李建文，李 聰，李志偉，朱均超，張寶峰

(1.天津理工大學(xué) 電氣電子工程學(xué)院，天津 300384;2.天津市復(fù)雜系統(tǒng)控制理論及應(yīng)用重點實驗室,天津 300384)

0 引言

在鐵路信號系統(tǒng)中，為了提升色燈信號機的可靠性，色燈信號機的點燈單元通常采用具備主、副燈絲的燈泡，正常工作狀態(tài)下主燈絲工作，當(dāng)主燈絲失效時由燈絲轉(zhuǎn)換繼電器自動切換到副燈絲，實現(xiàn)信號機的不間斷工作。因此，交流燈絲轉(zhuǎn)換繼電器的可靠性對鐵路色燈信號機的安全運行至關(guān)重要，而繼電器轉(zhuǎn)換時間是其重要的參數(shù)。

早期的繼電器轉(zhuǎn)換時間檢測設(shè)備以電秒表和光線示波器為主，人工操作的方式使得檢測具有較大的局限性。近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，出現(xiàn)了許多基于計算機控制技術(shù)的繼電器檢測設(shè)備，也促使許多學(xué)者對繼電器的時間參數(shù)和動態(tài)特性問題展開了更精密的分析和研究。如喬延華等[1]基于ADAMS軟件對磁保持繼電器的動態(tài)性能進(jìn)行了分析和優(yōu)化；李文華等[2-3]研究了直流電磁繼電器的二次吸合和二次釋放特性，對改善繼電器的動態(tài)性能有較大參考意義；關(guān)欣等[4]用曲線擬合等方法對直流繼電器吸合與釋放階段時間參數(shù)進(jìn)行了準(zhǔn)確計算；趙韓等[5]提出了交流繼電器觸點二次燃弧現(xiàn)象的改善方案；蔣麗麗等[6]設(shè)計了基于機器視覺的繼電器軛鐵高精度測量系統(tǒng)；王淑娟等[7]設(shè)計了繼電器壽命檢測系統(tǒng)，研究了觸點熔焊的原因；李志剛等[8]基于繼電器時間參數(shù)建立了壽命預(yù)測模型；劉建強等[9]提出了一種高速鐵路用繼電器的狀態(tài)檢測和可靠性評估方法。

上述研究對繼電器可靠性檢測具有重要的意義，但目前對繼電器的動態(tài)特性的檢測主要集中于吸合特性，通過測量繼電器線圈受到激勵吸合過程中的一些特性參數(shù)的變化來評價其性能，對斷電釋放過程中的動態(tài)特性研究較少，尤其對于交流燈絲轉(zhuǎn)換繼電器的動態(tài)釋放特性鮮有研究。交流燈絲轉(zhuǎn)換繼電器的線圈故障主要包括工作值過大或者釋放值過小，這都會導(dǎo)致其不能正常工作或者可靠切換。雖然在出廠時會有相應(yīng)檢測，但是在實際工作過程中，因溫度、濕度和振動等因素的影響，會造成觸點表面的腐蝕或氧化，進(jìn)而引起轉(zhuǎn)換時間的超限。因此，轉(zhuǎn)換時間是反映交流燈絲轉(zhuǎn)換繼電器在實際工作中可靠性的重要參數(shù)。針對鐵路點燈單元所用交流燈絲轉(zhuǎn)換繼電器的工作特性，本文主要研究其斷電釋放過程中的性能參數(shù)變化，通過采集線圈電流和觸點電壓數(shù)據(jù)，計算動觸點釋放過程中的時間參數(shù)，并結(jié)合高速相機分析觸點運動狀態(tài)，驗證本文參數(shù)計算方法的可行性與準(zhǔn)確性。

1 測試方法

1.1 測試原理

根據(jù)GB/T6902-2010中的定義，交流燈絲轉(zhuǎn)換繼電器的觸點主要分為動觸點，動合觸點和動斷觸點，時間參數(shù)主要包括吸合時間和轉(zhuǎn)換時間。

