- 頭條準確預測交流接觸器剩余壽命的方法2020-12-21 作者：李奎 高志成 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語省部共建電工裝備可靠性與智能化國家重點實驗室（河北工業大學）、河北省電磁場與電器可靠性重點實驗室（河北工業大學）的研究人員李奎、高志成、武一、鄭淑梅、李正廣，在2019年第19期《電工技術學報》上撰文指出（論文標題為“基于統計回歸和非線性Wiener過程的交流接觸器剩余壽命預測”），電弧侵蝕引起交流接觸器觸頭質量損耗，使其電接觸性能不斷退化，根據其性能退化過程可以對交流接觸器剩余壽命進行預測。 該文分析可線性化的非線性Wiener過程，采用統計回歸的建模方法，利用觸頭質量損耗歷史數據建立三階函數退化軌跡模型，進而建立時間尺度變換模型，對分段累積操作次數進行時間尺度變換；以累積觸頭質量損耗首次達到失效閾值作為失效判據，提出基于非線性Wiener過程的可靠性評估方法和剩余壽命預測模型。 在交流接觸器電壽命試驗基礎上，進行試驗數據變化規律分析，證明可以采用本文建立的退化模型和預測方法進行交流接觸器剩余壽命預測；最后，通過試驗數據進行交流接觸器剩余壽命的極大似然估計，并比較分析不同數據處理方法的預測精度，驗證了本文剩余壽命預測方法的準確性。
交流接觸器是一種廣泛應用于電力系統和控制系統中的低壓控制電器，其優點是可以遠距離頻繁接通和分斷交流主電路和大容量控制電路，其性能好壞直接影響到用電系統的可靠性和安全性。
機械壽命和電壽命是評價交流接觸器性能好壞的主要指標，隨著操作次數的增加，由電應力和機械應力引起的觸頭質量損耗不斷累積，使其性能不斷退化，最終引起交流接觸器失效。因此，交流接觸器的可靠性和剩余電壽命的準確預測，對提高用電控制系統的可靠性及用電設備的安全性有重要意義。
目前，國內外學者對開關電器的可靠性和剩余電壽命預測做了大量的研究。可靠性可以反映產品功能與性能持久能力，是衡量產品質量的一個重要指標。
- 翟國富等針對可靠性失效分析方法中存在的問題，提出了一種極大似然估計方法，提高了電器可靠性失效分析的計算精度和工作效率。
- 李玲玲等綜合考慮隨機性、模糊性和不完全可信性這三種不確定性，在云理論的基礎上提出了可靠性度量云模型，通過計算繼電器吸合過程的可靠性驗證了方法的實用性。
- 陸儉國等系統地研究了小型斷路器和塑殼斷路器的機械操作和保護動作可靠性指標鑒定方法，制訂了國家標準和中國標準化協會（CAS）標準。
- 在剩余電壽命的研究方面，吳自然等對交流接觸器分斷過程的電弧特性進行了研究，選取燃弧時間、燃弧電量、起弧相角和燃弧能量作為反映觸頭磨損的特征變量，并應用到條件密度估計模型中，實現了交流接觸器剩余電壽命預測。
- 李志剛等提出了繼電器初始接觸電阻與壽命的關系，得出初期接觸電阻連續出現較大值時，繼電器易發生早期失效的結論。
隨著傳感器技術和信號處理技術的發展，基于概率統計的壽命預測方法成為人們研究的熱點。概率統計的壽命預測方法是基于隨機過程、數理統計、貝葉斯理論等建立性能退化模型的過程。它的優勢在于可以給出預測結果的概率密度函數和可靠度函數。Wiener過程應用較為廣泛的概率統計模型，可以較好地描述非單調的性能退化過程。
- 劉君強等利用歷史性能退化數據對模型參數進行先驗分布估計，通過實時退化數據建立基于Wiener過程的航空發動機多階段性能退化模型，并給出了預測其剩余壽命的方法。
- Tang Shengjin等將遺傳算法和Wiener過程相結合，建立了基于非線性數據的壽命預測模型。
- 王小林等通過融合產品自身退化信息和先驗信息建立了兩階段Wiener性能退化模型，實現了對產品可靠性的實時評估。
針對非線性退化過程，除了上述建模方法外，還可以建立基于統計回歸和非線性Wiener過程的性能退化模型。
在電負荷應力下交流接觸器性能不斷退化，結果表現為觸頭質量不斷損耗，因此可以將交流接觸器觸頭系統的質量損耗作為其性能退化變量。交流接觸器觸頭質量損耗與燃弧能量密切相關，并受觸頭分斷時電流的起弧相角影響，由于起弧相角具有隨機特征，因此單次觸頭質量損耗具有隨機性。
在設計和生產工藝非常成熟的條件下，可以認為同批產品具有相同的失效閾值，產品的工作條件相同時，其性能退化服從同一分布，可以根據同批產品中已做試品的歷史退化信息對現場產品的性能退化過程進行建模預測。
本文從交流接觸器的性能退化機理出發，建立基于統計回歸和非線性Wiener過程的交流接觸器性能退化模型，并根據性能退化模型對時間尺度變換模型進行建模，建立三階函數時間尺度變換模型，對操作次數進行時間尺度變換。建立基于Wiener過程的交流接觸器可靠度模型和剩余壽命預測模型，實現交流接觸器剩余壽命的預測。
圖3 交流接觸器電壽命試驗裝置
結論
本文用累積觸頭質量損耗作為交流接觸器性能退化變量，采用統計回歸的方法，利用同批產品中已做試品完整歷史退化信息建立時間尺度變換模型，對現場產品進行時間尺度變換，建立了基于Wiener過程的交流接觸器剩余壽命預測模型，實現了交流接觸器剩余壽命預測。主要結論如下：
1）每隔固定次數對觸頭質量進行測量，由中心極限定理可知分段累積觸頭質量損耗服從正態分布，為建立基于Wiener過程的交流接觸器剩余壽命預測模型奠定了理論基礎。
2）采用統計回歸的建模方法，對交流接觸器累積觸頭質量損耗進行曲線擬合，選擇R2和MSE作為擬合優度的評價指標，建立了三階函數性能退化軌跡模型，分析表明三階函數最適合建立交流接觸器的性能退化軌跡模型。并根據同批產品中已做試品的完整歷史退化信息推導出時間尺度變換模型，對現場產品進行時間尺度變換。
3）建立了基于非線性Wiener過程的可靠度模型和剩余壽命預測模型，對交流接觸器進行剩余壽命預測。預測的剩余壽命平均相對誤差整體呈下降趨勢，且最后三個階段相對誤差均在10%以下，因此本文提出的方法可以用于交流接觸器剩余壽命預測。
4）本文根據剩余壽命的預測精度進行了兩種對比，分別為經時間尺度模型變換與未變換的對比，和時間尺度模型參數不同估計方法的對比。結果表明，利用同批已做試品完整歷史退化信息建立的三階函數時間尺度模型，對交流接觸器進行剩余壽命預測的結果更準確。
本文建立交流接觸器剩余壽命預測模型時，選取的是同批同型號的產品，且認為同批產品性能退化軌跡相似。但是對于型號相同、批次不同的產品之間，能否利用已做試品完整歷史退化信息進行壽命預測，還需進一步研究，并找到衡量不同批次產品差異的特征參數，進一步擴大剩余壽命預測模型的覆蓋范圍。
