图1 微型断路器内部结构
摘要 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。该文以额定电流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。
关键词：微型断路器 电弧运动过程 趋势特征量 评估模型
微型断路器是低压配电网中广泛使用的一种开关电器，不仅能够通断正常工作回路，而且具备短路保护和过载保护的功能。微型断路器的电寿命会随开断次数的增加而减少，继续使用寿命劣化的微型断路器易引发火灾事故，微型断路器寿命评估与预测能够有效避免因微型断路器失效而引发的一系列事故。且随着智能电网和数字电网战略的提出，智能化已成为断路器发展的重要方向，寿命评估与预测是其智能化的体现之一[1-2]。
查阅近十年的研究文献，关于开关电器寿命评估与预测的研究主要集中在继电器和接触器上。文献[3]利用累积燃弧能量与触头损失质量的关系对接触器进行了寿命预测。文献[4]利用累积允通能量和试验失效阈值对高压直流继电器进行了电寿命预测。文献[5]利用累积触头磨损量和磨损阈值构建了交流接触器寿命预测模型。这种寿命评估与预测方法主要利用了选取的特征量随触头开断次数线性变化的特点，它简单有效，但是对于不同的触头材料需要重新进行电寿命试验来修正关系系数。与上述方法类似的一种方法是利用各类开关电器趋势特征量构建寿命评估与预测模型，如文献[6-7]利用超程时间构建了继电器寿命预测模型。对开关电器进行电寿命试验，容易获得每次分断过程中的电弧电压和电弧电流信号，因此一些专家和学者利用电弧电压和电弧电流挖掘反映开关电器寿命劣化的特征量，并借助一些人工智能模型构建开关电器寿命评估与预测模型，常用的人工智能模型有神经网络[8-9]、粗糙集理论[10-11]、灰度理论模型[12]、隐马尔科夫模型[13]和支持向量机[14]等。
电弧烧蚀触头材料是导致开关电器电寿命劣化的主要原因[15-17]，一些专家和学者也在研究电弧烧蚀触头材料的过程，期望通过构建相关过程的数学模型实现开关电器的寿命评估与预测[18-22]。文献[23]总结了前人对电弧烧蚀触头材料的研究工作，其中包括蒸发侵蚀、喷溅侵蚀等物理模型。但是电弧烧蚀触头材料是一个复杂的物理化学过程，构建一个电弧烧蚀触头材料的数学模型相对困难。
上述的电寿命评估与预测模型主要应用在继电器和接触器上，和继电器、接触器的结构不同，微型断路器是通过转动手柄带动由触头支架、跳扣件、锁扣件和动触头组成的支架组件动作，从而驱动动触头与静触头接触或断开的[24]。而继电器、接触器是通过其控制线圈产生磁场吸引衔铁带动动触头运动来完成动、静触头吸合的。本文首先对额定电流为16A的微型断路器进行电寿命试验，采集了开断过程中的电弧电压和电弧电流信号，并观察了部分开断次数的电弧运动过程。其次通过总结电弧运动过程和电弧电压变化过程的特点，从电弧电压和电弧电流中提取了相关特征量。最后利用趋势特征量构建了微型断路器电寿命评估模型，并通过试验数据对评估模型的准确度进行了测试。
微型断路器内部结构如图1所示。微型断路器动、静触头两侧均有由阻燃材料制成的隔弧壁，其利用空气作为绝缘和灭弧介质。正常情况下，可通过手柄推动操作机构使其分闸；当后级线路处于过载或者短路故障时，热脱扣器或者电磁脱扣器推动跳扣机构使其分闸。微型断路器的静触头一般由引弧角和静接触板两部分组成，灭弧室两侧设有引弧板，在分断电路的过程中，动、静触头间会产生电弧，电弧在自身磁场或外加磁场的作用下向跑弧道运动，最后进入灭弧室，由灭弧室内的金属栅片切割成短弧而熄灭。
图1 微型断路器内部结构
1—下接线端 2—电磁线圈 3—动触头 4—上接线端5—双金属片 6—跑弧道 7—静触头 8—隔弧壁 9—灭弧室
Fig.1 Internal structure diagram of miniature circuit breaker
微型断路器电寿命试验装置结构如图2所示。该装置由试验回路、微型断路器合分闸操作机构、数据采集系统、高速摄像机和上位机五部分组成。试验回路由交流电源、试验微型断路器和可调电阻构成。数据采集系统由一块PCI-3361型数据采集卡和两个DVL1000型电压传感器构成，一个电压传感器用于测量触头间的电压，另一个电压传感器用于测量可调电阻两端的电压，其等同于测量回路电流信号。微型断路器合分闸操作机构由SMART200型PLC、直流电机、接近开关和机械机构组成。上位机软件系统基于LabWindows开发环境设计而成。
