基于机械参数的空气断路器剩余电寿命预测方法

《Processes》：Prediction Method of Residual Electrical Life of Air Circuit Breakers Based on Mechanical Parameters

　　

空气断路器（ACB）是低压配电系统中的关键保护装置，其可靠性被认为对该类系统的运行有显著影响。针对空气断路器电性能退化，研究人员分析了超程变化与触头质量损失之间的关系，并提出了一种基于机械参数的触头烧蚀程度表征方法。研究了触头超程与极轴旋转角之间的关系，通过测量极轴旋转角实现了超程变化的监测。基于漂移型单变量线性维纳过程（Wiener process）建立了空气断路器电性能退化模型。分析了不同电流应力下模型参数的变化特性，并开发了一种基于超程变化的剩余电寿命预测方法。对空气断路器进行了电性能退化实验，从中获得了退化模型参数。利用超程变化数据预测了剩余电寿命，相对预测误差小于5%。该方法无需实时监测空气断路器的开断电流和电压波形，便于实际工程应用。

**论文解读：基于机械参数的空气断路器剩余电寿命预测方法**

**研究背景与问题**
空气断路器（ACB）是低压配电系统中实现电路通断、过载与短路保护的核心控制与保护设备。其服务性能退化或保护功能失效会直接导致级联跳闸、设备损坏等连锁事故，造成重大经济损失和人身伤害。ACB的电气寿命是衡量其性能的关键指标，退化主要源于电弧烧蚀引起的触头质量损失，受开断电流应力、燃弧时间、电弧能量等因素影响。随着操作次数累积，当任一相触头累计质量损失达到失效阈值时，断路器因电性能退化而失效，电气寿命终止。现有剩余电寿命预测方法主要依赖电气信号或触头相关参数，如通过测量单次燃弧时间与能量建立累计燃弧能量拟合函数，或利用磁通密度与开断速度建立回归模型，或采用Gath–Geva模糊聚类和Copula函数构建多阶段维纳退化模型。然而，基于电气参数的方法需实时监测电压和电流应力，而许多在役断路器不具备此功能。因此，本研究旨在探索一种基于机械参数的触头烧蚀程度表征方法，通过测量极轴旋转角实现超程变化监测，并建立无需实时电气信号监测的剩余电寿命预测方法。该论文发表在《Processes》。

**关键技术方法**
本研究涉及的主要关键技术方法包括：①通过极轴旋转角度传感器和主电路电压信号确定触头接触时刻，计算超程等效角（β_Z）；②利用操作机构运动学几何关系推导累计超程变化（O_Z）与超程等效角之间的线性关系（决定系数0.999）；③基于漂移型单变量线性维纳过程（Wiener process）建立电性能退化模型，通过分段累积超程变化数据检验样本的平稳性、独立性和正态性（CUSUM检验、BDS检验、K-S检验）；④在不同电流应力下进行电性能退化实验，利用最小二乘法拟合弧烧蚀因子（K）、超程变化均值（μ_m）和标准差（σ_m）与电流应力（I）的幂函数关系，并分段建模（过渡电流7154 A）；⑤根据当前累计超程变化和指定电流应力下的超程变化均值，利用逆高斯分布预测各极触头剩余电寿命，取最小值为ACB的剩余电寿命。样本队列来源为同一公司同一生产批次的三极ACB，框架电流和额定电流（I_n）为1000 A。

**研究结果**
**5.1 电性能退化实验（Electrical Performance Degradation Test of ACB）**
研究人员对三台同批次三极ACB样品进行了不同电流应力下的电性能退化实验。实验过程中实时采集电流电压波形，并间歇采集闭合过程中极轴旋转角数据。通过实验数据计算得到各样品超程等效角随操作次数近似线性下降，且不同电流应力下下降速率与电流应力正相关，表明电弧烧蚀效应随电流增大而增强。

**5.2 不同电流应力下电性能退化实验结果分析（Analysis of Experimental Results on Electrical Performance Degradation Under Different Current Stresses）**
- **接触形貌图**：实验后样品#1、#2、#3的触头形貌显示，各极内多个触片表面相对平整，剩余触头厚度趋于均匀，验证了多组并联触头磨损自调节机制。
- **弧烧蚀因子与电流应力关系**：通过分段累积超程变化和焦耳积分计算弧烧蚀因子K，发现K与电流应力呈幂函数关系，且在500 A–3 kA和10 kA–25 kA两个区间内分别拟合，得到过渡电流为7154 A，拟合决定系数分别为0.9999和0.9939。
- **超程变化均值与标准差与电流应力关系**：超程变化均值μ_m和标准差σ_m均随电流应力增大而增大，且与电流应力呈幂函数关系，分段拟合决定系数均大于0.939。
- **退化模型验证**：CUSUM平稳性检验、BDS独立性检验和K-S正态性检验表明，各电流应力下超程变化增量满足平稳、独立且正态分布，因此漂移型单变量线性维纳过程适用于描述ACB电性能退化。

**5.3 剩余电寿命预测（Residual Electric Life Prediction）**
利用样品#3 在3 kA电流应力下的电性能退化实验数据，划分为六个阶段，分别采用基于机械参数的方法（本文方法）和基于电气参数的方法（现有方法）预测剩余电寿命。结果显示，两种方法获得的各相对预测误差均小于5%，具有相同的高预测精度。机械参数方法仅需测量闭合过程中极轴旋转角以确定当前触头烧蚀程度，无需实时监测开断电流和电压波形。

**讨论与结论**
本研究提出了一种基于机械参数的ACB剩余电寿命预测方法，该方法通过测量极轴旋转角实现超程变化监测，无需实时监测开断电流和电压波形，便于工程应用。主要结论如下：
（1）研究了ACB触头电弧烧蚀特性，分析了超程变化与触头质量损失的关系，提出了基于超程变化的机械参数触头烧蚀程度表征方法；通过分析触头超程与极轴旋转角的关系，利用极轴旋转角测量解决了超程变化的监测问题。
（2）建立了基于漂移型单变量线性维纳过程的ACB电性能退化模型，分析了不同电流应力下性能退化模型参数的变化特性，研究了弧烧蚀因子、超程变化率、标准差与电流应力的关系，提出了基于超程变化的剩余电寿命预测方法。
（3）进行了ACB电性能退化实验，基于实验数据获得了该批次ACB的性能退化模型参数，并基于机械参数（超程变化）进行了剩余电寿命预测，与基于电气参数的剩余电寿命预测方法结果对比表明，相对预测误差小于5%，预测精度与现有方法相同。
针对不同型号和批次产品间的性能差异，建议选取若干样品开展不同电流应力下的电性能退化实验，获取模型参数并进行与电流应力的幂函数拟合，作为先验信息为后续剩余电寿命预测提供依据。对于个体离散性较大的产品，由超程等效角导出的累计超程变化Q₀可能存在一定误差，未来研究将考虑个体差异对预测方法的影响，以提高方法的适应性和预测精度。