根據(jù)交流燈絲轉(zhuǎn)換繼電器的轉(zhuǎn)換功能，當(dāng)線圈通電時，動觸點與動合觸點吸合，當(dāng)線圈斷電時，動觸點與動斷觸點吸合，因此通過檢測線圈電流和觸點電壓的變化，可以得知觸點和線圈的工作狀態(tài)，進(jìn)而獲得繼電器的時間參數(shù)。圖1為本文研究的某型號交流燈絲轉(zhuǎn)換繼電器實物圖，本文重點研究交流燈絲轉(zhuǎn)換繼電器釋放過程中的動態(tài)特性，分析提取觸點轉(zhuǎn)換過程中表征觸點狀態(tài)的時間參數(shù)，結(jié)合圖2的線圈電流和觸點電壓的波形數(shù)據(jù)變化，本文研究的參數(shù)定義如下：

圖1 交流燈絲轉(zhuǎn)換繼電器

圖2 轉(zhuǎn)換過程

轉(zhuǎn)換時間：向繼電器線圈通以額定值，從線圈斷電起，到動觸點與動斷觸點完全閉合所需的時間。其中轉(zhuǎn)換時間又包括緩放時間、間隙時間和觸點彈跳時間，其定義如下：

1)緩放時間：向繼電器線圈通以額定值，從線圈斷電起，至動合觸點斷開所需要的時間。

2)間隙時間：動觸點與動合觸點完全斷開到動觸點與動斷觸點開始閉合所需要的時間。

3)觸點彈跳時間：繼電器動觸點與動斷觸點閉合時，觸點不規(guī)則通斷現(xiàn)象所包括的時間。

1.2 測試系統(tǒng)

在實際工程應(yīng)用中，繼電器供電由220 V交流電壓降為12 V實現(xiàn)，采集線圈電壓和觸點電流均不影響交流燈絲轉(zhuǎn)換繼電器的工作線路。同時，為了更好的分析交流燈絲轉(zhuǎn)換繼電器觸點的斷電轉(zhuǎn)換過程，本文采用高速相機拍攝觸點運動狀態(tài)，高速相機及電參數(shù)采集系統(tǒng)如圖3所示。具體流程為：通過測試控制器同時觸發(fā)交流固態(tài)繼電器和高速相機，通過固態(tài)繼電器的通斷來模擬線圈故障，高速相機拍攝觸點運動狀態(tài)圖像；數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)將轉(zhuǎn)換過程中的線圈電流和觸點電壓數(shù)據(jù)實時發(fā)送到計算機，由計算機進(jìn)行后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和處理工作。

圖3 測試系統(tǒng)

2 觸點釋放過程分析

2.1 釋放機理分析

線圈斷電之后，線圈電流逐漸減小，但線圈與鐵芯及氣隙產(chǎn)生的電磁力依然大于彈簧彈力和觸點壓力的合力，此時銜鐵并未運動，直到線圈電流減小到產(chǎn)生的電磁力小于合力，此時銜鐵開始運動，并帶動觸點在動合觸點表面滑動，直至超程結(jié)束，動觸點與動合觸點分離，此過程線圈電流變化如圖4所示。

圖4 線圈電流放大圖

動觸點與動合觸點分離后，銜鐵繼續(xù)在彈簧彈力作用下使動觸點向動斷觸點方向移動，直到動觸點與動斷觸點接觸。

動觸點與動斷觸點接觸后并不會立刻停止運動，動觸點在彈簧彈力和觸點間作用力的合力作用下向動合觸點方向移動，由于能量損失，動觸點并不會和動合觸點再次接觸[10]，直到動觸點的動能一部分轉(zhuǎn)化為熱能，另一部轉(zhuǎn)化為彈簧的彈性勢能，動觸點才會停止運動，和動斷觸點完全閉合。

2.2 時間參數(shù)分析方法

2.2.1 采集信號處理

交流燈絲轉(zhuǎn)換繼電器的工作電壓由變壓器提供，變壓器內(nèi)部復(fù)雜的電磁環(huán)境會對電信號的采集產(chǎn)生很大影響，通常采集的交流電信號會存在大量噪聲，噪聲幅度過大會影響對電信號突變點的判斷，因此為了更好的觀察交流燈絲轉(zhuǎn)換繼電器切換過程中電信號的變化，分析其特征，要對采集信號進(jìn)行去噪處理，去除無關(guān)噪聲并保留表征電信號變化的有用突變點。