图2 微型断路器电寿命试验装置结构
Fig.2 Structure diagram of electrical-lifespan test device for miniature circuit breaker
本文的试验条件见表1。为增强试验结果的可靠性，本文对6个微型断路器进行了电寿命试验。3号微型断路器在分断7 152次后发生合闸失效，其他5个微型断路器虽然在开断10 000次后仍然能够合闸，但是由于触头烧蚀严重（触头烧蚀量超过失效阈值1.3mm）也停止了试验。在试验过程中，每个微型断路器每开断500次便测量一次动静触头厚度、超程、接触电阻和静触头质量。
表1 试验条件
Tab.1 Test parameters
参 数数 值 静触头材料AgC4 试验回路条件AC 235V, 16A, 阻性负载 操作频率/(次/h)210 操作次数10 000 测量的参数及信号动静触头厚度、超程 电弧电压、电弧电流 采集卡采样频率/kHz80 高速摄像机拍摄速度/(帧/s)50 000
进行微型断路器寿命评估与预测，首先需要寻找能够反映其寿命劣化的趋势特征量，其次才能依据趋势特征量建立寿命评估与预测模型。和接触器、继电器等开关电器的结构不同，微型断路器并没有吸合时间等能够明显反映其触点烧蚀量及厚度变化趋势的特征量。随着开断次数的增加，触头材料厚度会明显减小，但是触头厚度难以在线监测，因此无法应用在寿命评估与预测模型中。目前较容易实现在线监测的信号包含电压和电流，随着分断次数的增加，触头表面形貌改变、触头厚度减小等均可能影响触头间电弧的运动过程，进而影响电弧电压和电弧电流。因此电弧电压和电弧电流中可能包含反映微型断路器寿命退化过程的信息，观察触头间的电弧运动过程有助于从电弧电压和电弧电流中提取反映微型断路器寿命退化过程的特征量。
微型断路器开断16A电流时产生的电弧的运动过程如图3所示，与之对应的电弧电压和电弧电流波形如图4所示，图5为分闸过程中触头间距的变化情况。由图3和图5可知，在5.17～6.87ms内，电弧随动触头朝分闸方向运动而拉长；在t =6.87ms时，动、静触头间的间隙达到最大，之后动触头开始回落，动触头上的弧根燃烧更加剧烈；在t = 8.71ms后，电弧再次因动触头朝分闸方向运动而拉长；在t =10.57ms时，电弧因回路电流过零而熄灭。由电弧电压波形可知，在5.17～6.93ms（即t1～t2）内，电弧电压随电弧拉长而快速增大；在t =6.93ms时，电弧电压因电弧更加剧烈燃烧而发生跌落；在t =10.62ms（即t3时刻）时，电弧电压因电弧熄灭而跟随电源电压变化。从图3中可以看出，弧根在整个燃弧时间内都处于触头区域。
图3 电弧运动过程
Fig.3 Pictures of arc motion process
通过观察16A电流下的电弧运动过程及相应的电弧电压波形，可以得到以下信息：
（1）电弧电压中存在电压跌落，其原因是动触头回落引起电弧剧烈燃烧所致。动触头回落是微型断路器分闸过程中的一个普遍现象，当动触头回落时，触头间隙减小，触头间的电场强度增大，以致带电粒子在运动过程中与中性粒子及电极表面发生碰撞的概率增加，产生更多的带电粒子，电弧体积增大，电弧电阻降低，引起电弧电压发生跌落[16-17]。本文统计了图3中电弧区域的像素点数目（电弧体积）和像素点坐标距离（电弧相对长度），它们随时间的变化过程分别如图6和图7所示。由图6可以看出，电弧体积在5.17～6.87ms内随动触头朝分闸方向运动而增大；在6.87～7.14ms内随动触头回落而减小；在7.14～7.4ms内因电弧更加剧烈燃烧而增大；此后，电弧体积随电弧燃烧剧烈程度降低而减小。由图7可以看出，电弧相对长度在5.17～6.87ms内随动触头朝分闸方向运动而增大；在6.87～8.71ms内随动触头回落而减小；此后，电弧相对长度随动触头再次朝分闸方向运动而增大；最后因电弧熄灭变为零。
图4 电弧电压和电弧电流波形
Fig.4 Waveforms of arc voltage and arc current
图5 触头间距变化过程
Fig.5 Variation process of distances between contacts
图6 电弧区域内像素点数目的变化过程
Fig.6 The changing process of the number of pixels in the arc column area
图7 电弧相对长度的变化过程
Fig.7 The changing process of arc column length
