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。
自动断路器
小型断路器是一种广泛应用于低压配电网中的开关电器，它不仅能接通和断开正常工作的电路，还具有短路保护和过载保护功能。微型断路器的电气寿命会随着分断次数的增加而降低，使用寿命恶化的微型断路器容易引发火灾事故。对小型断路器进行寿命评估和预测，可以有效避免因小型断路器失效而引发的一系列事故。随着智能电网和数字电网战略的发展，智能化成为断路器发展的重要方向，寿命评估和预测是其表现之一。
查阅近十年的研究文献，对开关设备寿命评估和预测的研究主要集中在继电器和接触器上。
一些学者利用累积电弧能量和触点损耗质量之间的关系来预测接触器的寿命。有学者利用累积允许能量和试验失效阈值预测了高压DC继电器的电寿命。一些学者利用累积触点磨损和磨损阈值建立了交流接触器的寿命预测模型。这种寿命评估和预测方法主要利用了所选特征量随触点断开次数线性变化的特性。简单有效，但对于不同的触头材料，需要再次进行电寿命试验来修正关系系数。
与上述方法类似，一种方法是利用各类开关设备的趋势特征量建立寿命评估和预测模型。如有的学者利用超程时间建立继电器寿命预测模型。通过对开关设备进行电寿命试验，可以很容易地获得每个分断过程中的电弧电压和电弧电流信号。因此，一些专家学者利用电弧电压和电弧电流来挖掘反映开关设备寿命劣化的特征量，并借助一些人工智能模型来构建开关设备的寿命评估和预测模型。常用的人工智能模型有神经网络、粗糙集理论、灰色理论模型、隐马尔可夫模型和支持向量机。
触头材料的电弧烧蚀是导致开关设备电寿命恶化的主要原因。一些专家学者也在研究触头材料的电弧烧蚀过程，希望通过构建相关过程的数学模型来实现开关设备的寿命评估和预测。有学者总结了前人对电弧烧蚀触头材料的研究工作，包括蒸发烧蚀和飞溅烧蚀等物理模型。然而，触头材料的电弧烧蚀是一个复杂的物理化学过程，建立触头材料电弧烧蚀的数学模型相对困难。
上述电寿命评估和预测模型主要应用于继电器和接触器。与继电器和接触器的结构不同，微型断路器通过转动手柄带动由触头支架、脱扣器、锁紧器和动触头组成的支架组件运动，从而带动动触头与静触头接触或断开。而继电器和接触器是利用其控制线圈产生的磁场吸引衔铁带动动触头运动，从而完成动、静触头的吸引。
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小型断路器的内部结构
通过他们的研究工作，他们得到了以下结论：
1)当动触头后退时，电弧电压会下降。提取电压下降时间与起弧时间的时间差，记录为下降时间。随着微型断路器开断次数的增加，整体下降时间有增加的趋势，这主要是由于触头材料的烧蚀导致动触头距离的延长。
2)各试验样品的触头烧蚀量随累积燃弧能量和下降时间线性增加，利用两者关系构建的电寿命评估模型具有较高的准确性。该模型可以将易于在线测量的累积燃弧能量和下降时间表示为难以在线测量的触头烧蚀量，从而实现对小型断路器电寿命的评估和预测
3)对不同电流水平的同类型样品进行电寿命试验，利用本项目提出的电寿命评估方法构建电寿命评估模型。通过对由下降时间和累积电弧能量计算的触点烧蚀量赋予合理的权重值，电寿命评估模型的准确度在88%以上。结果表明，本次提出的小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。
本文编译自《电工技术学报》，2022年第4期，论文题目为《微型断路器电气寿命评估》。为什么作者是志鹏和赵虎？
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