接触器触点超程分析及其退化状态的诊断

付 饶1 梁慧敏1 叶雪荣1 由佳欣1 韦 震2

(1. 哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院 哈尔滨 150001 2. 桂林航天电子有限公司 桂林 541000)

摘要 触点超程是表征接触器寿命的重要特征参数。目前无法在接触器工作时直接测量得到触点超程,主要通过超程时间进行接触器寿命预测研究,而此类方法存在试验周期长、推广性差、数据噪声大等问题。该文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。

关键词:接触器 寿命 触点超程 支持向量机

0 引言

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。

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[1-10]。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[11]。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[12]。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[13]。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[14-15]。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[16-17]。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[18-19]。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。

本文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,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。

1 接触器寿命特征分析

1.1 接触器结构与样品测试

图1为直流接触器典型结构示意图,线圈加载直流电压产生电磁力切换触点的开通、关断状态,控制直流主回路,该典型结构主要由静触点、动触点、线圈、衔铁和轭铁等组成。

图1 接触器典型结构示意图
Fig.1 Typical structure of contactor

厂家根据图样生产接触器零件,组装样品的测试结果见表1。接触器运动过程示意图如图2所示,轭铁的水平位置保持不变,衔铁向上运动。触点接触时刻,衔铁进入超程阶段并开始压缩弹簧,直至衔铁完全闭合。超程为衔铁总行程与触点开距的差值。

表1 样品组装测试结果
Tab.1 Test results of sample assembly

样 品参 数1 2 3 4 5总行程/mm 2.53 2.59 2.58 2.56 2.53开距/mm 1.4 1.51 1.42 1.47 1.38超程/mm 1.13 1.08 1.16 1.09 1.15刚度/(N/mm) 0.61 0.61 0.6 0.6 0.6反力弹簧预压力/N 3.49 3.45 3.42 3.42 3.53终压力/N 4.91 4.86 4.8 4.81 4.92刚度/(N/mm) 22.2 19.2 20.6 20.6 19.8超程弹簧预压力/N 11.4 11.4 14.0 15.3 15.4终压力/N 36.9 33.5 37.7 38.9 38.2反力终力/N 37.6 36.5 41.5 40.3 43.6

图2 接触器运动过程示意图
Fig.2 Contactor movement process

1.2 接触器寿命试验结果分析

对五只样品首先进行接通试验,然后再进行直流400V/300A寿命试验,通断比(通/断)为100ms/1s。试验结果见表2。

表2 样品寿命试验结果
Tab.2 Life test results of samples

参 数 样品1 样品2 样品3 样品4 样品5 400V/300A寿命次数 3 270 3 881 7 244 4 672 7 236失效模式 粘接 粘接 粘接 粘接 粘接

对寿命试验后的接触器开壳,测试各项参数,与寿命试验前的测试值进行对比,对比结果见表3。

表3 样品寿命试验前后参数对比结果
Tab.3 Comparison of parameters before and after life test

样 品参 数1 2 3 4 5试验前 2.53 2.59 2.58 2.56 2.53总行程/mm 试验后 2.48 2.5 2.54 2.48 2.38减少量 0.05 0.09 0.04 0.08 0.15试验前 1.4 1.51 1.42 1.47 1.38开距/mm 试验后 1.85 1.78 2.06 1.86 1.74增加量 0.45 0.27 0.64 0.39 0.36试验前 1.13 1.08 1.16 1.09 1.15超程/mm 试验后 0.63 0.72 0.48 0.62 0.64减少量 0.5 0.36 0.68 0.47 0.51试验前 37.6 36.5 41.5 40.3 43.6反力终力/N 试验后 27.5 28 25.09 28.6 25.3减少量 10.1 8.5 16.41 11.7 18.3超程弹簧刚度 下降 不变 不变 不变 不变

