【技术干货】交流接触器最佳分断区域-北极星输配电网

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福州大学电气工程与自动化学院的研究人员郑昕、许志红，在2016年第7期《电工技术学报》上撰文，为抑制交流接触器分断过程的电弧，以触头电压为研究对象，在大量试验的基础上对不同分断时刻触头电压的变化趋势及电流过零后的熄弧情况进行了研究。

利用小波能量谱分析了不同电流、不同功率因数情况下交流接触器在电流过零前1ms内不同分断区域的电弧电压能量时谱，统计和分析了电弧电压第一次过零前后的变化趋势和特征。

对交流接触器最佳分断区域进行了探讨并提出以触头电压过零后300μs内的高尺度小波能量时谱最大值作为电弧重燃与否的判断依据。确定了电流过零前0.4~0.6ms和0.9~1ms两个最佳分断区域并提出了基于分断时刻tf及小波能量时谱幅值E4的交流接触器自适应分断控制策略。

交流接触器在分断过程会产生电弧，严重影响其可靠运行。作为控制电器，交流接触器通常不会采用配电电器那样强的灭弧措施，其分断大电流时对触头的烧损十分严重。

虽然采用半导体电力电子开关并联触头两端的混合式开关控制技术可以实现交流接触器的无弧分断，但其成本较高且存在无明显断口的隐患，适用于矿山等防爆要求高的场所。对于一般的用电场合，出于安全考虑，普遍希望电器开关具有明显的断口，多采用传统结构的交流接触器。

随着智能化控制技术的迅速发展，可以方便的实现交流接触器在起动、吸持、分断阶段的过程控制。因此研究交流接触器最佳分断区域及其控制技术对解决触头的电弧烧蚀并大幅提高接触器的电寿命具有实际意义。

近年来，在电弧动态特性方面的研究取得了很多成果，文献[1-3]从宏观的角度分别采用磁流体动力学理论、电弧链式模型和电磁逆问题求解方法对电弧进行三维仿真和重构，对电弧运动过程的等离子喷流及电弧形态等进行了描述。

文献[4]结合低压交流接触器自身特点，建立了交流接触器链式电弧模型，研究了电弧参数的径向分布规律，在假定电弧局部热力学平衡的情况下，利用Matlab求解电弧动态模型。电弧仿真模型在开关电器的设计阶段具有重要的指导意义，但是在实际运行过程中由于电弧动态特性的测量具有一定的局限性，难以实现实时检测和调整。

开关电器的电弧在操作过程中可直接观测到的是其电路特性，包括电弧电压、电弧电流、电弧能量、电弧温度和阻抗特性等。文献[5]研究了低压直流断路器电弧等离子体运动特性，建立了考虑紊流效应的三维电弧模型并对其进行了数字化分析。

文献[6]基于磁流体动力学建立了考虑栅片烧蚀金属蒸气的三维空气电弧模型，通过计算获得了电弧运动及切割过程的电弧电压，电弧温度及金属蒸气浓度的分布情况。

文献[7]和[8]分别通过流体力学计算软件和PSCAD软件对低压断路器触头分断后的电压恢复特性进行了建模和仿真，分析了电弧和瞬时恢复电压电场强度与温度分布的关系及瞬时恢复电压对断路器分断能力的影响。

文献[9]从材料的角度分析了不同触头材料的燃弧能量变化趋势，发现触头烧蚀越严重其燃弧能量的增幅越大。文献[10]研究了直流电磁接触器的电压和电流对燃弧时间和电弧能量的影响，表明在燃弧时间很短的情况下电压大小对燃弧时间的影响不大，同时燃弧能量随电压电流的增加而增大。

文献[11]对电弧放电过程进行了光谱分析并给出了弧柱区的能量计算方法。文献[12]对不同保护电路的继电器开断感性负载时的触点电弧侵蚀情况进行了试验研究，提出了通过计算电弧能量来预测电寿命的方法。

以上文献对电弧的电路特性进行了研究和分析，但是，并未与开关电器的通断控制相结合，无法实现在运行中对电弧侵蚀的抑制。文献[13-15]提出了零电流分断和分相控制的技术使交流接触器触头在电流过零时打开实现无弧或微弧分断。

由于交流接触器动作机构的不稳定性和电弧燃烧过程的复杂性[16]，要精确控制触头完全在电流过零点打开存在很大困难，实际的做法是在电流过零前某一时刻开断触头，由于接触器动作机构的分散性，零电流分断控制还存在一定的不可靠性。

文献[17]设计了一种闭环斩波起动的交流接触器智能控制模块，并对起动过程和分断过程中的线圈电压、电流进行仿真分析，但没有涉及对电弧特性参数的分析和控制。交流接触器智能分断控制的最终目的之一是抑制触头的电弧侵蚀，而分断过程的电弧燃烧情况可直接反映智能控制的效果。

延伸阅读：【干货】变电站的施工管理及其控制

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