（2）阴极弧根比阳极弧根燃烧更加剧烈。由电弧电压波形可知，16A的燃弧过程发生在正半波，根据试验接线，此时静触头电位高于动触头电位。由16A电流下的电弧运动过程可以看出，动触头附近的电弧区域比静触头附近的电弧区域面积大（见图3g），其主要原因是阴极发射电子导致阴极区域附近带电粒子密度大于阳极区域。
（3）16A电流下的电弧几乎不发生弧根转移，在整个燃弧时间内，电弧一直在烧蚀触头材料，所以计算烧蚀触头材料的燃弧能量时需要考虑整个燃弧时间。而针对燃弧期间发生弧根转移的情况，计算烧蚀触头材料的燃弧能量时只需要考虑弧根停留在触头区域时的燃弧能量。
由触头间的电弧运动过程可以看出，动触头运动至最大位置后会发生回落。如果此时触头间的电弧没有熄灭，随着动触头回落，则触头区域内弧根燃烧更加剧烈会引起电弧电压跌落。本文从电弧电压中提取了起弧时刻到电压跌落时刻的时间，即图4中的t1～t2。为描述方便，文中将这段时间称为跌落时间。通过对多组电弧电压波形的分析，发现因动触头回落引起的电压跌落时刻存在三个特点： ①电弧电压由连续增大突然变为连续减小；②电弧电压由连续增大突然变为连续稳定；③发生在动触头首次回落的初期阶段，即电弧电压首次满足条件①和②的时刻。因此可以利用上述三个特点从电弧电压波形中提取电压跌落时刻。本文对比了在同一起弧相位下不同样品的跌落时间随开断次数增加的变化过程，跌落时间随开断次数的变化趋势如图8所示。由图8可以看出，跌落时间随开断次数增加有增大的趋势。在其他起弧相位下跌落时间随开断次数的变化趋势同图8所示的变化趋势一致，这里不再赘述。
图8 跌落时间随开断次数的变化趋势
Fig.8 Changing trend of the voltage reducing time with the number of breaking
图9为微型断路器在不同寿命时期的动触头运动过程示意图。在动触头回落的过程中，假定动静触头间的间隙为d1时，电弧电压发生跌落。由图9可以看出，相比触头寿命初期，若要满足动触头回落到与静触头间隔为d1的位置，触头寿命后期的动触头运动路程将更长，则跌落时间将延长。
图9 动触头运动示意图
Fig.9 Schematic diagram of moving contact movement
跌落时间呈现波浪式增大的主要原因是触头表面并非假设那样一直处于光滑平整状态，触头表面会存在因燃弧留下的微小金属颗粒、微凸起、毛刺或者金属屑[17]，当动触头回落时，电场在这些位置将呈明显增强趋势，引起电子场致发射，以致影响电弧电压跌落的时刻。但是从整体趋势来看，随着开断次数的增加，跌落时间呈现增大的趋势，此特征量可以间接反映微型断路器电寿命状态。
触头分断交流电路时，起弧相位是随机的，但是熄弧时刻总是临近电路电流过零时刻。如果起弧相位过大（即燃弧时间过短），跌落时间就不存在（在动触头回落之前，触头间的电弧已经熄灭）。假设某次分断电路时的起弧相位为j，则此次分断过程的燃弧时间为
（1）
（2）
（3）
式中，w 为电源角频率，w =100p；K为整数，K=0, ±1, ±2, …；i(t)为t时刻的电弧电流瞬时值。
由高速摄像机记录的触头间电弧运动过程照片可知，动触头运动至间隙最大位置时耗费时间为1.74ms，因此跌落时间存在时对应的最大起弧相 位为
（4）由式（4）可知，正半波燃弧时对应的最大起弧相位为145°，负半波燃弧时对应的最大起弧相位为325°。
本文以6只微型断路器为试验对象，对其进行了试验电流为16A的电寿命试验，每次开断过程中产生的燃弧能量为
（5）式中，t1为起弧时刻；t3为熄弧时刻；u(t)为t时刻的电弧电压瞬时值。
如1.3节所述，在对6只微型断路器进行电寿命试验的过程中，每开断500次便测量一次动静触头厚度和超程，本文采用游标卡尺对动静触头厚度和超程这两个参数进行测量，在反复测量10次后将其平均值作为最终测量值，试验前和试验后触头厚度的对比见表2。
图10展示了各样品进行电寿命试验后的累积燃弧能量与触头烧蚀量（即动、静触头厚度减少量）之间的对应关系。由图10可以看出，每只微型断路器的累积燃弧能量与触头烧蚀量之间呈线性关系，且整体分散性较小。此线性关系说明，定量的触头烧蚀量对应着定量的燃弧能量，在相同的燃弧能量下，触头烧蚀量不会随着触头烧蚀程度严重而增大。
表2 样品试验前后触头厚度对比
Tab.2 Comparison of contacts thickness before and after testing
