- 頭條西北工業大學科研團隊發表微型斷路器電壽命評估的新方法2022-07-27 作者：何志鵬、趙虎 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語由電弧燒蝕觸頭材料而引起觸頭失效是導致微型斷路器電壽命劣化的主要原因，研究微型斷路器電壽命評估方法對提高用電網絡安全性和可靠性具有重要意義。西北工業大學自動化學院的科研人員何志鵬、趙虎，在2022年第4期《電工技術學報》上撰文，以額定電流16A的微型斷路器作為電壽命試驗對象，利用高速攝像機觀察觸頭間電弧的運動過程，從電弧電壓中提取反映斷路器電壽命退化過程的特征量，研究累積燃弧能量、跌落時間與觸頭燒蝕量之間的對應關系，并利用這兩個趨勢特征量構建微型斷路器電壽命評估模型。 研究結果表明，電壓跌落時間具有隨開斷次數增加而增大的趨勢。利用試驗數據對模型評估準確度進行測試，測試結果表明，該文提出的方法適用不同開斷電流的情形，可以用于微型斷路器電壽命的評估，評估誤差在可接受范圍內。
微型斷路器是低壓配電網中廣泛使用的一種開關電器，不僅能夠通斷正常工作回路，而且具備短路保護和過載保護的功能。微型斷路器的電壽命會隨開斷次數的增加而減少，繼續使用壽命劣化的微型斷路器易引發火災事故，微型斷路器壽命評估與預測能夠有效避免因微型斷路器失效而引發的一系列事故。且隨著智能電網和數字電網戰略的提出，智能化已成為斷路器發展的重要方向，壽命評估與預測是其智能化的體現之一。
查閱近十年的研究文獻，關于開關電器壽命評估與預測的研究主要集中在繼電器和接觸器上。
有學者利用累積燃弧能量與觸頭損失質量的關系對接觸器進行了壽命預測。有學者利用累積允通能量和試驗失效閾值對高壓直流繼電器進行了電壽命預測。有學者利用累積觸頭磨損量和磨損閾值構建了交流接觸器壽命預測模型。這種壽命評估與預測方法主要利用了選取的特征量隨觸頭開斷次數線性變化的特點，它簡單有效，但是對于不同的觸頭材料需要重新進行電壽命試驗來修正關系系數。
與上述方法類似的一種方法是利用各類開關電器的趨勢特征量構建壽命評估與預測模型，如有學者利用超程時間構建了繼電器壽命預測模型。對開關電器進行電壽命試驗，容易獲得每次分斷過程中的電弧電壓和電弧電流信號，因此一些專家和學者利用電弧電壓和電弧電流挖掘反映開關電器壽命劣化的特征量，并借助一些人工智能模型構建開關電器壽命評估與預測模型，常用的人工智能模型有神經網絡、粗糙集理論、灰度理論模型、隱馬爾科夫模型和支持向量機等。
電弧燒蝕觸頭材料是導致開關電器電壽命劣化的主要原因，一些專家和學者也在研究電弧燒蝕觸頭材料的過程，期望通過構建相關過程的數學模型實現開關電器的壽命評估與預測。有學者總結了前人對電弧燒蝕觸頭材料的研究工作，其中包括蒸發侵蝕、噴濺侵蝕等物理模型。但是電弧燒蝕觸頭材料是一個復雜的物理化學過程，構建一個電弧燒蝕觸頭材料的數學模型相對困難。
上述的電壽命評估與預測模型主要應用在繼電器和接觸器上，和繼電器、接觸器的結構不同，微型斷路器是通過轉動手柄帶動由觸頭支架、跳扣件、鎖扣件和動觸頭組成的支架組件動作，從而驅動動觸頭與靜觸頭接觸或斷開的。而繼電器、接觸器是通過其控制線圈產生磁場吸引銜鐵帶動動觸頭運動來完成動、靜觸頭吸合的。
西北工業大學自動化學院的科研人員研究了微型斷路器分斷交流負載回路時的電弧運動過程和微型斷路器的電壽命評估方法。首先對額定電流為16A的微型斷路器進行了電壽命試驗，獲得了試驗數據，并利用高速攝像機觀察了觸頭間電弧的運動過程，總結了16A電流下燃弧過程的特點。然后從電弧電壓和電弧電流中提取了反映微型斷路器電壽命退化過程的特征量，利用線性回歸的方法分別擬合了觸頭燒蝕量與累積燃弧能量和觸頭燒蝕量與跌落時間之間的關系。最后結合這兩個關系構建了電壽命評估模型，利用試驗數據測試了評估模型的準確度。
圖1 微型斷路器內部結構
他們通過研究工作，得到以下結論：
1）在動觸頭回落時，電弧電壓會出現跌落的過程，提取電壓跌落時刻與起弧時刻之間的時間差，將其記為跌落時間。隨著微型斷路器開斷次數的增加，跌落時間整體呈增大的趨勢，其主要原因是觸頭材料的燒蝕導致動觸頭運動路程延長。
2）各試驗樣品的觸頭燒蝕量隨累積燃弧能量和跌落時間呈線性增加趨勢，利用兩個關系式構建的電壽命評估模型具有較高的準確度。該模型能夠將容易在線測量的累積燃弧能量和跌落時間表示為難以在線測量的觸頭燒蝕量，從而實現微型斷路器電壽命評估與預測。
3）對同一型號的試品開展了不同電流等級的電壽命試驗，利用本項目提出的電壽命評估方法構建電壽命評估模型，通過對分別由跌落時間和累積燃弧能量計算得到的觸頭燒蝕量賦合理權重值，電壽命評估模型的準確率在88%以上。此結果說明，本次提出的微型斷路器電壽命評估方法具有較好的適用性，能夠滿足一般應用場景的要求。
本文編自2022年第4期《電工技術學報》，論文標題為“微型斷路器電壽命評估”，作者為何志鵬、趙虎。
