線圈電流零相位分?jǐn)嘞陆涣鹘佑|器電壽命預(yù)測*

鄭淑梅，李奎，劉政君，李正廣，高志成

(河北工業(yè)大學(xué) 省部共建電工裝備可靠性與智能化國家重點實驗室， 河北省電磁場與電器可靠性重點實驗室，天津300130)

0 引 言

交流接觸器是電力行業(yè)廣泛使用的一種低壓控制電器，主要用于遠(yuǎn)距離頻繁地接通和斷開交流主電路及大容量控制電路。隨著各領(lǐng)域?qū)涣鹘佑|器需求量的不斷增大，接觸器的可靠性對整個供配電系統(tǒng)的安全性影響越來越大，特別是關(guān)系國計民生的關(guān)鍵場合，單臺接觸器的失效可能造成嚴(yán)重的后果和重大的損失[1-2]。因此，研究交流接觸器的剩余電壽命對提高整個系統(tǒng)的可靠性和安全性有重要的意義。

交流接觸器主要由線圈控制電路和主電路組成，線圈電路的控制方式影響了主電路觸頭的分?jǐn)嗵攸c，進(jìn)而影響了交流接觸器的電壽命。目前對交流接觸器的研究主要集中在接觸器動態(tài)性能的改善、可靠性的提高、壽命的延長、電壽命預(yù)測等方面。在交流接觸器動態(tài)特性改善方面，文獻(xiàn)[3-4]針對交流接觸器動態(tài)響應(yīng)不確定性問題，提出了單臺交流接觸器及整批交流接觸器動態(tài)響應(yīng)不確定性的評價指標(biāo)，為進(jìn)一步優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、提高其動態(tài)性能提供了依據(jù)。文獻(xiàn)[5]利用Ansys電磁場軟件，采用基于遺傳算法的人工魚群優(yōu)化算法實現(xiàn)了智能交流接觸器的快速分?jǐn)啵瑴p小了機構(gòu)分散性、提高了首開相零電流分?jǐn)嗟臏?zhǔn)確性與穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[6-7]采用分時PWM控制方法，通過對占空比的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)了線圈在不同激勵下的動態(tài)特性參數(shù)預(yù)測。文獻(xiàn)[8-11]將線圈電壓、電流、鐵心位移量等有效的動態(tài)特征信號作為反饋信號，建立了接觸器閉環(huán)控制系統(tǒng)，提高了交流接觸器動態(tài)特性穩(wěn)定性和觸頭分?jǐn)嘞嘟强刂频木取?/p>

在延長接觸器電壽命方面，主要手段是通過控制起弧相角降低分?jǐn)噙^程中電弧對觸頭的侵蝕，方案有：(1)通過改變?nèi)嘤|頭結(jié)構(gòu)，保證交流接觸器在分?jǐn)鄷r三個觸頭依次打開，使三相觸頭分別滿足各自的最小燃弧條件[12-14];(2)通過三相輪流設(shè)定最小起弧相角的方式，平衡交流接觸器三相觸頭的質(zhì)量損失，使觸頭整體質(zhì)量損失最小、電壽命最高[15];(3)采用小規(guī)格接觸器組合代替?zhèn)鹘y(tǒng)大規(guī)格接觸器的異步組合式智能控制方案，配以智能控制模塊的結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了接觸器三相觸頭零電流分?jǐn)嗫刂芠16]。在交流接觸器電壽命預(yù)測方面，文獻(xiàn)[17]根據(jù)斷路器觸頭磨損機制，考慮開斷電流與燃弧時間對觸頭電磨損量的影響，建立了交流接觸器剩余相對電壽命模型。文獻(xiàn)[18-19]對交流接觸器開斷過程中的電弧特性進(jìn)行研究，分析了起弧相角、燃弧能量、燃弧電量、燃弧時間對電壽命的影響，并將這四種變量作為反映觸頭磨損的特征參量，應(yīng)用到條件密度估計模型中預(yù)測交流接觸器的剩余相對電壽命。文獻(xiàn)[20]建立了基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的交流接觸器剩余電壽命的預(yù)測模型，在相同試驗或工作條件下，通過部分試品數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了同一批次接觸器產(chǎn)品的剩余電壽命預(yù)測。