样品动静触头厚度/mm 试验前试验后减少量 2号5.54.171.33 3号5.64.710.89 5号5.43.931.47 6号5.33.931.37 7号5.33.871.43 8号5.33.741.56
图10 累积燃弧能量与触头烧蚀量之间的对应关系
Fig.10 Corresponding relationship between accumulative arcing energy and contacts ablation
图8给出了跌落时间随开断次数的变化趋势，结合触头在不同开断次数时的烧蚀量，本文确定了触头烧蚀量随跌落时间的变化过程，如图11所示。图10和图11分别给出了触头烧蚀量随累积燃弧能量和跌落时间的变化过程，依据该试验结果，本文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跌落时间的变化关系，即
（6） 式中，x1为累积燃弧能量；y1为随累积燃弧能量变化的触头烧蚀量；x2为跌落时间；y2为随跌落时间变化的触头烧蚀量。
图11 跌落时间与触头烧蚀量之间的对应关系
Fig.11 Corresponding relationship between the voltage reducing time and contacts ablation
本文构建的电寿命评估模型为
（7）式中，k1为y1的权重系数；k2为y2的权重系数；y为模型输出的触头烧蚀量。
参照其他电气设备寿命评估方法，并依据生产厂家对微型断路器电寿命等级进行划分的规则，本文将微型断路器的电寿命划分为四个等级，见表3。电寿命的四个等级分别代表微型断路器的不同健康等级，即健康、亚健康、危险和故障。利用在电寿命试验过程中测量和采集得到的触头烧蚀量、电弧电压和电弧电流等数据，本文构建了测试模型准确度的数据集。通过改变权重系数k1的取值，本文比较了不同权重系数下评估模型的准确度，模型准确度随权重系数k1的变化过程如图12所示。由图12可知，当权重系数k1的取值为0.89，权重系数k2的取值为0.11时，构建的电寿命评估模型能够取得最大的准确度，最大准确度为89.26%。
表3 微型断路器电寿命等级划分规则
Tab.3 Dividing regulation of electrical-lifespan level of the miniature circuit breaker
触头烧蚀量y/mm电寿命等级 y＜0.4I 0.4≤y＜0.8Ⅱ 0.8≤y＜1.3Ⅲ y≥1.3Ⅳ
图12 模型准确度随权重系数k1的变化过程
Fig.12 Changing process of model accuracy with changing of weight parameter k1
为了验证本文所提微型断路器电寿命评估方法的适用性，对额定电流16A的某型号微型断路器开展了开断电流为10A、16A和21A三种电流的电寿命试验。该型号断路器与图1和1.3节中所述断路器主要存在两点差异：①该断路器不存在隔弧壁，其灭弧室位置壳体内侧存在凹槽；②该断路器静触头材料采用银氧化镉。
在电寿命试验结束后，整理相应的试验数据，得到了三种电流下跌落时间随开断次数的变化情况，如图13所示。可以看出，跌落时间增大的变化趋势没有因为开断电流增大和减小而发生改变。另外，同3.1节和3.2节所述相同，分别分析了触头烧蚀量与累积燃弧能量和跌落时间之间的关系，触头烧蚀量随累积燃弧能量和跌落时间的变化过程分别如图14和图15所示。
和3.2节所述构建电寿命评估模型的方法相同，利用试验数据分别拟合了触头烧蚀量与累积燃弧能量和跌落时间的关系，即
图13 跌落时间变化过程
Fig.13 Variation process of the voltage reducing time
图14 触头烧蚀量随累积燃弧能量的变化过程
Fig.14 Variation process of contacts ablation with accumulative arcing energy
图15 触头烧蚀量随跌落时间的变化过程
Fig.15 Variation process of contacts ablation with the voltage reducing time increasing
（8）将三种开断电流下的试验数据组合成测试集，选用3.2节所述的电寿命等级划分规则，利用构建的电寿命评估模型对每只试品的电寿命等级进行判定，模型评估准确度与权重系数k1之间的关系如图16所示。由图16可以看出，当权重系数k1的取值在0.84～0.96内时，模型评估准确度均可达88%以上；当权重系数k1=0.93时，模型评估准确度为88.6%。