小波去噪方法經(jīng)常被應(yīng)用于采集交流電信號的噪聲去除。常用的小波基函數(shù)包括db系列小波和sym系列小波，通過對兩個小波系列的多次實驗對比，選取去噪效果較好的sym8小波作為小波分解的基函數(shù)，分解層數(shù)為5層，閾值選用可以更好的保留信號突變特征的硬閾值。將原始電信號經(jīng)過小波去噪之后，用Matlab計算的信號的幅頻特性如圖5所示，從圖5可以看出，小波去噪后交流電信號的頻率在50 Hz左右微小波動，說明采用小波去噪的方法較好的去除了無關(guān)噪聲，保留了有用信息。

圖5 去噪后頻譜圖

2.2.2 線圈斷電過程分析

傳統(tǒng)的直流繼電器線圈斷電時刻可以通過設(shè)定閾值的方法來查找，但是對于交流繼電器來說，因為其工作環(huán)境為交流線路，在線圈通斷的過程中，查找斷電時刻要考慮交流相位的影響，邊沿閾值要根據(jù)斷電時刻相位不同而不斷變化，因此適用于直流電磁繼電器的直接閾值法和差值法不能用于交流繼電器斷電時刻的判斷。線圈斷電時刻根據(jù)相位不同可以分為4種情況，在不同的交流相位斷開交流燈絲轉(zhuǎn)換繼電器的線圈電路，會對交流燈絲轉(zhuǎn)換繼電器的時間參數(shù)產(chǎn)生影響，圖6分別是交流燈絲轉(zhuǎn)換繼電器線圈斷電的4種情形。

圖6 斷電過程線圈電流

對于斷電時刻的求取，主要采用最小二乘法擬合正常狀態(tài)下線圈電流，用高斯牛頓法[11]求解參數(shù)最優(yōu)解，將求得參數(shù)最優(yōu)解代回擬合公式，然后將離散時間數(shù)據(jù)帶入擬合公式，得到線圈電流的擬合計算值，最后將相同初始時刻的實測電流值和擬合電流值進(jìn)行差異比較，進(jìn)而將斷電過程中線圈電流的無規(guī)律變化過程轉(zhuǎn)換成趨勢變化。線圈正常工作時，差值趨勢在0附近收斂，當(dāng)線圈斷電后，差值趨勢會逐漸發(fā)散。因此通過設(shè)定固定閾值，對趨勢信號進(jìn)行判斷，將大于固定閾值的第一個點作為斷電時刻。具體計算流程如圖7所示。

圖7 斷電時刻計算過程

2.2.3 觸點彈跳過程分析

通過對交流燈絲轉(zhuǎn)換繼電器進(jìn)行多次通斷實驗，分析動觸點與動斷觸點之間的電壓變化，判斷觸點的接觸狀態(tài)。當(dāng)動觸點未與動斷觸點接觸時，觸點電壓為近似正弦波形，當(dāng)動觸點與動斷觸點閉合時，由于觸點的接觸電阻較小，因此觸點電壓趨近于0，所以根據(jù)觸點電壓的波形，可以初步判定動觸點和動斷觸點的接觸狀態(tài)[12]。

根據(jù)觸點電壓變化特性，本文采用改進(jìn)的交流幅值快速計算算法。由于傳統(tǒng)交流峰值計算算法對噪聲敏感，因此首先對采集電壓信號進(jìn)行平滑處理和小波去噪處理，根據(jù)交流瞬時值變化求取交流峰值，通過對應(yīng)時刻交流峰值變化判斷觸點狀態(tài)，具體計算步驟如下：

忽略噪聲干擾，建立觸點電壓理想數(shù)學(xué)模型。動觸點切換前動斷觸點電壓模型為:

uq=Uqsin(2πft+φ)

(1)

對式(1)進(jìn)行求導(dǎo)得:

uq′=2πfUqcos(2πft+φ)

