在这个振动结构的适当部位，有振动时，PVDF压电薄膜就能通过弹性波感受到振动，间接地反映这个振动的能量大小[12，13]；当动、静触头碰撞、弹跳时，系统产生的振动随之变化，由此可反映出触头接触压力的动态变化。

图1 敏感元件安装位置示意图Fig.1 Sketch map of sensitive element installation location

选择将PVDF压电薄膜粘贴在静触头上如图1所示的两个位置。放在1处可最大限度地得到铜板的塑性变形，放在2处则可得到撞击时静触头表面的弹性变形引起的纵向应力波。由于1位置是弯曲的，考虑到折弯工艺很难保证每个静触头的结构都完全一致，使得该方法互换性较差，且该结构的变形不是线性的，因此选择2位置。

图2是自行搭建的交流接触器触头动态接触压力测试系统示意图。工作时交流接触器是水平安装的，测试时使用绝缘胶将一对由PVDF压电薄膜做成的触头接触压力传感器分别粘贴在被测交流接触器一相主触头上、下两个静触头的下表面(如图1所示的2位置)，根据其空间位置，这里分别称为上触头接触压力传感器和下触头接触压力传感器。使用压电传感器专用屏蔽线从静触头支架上的空隙中引出，再引入到多通道电荷放大器。选相合闸相角控制器执行合闸程序后，触头闭合，触头接触压力传感器上就会有电荷输出，经电荷放大器放大后输入信号调理电路，再由高速数据采集卡输入工控机，最后工控机按照编好的程序对信号进行处理并显示、存储测试结果。压电式传感器的压电常数d33和反馈电容C的值决定了电荷放大器的输出值；时间常数RC决定了传感器的低频截止频率。当电荷量变化频率远远大于(1/2π)RC时，电荷放大器的输出电压Vp为

Vp=q/C=d33Fp/C

式中，Fp为垂直施加于传感器表面的作用力，N；q为由PVDF压电薄膜产生的电荷量，C。如果在三相主触头上都安装该触头接触压力传感器对，就可同时测量三相主触头的触头接触压力[14]。

图2 交流接触器触头动态接触压力测试系统示意图Fig.2 Sketch of AC contactor dynamic contact pressure testing system

由于直流回路断通法需要该触桥的上、下两个触头同时接通才能出现高电平，因此无法说明断和通是由于上触头的弹跳还是下触头的弹跳引起的。同文献[14]中的触头动态接触压力测试方法类似，应用弹性波测试法也可得到触头动态接触压力信号，但是该方法可同时观察触头接触压力的变化和触头回路断通的情况，还能带载测试，这对于测量实际工作状态时接触器的触头接触压力变化是非常重要的。

2 用高速摄像机拍摄接触器吸合时的触头弹跳过程及其结果分析

在实验室使用高速摄像机系统对CJ20-25型交流接触器的一相主触头进行拍摄，具体方法是在接触器一侧正对一相主触头的位置开长方孔，使高速摄像机镜头对准该相主触头拍摄，截图画面如图3所示。

图3 触头弹跳过程视频截图Fig.3 Video capture of the contact bounce

分析拍摄结果发现，接触器吸合时，触头触桥在支架的推动下，逐渐加速，由于受到重力和推动力的共同作用，如果动触头触桥的质心不在触桥弹簧的支点范围内，触桥就会沿不同的方向摆动。动静触头闭合的一瞬间，触桥还会沿着其他不同的方向摆动，或者说振动。原因是触桥是依靠螺旋弹簧提供的预紧力固定在支架上的，由于螺旋弹簧受力时，其支撑点是不稳定的，使得触桥在整个运动过程中会沿着不同的方向摆动。为了说明这些摆动的情况，可用图4所示的六自由度触桥系统来表示。设触头支架运动方向为x，垂直于地面的方向为y，平行于地面且垂直于x、y轴的方向为z。

图4 触头触桥系统六自由度振动示意图Fig.4 Sketch map of 6 degree of freedom vibration contacts contact bridge system

触桥在向铁心运动过程中，如果触桥的质心不在触桥弹簧的支点范围内，如图5所示，触桥就会以z

轴为轴，在x-z平面转动。

图5 触头触桥系统以z轴为轴，在x-y平面转动示意图Fig.5 Sketch map of contacts contact bridge system rotation in x-y plane with z axis as the axis