由于电极间电弧电流的热作用使得触点表面部分材料熔化,触点闭合后熔化材料冷却凝固,在反力的作用下无法使触点再次打开[20],此时接触器发生粘接失效。通过对寿命试验前后参数分析可得,反力终力下降是导致接触器失效的主要原因。而反力终力下降的主要原因有三点:①随着动作次数的增加,电弧烧蚀使得触点磨损厚度增大,开距逐渐增大(增加量0.27~0.64mm),造成触点超程逐渐减小,反力终力逐渐减小;②在试验过程中,由电弧烧蚀触点产生的金属颗粒不可避免地附着在轭铁的上、下表面以及衔铁的上表面,使衔铁无法吸合到底(衔铁总行程减小量0.04~0.15mm),也使触点超程减小,反力终力下降;③由于高温超程弹簧的刚度有可能下降,也会使反力终力下降。

由表 2、表 3建立样品试验前后超程与寿命数据关系如图3所示。由图3可以看出,随着开关次数的增加,超程逐渐减小;样品2、3、4、5的斜率接近,样品 1的斜率较大。这是由于样品 2、3、4的超程弹簧刚度保持不变(见表3),而样品1超程弹簧的刚度下降,使弹簧提供的反力减小的速率加快,触点烧蚀时间延长,导致触点超程减少量增大。因此若超程弹簧性能良好,在寿命期间内其刚度不会发生明显变化时,接触器触点超程在每次动作后的减小量相近。故以触点超程作为接触器的寿命表征量,具有较强的适用性。

图3 超程与寿命的关系
Fig.3 The relationship between overtravel and life

2 接触器触点超程退化模拟与特征提取

2.1 接触器触点超程退化模拟

为了研究触点超程的外特征参数,对触点超程进行仿真模拟及实物验证。从上述分析得到,超程为衔铁总行程与触点开距的差值,因此,可以分别改变衔铁总行程、触点开距来模拟触点超程减小的退化状态,以可测量得到的线圈电流波形、触点电流波形为对象进行分析,为触点超程退化状态的诊断奠定基础。

虚拟样机技术在研究电器特性方面具有不可替代的优势。本文利用磁学仿真软件Flux、动力学仿真软件Adams联合建立虚拟样机模型,用于模拟触点超程退化过程,具体流程如图4所示。

图4 建立虚拟样机模型流程
Fig.4 The process of building a virtual prototype model

由Flux自带三维建模工具,建立智能接触器的三维几何模型,对衔铁、动触点等材料进行设置,利用实测得到的衔铁运动反力数据设置反力,定义衔铁运动的行程,划分运动部件、固定部件以及可压缩的空间区域,建立线圈模型,定义电阻、线圈匝数及形状,对所建立的三维模型进行分网,得到有限元计算模型,设置衔铁运动的求解方案,获取静态数据表。在 Adams中建立接触器接触系统模型,导出联合调用模型。利用Simulink调用已制备完成的静态数据表,联合Adams计算得到接触器的动态特性数据。Flux中电磁系统模型如图5a所示,Adams中接触系统模型如图5b所示。

图5 虚拟样机模型
Fig.5 Virtual prototype model

建立动态仿真模型,获取线圈电流数据波形,实测接触器吸合过程中的线圈电流波形,用于验证仿真模型的正确性。通常,动态仿真模型考虑的影响因素较为单一,实测物理数据均有误差。接触器吸合线圈电流的测试波形和仿真波形的对比如图 6所示。Flux模型中线圈的电感、匝数、电阻与实际值均有差异,同时,Flux求解时,数据表为步进的静态结果,在衔铁运动时及动作完成后,线圈电感变化与实际不一致,使铁心完全闭合后的仿真电流上升斜率比实际高,可认为仿真模型基本能够反映接触器的动态特性。

图6 线圈电流仿真与实测结果对比
Fig.6 Comparison of simulation and measurement of coil current

触点开距增加量范围为 0.27~0.64mm,衔铁总行程减小量范围为 0.04~0.15mm。分别取触点开距增加量、衔铁总行程减小量的最大值为模拟退化状态的上限。假设衔铁总行程与触点开距增加量均呈线性变化趋势,将退化状态划分为三个等级,分别是轻微、一般、严重。整理出触点超程退化状态仿真模拟水平见表4。