(2)

式(1)和(2)聯(lián)立得:

(3)

同時uq′也可以表示為:

(4)

當(dāng)Δt取一個采樣周期時Ts，上式可以變換為:

(5)

因此某時刻對應(yīng)交流電幅值計算公式可近似推導(dǎo)為:

(6)

算法仿真之后觸點電壓瞬時值與峰值的對應(yīng)關(guān)系如圖8所示。圖8(a)為觸點電壓變化波形，圖8(b)為對應(yīng)時刻峰值。求取觸點電壓瞬時值對應(yīng)交流電壓峰值之后，因觸點閉合前后觸點電壓差值較大，所以通過設(shè)定斷開的門限值，以第一次小于門限值的時刻為起點，隨后記錄連續(xù)小于門限值的時段，取每個時段第一個時刻記為狀態(tài)變化時刻，直到不再有電壓值大于門限值，則第一個時段和最后一個時段的第一個時刻的差值即為觸點彈跳時間。

根據(jù)圖8的峰值變化規(guī)律，可以初步判定圖中t1代表動觸點與動斷觸點第一次接觸時刻，t2代表動觸點與動斷觸點第一次分離時刻,t3代表動觸點與動斷觸點第二次接觸時刻,t4代表動觸點與動斷觸點第二次分離時刻,t5代表動觸點與動斷觸點第三次閉合時刻，即動觸點與動斷觸點完全閉合時刻。正常情況下一次或兩次彈跳之后動觸點與動斷觸點完全閉合，但是隨著繼電器觸點的磨損和污染，繼電器達(dá)到一定使用壽命時，由于動觸點與動斷觸點間的接觸摩擦力變小，觸點彈跳次數(shù)會增加到三次甚至更多。

圖8 觸點電壓與觸點狀態(tài)關(guān)系圖

3 驗證與結(jié)果分析

為了驗證觸點彈跳時間判定方法的準(zhǔn)確性，同時選取6只同型號交流燈絲轉(zhuǎn)換繼電器，采集線圈電流和觸點電壓數(shù)據(jù)，計算緩放時間、間隙時間和觸點彈跳時間，結(jié)合高速相機拍攝其中一組的觸點運動狀態(tài)。

3.1 動態(tài)釋放過程驗證

采用高速相機拍攝動觸點與動斷觸點和動合觸點的接觸狀態(tài)并分析接觸時間。高速相機采集采用外部觸發(fā)方式，線圈斷電的同時觸發(fā)高速相機開始拍攝，自動記錄觸點狀態(tài)與拍攝時間，便于確定某時刻觸點狀態(tài)。

通過對交流燈絲轉(zhuǎn)換繼電器斷電釋放機理的分析，可以得知線圈斷電之后動觸點并不會立即釋放。圖9為觸發(fā)后拍攝的動觸點與動合觸點的接觸狀態(tài)與分離狀態(tài)，并且從高速相機拍攝圖像序列中，發(fā)現(xiàn)動觸點與動合觸點分離過程中并不會出現(xiàn)觸點彈跳現(xiàn)象，即動觸點與動合觸點分離后并不會二次接觸。

圖9 動觸點與動合觸點接觸狀態(tài)

同樣的，動觸點與動斷觸點第一次接觸之后，并不會立即停止運動而穩(wěn)定閉合，圖10為動觸點第一次與動斷觸點接觸到動觸點最后一次與動斷觸點分離的過程，分別對應(yīng)圖8中t1～t4四個時刻。從圖10的動觸點運動狀態(tài)變化圖片序列中可以清晰地觀察到動觸點與動斷觸點閉合過程中的觸點彈跳現(xiàn)象。圖11為動觸點與動斷觸點完全閉合的圖像，對應(yīng)圖8中的t5時刻，此后動觸點在動斷觸點表面滑動，但觸點間并不會再次分離，從而實現(xiàn)觸點間的可靠閉合。

圖10 動觸點與動斷觸點接觸狀態(tài)

圖11 動觸點與動斷觸點完全閉合狀態(tài)