当动、静触头接触在一起时，伴随着弹跳，触桥会沿着y轴作上、下滑动；触桥更多的是以y轴为轴，在x-z平面摆动，逐帧测量触桥侧面的明暗变化，就可以观察到这个摆动(扭动)过程，它是引起触头振动的重要原因。由此可见，触头运动过程中的摆动(扭动)及振动是多自由度、非常复杂的，这种触头触桥由螺旋弹簧支撑的结构决定了这种振动过程。

3 触头接触压力信号的处理与分析

将触头接触压力传感器输出的电压信号通入示波器，选用滤波器滤波，可看出弹跳次数，但信号幅值大大降低。小波变换作为一种时频局部化方法，其窗口是可变的，即在低频部分具有较低的时间分辨率和较高的频率分辨率，具有对信号的自适应性。与传统的信号分析技术相比，小波分析还能在没有明显损失的情况下，对信号进行去噪和压缩[15-17]，因此选用小波进行降噪处理。

3.1 触头弹跳过程分析

触头动态接触压力信号属于随机的连续信号，使用Matlab小波工具箱能很方便地进行导入、去噪和导出。将触头动态接触压力测试系统得到的波形导入小波工具箱，选用合适的小波进行去噪处理，再放大信号细节，就可很方便地分析该触头接触压力信号。图6是上触头接触压力信号一维连续小波降噪处理界面。图6中最上面一条曲线是没有经过降噪处理的触头接触压力波形，其特点是有一个幅值很大的基波(工频50 Hz的电磁干扰)。用小波降噪后可见，这个电磁干扰产生的基波被完全去除了。将降噪前后的曲线进行对比可看出，如果不去除这个电磁干扰的基波，其最大幅值比接触压力曲线的最大值还大，为后续的数据处理带来困难。

图6 上触头接触压力信号一维连续小波降噪处理Fig.6 One dimensional continuous wavelet noise reduction processing of upper contacts contact pressure

图7是进一步放大的接触压力信号，将降噪前后的细节曲线进行对比后可看出，降噪后曲线的毛刺大大减少，可清楚地看出触头弹跳的次数。

图7 上触头接触压力信号细节Fig.7 Detail of upper contacts contact pressure

对比图6和图7可看出，经过一维连续小波降噪处理后，触头接触压力信号很清晰地展示了触头弹跳的全过程。下面将一个放大的上触头接触压力信号在图8中展示说明。

图8 放大的上触头接触压力信号细节Fig.8 Amplified detail of upper contacts contact pressure

实验室采样频率为200 kHz，采样点数为10 k，因此4 000点到6 000点对应的触头闭合时间分别是20 ms、21 ms、22 ms、…、30 ms，如图8所示，这里分为5个区间进行描述。区间1：触头刚开始闭合时，4 560～4 800点(23～24 ms区间)，触头弹跳了三次(由于触头接触压力最大时，触头被压缩量最大；触头接触压力开始变小时，触头开始被弹开；波谷出现时，是触头被弹开距离最大的时刻，因此可通过计算波谷的个数来统计弹跳的次数)，且幅值较大，这是“一次弹跳”；区间2：4 800～5 000点(24～25 ms区间)，触头振动了两次，幅值开始减小，而且振动周期开始加长；区间3：5 000～5 200点(25～26 ms区间)，明显的振动有2次，而且幅值又有所降低。区间4：26～27.8 ms区间内，触头振动趋向于停止，但还是略有起伏，这主要是由触头不断地扭动造成。区间5：在靠近5 600点(27.8 ms)附近，触头又开始有一个明显的振动，这是触头的“二次弹跳”(对于双E型直动式接触器，动铁心弹跳时会引起动触头的再次弹跳，称为触头的二次弹跳)。这与以往的资料记载的触头弹跳过程相似，但该方法提供了更为全面、详尽的触头弹跳信息。将电压、电流、上触头接触压力信号、触头断通信号和下触头接触压力信号放在一张图中作横向比较，如图9所示是合闸相角为90°时触头弹跳和电路接通过程的全貌，可用来研究触头弹跳和其他参数的关系，为今后结合铁心运动综合分析交流接触器的动态特性提供了新的手段。

图9 合闸相角为90°时触头弹跳过程Fig.9 Process of contact bounce when the closing phase angle is 90°

3.2 触头弹跳过程与触头断通信号的关系研究

有了同一触桥上、下两个触头的接触压力信号，就可揭示应用直流回路法获得的触头断通信号的变化原因，且从中可得到更多的触头弹跳的细节。图10是同一触桥上两个触头的接触压力信号与触头断通信号的对比。分析触头断通信号时需明确，只有当上、下触头同时稳定接触时，直流回路才会导通。