表4 触点超程退化状态仿真模拟水平
Tab.4 Simulation level of contact overtravel degenerate state

水平 触点开距增加量/mm 衔铁总行程减小量/mm正常状态 0 0轻微 0.09 0.013 333一般 0.18 0.026 667严重 0.27 0.04

分别模拟衔铁总行程减小、触点开距增加的退化状态,得到仿真数据如图7~图10所示。动态仿真模型中,不能得到触点通过的电流,因此用触点压力来表征触点的接通时刻。

图7 衔铁总行程减小仿真模拟的线圈电流
Fig.7 Coil currents of decreasing total run

图8 衔铁总行程减小仿真模拟的触点压力
Fig.8 Contact pressure of decreasing total run

由图7和图8,随着衔铁总行程的减小,衔铁完全闭合时刻提前,电流下降,呈现较强的规律性,但总行程的改变量较小,因此线圈电流的改变量也较小。

图9 触点开距增大仿真模拟的线圈电流
Fig.9 Coil current of increasing contact distance

图10 触点开距增大仿真模拟的触点压力
Fig.10 Contact pressure of increasing contact distance

由图9和图10,随着触点开距的增大,超程减小,弹簧提供的反力减小,衔铁完全闭合所需时间缩短。与衔铁总行程减小相比,触点开距增大对线圈电流影响也较小。

2.2 接触器触点超程退化的特征分析

为了便于后续说明,以图11电流及时间参数组合量的定义为例,定义电流及时间参数 a(t1,i1),b(t2,i2),其特征说明见表5。

图11 电流及时间参数组合量的定义
Fig.11 The definition of current and time parameters

表5 接触器故障诊断特征参数定义表
Tab.5 Definition of feature parameters for diagnosing

参数 意义t1, i1 触点接触初始时刻及电流t2, i2 衔铁完全闭合时刻及电流tot= t2-t1 超程时间f t it=∫ t1~t2时刻线圈电阻的功耗() d t t 2 1 2

表5

式中, t ∈[t1, t2];f(t)与t1~t2时线圈电阻的功耗为线性关系。在环境温度为恒定的情况下,线圈电阻 R保持不变。可以认为,f(t)为 t1~t2时刻线圈电阻的功耗,线圈电压提供能量分为三部分:一部分为线圈电阻功耗;一部分为衔铁运动功耗;剩余部分为电磁回路功耗。线圈供电提供吸力,衔铁在吸反力配合下运动,从能量角度说明衔铁的运动情况。

对触点磨损导致触点开距增大(总行程不变,触点开距增大,触点超程减小)的各特征进行分析如图12所示。

图12 触点开距增大的特征变化情况
Fig.12 Change in characteristics of increasing contact distance

各个特征均呈现单调递增或递减的变化规律。随着触点磨损厚度增大,触点接触时刻t1延迟,而此时对应的电流呈现下降趋势,因此接触时刻的电流i1也逐渐下降;同样随着触点磨损厚度增大,衔铁受到的反力减小,衔铁完全闭合时刻t2提前;f(t)为超程时间内的电阻功耗,随着超程时间的减小,功耗同样减小。

对总行程减小(触点开距不变,总行程减小,触点超程减小)的各特征变化进行分析如图 13所示。

图13 总行程减小的特征变化情况
Fig.13 Change in characteristics of decreasing total run

在触点开距不变时,t1、i1应当保持不变,可以从图13a中得到,两者的变化均幅度不超过1%,由Simulink的插值计算具有一定程度的波动导致。总行程减小,与触点开距增大相似,t2、i2、f(t)、tot均呈现单调递减趋势。当总行程减小量小于0.04mm时,t1、t2变化趋势保持一致,导致f(t)、tot变化幅度小,这是由于触点超程变化量过小,导致线圈电流的改变被Simulink的插值计算误差所覆盖。