綜合以上研究成果可以發(fā)現(xiàn)，是交流接觸器控制技術(shù)改善了接觸器的動態(tài)性能、提高了接觸器的可靠性、延長了使用壽命[21]。而控制技術(shù)的本質(zhì)是應(yīng)用微處理器及相關(guān)電力電子技術(shù)實現(xiàn)對觸頭固定相角(指閉合相角/起弧相角)準(zhǔn)確控制，減少觸頭的彈跳及實現(xiàn)觸頭的無弧分?jǐn)啵档碗娀τ|頭的侵蝕。目前有關(guān)交流接觸器電壽命預(yù)測研究，并未考慮相角控制方式的問題，文中將固定相角控制方式與壽命預(yù)測相結(jié)合，研究觸頭的磨損特征，建立交流接觸器電壽命預(yù)測模型。線圈電流零相位分?jǐn)喾绞阶鳛橐环N常見且常被忽視的固定相角控制方式，研究此情況下接觸器電壽命預(yù)測問題具有很強的實用價值。

1 線圈電流零相位分?jǐn)喾绞较陆涣鹘佑|器觸頭磨損特點

1.1 線圈電流零相位分?jǐn)喾绞?/h3>

圖1所示為交流接觸器工作系統(tǒng)框圖，交流接觸器的主回路用來控制電機、工業(yè)自動化裝置等大功率電路的接通和分?jǐn)啵涣鹘佑|器的線圈回路通常由具自動控制功能的控制器件組成回路，實現(xiàn)對交流接觸器主回路接通和分?jǐn)嗫刂啤＿@些控制器件都有兩個輸入端(端子1和2)和兩個輸出端(端子3和4)。控制器件的輸出端常串聯(lián)在交流接觸器的線圈回路中，用于交流信號的控制。

圖1 交流接觸器工作系統(tǒng)框圖

對于線圈控制電路，控制器件何時接通和分?jǐn)鄬⒅苯佑绊懡佑|器觸頭的彈跳和燃弧情況，導(dǎo)致接觸器主觸頭磨損程度不同。電磁繼電器、固態(tài)繼電器是接觸器線圈回路常用的控制器件，在進(jìn)行控制時，線圈控制回路具有相同的分?jǐn)嗵攸c。

電磁繼電器等觸點式開關(guān)電器切斷交流線圈回路時，根據(jù)交流電弧熄滅原理，觸頭只有等到交流線圈電流自然過零時才能分?jǐn)嗑€圈回路。同樣，對于交流固態(tài)繼電器來說，內(nèi)部集成有可控硅元件，交流接觸器線圈電流過零時才能分?jǐn)嗑€圈回路。為簡化，文中將交流線圈電流自然過零分?jǐn)嗟倪@種分?jǐn)喾绞椒Q為線圈電流零相位分?jǐn)啵瓦@種方式對接觸器的電壽命進(jìn)行研究。

1.2 線圈電流零相位分?jǐn)喾绞较陆佑|器的動作特點及磨損情況

交流接觸器的觸頭磨損主要是由分?jǐn)噙^程中高溫電弧的侵蝕引起的，燃弧時間越長，觸頭磨損越嚴(yán)重。起弧相角是反映燃弧時間和觸頭磨損程度的重要參量。圖2所示是線圈電流零相位分?jǐn)喾绞较陆涣鹘佑|器分?jǐn)噙^程電壓電流示意圖。此處假設(shè)線圈的電源與接觸器的主回路的電源共用一個電源。

圖2 線圈電流零相位分?jǐn)喾绞较陆涣鹘佑|器分?jǐn)噙^程電壓電流示意圖

φAPA=φ1+2π×Δt/T±kπ

(1)

式中T為電源周期；k取整數(shù)并保證0≤φAPA﹤2π。φ1與功率因數(shù)角和線圈的阻抗角有關(guān)。

從公式(1)可以分析得到：試驗條件固定，在不考慮觸頭磨損和操作機構(gòu)動作時間分散性的情況下，可認(rèn)為φ1和Δt是固定值，因此三相觸頭的起弧相角φAPA是固定的且相位差按A-C-B的順序彼此相差60°。