图10 同一触桥上两个触头的接触压力信号与触头断通信号对比Fig.10 Comparision of the two contacts contact pressure and the contacts break-connection signal

为了清楚地比较这3个波形，在图10中画出了5条标记线，从左到右依次观察这5个标记线位置的波形。

标记线1：在约4 560点(22.8 ms)处上、下触头同时开始接触，此时直流回路瞬间接通，因此触头断通信号有了第一次接通波形，但又马上断开，这主要是因为触头表面有小的凸起，且触头接触压力还不够大，因此电路导通并不稳定。

标记线2：随着第一次动、静触头的碰撞，上、下两个触头的接触压力同时到达峰值，此时上、下两个触头同时稳定接触，因此直流回路再次导通。但是很快由于动、静触头碰撞后触头材料的形变，其弹性势能快速转换为动能，使得动、静触头又被快速弹开，因此上、下触头也同时弹开，此时触头断通信号刚好断开。在标记线2和3之间的一段时间，直流回路一直没有接通，是因为上、下触头的弹跳步伐不一致，只有上、下触头同时接触时，直流回路才有可能接通。

标记线3：当上、下触头接触压力信号同时经过波峰开始下落时，上、下触头是同时接触的，此时直流回路又再一次接通；从4 800点(24 ms)处开始到标记线4之间，直流回路有数次通断，这主要因为此时上、下触头虽然都处于无危险振动区间，但由于上、下触头的快速摆动(扭动)，使得直流回路的接通和断开次数显得极其不确定。这一段触头断通信号反复变化，带负载时极有可能引起电弧，对触头造成严重的损害，应该尽量控制。

标记线4：上、下触头在弹簧压力作用下逐步趋于稳定接触，此时，直流回路稳定接通，触头断通信号不再有断开现象。

标记线5：虽然在5 600点(28 ms)附近上、下触头都发生了二次弹跳，但由于弹跳幅度小，且上、下两个触头弹跳步调不一致，直流回路一直没有断开。这说明该交流接触器试品很好地控制了二次弹跳。触头发生二次弹跳时动、静触头已经闭合了一段时间，如果系统带有大容量负载，触头上会流经很大的负载电流，则由二次弹跳引起的电弧较大，电弧放电会造成触点的局部熔化，严重时甚至会造成触头熔焊，最终导致接触器触头系统功能失效。因此，接触器的吸合控制和优化设计都应当尽量减少可动部件的弹跳，尤其是尽量避免触头的二次弹跳。

由以上分析可知，触头接触压力信号很好地揭示了触头断通信号的变化原因，说明触头断通信号并不能完全代表触头的弹跳，同一触桥上的上、下两个触头的综合弹跳情况决定了直流回路的断通。触头大幅度的弹跳集中在动、静触头首次接触之后的1.5 ms时间段内，此后的弹跳幅值和频率都逐渐变小，且对电路稳定接通没有影响。由于带负载时极有可能引起大的电弧，应该尽量控制上、下两个触头的快速摆动(扭动)。

3.3 触头弹跳过程与合闸相角的关系研究

将不同合闸相角时上、下触头接触压力信号同励磁电压、电流和触头断通信号放在一起加以比较，如图9就可清晰直观地解释触头弹跳过程与合闸相角的关系。本文依次记录了合闸相角为0°、60°、90°、180°、270°时上述信号的对比。并对以上信息进行综合分析，将结果记录于表1。

表1 不同合闸相角时的触头弹跳过程Tab.1 Contact bounce at different closing phase angle

表1中总断通次数代表直流回路中触头断通的次数，因为带负载时，电路瞬时断通，极有可能引起电弧，对触头的损害是最严重的，因此总的断通次数是一个很关键的参数，应尽量减少总的断通次数。总的断通次数和上、下两个触头的综合弹跳情况有关，因此还要考察上、下两个触头的弹跳。接通时长是指触头断通信号从第一次接通到最终稳定接通的时间。这个时间比较长时，会加大触头的损害几率，因此要尽量缩短。上触头危险振动次数是指在接通时长内上触头振动(包括弹跳)的次数。不是每一次弹跳或者振动都会引燃弧而对触头造成损害，但弹跳次数多，势必增加触头的损害几率，因此，该项指数也是要尽量小。下触头危险振动次数同理。二次弹跳危险振动次数是指造成二次弹跳时电路断通的弹跳次数，这项指数也应该尽量小。触头闭合时间是指从接触器线圈通电到触头刚开始接触(或用第一次触头断通信号)这一段时间。这个时间较短，说明闭合时接触器动铁心速度较小，有利于减少触头弹跳。因此这一相越小越好。由表1可看出，合闸相角为60°时总断通次数最高，总接通时长也最长；上、下触头的危险振动次数一般为5～7，60°时最多；二次弹跳危险振动次数仅60°时有一次；触头闭合时间一般为17.3 ms左右，但是合闸相角为90°和270°时稍高。由此可见，合闸相角为60°时，各项指标综合最差，将在今后的实验中进一步验证。

