- 頭條預測接觸器壽命的新方法2021-03-23 作者：付饒 梁慧敏 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語針對開關電器壽命預測方法存在的試驗周期長、推廣性差、試驗裝置復雜、數據噪聲大等問題，哈爾濱工業大學電氣工程及自動化學院、桂林航天電子有限公司的研究人員付饒、梁慧敏、葉雪榮、由佳欣、韋震，在2020年第1期《電工技術學報》上撰文，以壽命試驗數據為基礎，直接分析接觸器觸點超程，模擬研究退化趨勢，設定超程安全閾值，利用人工智能方法識別其退化狀態，可為壽命預測奠定基礎，從而實現對開關電器的健康管理。
接觸器是低壓電器中重要的開關器件，承擔著主從回路切換、設備控制等功能。接觸器的壽命是廠家和用戶關心的關鍵指標，通常認為壽命越高，其工作可靠性越高。接觸器在切換至開通狀態時，電氣系統存在的容性負載為了維持電壓平衡，導致觸點通過的電流浪涌導致接觸電阻增大；在切換至關斷狀態時，電氣系統存在的感性負載為了維持電流續流，觸點產生電弧，對觸點表面燒蝕。因此，接觸器的開通關斷次數可作為表征壽命的參數。
圖1 接觸器典型結構示意圖
通常，學者在分析開關電器的可靠性時，主要關注觸點表面形貌、電弧侵蝕及觸點接觸電阻，并以此為特征量進行壽命預測研究。
- W. Rieder認為繼電器觸點每次的開通、關斷，均會改變接觸電阻的數值。
- 鄭淑梅等將電弧電流作為交流接觸器觸頭系統侵蝕的參數，建立了基于起弧相角的觸點磨損數學模型。
- 李奎等以累積燃弧能量作為反映交流接觸器電壽命的關鍵因素，建立了剩余電壽命預測的神經網絡模型。
- 崔行磊、陳默等用燃弧電量反映觸頭燒蝕量，以此建立接觸器壽命模型。與此同時，從觸點著手的研究方法，存在隨機因素大、試驗裝置復雜的問題。
電弧侵蝕觸點，觸點厚度相應減小，導致觸點超程減小。但觸點超程無法在開關電器工作時進行測量，只能將超程時間作為超程的表征參數，開展壽命預測研究。
- 翟國富等分別以超程時間、吸合時間為主變量對繼電器壽命進行預測，預測結果表明以超程時間為主變量優于以吸合時間為主變量的壽命預測方法。
- 李志剛、李華均等基于超程時間，提出開關電器產品的壽命預測方法。同樣，以超程時間為特征的壽命預測方法，存在試驗周期長、可推廣性差、數據噪聲大的問題。
針對這些問題，哈爾濱工業大學電氣工程及自動化學院、桂林航天電子有限公司的研究人員，提出了解決方案。
首先在壽命試驗數據基礎上，分析觸點超程與壽命之間的關系，確定觸點超程的退化機理及退化范圍；然后基于虛擬樣機仿真模擬觸點超程退化過程，分析觸點超程退化特征，提取退化特征值；基于實際產品壽命試驗觸點超程的退化數據，提出利用支持向量機對觸點超程退化等級進行分類的方法，完成對觸點超程退化狀態的診斷；最后通過實例驗證診斷方法的可行性，診斷結果表明該方法具有較高的準確率，可大大縮短接觸器壽命預測所需要的時間。
圖5 虛擬樣機模型
圖15 觸點超程退化狀態診斷流程
研究人員最后得出結論如下：
- 1）通過對接觸器壽命試驗數據分析得到，接觸器粘接失效的主要原因是觸點超程減小，導致彈簧提供的反力減小，直至反力小于觸點熔焊力，觸點發生粘接失效。
- 2）研究了總行程減小量與觸點磨損厚度對超程時間的影響。通過實物模擬超程減小獲取退化狀態數據，縮短了研究所需的時間，降低了經濟成本，提高了工作效率。
- 3）針對超程在線狀態下無法測量獲取的問題，提出了以支持向量機為基礎的方法，用以診斷觸點超程的退化狀態。超程不僅通過影響觸點接觸壓力進而影響接觸電阻，而且可作為壽命狀態的表征參數，該方法的提出為產品出廠檢驗、壽命狀態檢測提供了新的思路。
同時，在批量開關電器中，觸點超程存在離散性，該方法僅可應用于一致性較高的情況下。為了解決此問題，可從特征提取、診斷算法著手，提高分類模型的泛化能力，使其能夠覆蓋離散性引入的波動。
以上研究成果已發表在2020年第1期《電工技術學報》，論文標題為“接觸器觸點超程分析及其退化狀態的診斷”，作者為付饒、梁慧敏、葉雪榮、由佳欣、韋震。
