影响继电器直流电弧的参数分析
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【摘 要】电气参数和机械参数是影响继电器直流电弧开断性能的关键因素。改变电源电压、负载条件、继电器分闸弹簧数量以及触头对数，测量继电器开断过程中直流电弧的电压电流波形，利用双目立体视觉技术，开展开关电弧燃弧过程的可视化研究，可以总结出电弧燃弧时间和能量的一般性规律。
【关键词】直流电弧； 燃弧时间；电弧特性；特性参数；图像处理
一、对影响继电器直流电弧相关参数进行分析的意义
低压开关电器在开关负载电路时，电器触头间产生开关电弧，而电器的触头是完成切换功能的关键部件，是决定低压电器电寿命的主要因素。除触头设计要素起着重要的作用外，低压电器中电弧运动过程对分析电器的分断能力、电寿命以及电器是否发生故障起着相当重要的作用。要提高低压电器产品的可靠性，就必须研究各种参数因素对电弧运动过程的影响，以及从燃弧到灭弧整个过程的动态参数变化。
随着科技进步和市场对产品性能的升级追求，对继电器的功率等级的要求越来越高。电气参数和机械参数是影响继电器直流电弧开断性能的关键因素，鉴于目前高压直流大功率接触器方兴未艾，有必要深入研究该类接触器的可靠性和使用寿命。触头在分断时会产生电弧，电弧通过高温作用烧蚀触头，造成材料损失和接触失效等问题，这是决定电器寿命和分断能力的主要因素。所以电弧燃弧特性方面着手，通过研究电弧燃弧对触头的影响，对影响继电器直流电弧进行参数分析，寻求理想的灭弧环境参数，势在必行。
二、研究研究实现思路
首先需要对电弧实验系统进行总体结构设计。这就需要结合国内外研究现状，研制参数可调的桥式触头接触器半实物模型以模拟接触器的实际工作过程，为理论研究提供实验平台。进而，利用该模型的各项技术指标进行了精确测量，获得静态特性和动态特性；其次，需要通过设计硬件系统和软件系统，制作出实验电控系统。硬件系统至少要包括测试主回路、系统触发驱动控制单元、线圈驱动单元、信号调理单元以及同步信号采集及分析单元，下位机软件系统包括主控单元程序、数据采集单元程序以及时间参数计算程序，上位机软件包括分合控制模块、数据采集及处理模块、电弧图像处理模块，此外，还需要进行相关软件界面的设计、调试。由于影响电弧燃烧的因素较多，应用正交实验方法进行电弧实验方案设计，安排代表性强的电弧实验，减少实验次数，提高了实验的效率；针对电弧图像数据，设计了图像预处理算法，滤除噪声影响因素，突出电弧特征参数；引入图像目标亚像素定位技术，将数据处理精度进一步提高5～10倍。最后，对高压直流大功率桥式触头分断电弧进行了系统的实验研究。对较低功率等级的直流电弧开展了预先研究工作，分别选取百功率（300W）和千功率（2.5kW）两种等级的直流电弧进行实验；对触头分断速度、触头接触面积、横吹磁场强度、介质气体环境、介质环境压强以及真空环境等方面对电弧燃弧的影响进行了深入系统的研究；对五种常见的电弧燃弧异常情况进行分析；基于上述实验，总结得到电弧熄弧的相对理想环境，为电器设计人员提供了大功率继电器和接触器接触系统的设计依据。
由于开关电弧燃弧时间极短，不适合直接观察分析。因此利用双目立体视觉技术，开展开关电弧燃弧过程的可视化研究，对深入理解燃弧机理、分析电弧特性，为改进触头材料、改善电器结构设计、提高电器性能和提高产品可靠性提供支持具有重要应用价值。
双目立体视觉主要研究运用两个摄像机对同一景物从不同位置拍摄成像，并根据几何原理实现如何三维场景的恢复。
随着计算机技术的快速发展，双目立体视觉成为了计算机视觉领域的一个研究热点并被广泛的应用于智能机器人、生产自动化、医学等很多领域。
在已有的开关电弧可视化的基础上，可以考虑基于双 CCD 电弧动态过程的图像采集。研究利用电弧动态过程的三维可视化技术，需要注意一下步骤：首先，双目立体视觉电弧图像采集系统硬件建立和软件设计；其次，高速双 CCD 器件采集的电弧图像处理，主要是对电弧图像的噪声消除和图像增强。其中，在进行图像降噪处理时，可以考虑运用新型层次映射算法，有效提升信噪比。第三，基于支持向量机高斯核 SVM 的电弧图像边缘检测方法，采用径向基 RBF 核函数，引入拉格郎日Lagrange 函数分类，构造了新的边缘检测模型；最后，为进一步提高图像匹配精度，对一种全局最优的基于遗传算法的立体匹配进行改进，提出自适应遗传退火立体匹配算法（GASA），从而获得清晰准确的电弧轮廓，取得了更为优化的匹配效果。立体匹配后，进而对物体进行三维重建，最后用 OpenGL 可视化输出。利用该电弧图像采集系统，拍摄立体电弧运动过程，根据所得参数值，对深入研究电弧的运动机理提出了新的分析方法和手段。
三、结语
综上，电源电压升高极大地提高了电弧燃弧时间和能量；电源电压一定，电弧的燃弧时间和能量随电流的上升而增长；电压等级较低时，继电器分断初速度对燃弧时间和电弧能量的影响不大，电压等级较高时，速度对燃弧时间和电弧能量影响较显著；双组触点分断负荷相对于单组触点工况大大减少了电弧的燃弧时间和电弧能量，有利于减轻电弧对触头侵蚀。
利用电弧图像测试系统来研究低压电器中电弧的运动过程，扑捉到一些电弧运动过程中的细微参数变化，由此，不仅可以解释一些现象，更重要的是根据这些研究可以改进电器产品的结构设计，以提高电器产品的性能。
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