鐵路信號燈用交流繼電器轉換時間提取方法

李建文，李 聰，李志偉，朱均超，張寶峰

(1.天津理工大學 電氣電子工程學院，天津 300384;2.天津市復雜系統控制理論及應用重點實驗室,天津 300384)

0 引言

在鐵路信號系統中，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，正常工作狀態下主燈絲工作，當主燈絲失效時由燈絲轉換繼電器自動切換到副燈絲，實現信號機的不間斷工作。因此，交流燈絲轉換繼電器的可靠性對鐵路色燈信號機的安全運行至關重要，而繼電器轉換時間是其重要的參數。

早期的繼電器轉換時間檢測設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，隨著科學技術的不斷發展進步，出現了許多基于計算機控制技術的繼電器檢測設備，也促使許多學者對繼電器的時間參數和動態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性能進行了分析和優化；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性能有較大參考意義；關欣等[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進行了準確計算；趙韓等[5]提出了交流繼電器觸點二次燃弧現象的改善方案；蔣麗麗等[6]設計了基于機器視覺的繼電器軛鐵高精度測量系統；王淑娟等[7]設計了繼電器壽命檢測系統，研究了觸點熔焊的原因；李志剛等[8]基于繼電器時間參數建立了壽命預測模型；劉建強等[9]提出了一種高速鐵路用繼電器的狀態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的變化來評價其性能，對斷電釋放過程中的動態特性研究較少，尤其對于交流燈絲轉換繼電器的動態釋放特性鮮有研究。交流燈絲轉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，這都會導致其不能正常工作或者可靠切換。雖然在出廠時會有相應檢測，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，進而引起轉換時間的超限。因此，轉換時間是反映交流燈絲轉換繼電器在實際工作中可靠性的重要參數。針對鐵路點燈單元所用交流燈絲轉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變化，通過采集線圈電流和觸點電壓數據，計算動觸點釋放過程中的時間參數，并結合高速相機分析觸點運動狀態，驗證本文參數計算方法的可行性與準確性。

1 測試方法

1.1 測試原理

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

根據交流燈絲轉換繼電器的轉換功能，當線圈通電時，動觸點與動合觸點吸合，當線圈斷電時，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，進而獲得繼電器的時間參數。圖1為本文研究的某型號交流燈絲轉換繼電器實物圖，本文重點研究交流燈絲轉換繼電器釋放過程中的動態特性，分析提取觸點轉換過程中表征觸點狀態的時間參數，結合圖2的線圈電流和觸點電壓的波形數據變化，本文研究的參數定義如下：

圖1 交流燈絲轉換繼電器

圖2 轉換過程

轉換時間：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，觸點不規則通斷現象所包括的時間。

1.2 測試系統

在實際工程應用中，繼電器供電由220 V交流電壓降為12 V實現，采集線圈電壓和觸點電流均不影響交流燈絲轉換繼電器的工作線路。同時，為了更好的分析交流燈絲轉換繼電器觸點的斷電轉換過程，本文采用高速相機拍攝觸點運動狀態，高速相機及電參數采集系統如圖3所示。具體流程為：通過測試控制器同時觸發交流固態繼電器和高速相機，通過固態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圖像；數據采集和處理系統將轉換過程中的線圈電流和觸點電壓數據實時發送到計算機，由計算機進行后續的數據分析和處理工作。

圖3 測試系統

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化為熱能，另一部轉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 時間參數分析方法

2.2.1 采集信號處理

交流燈絲轉換繼電器的工作電壓由變壓器提供，變壓器內部復雜的電磁環境會對電信號的采集產生很大影響，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，要對采集信號進行去噪處理，去除無關噪聲并保留表征電信號變化的有用突變點。

小波去噪方法經常被應用于采集交流電信號的噪聲去除。常用的小波基函數包括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，分解層數為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

傳統的直流繼電器線圈斷電時刻可以通過設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換繼電器的線圈電路，會對交流燈絲轉換繼電器的時間參數產生影響，圖6分別是交流燈絲轉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下線圈電流，用高斯牛頓法[11]求解參數最優解，將求得參數最優解代回擬合公式，然后將離散時間數據帶入擬合公式，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行差異比較，進而將斷電過程中線圈電流的無規律變化過程轉換成趨勢變化。線圈正常工作時，差值趨勢在0附近收斂，當線圈斷電后，差值趨勢會逐漸發散。因此通過設定固定閾值，對趨勢信號進行判斷，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

通過對交流燈絲轉換繼電器進行多次通斷實驗，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。當動觸點未與動斷觸點接觸時，觸點電壓為近似正弦波形，當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[12]。

根據觸點電壓變化特性，本文采用改進的交流幅值快速計算算法。由于傳統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行平滑處理和小波去噪處理，根據交流瞬時值變化求取交流峰值，通過對應時刻交流峰值變化判斷觸點狀態，具體計算步驟如下：

忽略噪聲干擾，建立觸點電壓理想數學模型。動觸點切換前動斷觸點電壓模型為:

uq=Uqsin(2πft+φ)

(1)

對式(1)進行求導得:

uq′=2πfUqcos(2πft+φ)

(2)

式(1)和(2)聯立得:

(3)

同時uq′也可以表示為:

(4)

當Δt取一個采樣周期時Ts，上式可以變換為:

(5)

因此某時刻對應交流電幅值計算公式可近似推導為:

(6)

算法仿真之后觸點電壓瞬時值與峰值的對應關系如圖8所示。圖8(a)為觸點電壓變化波形，圖8(b)為對應時刻峰值。求取觸點電壓瞬時值對應交流電壓峰值之后，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，隨后記錄連續小于門限值的時段，取每個時段第一個時刻記為狀態變化時刻，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。

根據圖8的峰值變化規律，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，觸點彈跳次數會增加到三次甚至更多。

圖8 觸點電壓與觸點狀態關系圖

3 驗證與結果分析

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

3.1 動態釋放過程驗證

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并分析接觸時間。高速相機采集采用外部觸發方式，線圈斷電的同時觸發高速相機開始拍攝，自動記錄觸點狀態與拍攝時間，便于確定某時刻觸點狀態。

通過對交流燈絲轉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為觸發后拍攝的動觸點與動合觸點的接觸狀態與分離狀態，并且從高速相機拍攝圖像序列中，發現動觸點與動合觸點分離過程中并不會出現觸點彈跳現象，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

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，分別對應圖8中t1～t4四個時刻。從圖10的動觸點運動狀態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象。圖11為動觸點與動斷觸點完全閉合的圖像，對應圖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，從而實現觸點間的可靠閉合。

圖10 動觸點與動斷觸點接觸狀態

圖11 動觸點與動斷觸點完全閉合狀態

本文研究的某型號交流燈絲轉換繼電器的動斷觸點和動合觸點的間隙距離為4 mm，通電狀態下動觸點與動斷觸點的間隙距離為1 mm，斷電狀態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，對應速度曲線負向增大，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，并且不會出現較大波動，證明動觸點和動斷觸點穩定閉合，完成轉換過程。

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據，可以明確釋放過程中動觸點的運動狀態，并且確定觸點間接觸狀態與分離狀態所對應的時刻，結合圖8波形和觸點彈跳時間計算方法，與高速相機觀測數據進行對比，得出表1的對比數據，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，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的時間參數是準確可行的。

表1 觸點彈跳時間對比表

3.2 轉換時間計算結果及誤差

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

表2 觸點轉換時間計算結果

4 結束語

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