几种开关电器触头电寿命诊断方法分析

高伟新 周荣政 邓向辉

【摘要】要想提高产品寿命，首先有科学、准确的判定产品寿命依据和方法，本文介绍了目前常用开关电器触头电寿命的诊断方法，着重进行对比分析比较，总结出各自的优缺点及适用范围。

【关键词】开关电器；电寿命；电器触点

开关电器广泛应用于电气控制系统中，对系统起控制和保护的双重作用。可靠地分合电路既是开关电器产品本身最重要的性能指标，也是确保系统可靠运行的基础。任何电器都是有寿命的，它取决于产品设计、加工工艺、材料、实施标准、实验方法、合理使用等多种因素。对开关电器电寿命进行检测、诊断、预测具有重要的意义。本文介绍了目前常用开关电器触头电寿命的诊断方法，并对其原理和各自优缺点进行了分析比较。

1、模糊综合诊断法

模糊综合诊断法将模糊理论应用于电器设备触头电寿命的在线监测综合评判，为电器设备在线实时监测和智能化开辟一种新的途径。模糊综合评判的主要步骤是：

（1）评判对象因素集的建立：主要包括影响真空断路器开断电寿命的各种因素，如开断电流、开断次数、首开相在三相中的分布均匀度、燃弧时间以及触头材料等；

（2）隶属函數的确定：由于因素的模糊性及其等级的模糊性，很难把某因素具体规定为某一等级，因此，因素等级集应视为等级论域上的模糊子集。因素等级隶属度的大小主要根据各因素对触头电寿命的作用程度来确定；

（3）建立评判集：建立评判结果好坏的标准；

（4）建立模糊综合评判的数学模型：对属于不同层次和类别的对象进行综合评判，为了便于区分各因素在总的评价过程中的地位和作用，较全面地吸收所有因素提供的信息，可以进行多级评判，得出评判结果。

这是一种新颖的综合的诊断方法。与单项指标诊断方法相比，该方法更准确、更科学和更完善。它的优越性在于使被评判对象的各种相关联或不相关联的单参数性能指标归一化后成为可比和可量化的量，同时又可以从实时数据采集中实现在线的评判。其不足在于因素集中影响因素很多，如何选取合适的因素集没有一个标准；而且评判集的粗细划分也要视具体情况而定；在多级评判模型中各级划分因素权重集合的选取都是凭经验得出的，准确度不能得到保证。

2、基于超程时间和吸合时间双变量寿命预测法

该方法目前已首先用于继电器的寿命预测。电磁继电器的超程是指继电器从动触点与静触点接触瞬间起到衔铁闭合为止，触点移动或可能移动的距离；超程时间就是指继电器触点在超程阶段移动所需的时间；吸合时间是指继电器线圈加电到动触头第一次碰撞静触点所需的时间。超程时间和吸合时间均可以通过继电器线圈电流和触点电压动态测试波形直观地表示出来。

通过对4JRXM-3型继电器动作800000次所获得的超程时间和吸合时间数据分析，随着动作次数的增加，超程时间逐渐缩短，吸合时间逐渐延长，且数据均具有一定的分散性。针对数据的特征，用时间序列方法建立继电器双变量寿命预测数学模型。继电器的寿命预测是非平稳时间序列预测问题，其数学模型包括趋势项时间序列预测数学模型和平稳项时间序列预测数学模型两部分。

超程时间和吸合时间双变量预测法打破了传统的继电器寿命试验方法，具有如下优点：试验是非破坏性的，试验后的产品可能仍是成品，试验周期短。但是该方法也是在统计规律的基础上得出的，不同的继电器、不同的工作环境都可能引起预测模型的变化，而且由于没有考虑燃弧时间、燃弧能量、触点温升、释放时间等因素对继电器寿命的影响，预测的相对误差较大。

3、有效接触距离法

有效接触距离是指触头完全打开时动、静触点间的距离。触头的有效接触距离是吸合时间和释放时间的函数。吸合时间是指从线圈通电时刻起到常开触头第1次闭合的时间间隔。释放时间是指从线圈断电到常开触头第1次打开的时间间隔。通过测得每次操作过程中的吸合时间和释放时间，计算出有效接触距离，从而找出有效接触距离随操作次数的变化规律。随着操作次数的增加，触头的有效接触距离增加。当实际测得的有效接触距离大于触头的最大有效接触距离时，说明触头失效，从而预测出触头的电寿命。

这种方法适用于各种类型的电器，但困难之处是需要事先了解吸合、释放时间与接触距离之间的函数关系，需要试验确定最大有效距离。

4、接触电阻法

众所周知，接触电阻包括收缩电阻和薄膜电阻两部分，电寿命试验过程中，因为存在一定的接触压力，一般情况下各种膜会破碎，降低了接触电阻，所以接触电阻主要表现为收缩电阻。另一方面，由于触头间的多次撞击使触头材料的内部晶格发生畸变，造成内部电场不均匀，从而导致电子散射增加，增大了材料自身的电阻率。同时，在帯载操作时，接触温升增高，也可能形成新的表面膜，增大接触电阻。收缩电阻的大小与触头的可靠性及电寿命的指标有直接关系，收缩电阻越小，电器触头电寿命指标越高。但是两者之间的具体关系还有待进一步研究。

5、信号特征提取法

采集感兴趣的信号波形或图像，用多分辨分析法和小波变换等数学手段对信号进行预处理，提取信号特征，然后利用人工神经网络、专家系统、模式识别（包括指纹识别）等技术进行分类，进而对设备的状态作出评估。目前该方法还在探讨阶段，电弧对电磁继电器触头的反复烧蚀使得触头表面粗糙度发生变化，而触头表面状态与触头簇射电弧波形有密切的内在关系，通过提取簇射信号中电流导通时间、导通次数等参数判断触头表面侵蚀状态和已通断操作次数，进而预测电器触头材料剩余寿命。

电气控制系统的网络化、智能化要求对各种电器设备与元件进行实时状态监测，开关电器电寿命的监测预报是其中的重要方面之一。文章总结了几种用于诊断电器触头电寿命的方法：模糊综合诊断法是一种多指标预测法，比单指标预测法准确度高，但是因为影响因素过多而很难选取合适的因素集来进行判断；基于超程时间和吸合时间的双变量寿命预测法主要研究对象是继电器，该方法试验周期短而且试验是非破坏性的，但该方法仍是基于大量实验的统计总结，成本较高；有效接触距离法、接触电阻法、信号特征提取法多难以实时反映触头剩余电寿命状态，目前仍处于初期探讨阶段。若能通过提取电路通断过程的信号特征进而判断触头的剩余寿命，无疑是一种简单实用的新途径。

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