幾種開關(guān)電器觸頭電壽命診斷方法分析

高偉新 周榮政 鄧向輝

【摘要】要想提高產(chǎn)品壽命，首先有科學(xué)、準(zhǔn)確的判定產(chǎn)品壽命依據(jù)和方法，本文介紹了目前常用開關(guān)電器觸頭電壽命的診斷方法，著重進(jìn)行對比分析比較，總結(jié)出各自的優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍。

【關(guān)鍵詞】開關(guān)電器；電壽命；電器觸點(diǎn)

開關(guān)電器廣泛應(yīng)用于電氣控制系統(tǒng)中，對系統(tǒng)起控制和保護(hù)的雙重作用。可靠地分合電路既是開關(guān)電器產(chǎn)品本身最重要的性能指標(biāo)，也是確保系統(tǒng)可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)。任何電器都是有壽命的，它取決于產(chǎn)品設(shè)計(jì)、加工工藝、材料、實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)、實(shí)驗(yàn)方法、合理使用等多種因素。對開關(guān)電器電壽命進(jìn)行檢測、診斷、預(yù)測具有重要的意義。本文介紹了目前常用開關(guān)電器觸頭電壽命的診斷方法，并對其原理和各自優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析比較。

1、模糊綜合診斷法

模糊綜合診斷法將模糊理論應(yīng)用于電器設(shè)備觸頭電壽命的在線監(jiān)測綜合評判，為電器設(shè)備在線實(shí)時(shí)監(jiān)測和智能化開辟一種新的途徑。模糊綜合評判的主要步驟是：

（1）評判對象因素集的建立：主要包括影響真空斷路器開斷電壽命的各種因素，如開斷電流、開斷次數(shù)、首開相在三相中的分布均勻度、燃弧時(shí)間以及觸頭材料等；

（2）隸屬函數(shù)的確定：由于因素的模糊性及其等級的模糊性，很難把某因素具體規(guī)定為某一等級，因此，因素等級集應(yīng)視為等級論域上的模糊子集。因素等級隸屬度的大小主要根據(jù)各因素對觸頭電壽命的作用程度來確定；

（3）建立評判集：建立評判結(jié)果好壞的標(biāo)準(zhǔn)；

（4）建立模糊綜合評判的數(shù)學(xué)模型：對屬于不同層次和類別的對象進(jìn)行綜合評判，為了便于區(qū)分各因素在總的評價(jià)過程中的地位和作用，較全面地吸收所有因素提供的信息，可以進(jìn)行多級評判，得出評判結(jié)果。

這是一種新穎的綜合的診斷方法。與單項(xiàng)指標(biāo)診斷方法相比，該方法更準(zhǔn)確、更科學(xué)和更完善。它的優(yōu)越性在于使被評判對象的各種相關(guān)聯(lián)或不相關(guān)聯(lián)的單參數(shù)性能指標(biāo)歸一化后成為可比和可量化的量，同時(shí)又可以從實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集中實(shí)現(xiàn)在線的評判。其不足在于因素集中影響因素很多，如何選取合適的因素集沒有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)；而且評判集的粗細(xì)劃分也要視具體情況而定；在多級評判模型中各級劃分因素權(quán)重集合的選取都是憑經(jīng)驗(yàn)得出的，準(zhǔn)確度不能得到保證。

2、基于超程時(shí)間和吸合時(shí)間雙變量壽命預(yù)測法

該方法目前已首先用于繼電器的壽命預(yù)測。電磁繼電器的超程是指繼電器從動觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)接觸瞬間起到銜鐵閉合為止，觸點(diǎn)移動或可能移動的距離；超程時(shí)間就是指繼電器觸點(diǎn)在超程階段移動所需的時(shí)間；吸合時(shí)間是指繼電器線圈加電到動觸頭第一次碰撞靜觸點(diǎn)所需的時(shí)間。超程時(shí)間和吸合時(shí)間均可以通過繼電器線圈電流和觸點(diǎn)電壓動態(tài)測試波形直觀地表示出來。

通過對4JRXM-3型繼電器動作800000次所獲得的超程時(shí)間和吸合時(shí)間數(shù)據(jù)分析，隨著動作次數(shù)的增加，超程時(shí)間逐漸縮短，吸合時(shí)間逐漸延長，且數(shù)據(jù)均具有一定的分散性。針對數(shù)據(jù)的特征，用時(shí)間序列方法建立繼電器雙變量壽命預(yù)測數(shù)學(xué)模型。繼電器的壽命預(yù)測是非平穩(wěn)時(shí)間序列預(yù)測問題，其數(shù)學(xué)模型包括趨勢項(xiàng)時(shí)間序列預(yù)測數(shù)學(xué)模型和平穩(wěn)項(xiàng)時(shí)間序列預(yù)測數(shù)學(xué)模型兩部分。

