幾種開關電器觸頭電壽命診斷方法分析

高偉新 周榮政 鄧向輝

【摘要】要想提高產品壽命，首先有科學、準確的判定產品壽命依據和方法，本文介紹了目前常用開關電器觸頭電壽命的診斷方法，著重進行對比分析比較，總結出各自的優缺點及適用范圍。

【關鍵詞】開關電器；電壽命；電器觸點

開關電器廣泛應用于電氣控制系統中，對系統起控制和保護的雙重作用。可靠地分合電路既是開關電器產品本身最重要的性能指標，也是確保系統可靠運行的基礎。任何電器都是有壽命的，它取決于產品設計、加工工藝、材料、實施標準、實驗方法、合理使用等多種因素。對開關電器電壽命進行檢測、診斷、預測具有重要的意義。本文介紹了目前常用開關電器觸頭電壽命的診斷方法，并對其原理和各自優缺點進行了分析比較。

1、模糊綜合診斷法

模糊綜合診斷法將模糊理論應用于電器設備觸頭電壽命的在線監測綜合評判，為電器設備在線實時監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、首開相在三相中的分布均勻度、燃弧時間以及觸頭材料等；

（2）隸屬函數的確定：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定為某一等級，因此，因素等級集應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：建立評判結果好壞的標準；

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

這是一種新穎的綜合的診斷方法。與單項指標診斷方法相比，該方法更準確、更科學和更完善。它的優越性在于使被評判對象的各種相關聯或不相關聯的單參數性能指標歸一化后成為可比和可量化的量，同時又可以從實時數據采集中實現在線的評判。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標準；而且評判集的粗細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重集合的選取都是憑經驗得出的，準確度不能得到保證。

2、基于超程時間和吸合時間雙變量壽命預測法

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

通過對4JRXM-3型繼電器動作800000次所獲得的超程時間和吸合時間數據分析，隨著動作次數的增加，超程時間逐漸縮短，吸合時間逐漸延長，且數據均具有一定的分散性。針對數據的特征，用時間序列方法建立繼電器雙變量壽命預測數學模型。繼電器的壽命預測是非平穩時間序列預測問題，其數學模型包括趨勢項時間序列預測數學模型和平穩項時間序列預測數學模型兩部分。

超程時間和吸合時間雙變量預測法打破了傳統的繼電器壽命試驗方法，具有如下優點：試驗是非破壞性的，試驗后的產品可能仍是成品，試驗周期短。但是該方法也是在統計規律的基礎上得出的，不同的繼電器、不同的工作環境都可能引起預測模型的變化，而且由于沒有考慮燃弧時間、燃弧能量、觸點溫升、釋放時間等因素對繼電器壽命的影響，預測的相對誤差較大。

3、有效接觸距離法

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

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、釋放時間與接觸距離之間的函數關系，需要試驗確定最大有效距離。

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，電壽命試驗過程中，因為存在一定的接觸壓力，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部晶格發生畸變，造成內部電場不均勻，從而導致電子散射增加，增大了材料自身的電阻率。同時，在帯載操作時，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有直接關系，收縮電阻越小，電器觸頭電壽命指標越高。但是兩者之間的具體關系還有待進一步研究。

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學手段對信號進行預處理，提取信號特征，然后利用人工神經網絡、專家系統、模式識別（包括指紋識別）等技術進行分類，進而對設備的狀態作出評估。目前該方法還在探討階段，電弧對電磁繼電器觸頭的反復燒蝕使得觸頭表面粗糙度發生變化，而觸頭表面狀態與觸頭簇射電弧波形有密切的內在關系，通過提取簇射信號中電流導通時間、導通次數等參數判斷觸頭表面侵蝕狀態和已通斷操作次數，進而預測電器觸頭材料剩余壽命。

電氣控制系統的網絡化、智能化要求對各種電器設備與元件進行實時狀態監測，開關電器電壽命的監測預報是其中的重要方面之一。文章總結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預測法，比單指標預測法準確度高，但是因為影響因素過多而很難選取合適的因素集來進行判斷；基于超程時間和吸合時間的雙變量壽命預測法主要研究對象是繼電器，該方法試驗周期短而且試驗是非破壞性的，但該方法仍是基于大量實驗的統計總結，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時反映觸頭剩余電壽命狀態，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而判斷觸頭的剩余壽命，無疑是一種簡單實用的新途徑。

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