本文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。通过上述研究工作，可以得到以下结论：
图16 模型准确度随权重系数k1的变化过程
Fig.16 Changing process of model accuracy with changing of weight parameter k1
1）在动触头回落时，电弧电压会出现跌落的过程，提取电压跌落时刻与起弧时刻之间的时间差，将其记为跌落时间。随着微型断路器开断次数的增加，跌落时间整体呈增大的趋势，其主要原因是触头材料的烧蚀导致动触头运动路程延长。
2）各试验样品的触头烧蚀量随累积燃弧能量和跌落时间呈线性增加趋势，利用两个关系式构建的电寿命评估模型具有较高的准确度。该模型能够将容易在线测量的累积燃弧能量和跌落时间表示为难以在线测量的触头烧蚀量，从而实现微型断路器电寿命评估与预测。
3）对同一型号的试品开展了不同电流等级的电寿命试验，利用本文提出的电寿命评估方法构建电寿命评估模型，通过对分别由跌落时间和累积燃弧能量计算得到的触头烧蚀量赋合理权重值，电寿命评估模型的准确率在88%以上。此结果说明，本文所提出的微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。
参考文献
[1] 熊德智, 陈向群, 杨杰, 等. 微型断路器灭弧失效分析及性能优化设计[J]. 电工技术学报, 2019, 34(11): 2333-2341.
Xiong Dezhi, Chen Xiangqun, Yang Jie, et al. Arc extinguishing failure analysis and performance optimization design of miniature circuit breaker[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(11): 2333-2341.
[2] Lü Sen, Zong Ming, Yu Siyang. Design and analysis of a novel overload current estimation method for traditional miniature circuit breaker[J]. IET Electric Power Applications, 2020, 14(10): 1898-1905.
[3] Kawakami Y, Hasegawa M, Watanabe Y, et al. An investigation for the method of lifetime prediction of Ag-Ni contacts for electromagnetic contactor[C]// Proceedings of the Fifty-First IEEE Holm Conference on Electrical Contacts, Chicago, IL, USA, 2005: 151-155.
[4] Cui Xinglei, Zhou Xue, Zhai Guofu, et al. Electrical lifespan prediction of HVDC relay based on the accumulated arc erosion mass[J]. IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Tech- nology, 2018, 8(3): 356-363.
[5] 郑淑梅, 李奎, 刘政君, 等. 基于触头电弧侵蚀的交流接触器电寿命分布特征研究[J]. 中国电机工程学报, 2017, 37(22): 6730-6739, 6786.
Zheng Shumei, Li Kui, Liu Zhengjun, et al. Research on distributional characteristic of electrical endurance of AC contactor based on arc erosion[J]. Proceedings of the CSEE, 2017, 37(22): 6730-6739, 6786.