本文研究的某型號交流燈絲轉(zhuǎn)換繼電器的動斷觸點和動合觸點的間隙距離為4 mm，通電狀態(tài)下動觸點與動斷觸點的間隙距離為1 mm，斷電狀態(tài)下動觸點與動合觸點的間隙距離為1 mm。

利用邊緣檢測算法，對高速相機拍攝的觸點圖像序列進(jìn)行處理，提取動觸點的運動位移及速度曲線，如圖12所示。初始時刻動觸點與動合觸點閉合，位移和速度近似為0，位移曲線上升階段和速度曲線大于0的階段均表示動觸點向動斷觸點方向移動。線圈斷電之后，經(jīng)過緩放時間，動觸點與動合觸點開始分離，位移曲線開始上升，直到位移趨于穩(wěn)定，速度曲線先增大后減小,知道速度曲線趨近于0，即時刻t1’,表明動觸點和動斷觸點接觸；動觸點和動斷觸點短暫接觸之后，動觸點向動合觸點方向運動，對應(yīng)速度曲線負(fù)向增大，位移曲線開始下降，即時刻t2’,之后速度曲線再次反向減小到0，位移曲線達(dá)到反向最大值，但位移最大值小于1 mm。這一過程稱為一次觸點彈跳過程。t3’和t4’分別對應(yīng)動觸點與動斷觸點的下一次接觸與分離時刻。在t5’之后，速度和位移曲線都趨于0，并且不會出現(xiàn)較大波動，證明動觸點和動斷觸點穩(wěn)定閉合，完成轉(zhuǎn)換過程。

圖12 動觸點位移及速度曲線

通過分析高速相機記錄的觸點圖像序列及觸點位移和速度曲線數(shù)據(jù)，可以明確釋放過程中動觸點的運動狀態(tài)，并且確定觸點間接觸狀態(tài)與分離狀態(tài)所對應(yīng)的時刻，結(jié)合圖8波形和觸點彈跳時間計算方法，與高速相機觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，得出表1的對比數(shù)據(jù)，分別是動觸點和動合觸點及動斷觸點接觸和分離的時刻，兩種測量方法的對比誤差在2%以內(nèi)，說明通過繼電器線圈電流和觸點電壓來確定反映其運動狀態(tài)的時間參數(shù)是準(zhǔn)確可行的。

表1 觸點彈跳時間對比表

3.2 轉(zhuǎn)換時間計算結(jié)果及誤差

依照圖3所示測試系統(tǒng)，對同型號的6只繼電器同時進(jìn)行切換實驗，其中1～3號交流燈絲轉(zhuǎn)換繼電器未投入使用，4～6號為投入使用后替換下的交流燈絲轉(zhuǎn)換繼電器(未達(dá)到使用壽命)。分別對其緩放時間、間隙時間、觸點彈跳時間和轉(zhuǎn)換時間進(jìn)行計算，并與示波器測量的轉(zhuǎn)換時間進(jìn)行對比，誤差比較如表2所示，本文方法測得轉(zhuǎn)換時間與示波器測量值相比，誤差在1%以內(nèi)。說明本文提出時間參數(shù)測量方法不受繼電器使用次數(shù)的影響，可實現(xiàn)對不同剩余壽命的交流燈絲轉(zhuǎn)換繼電器的時間參數(shù)進(jìn)行檢測，并且具有較好的準(zhǔn)確性。

表2 觸點轉(zhuǎn)換時間計算結(jié)果

4 結(jié)束語

交流燈絲轉(zhuǎn)換繼電器的轉(zhuǎn)換時間是其可靠性判別的重要參數(shù)。本文通過搭建交流燈絲轉(zhuǎn)換繼電器參數(shù)測試系統(tǒng)進(jìn)行了觸點轉(zhuǎn)換實驗，并通過對其動態(tài)特性的分析，提出了基于最小二乘法和改進(jìn)的交流峰值快速計算算法的轉(zhuǎn)換時間提取方法，最后通過多組實驗驗證了方法的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，在實際應(yīng)用中具有較好的指導(dǎo)意義，對于其他種類繼電器的時間參數(shù)檢測也有較高的參考價值。