预测接触器寿命的新方法
武汉加油
风雨同行 共克时艰
针对开关电器寿命预测方法存在的试验周期长、推广性差、试验装置复杂、数据噪声大等问题，哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院、桂林航天电子有限公司的研究人员付饶、梁慧敏、叶雪荣、由佳欣、韦震，在2020年第1期《电工技术学报》上撰文，以寿命试验数据为基础，直接分析接触器触点超程，模拟研究退化趋势，设定超程安全阈值，利用人工智能方法识别其退化状态，可为寿命预测奠定基础，从而实现对开关电器的健康管理。
接触器是低压电器中重要的开关器件，承担着主从回路切换、设备控制等功能。接触器的寿命是厂家和用户关心的关键指标，通常认为寿命越高，其工作可靠性越高。接触器在切换至开通状态时，电气系统存在的容性负载为了维持电压平衡，导致触点通过的电流浪涌导致接触电阻增大；在切换至关断状态时，电气系统存在的感性负载为了维持电流续流，触点产生电弧，对触点表面烧蚀。因此，接触器的开通关断次数可作为表征寿命的参数。
图1 接触器典型结构示意图
通常，学者在分析开关电器的可靠性时，主要关注触点表面形貌、电弧侵蚀及触点接触电阻，并以此为特征量进行寿命预测研究。
W. Rieder认为继电器触点每次的开通、关断，均会改变接触电阻的数值。
郑淑梅等将电弧电流作为交流接触器触头系统侵蚀的参数，建立了基于起弧相角的触点磨损数学模型。
李奎等以累积燃弧能量作为反映交流接触器电寿命的关键因素，建立了剩余电寿命预测的神经网络模型。
崔行磊、陈默等用燃弧电量反映触头烧蚀量，以此建立接触器寿命模型。与此同时，从触点着手的研究方法，存在随机因素大、试验装置复杂的问题。
电弧侵蚀触点，触点厚度相应减小，导致触点超程减小。但触点超程无法在开关电器工作时进行测量，只能将超程时间作为超程的表征参数，开展寿命预测研究。
翟国富等分别以超程时间、吸合时间为主变量对继电器寿命进行预测，预测结果表明以超程时间为主变量优于以吸合时间为主变量的寿命预测方法。
李志刚、李华均等基于超程时间，提出开关电器产品的寿命预测方法。同样，以超程时间为特征的寿命预测方法，存在试验周期长、可推广性差、数据噪声大的问题。
针对这些问题，哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院、桂林航天电子有限公司的研究人员，提出了解决方案。
首先在寿命试验数据基础上，分析触点超程与寿命之间的关系，确定触点超程的退化机理及退化范围；然后基于虚拟样机仿真模拟触点超程退化过程，分析触点超程退化特征，提取退化特征值；基于实际产品寿命试验触点超程的退化数据，提出利用支持向量机对触点超程退化等级进行分类的方法，完成对触点超程退化状态的诊断；最后通过实例验证诊断方法的可行性，诊断结果表明该方法具有较高的准确率，可大大缩短接触器寿命预测所需要的时间。
图5 虚拟样机模型
图15 触点超程退化状态诊断流程
研究人员最后得出结论如下：
1）通过对接触器寿命试验数据分析得到，接触器粘接失效的主要原因是触点超程减小，导致弹簧提供的反力减小，直至反力小于触点熔焊力，触点发生粘接失效。
2）研究了总行程减小量与触点磨损厚度对超程时间的影响。通过实物模拟超程减小获取退化状态数据，缩短了研究所需的时间，降低了经济成本，提高了工作效率。
3）针对超程在线状态下无法测量获取的问题，提出了以支持向量机为基础的方法，用以诊断触点超程的退化状态。超程不仅通过影响触点接触压力进而影响接触电阻，而且可作为寿命状态的表征参数，该方法的提出为产品出厂检验、寿命状态检测提供了新的思路。
同时，在批量开关电器中，触点超程存在离散性，该方法仅可应用于一致性较高的情况下。为了解决此问题，可从特征提取、诊断算法着手，提高分类模型的泛化能力，使其能够覆盖离散性引入的波动。