综上所述,表5定义的参数随触点超程大小的改变而改变,尤其是触点磨损导致厚度减小时,上述特征参数呈现明显的单调变化趋势,这有利于依据特征参数对超程退化状态进行诊断。因此用于触点超程退化状态诊断的特征参数为 t1、i1、t2、i2、f(t)、tot

3 接触器触点超程退化状态的诊断

3.1 诊断方法

对退化状态的诊断,是对退化状态特征数据的分类。支持向量机(Support Vector Machine, SVM)在分类问题上,得到较为广泛的应用。图14为SVM分类模型示意图,SVM将低维空间难以分类的特征点,通过核函数将特征点映射到高维空间,在高维空间中寻找分类模型即最优分类超平面。

图14 SVM分类模型示意图
Fig.14 SVM classification model

支持向量分类机二分类数学理论如下:

(1)给定训练集 T={(x1, y1),…,(xl, yl)}∈(Rn×ψ)l,其中 xi∈Rn,yi∈ψ ={1,-1},i=1,…,l。

(2)选取适当的核函数K(xi, xj)以及惩罚参数C>0。

(3)构造并求解凸二次规划问题

得解

其中,求解凸二次规划问题也就是寻找最优超平面,等价于寻找最大的函数间隔。

(4)计算b*:选取位于开区间(0,C)中的分量,据此计算

(5)构造决策函数

其中

多分类问题是二分类问题的进阶,经过类别之间的循环比较,待测数据的预测结果为特征点到最优分类超平面的最大距离d对应的分类。

3.2 实例验证

基于支持向量机的接触器触点超程退化状态诊断流程如图15所示,实物模拟接触器退化状态,根据上述对触点超程退化状态的特征分析,构建状态空间,状态空间包括样本标签和训练样本矩阵;并在构建状态空间外的待测样本,用于检验诊断模型的正确性。

图15 触点超程退化状态诊断流程
Fig.15 Diagnostic process of contact overtravel

从对寿命实验后的接触器触点超程分析得到,衔铁总行程的最小减小量为 0.04mm,触点磨损最小厚度为 0.25mm。考虑到衔铁总行程的变化量较小,各特征的变化不显著,在实物模拟时,可供改变衔铁总行程的垫片最小厚度为 0.05mm;在电器寿命过程中,认为衔铁总行程与触点磨损厚度同时减小,因此仅在严重水平下衔铁总行程减小量为0.05mm。训练样本数据见表6,根据上述衔铁总行程、触点磨损厚度分析,设计退化模拟试验;根据2.2节触点超程退化的特征分析,提取用于状态诊断的特征参数。因为在获取实物模拟的数据时,每次测试的结果都具有一定的离散性,每个训练样本获取5组数据,取特征值的平均值,用以减小测试误差。待测试样本见表7。轻微、一般、严重所对应的样本标签分别为1、2、3。

表6 训练样本数据
Tab.6 Data of training samples

训练样本序号 水平 样本标签衔铁总行程减小量/mm触点磨损厚度/mm t1/s i1/A t2/s i2/A tot/s f(t)/(J/Ω)1 正常状态 1 0 0 0.009 5 2.180 9 0.010 1 1.835 6 0.000 7 0.002 7 2 轻微 1 0 0.05 0.008 6 1.928 2 0.009 1 1.729 2 0.000 5 0.001 8 3 一般 2 0 0.15 0.010 2 2.272 3 0.010 9 1.927 3 0.000 7 0.003 2 4 严重 3 0 0.25 0.008 6 2.140 4 0.009 4 1.771 3 0.000 8 0.003 4 5 严重 3 0.05 0.25 0.008 3 2.006 3 0.009 0 1.729 8 0.000 6 0.002 2