4 结论

触头接触压力是重要的触头参数，为了深入研究触头接触瞬间触头接触压力同接触电阻、振动等其他参数之间的关系，必须得到其动态全过程。在实验室以CJ20-25型交流接触器为例进行了触头接触压力的动态测试，对实验数据进行了滤波和小波降噪，去除交流脉动干扰，提取关键信息，可得出以下结论：

1)提出的弹性波测试方法，将触头接触压力传感器粘贴在静触头的下表面，可同时观察触头接触压力的变化和触头断通的情况，还能带载测试，这对于测量实际工作状态下接触器的触头接触压力变化是非常重要的。

2)应用Matlab小波工具箱能够很好地去除电磁干扰产生的基波，降噪后曲线的毛刺大大减少，有利于清楚地观察触头弹跳的次数。

3)触桥在向铁心运动过程中，如果触桥的质心不在触桥弹簧的支点范围内，触桥就会以z轴为轴，在x，y平面转动；当动静触头接触在一起时，伴随着弹跳，触桥会沿着y轴作上、下滑动；触桥更多的是作以y轴为轴，在x，z平面摆动。触头运动过程中的摆动(扭动)及振动是多自由度、非常复杂的，这种触头触桥由螺旋弹簧支撑的结构决定了这种振动过程。

4)同以往的方法相比，将电压、电流、上触头接触压力信号、触头断通信号和下触头接触压力信号放在一张图中作横向比较，触头接触压力信号能够给出更为全面、详尽的触头弹跳信息，为优化设计接触器提供了参考。

5)触头断通信号并不能完全代表触头的弹跳，同一触桥上的上、下两个触头的综合弹跳情况决定了回路的断通。触头大幅度的弹跳集中在动、静触头首次接触之后的1.5 ms时间段内，此后的弹跳幅值和频率都逐渐变小，且对电路稳定接通没有影响。由于带负载时极有可能引起大的电弧，应尽量控制上、下两个触头的快速摆动(扭动)。这可为设计、生产交流接触器触头结构提供理论支撑。

6)将不同合闸相角时上、下触头弹跳过程的细节信号同励磁电压、电流、和触头断通信号放在一起加以比较，可看出，合闸相角为60°时，各项指标综合最差。

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Analysis of the Contact Bounce Based on Dynamic Contact Pressure

LiJunfeng1，2SuXiuping1ZhengXinfang2ZhaoJingying1

(1.Province-Ministry Joint Key Laboratory of Electromagnetic Field and Electrical Apparatus Reliability Hebei University of Technology Tianjin 300130 China 2.Department of Mechanical and Electrical Engineering Handan College Handan 056005 China)

By using polyvinylidene fluoride (PVDF) piezoelectric film as the sensitive element under an trial product of CJ20-25 AC contactor，the dynamic contact pressure signal of the two contacts on the bridge of one main contact are measured under the principle of elastic wave.The contact vibration and swing in the moving process are then recorded with high speed camera.The contacts contact pressure signal then undergoes noise reduction using wavelet toolbox.The relationship between the contact bounce and the break-connection of the contact and the closing phase angle are studied respectively.The results indicate that the dynamic contact pressure signal can reveal the reason for the change of the contact bounce and the break-connection signal，and 60° closing phase angle will lead to the worst overall performance.

Contact pressure，contact bridge，contact bounce，PVDF，dangerous vibration

国家自然科学基金(50577015)，浙江省低压电气产业技术创新战略联盟分项目(2010LM104-07)，河北省高等学校创新团队领军人才培育计划(LJRC003)资助。

2014-12-19 改稿日期2015-01-31

TM315

李俊峰 男，1974年生，讲师，博士研究生，研究方向为电器现代设计与测试。

苏秀苹 女，1966年生，教授，博士生导师，研究方向为电器现代设计与测试。(通信作者)