西北工业大学科研团队发表微型断路器电寿命评估的新方法

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由电弧烧蚀触头材料而引起触头失效是导致微型断路器电寿命劣化的主要原因，研究微型断路器电寿命评估方法对提高用电网络安全性和可靠性具有重要意义。西北工业大学自动化学院的科研人员何志鹏、赵虎，在2022年第4期《电工技术学报》上撰文，以额定电流16A的微型断路器作为电寿命试验对象，利用高速摄像机观察触头间电弧的运动过程，从电弧电压中提取反映断路器电寿命退化过程的特征量，研究累积燃弧能量、跌落时间与触头烧蚀量之间的对应关系，并利用这两个趋势特征量构建微型断路器电寿命评估模型。

研究结果表明，电压跌落时间具有随开断次数增加而增大的趋势。利用试验数据对模型评估准确度进行测试，测试结果表明，该文提出的方法适用不同开断电流的情形，可以用于微型断路器电寿命的评估，评估误差在可接受范围内。

微型断路器是低压配电网中广泛使用的一种开关电器，不仅能够通断正常工作回路，而且具备短路保护和过载保护的功能。微型断路器的电寿命会随开断次数的增加而减少，继续使用寿命劣化的微型断路器易引发火灾事故，微型断路器寿命评估与预测能够有效避免因微型断路器失效而引发的一系列事故。且随着智能电网和数字电网战略的提出，智能化已成为断路器发展的重要方向，寿命评估与预测是其智能化的体现之一。

查阅近十年的研究文献，关于开关电器寿命评估与预测的研究主要集中在继电器和接触器上。

有学者利用累积燃弧能量与触头损失质量的关系对接触器进行了寿命预测。有学者利用累积允通能量和试验失效阈值对高压直流继电器进行了电寿命预测。有学者利用累积触头磨损量和磨损阈值构建了交流接触器寿命预测模型。这种寿命评估与预测方法主要利用了选取的特征量随触头开断次数线性变化的特点，它简单有效，但是对于不同的触头材料需要重新进行电寿命试验来修正关系系数。

与上述方法类似的一种方法是利用各类开关电器趋势特征量构建寿命评估与预测模型，如有学者利用超程时间构建了继电器寿命预测模型。对开关电器进行电寿命试验，容易获得每次分断过程中的电弧电压和电弧电流信号，因此一些专家和学者利用电弧电压和电弧电流挖掘反映开关电器寿命劣化的特征量，并借助一些人工智能模型构建开关电器寿命评估与预测模型，常用的人工智能模型有神经网络、粗糙集理论、灰度理论模型、隐马尔科夫模型和支持向量机等。

电弧烧蚀触头材料是导致开关电器电寿命劣化的主要原因，一些专家和学者也在研究电弧烧蚀触头材料的过程，期望通过构建相关过程的数学模型实现开关电器的寿命评估与预测。有学者总结了前人对电弧烧蚀触头材料的研究工作，其中包括蒸发侵蚀、喷溅侵蚀等物理模型。但是电弧烧蚀触头材料是一个复杂的物理化学过程，构建一个电弧烧蚀触头材料的数学模型相对困难。

上述的电寿命评估与预测模型主要应用在继电器和接触器上，和继电器、接触器的结构不同，微型断路器是通过转动手柄带动由触头支架、跳扣件、锁扣件和动触头组成的支架组件动作，从而驱动动触头与静触头接触或断开的。而继电器、接触器是通过其控制线圈产生磁场吸引衔铁带动动触头运动来完成动、静触头吸合的。

西北工业大学自动化学院的科研人员研究了微型断路器分断交流负载回路时的电弧运动过程和微型断路器的电寿命评估方法。首先对额定电流为16A的微型断路器进行了电寿命试验，获得了试验数据，并利用高速摄像机观察了触头间电弧的运动过程，总结了16A电流下燃弧过程的特点。然后从电弧电压和电弧电流中提取了反映微型断路器电寿命退化过程的特征量，利用线性回归的方法分别拟合了触头烧蚀量与累积燃弧能量和触头烧蚀量与跌落时间之间的关系。最后结合这两个关系构建了电寿命评估模型，利用试验数据测试了评估模型的准确度。

图1 微型断路器内部结构

他们通过研究工作，得到以下结论：

1）在动触头回落时，电弧电压会出现跌落的过程，提取电压跌落时刻与起弧时刻之间的时间差，将其记为跌落时间。随着微型断路器开断次数的增加，跌落时间整体呈增大的趋势，其主要原因是触头材料的烧蚀导致动触头运动路程延长。

2）各试验样品的触头烧蚀量随累积燃弧能量和跌落时间呈线性增加趋势，利用两个关系式构建的电寿命评估模型具有较高的准确度。该模型能够将容易在线测量的累积燃弧能量和跌落时间表示为难以在线测量的触头烧蚀量，从而实现微型断路器电寿命评估与预测。

3）对同一型号的试品开展了不同电流等级的电寿命试验，利用本项目提出的电寿命评估方法构建电寿命评估模型，通过对分别由跌落时间和累积燃弧能量计算得到的触头烧蚀量赋合理权重值，电寿命评估模型的准确率在88%以上。此结果说明，本次提出的微型断路器电寿命评估方法具有较好的适用性，能够满足一般应用场景的要求。

本文编自2022年第4期《电工技术学报》，论文标题为“微型断路器电寿命评估”，作者为何志鹏、赵虎。

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