[6] 翟国富, 王淑娟, 许峰, 等. 基于超程时间和吸合时间建模的继电器双变量寿命预测方法的研究[J]. 中国电机工程学报, 2002, 22(7): 76-80.
Zhai Guofu, Wang Shujuan, Xu Feng, et al. Research on double-variable life forecasting based on model- building of super-path time and pick-up time for relays[J]. Proceedings of the CSEE, 2002, 22(7): 76-80.
[7] 付饶, 梁慧敏, 叶雪荣, 等. 接触器触点超程分析及其退化状态的诊断[J]. 电工技术学报, 2020, 35(1): 125-133.
Fu Rao, Liang Huimin, Ye Xuerong, et al. Analysis of the contact overtravel of contactor and its degradation state evaluation[J]. Transactions of China Electro- technical Society, 2020, 35(1): 125-133.
[8] 李奎, 李晓倍, 郑淑梅, 等. 基于BP神经网络的交流接触器剩余电寿命预测[J]. 电工技术学报, 2017, 32(15): 120-127.
Li Kui, Li Xiaobei, Zheng Shumei, et al. Residual electrical life prediction for AC contactor based on BP neural network[J]. Transactions of China Elec- trotechnical Society, 2017, 32(15): 120-127.
[9] 李志刚, 刘伯颖, 李玲玲, 等. 基于小波包变换及RBF神经网络的继电器寿命预测[J]. 电工技术学报, 2015, 30(14): 233-240.
Li Zhigang, Liu Boying, Li Lingling, et al. Life prediction of relay based on wavelet packet transform and RBF neural network[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2015, 30(14): 233-240.
[10] 李玲玲, 张士暖, 李志刚, 等. 基于粗糙集理论和生命初态信息的继电器寿命预测方法[J]. 电工技术学报, 2016, 31(18): 46-53.
Li Lingling, Zhang Shinuan, Li Zhigang, et al. The life prediction method of relay based on rough set theory and relay’s initial life information[J]. Transa- ctions of China Electrotechnical Society, 2016, 31(18): 46-53.
[11] 孙曙光, 王锐雄, 杜太行, 等. 基于粗糙集与证据理论的交流接触器预期电寿命预测[J]. 电工技术学报, 2020, 35(10): 2158-2169.
Sun Shuguang, Wang Ruixiong, Du Taihang, et al. Expected electrical life prediction of AC contactor based on rough set and evidence theory[J]. Transa- ctions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(10): 2158-2169.
[12] 孙永奎, 张玉琢, 徐超凡, 等. 安全型继电器失效机理判别与寿命预测[J]. 交通运输工程学报, 2018, 18(3): 138-147.
Sun Yongkui, Zhang Yuzhuo, Xu Chaofan, et al. Failure mechanisms discrimination and life prediction of safety relay[J]. Journal of Traffic and Trans- portation Engineering, 2018, 18(3): 138-147.
[13] 赵书涛, 王波, 华回春, 等. 基于马尔科夫模型的直流断路器可靠性评估方法[J]. 电工技术学报, 2019, 34(增刊1): 126-132.
Zhao Shutao, Wang Bo, Hua Huichun, et al. Reliability evaluation method of DC circuit breaker based on Markov model[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(S1): 126-132.
[14] 付饶, 梁慧敏, 叶雪荣, 等. 接触器触点超程分析及其退化状态的诊断[J]. 电工技术学报, 2020, 35(1): 125-133.
Fu Rao, Liang Huimin, Ye Xuerong, et al. Analysis of the contact overtravel of contactor and its degradation state evaluation[J]. Transactions of China Electro- technical Society, 2020, 35(1): 125-133.
[15] Leung C H, Lee A. Electric contact materials and their erosion in automotive DC relays[C]//Proceedings of the 37th IEEE Holm Conference on Electrical Contacts, New York, 1991: 114-121.
[16] 曹启纯, 刘向军. 高压直流继电器电弧运动仿真分析与实验研究[J]. 电工技术学报, 2019, 34(22): 4699-4707.
Cao Qichun, Liu Xiangjun. Simulation analysis and experimental research on arc motion in high voltage DC relay[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(22): 4699-4707.