超程時(shí)間和吸合時(shí)間雙變量預(yù)測法打破了傳統(tǒng)的繼電器壽命試驗(yàn)方法，具有如下優(yōu)點(diǎn)：試驗(yàn)是非破壞性的，試驗(yàn)后的產(chǎn)品可能仍是成品，試驗(yàn)周期短。但是該方法也是在統(tǒng)計(jì)規(guī)律的基礎(chǔ)上得出的，不同的繼電器、不同的工作環(huán)境都可能引起預(yù)測模型的變化，而且由于沒有考慮燃弧時(shí)間、燃弧能量、觸點(diǎn)溫升、釋放時(shí)間等因素對繼電器壽命的影響，預(yù)測的相對誤差較大。

3、有效接觸距離法

有效接觸距離是指觸頭完全打開時(shí)動、靜觸點(diǎn)間的距離。觸頭的有效接觸距離是吸合時(shí)間和釋放時(shí)間的函數(shù)。吸合時(shí)間是指從線圈通電時(shí)刻起到常開觸頭第1次閉合的時(shí)間間隔。釋放時(shí)間是指從線圈斷電到常開觸頭第1次打開的時(shí)間間隔。通過測得每次操作過程中的吸合時(shí)間和釋放時(shí)間，計(jì)算出有效接觸距離，從而找出有效接觸距離隨操作次數(shù)的變化規(guī)律。隨著操作次數(shù)的增加，觸頭的有效接觸距離增加。當(dāng)實(shí)際測得的有效接觸距離大于觸頭的最大有效接觸距離時(shí)，說明觸頭失效，從而預(yù)測出觸頭的電壽命。

這種方法適用于各種類型的電器，但困難之處是需要事先了解吸合、釋放時(shí)間與接觸距離之間的函數(shù)關(guān)系，需要試驗(yàn)確定最大有效距離。

4、接觸電阻法

眾所周知，接觸電阻包括收縮電阻和薄膜電阻兩部分，電壽命試驗(yàn)過程中，因?yàn)榇嬖谝欢ǖ慕佑|壓力，一般情況下各種膜會破碎，降低了接觸電阻，所以接觸電阻主要表現(xiàn)為收縮電阻。另一方面，由于觸頭間的多次撞擊使觸頭材料的內(nèi)部晶格發(fā)生畸變，造成內(nèi)部電場不均勻，從而導(dǎo)致電子散射增加，增大了材料自身的電阻率。同時(shí)，在帯載操作時(shí)，接觸溫升增高，也可能形成新的表面膜，增大接觸電阻。收縮電阻的大小與觸頭的可靠性及電壽命的指標(biāo)有直接關(guān)系，收縮電阻越小，電器觸頭電壽命指標(biāo)越高。但是兩者之間的具體關(guān)系還有待進(jìn)一步研究。

5、信號特征提取法

采集感興趣的信號波形或圖像，用多分辨分析法和小波變換等數(shù)學(xué)手段對信號進(jìn)行預(yù)處理，提取信號特征，然后利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)、模式識別（包括指紋識別）等技術(shù)進(jìn)行分類，進(jìn)而對設(shè)備的狀態(tài)作出評估。目前該方法還在探討階段，電弧對電磁繼電器觸頭的反復(fù)燒蝕使得觸頭表面粗糙度發(fā)生變化，而觸頭表面狀態(tài)與觸頭簇射電弧波形有密切的內(nèi)在關(guān)系，通過提取簇射信號中電流導(dǎo)通時(shí)間、導(dǎo)通次數(shù)等參數(shù)判斷觸頭表面侵蝕狀態(tài)和已通斷操作次數(shù)，進(jìn)而預(yù)測電器觸頭材料剩余壽命。

電氣控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化、智能化要求對各種電器設(shè)備與元件進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測，開關(guān)電器電壽命的監(jiān)測預(yù)報(bào)是其中的重要方面之一。文章總結(jié)了幾種用于診斷電器觸頭電壽命的方法：模糊綜合診斷法是一種多指標(biāo)預(yù)測法，比單指標(biāo)預(yù)測法準(zhǔn)確度高，但是因?yàn)橛绊懸蛩剡^多而很難選取合適的因素集來進(jìn)行判斷；基于超程時(shí)間和吸合時(shí)間的雙變量壽命預(yù)測法主要研究對象是繼電器，該方法試驗(yàn)周期短而且試驗(yàn)是非破壞性的，但該方法仍是基于大量實(shí)驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)總結(jié)，成本較高；有效接觸距離法、接觸電阻法、信號特征提取法多難以實(shí)時(shí)反映觸頭剩余電壽命狀態(tài)，目前仍處于初期探討階段。若能通過提取電路通斷過程的信號特征進(jìn)而判斷觸頭的剩余壽命，無疑是一種簡單實(shí)用的新途徑。

參考文獻(xiàn)：

[1]關(guān)永剛，黃瑜瓏，錢家驪.真空斷路器電磨損監(jiān)測技術(shù)的改進(jìn)[J].高壓電器2007.（4）

[2]楊冬蓮.對電壽命試驗(yàn)方法的探討[J].低壓電器 1998.（3）

[3]狄美華，李震彪，吳細(xì)秀.開關(guān)電器觸頭電壽命診斷方法綜述[J].高壓電器 2004（3）

[4]郭鳳儀，王智勇，李穎等.不同保護(hù)電路對繼電器電壽命的影響及實(shí)驗(yàn)研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào) 2007（31）