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微型斷路器是低壓配電網(wǎng)中廣泛使用的一種開關(guān)電器，不僅能夠通斷正常工作回路，而且具備短路保護(hù)和過載保護(hù)的功能。微型斷路器的電壽命會(huì)隨開斷次數(shù)的增加而減少，繼續(xù)使用壽命劣化的微型斷路器易引發(fā)火災(zāi)事故，微型斷路器壽命評估與預(yù)測能夠有效避免因微型斷路器失效而引發(fā)的一系列事故。且隨著智能電網(wǎng)和數(shù)字電網(wǎng)戰(zhàn)略的提出，智能化已成為斷路器發(fā)展的重要方向，壽命評估與預(yù)測是其智能化的體現(xiàn)之一。

查閱近十年的研究文獻(xiàn)，關(guān)于開關(guān)電器壽命評估與預(yù)測的研究主要集中在繼電器和接觸器上。

有學(xué)者利用累積燃弧能量與觸頭損失質(zhì)量的關(guān)系對接觸器進(jìn)行了壽命預(yù)測。有學(xué)者利用累積允通能量和試驗(yàn)失效閾值對高壓直流繼電器進(jìn)行了電壽命預(yù)測。有學(xué)者利用累積觸頭磨損量和磨損閾值構(gòu)建了交流接觸器壽命預(yù)測模型。這種壽命評估與預(yù)測方法主要利用了選取的特征量隨觸頭開斷次數(shù)線性變化的特點(diǎn)，它簡單有效，但是對于不同的觸頭材料需要重新進(jìn)行電壽命試驗(yàn)來修正關(guān)系系數(shù)。

與上述方法類似的一種方法是利用各類開關(guān)電器的趨勢特征量構(gòu)建壽命評估與預(yù)測模型，如有學(xué)者利用超程時(shí)間構(gòu)建了繼電器壽命預(yù)測模型。對開關(guān)電器進(jìn)行電壽命試驗(yàn)，容易獲得每次分?jǐn)噙^程中的電弧電壓和電弧電流信號(hào)，因此一些專家和學(xué)者利用電弧電壓和電弧電流挖掘反映開關(guān)電器壽命劣化的特征量，并借助一些人工智能模型構(gòu)建開關(guān)電器壽命評估與預(yù)測模型，常用的人工智能模型有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、粗糙集理論、灰度理論模型、隱馬爾科夫模型和支持向量機(jī)等。

電弧燒蝕觸頭材料是導(dǎo)致開關(guān)電器電壽命劣化的主要原因，一些專家和學(xué)者也在研究電弧燒蝕觸頭材料的過程，期望通過構(gòu)建相關(guān)過程的數(shù)學(xué)模型實(shí)現(xiàn)開關(guān)電器的壽命評估與預(yù)測。有學(xué)者總結(jié)了前人對電弧燒蝕觸頭材料的研究工作，其中包括蒸發(fā)侵蝕、噴濺侵蝕等物理模型。但是電弧燒蝕觸頭材料是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過程，構(gòu)建一個(gè)電弧燒蝕觸頭材料的數(shù)學(xué)模型相對困難。

上述的電壽命評估與預(yù)測模型主要應(yīng)用在繼電器和接觸器上，和繼電器、接觸器的結(jié)構(gòu)不同，微型斷路器是通過轉(zhuǎn)動(dòng)手柄帶動(dòng)由觸頭支架、跳扣件、鎖扣件和動(dòng)觸頭組成的支架組件動(dòng)作，從而驅(qū)動(dòng)動(dòng)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(chǎn)生磁場吸引銜鐵帶動(dòng)動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)來完成動(dòng)、靜觸頭吸合的。

西北工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院的科研人員研究了微型斷路器分?jǐn)嘟涣髫?fù)載回路時(shí)的電弧運(yùn)動(dòng)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(jìn)行了電壽命試驗(yàn)，獲得了試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并利用高速攝像機(jī)觀察了觸頭間電弧的運(yùn)動(dòng)過程，總結(jié)了16A電流下燃弧過程的特點(diǎn)。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(shí)間之間的關(guān)系。最后結(jié)合這兩個(gè)關(guān)系構(gòu)建了電壽命評估模型，利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)測試了評估模型的準(zhǔn)確度。

圖1 微型斷路器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

他們通過研究工作，得到以下結(jié)論：

1）在動(dòng)觸頭回落時(shí)，電弧電壓會(huì)出現(xiàn)跌落的過程，提取電壓跌落時(shí)刻與起弧時(shí)刻之間的時(shí)間差，將其記為跌落時(shí)間。隨著微型斷路器開斷次數(shù)的增加，跌落時(shí)間整體呈增大的趨勢，其主要原因是觸頭材料的燒蝕導(dǎo)致動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)路程延長。

2）各試驗(yàn)樣品的觸頭燒蝕量隨累積燃弧能量和跌落時(shí)間呈線性增加趨勢，利用兩個(gè)關(guān)系式構(gòu)建的電壽命評估模型具有較高的準(zhǔn)確度。該模型能夠?qū)⑷菀自诰€測量的累積燃弧能量和跌落時(shí)間表示為難以在線測量的觸頭燒蝕量，從而實(shí)現(xiàn)微型斷路器電壽命評估與預(yù)測。

3）對同一型號(hào)的試品開展了不同電流等級的電壽命試驗(yàn)，利用本項(xiàng)目提出的電壽命評估方法構(gòu)建電壽命評估模型，通過對分別由跌落時(shí)間和累積燃弧能量計(jì)算得到的觸頭燒蝕量賦合理權(quán)重值，電壽命評估模型的準(zhǔn)確率在88%以上。此結(jié)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(yīng)用場景的要求。

本文編自2022年第4期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“微型斷路器電壽命評估”，作者為何志鵬、趙虎。