[17] 任帅, 宫鑫, 戴宏宇, 等. 百千安冲击电弧作用下纳米Al2O3掺杂对钨铜电极耐烧蚀性能的影响[J]. 电工技术学报, 2020, 35(9): 1880-1890.
Ren Shuai, Gong Xin, Dai Hongyu, et al. Effect of nano-Al2O3 doping on erosion resistance of tungsten- copper electrode under 100kA pulsed arc[J]. Transa- ctions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(9): 1880-1890.
[18] Cui Xinglei, Zhou Xue, Zhai Guofu, et al. Evaporation erosion during the relay contact breaking process based on a simplified arc model[J]. Plasma Science and Technology, 2016, 18(5): 512-519.
[19] 付思, 曹云东, 李静, 等. 触头分离瞬间真空金属蒸气电弧形成过程的仿真[J]. 电工技术学报, 2020, 35(13): 2922-2931.
Fu Si, Cao Yundong, Li Jing, et al. Simulation researches on vacuum metal vapor arc formation at the initial moment of contact parting[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(13): 2922-2931.
[20] 刘帼巾, 李想, 王泽, 等. 基于Wiener过程电子式漏电断路器的剩余寿命预测[J]. 电工技术学报, 2022, 37(2): 528-536.
Liu Guojin, Li Xiang, Wang Ze, et al. Remaining life prediction of electronic residual current circuit breaker based on Wiener process[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2022, 37(2): 528-536.
[21] 付思, 曹云东, 李静, 等. 真空金属蒸气电弧作用下阴极表面蚀坑形成过程[J]. 高电压技术, 2020, 46(3): 843-851.
Fu Si, Cao Yundong, Li Jing, et al. Formation of crater on cathode surface in vacuum metal vapor arc[J]. High Voltage Engineering, 2020, 46(3): 843- 851.
[22] 向川, 黄智慧, 董华军, 等. 真空开关电弧对阳极加热作用的仿真研究[J]. 高电压技术, 2017, 43(12): 3929-3937.
Xiang Chuan, Huang Zhihui, Dong Huajun, et al. Simulation research of heating process in anode by vacuum arc[J]. High Voltage Engineering, 2017, 43(12): 3929-3937.
[23] 翟国富, 薄凯, 周学, 等. 直流大功率继电器电弧研究综述[J]. 电工技术学报, 2017, 32(22): 251- 263.
Zhai Guofu, Bo Kai, Zhou Xue, et al. Investigation on breaking arc in DC high-power relay: a review[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2017, 32(22): 251-263.
[24] 周红兵, 倪育强. 一种动触头安装结构、操作机构及小型断路器: 中国, 210200657U[P]. 2020-03-27.
Electrical Lifespan Evaluation of Miniature Circuit Breakers
Abstract Contact failure caused by arc ablation of contact materials is the main cause of the electrical-lifespan deterioration for miniature circuit breakers (MCBs). The study of electrical-lifespan evaluation method of MCBs is of great significance for improving safety and reliability of electricity networks. Taking some MCBs with a rated current of 16A as the object of the electrical-lifespan test, this paper observed the process of arc motion happened between moving contact and fixed contact via a high-speed camera, and extracted the characteristic quantities reflecting the degradation process of the MCB electrical lifespan from the waveform of arc voltage. Besides, this paper investigated the corresponding relationship of the contact ablation with the accumulative arcing energy and voltage reducing time respectively, and built an electrical-lifespan evaluation model of MCBs with these two characteristic quantities. The results show that the voltage reducing time has a tendency to increase with the increase of the number of breaking. The model accuracy test by experimental data shows that the evaluation method is suitable for the situation of different currents, and the evaluation error is acceptable, which can be used to assess the electrical lifespan of MCBs.
keywords：Miniature circuit breakers, the process of arc motion, obvious characteristic quantities, evaluation model
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.210849
中图分类号：TM561.1
何志鹏 男，1996年生，硕士研究生，研究方向为低压开关电器寿命评估及可靠性分析。E-mail: 3213325846@qq.com
赵 虎 男，1986年生，博士，副教授，主要研究方向为低压开关电器智能化、电器设备状态检测技术。E-mail: hzhao@nwpu.edu.cn（通信作者）
收稿日期 2021-06-14
改稿日期 2021-10-18
（编辑 陈 诚）