起弧相角的大小和觸頭的磨損量息息相關(guān)[19-20]，因此，起弧相角固定將導(dǎo)致三相觸頭在每次分?jǐn)嗖僮鲿r的磨損量是固定的，三相觸頭起弧相角存在相位差又將導(dǎo)致三相磨損量是不同的，所以必定存在其中一相觸頭的磨損一直很大，磨損最大相也最終決定了交流接觸器的電壽命。因此，實現(xiàn)線圈電流零相位分?jǐn)喾绞较陆涣鹘佑|器的壽命預(yù)測首要任務(wù)是判別出磨損最大相，然后根據(jù)此相磨損量的特點實現(xiàn)交流接觸器電壽命的預(yù)測。

2 線圈電流零相位分?jǐn)喾绞较陆涣鹘佑|器的電壽命預(yù)測模型

2.1 磨損最大相的判別方法

理論上，在不考慮重燃的情況下，觸頭在接近 APA為π-或(0-)分?jǐn)鄷r，觸頭的燃弧時間最短，磨損量最小，是三相觸頭的首熄弧相；觸頭在接近 APA為π+或(0+)分?jǐn)鄷r，觸頭的燃弧時間最長，磨損量最大。理論上，通過起弧相角大小即可判別交流接觸器的磨損最大相。實際上，交流接觸器的觸頭起弧相角不是固定的，具有一定的隨機性，主要原因有：

(1)在試驗過程中，雖然試驗電路參數(shù)和試驗方法相同，但供電電網(wǎng)電壓、試驗環(huán)境的溫濕度會波動，這些波動都會影響接觸器的動作時間，造成APA不固定；

(2)接觸器的制造品質(zhì)、做工、操作機構(gòu)每次動作時間的隨機性以及觸頭的磨損及表面形貌的差異會使得APA呈現(xiàn)一定的隨機性；

(3)控制方式的控制精度，如電磁繼電器熄弧時刻、SSR的動作時間也存在一定的范圍，不是一個精確的固定值。

因此，用起弧相角來判別磨損最大相是不準(zhǔn)確的，尤其是起弧相角范圍分布在0或π兩側(cè)時。但三相觸頭熄弧有明顯的先后順序，所以首熄弧相容易識別并且同樣可以反映觸頭磨損量的大小，因此文中提出基于首熄弧相在三相中的分布均勻度來確定觸頭磨損最大相的方法。定義首熄弧相在三相中的分布均勻度為λ，定義λ為：

(2)

在不考慮重燃的情況下，首熄弧相的燃弧時間最短，磨損量最小，可以判斷交流接觸器的磨損最小相，然后通過三相觸頭之間的相位關(guān)系推斷觸頭磨損最大相。表1所示為磨損最大相和λ值的一一對應(yīng)關(guān)系。

表1 磨損最大相和λ值的對應(yīng)關(guān)系

2.2 基于磨損最大相的交流接觸器電壽命預(yù)測模型

一般可以認(rèn)為交流接觸器的三相觸頭可以承受的極限磨損量是相同的。三相中任何一相的觸頭磨損達(dá)到了磨損量閾值都會導(dǎo)致整個交流接觸器的失效。根據(jù)能量累積效應(yīng)，在線圈電流零相位分?jǐn)喾绞较履p最大相的磨損量最先到達(dá)閾值，即磨損最大相的操作次數(shù)就是交流接觸器的壽命。因此，在確定磨損最大相之后，可以根據(jù)磨損最大相的磨損量來預(yù)測其還能承受的剩余負(fù)荷能力。假設(shè)交流接觸器觸頭的磨損閾值Q固定且磨損量線性累積，交流接觸器的剩余電壽命可表示為：

(3)

對于單次磨損量qj計算，觸頭磨損主要是電弧電流對觸頭的電磨損。從電弧的外特性上分析，觸頭磨損量可用電弧電流和燃弧時間的積分定義，則交流接觸器單次開斷觸頭磨損量為：

(4)

式中ij和tj分別為k相第j次開斷電流和燃弧時間，其中，燃弧時間的計算公式為：

(5)

將式(5)代入式(4)中得到了起弧相角與單次動作觸頭磨損量的關(guān)系為：

(6)