表7 待测样本数据
Tab.7 Data of test samples

待测样本序号衔铁总行程减小量/mm触点磨损厚度/mm t1/s i1/A t2/s i2/A tot/s f(t)/(J/Ω)1 0 0.05 0.008 9 1.771 1 0.009 0 1.734 6 0.000 1 0.000 5 2 0 0.15 0.008 3 2.321 7 0.009 1 1.904 7 0.000 8 0.003 7 3 0 0.25 0.008 5 2.170 4 0.009 4 1.806 0 0.000 9 0.003 8 4 0 0.1 0.008 8 2.137 6 0.009 6 1.762 1 0.000 8 0.003 1 5 0 0.2 0.009 9 2.262 6 0.010 7 1.866 7 0.000 7 0.003 2

根据样本标签与训练数据矩阵构成状态空间,状态空间用于参数寻优得到支持向量机分类模型,即最优超平面;待测样本数据作为输入参数,由已得的最优超平面模型计算得到预测样本标签,该预测样本标签即为输出参数,也就是诊断结果。

选择的核函数K(xixj)类型为

式中,n为训练标签所对应的样本数量;xi为测试样本数据;xj为训练样本数据。

训练得到的最优超平面模型的系数矩阵为

系数矩阵中的行为训练数据的样本序号,列为判别训练数据的最优超平面模型序号。每个标签对应有两个最优超平面模型。

最优超平面模型的 *b矩阵为

式中, b*矩阵为训练标签对应的参数,如为判别测试数据是否为标签1的最优超平面的模型参数。

输出诊断结果见表 8。从表 8的诊断结果可以得到,诊断结果有80%的准确率,具有一定的泛化能力。在触点磨损厚度为0.1mm时,预测样本标签为 3,与样本标签不符,而在触点磨损厚度为0.15mm及0.05mm时,与预估结果相符,这就说明该模型在对样本空间外的数据分类时,具有一定的局限性。为了避免此种情况,可在训练样本中提高样本量,或提高参数寻优的能力。上述方法利用实物模拟超程减小的退化状态,获取其特征数据,极大地缩短了寿命预测研究的试验时间。

表8 诊断结果
Tab.8 Diagnostic results

待测样本序号衔铁总行程减小量/mm触点磨损厚度/mm正确样本标签预测样本标签1 0 0.05 1 1 2 0 0.15 2 2 3 0 0.25 3 3 4 0 0.1 1或2 3 5 0 0.2 2或3 2

4 结论

1)本文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。

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Analysis of the Contact Overtravel of Contactor and Its Degradation State Evaluation

Fu Rao1 Liang Huimin1 Ye Xuerong1 You Jiaxin1 Wei Zhen2
(1. School of Electrical Engineering and Automation Harbin Institute of Technology Harbin 150001 China 2. Guilin Aerospace Electronics Co. Ltd Guilin 541000 China)

Abstract Contact overtravel is an important characteristic parameter that characterizes the life of a contactor. At present, it is impossible to measure the contact overtravel directly when the contactor is working. A lot of scholars have predicted the life of electrical apparatus on overtravel time. The life prediction of the contactor is mainly based on the overtravel time. However, such methods have many problems, such as long test period, poor generalization and large data noise. Firstly, on the basis of life test data, the relationship between contact overtravel and life is analyzed to determine the degradation mechanism and degradation range of contact overtravel. Secondly, based on virtual prototype simulation,contact overtravel degradation characteristics are analyzed and degradation feature are extracted. Based on the degradation data of contact overtravel in actual product life test, support vector machine is proposed to classify the degradation. Finally, the feasibility of the diagnosis method is verified by an example. The diagnosis results show that the method has high accuracy and can greatly shorten the time required for life prediction of contactors.

Keywords:Switch apparatus, life, contact overtravel, support vector machine

中图分类号:TM52

DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.181834

中国博士后科学基金(2016M591530)和国家自然科学基金(51507033)资助项目。

收稿日期 2018-11-29 改稿日期 2019-02-21

作者简介

付 饶 男,1993年生,博士研究生,研究方向为电器可靠性设计技术。E-mail:yc_furao@163.com

梁慧敏 女,1972年生,教授,博士生导师,研究方向为电器可靠性设计技术及电弧与电接触理论。E-mail:hitra@hit.edu.cn(通信作者)

(编辑 郭丽军)