式中I為分?jǐn)嚯娏鞯挠行е担沪貫榻涣麟娫吹慕穷l率；φj為第j次分?jǐn)嚯娏鲿r的起弧相角；α為電弧侵蝕常數(shù)，與觸頭結(jié)構(gòu)與材料、滅弧系統(tǒng)等有關(guān)，可以認(rèn)為同一批次交流接觸器的電弧侵蝕常數(shù)相同。

3 實例分析

3.1 試驗驗證

為了驗證預(yù)測模型的準(zhǔn)確性和適用性，文中對CJX2-9A型的交流接觸器進(jìn)行電壽命試驗，線圈控制采用交流固態(tài)繼電器(AC-SSR)控制，試驗設(shè)備如圖3所示，試驗條件如表2所示。

圖3 交流接觸器電壽命試驗裝置

試驗參數(shù)數(shù)值線圈電壓/V220功率因數(shù)0.65額定電流/A9試驗電流/A36操作頻率/Hz300負(fù)載類型AC4試品個數(shù)3

按表2所示的試驗條件對3個交流接觸器進(jìn)行了電壽命試驗。試驗設(shè)備采用自主研制的交流接觸器壽命試驗裝置，實時采集交流接觸器每次動作過程中的觸點間的電壓電流波形及線圈電流波形，根據(jù)電壓電流波形每隔100次提取各相觸頭的起弧相角、燃弧時間、觸頭的磨損量等特征參數(shù)并保存。

圖4為1# 試品三相觸頭起弧相角的分布圖。從圖4中可以看出，每相觸頭的APA明顯分布在兩條水平線上。三相的APA分布幾乎一致。從APA的數(shù)值上看，每相APA的兩條線所對應(yīng)的平均值相差180°左右，三相的APA相位差之間相差60°，這是由于三相電源彼此相差120°的導(dǎo)致的。這些試驗結(jié)果與理論分析的結(jié)果完全一致，驗證了2.2節(jié)中理論分析的正確性。圖5為1# 試品觸頭磨損量隨著操作次數(shù)的變化。圖6為1# 試品首熄弧相在三相中占的比重。表3所示1# 試品首熄弧相在三相中的分布均勻度。圖7為1# 試品磨損最大相起弧相角的分布。

圖4 試品1的APA隨操作次數(shù)的變化

圖5 試品1的觸頭磨損量隨操作次數(shù)的變化(α=1)

圖6 試品1首熄弧相在三相中占的比重

觸頭λ1λ2λ3數(shù)值100%58%158%

圖7 磨損最大相起弧相角的分布

從圖5中可以看出，1#試品的電壽命為38 685，在AC-SSR控制下交流接觸器的三相觸頭磨損量很不均勻，A相的觸頭磨損量一直最大，累積磨損量閾值為7.5×103A2·S；C相的觸頭磨損量一直最小，累積磨損量閾值為2×103A2·S；A相的磨損量約是C相的磨損量的3.7倍。同時，觸頭磨損最大相的磨損率幾乎是不變的，呈直線上升的趨勢，也證明了預(yù)測模型假設(shè)的正確性。

從圖6可以看出，首熄弧相在C相中所占的比例最高，高達(dá)86.08%，其次是B相，在A中所占的比例最少，為0%。從分布均勻度的角度看，λ3的值最大，即A相是磨損量最大相，而B相的磨損處在中等水平，磨損最均勻，而C相的磨損最小。這個結(jié)論與圖5中的試驗結(jié)果一致，同時驗證了表1中理論分析的正確性。

在圖7中顯示了磨損最大相A相的起弧相角分布，起弧相角幾乎分布在[0°,60°]和[180°,240°]兩個范圍內(nèi)(虛線紅色區(qū)域所示)，這兩個區(qū)域也是產(chǎn)生觸頭磨損量最大的區(qū)域，占到了所有操作次數(shù)的86.08%，這是導(dǎo)致A相磨損最嚴(yán)重的主要原因。

3.2 壽命預(yù)測

將試品1 A相的觸頭磨損量閾值Q=7.5×103A2·S 作為交流接觸器能夠承受的電弧侵蝕的磨損量閾值，對2#、3#試品的電壽命進(jìn)行預(yù)測。圖8和圖9分別是2#、3#試品在運行了2萬次時，對首熄弧相和磨損最大相的分析。表4所示是2#、3#試品在運行了2萬次時的電壽命預(yù)測結(jié)果。

圖8 試品2最大磨損相分析

圖9 試品3最大磨損相分析

試驗參數(shù)試品2試品3λ3170%180%磨損最大相A相A相平均磨損量0.203 A2·S0.202 A2·S實際電壽命17 66516 799預(yù)測電壽命18 51315 732絕對誤差4.8%2.9%

對于2# 試品，圖8(a) 中的首熄弧相在C相中所占的比例最高，高達(dá)90.22%，其次是B相，A中所占的比例最少，為0%。圖8(b)中磨損量最大區(qū)域所占的比例很大。與1# 試品相比，首熄弧相的分布更加不均勻。

對于3# 試品，圖9(a) 中的首熄弧相在C相中所占的比例最高，高達(dá)93.54%，其次是B相，A中所占的比例依然最少。圖9(b)中磨損量最大區(qū)域所占的比例很大。與1# 、 2# 試品相比，首熄弧相的分布更加不均勻。

從表4可以看出，2# 試品運行了2萬次時，λ3=170%，A相為磨損最大相，用公式(3)計算剩余壽命為R=18 513，與實際的剩余壽命的絕對誤差為ε=4.8%。同樣，3# 試品在運行2萬次時，λ3=180%，A相為磨損最大相，用公式(3)計算剩余壽命為R=15 732，與實際的剩余壽命的絕對誤差為ε=2.9%。圖10所示是2# 、 3# 試品在不同運行次數(shù)下的壽命預(yù)測誤差。

圖10 2# 、3# 試品在不同次數(shù)下的壽命預(yù)測絕對誤差

如圖10所示，2# 和3# 的剩余壽命預(yù)測誤差隨著壽命的逼近越來越小，但兩試品的變化率有所不同。前期，2# 試品的剩余壽命預(yù)測誤差比3# 試品的預(yù)測誤差整體偏大，分析其原因是由于2# 實際的失效閾值與1# 試品的閾值相差較大，同時首熄弧相比例不同也會導(dǎo)致預(yù)測結(jié)果不同。2# 和3# 的剩余壽命預(yù)測誤差變化率不同是因為2# 試品的磨損速度快，加上實際壽命長，所以絕對誤差曲線變化較快。但兩個試品的最大預(yù)測誤差均<7.5%，預(yù)測誤差較小，滿足工程的需要。同時預(yù)測結(jié)果也說明不同產(chǎn)品間會存在個體差異，但對于設(shè)計和制造工藝成熟的交流接觸器，在相同的試驗條件下，其個體差異較小。另外，當(dāng)用一個交流接觸器數(shù)據(jù)來預(yù)測同批其他試品的壽命時，條件密度估計法預(yù)測的最小誤差是10%[15]，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測的最大誤差11%[20]，而所提方法預(yù)測壽命最大誤差是7.5%，所以，所提方法的預(yù)測誤差更小，同時可以使用在小樣本情況下。

4 結(jié)束語

文中對線圈電流零相位分?jǐn)嗫刂品绞较陆涣鹘佑|器電壽命進(jìn)行預(yù)測研究，建立了這種常見控制方式下的接觸器預(yù)測模型。主要研究內(nèi)容和取得的成果如下：

(1)線圈電流零相位分?jǐn)嗫刂品绞较陆涣鹘佑|器的三相觸頭起弧相角的分布很集中，三相觸頭磨損很不均勻，交流接觸器的電壽命會降低；

(2)利用首熄弧相的分布均勻度確定磨損最大相，觸頭磨損累積呈近似的線性增加。基于磨損最大相最先失效建立了交流接觸器電壽命預(yù)測模型，通過試驗驗證，此模型可以實現(xiàn)對同一批次下同類交流接觸器的剩余電壽命預(yù)測，誤差滿足工程的需要；

(3)文中所建模型可以應(yīng)用在其他固定相角控制方式下交流接觸器電壽命預(yù)測上。

所提的預(yù)測模型受觸頭磨損閾值的影響較大，后期將進(jìn)一步進(jìn)行如何處理觸頭磨損量閾值提高壽命預(yù)測精度的研究。