基于燃弧能量估计的低压断路器寿命预测方法

doi:10.16628/j.cnki.2095-8188.2025.01.002

电器与能效管理技术 ›› 2025, Vol. 0 ›› Issue (1): 6-13.doi: 10.16628/j.cnki.2095-8188.2025.01.002

基于燃弧能量估计的低压断路器寿命预测方法

徐佳宁¹, 杨皓文¹, 高偲智¹, 陈思磊², 李兴文¹

1.西安交通大学电工材料电气绝缘全国重点实验室, 陕西西安 710049
2.西安理工大学电气工程学院, 陕西西安 710048

收稿日期:2024-09-15 出版日期:2025-01-30 发布日期:2025-03-17
作者简介:徐佳宁(2000—),女,硕士研究生,研究方向为低压电器的可靠性与寿命预测。|杨皓文(2001—),男,硕士研究生,研究方向为电力设备在线监测与故障诊断。|高偲智(1999—),男,博士研究生,研究方向为低压直流开断新技术及其可靠性。
基金资助:
陕西省科技计划项目(2022TD-59)

Life Prediction Method of Low Voltage Circuit Breaker Based on Arc Energy Estimation

XU Jianing¹, YANG Haowen¹, GAO Caizhi¹, CHEN Silei², LI Xingwen¹

1. The State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China
2. School of Electrical Engineering, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China

Received:2024-09-15 Online:2025-01-30 Published:2025-03-17

摘要/Abstract

摘要：

低压断路器的寿命预测有利于保障电力系统的安全稳定运行。当前低压断路器寿命预测方法依赖于触头质量、振动等数据的测量和分析,而数据的获取成本过高且处理过程复杂。为此,提出一种基于燃弧能量估计的低压断路器寿命预测方法。首先,采集时间信号和电信号,计算单次燃弧时间和单次燃弧能量映射数据集,并分析两者的相关性;其次,建立拟合函数估计累计燃弧能量,构建剩余电寿命预测模型;最后,利用某塑壳断路器(MCCB)寿命试验数据进行验证。结果表明,所提模型可取得较为理想的寿命预测准确度,为低压断路器的寿命预测提供理论与实践依据。

关键词: 寿命预测, 低压断路器, 燃弧能量, 函数拟合

Abstract:

Predicting the remaining life of low voltage circuit breakers is crucial for ensuring the safety and stability of power systems.The current life prediction methods rely on the measurement and analysis of data such as contact mass and vibrations, which involve high costs and complex processing.In response to this, a life prediction method for low voltage circuit breakers based on arc energy estimation is proposed.Initially, the time and electrical signals are collected to compute a dataset of single arc duration and single arc energy, and their correlation is analyzed.Subsequently, a fitting function is established to estimate the accumulated arc energy, which is used to construct a remaining electrical life prediction model.Finally, the validation using the life test data from a specific molded case circuit breaker (MCCB) demonstrates that the model achieves a satisfactory level of prediction accuracy.The proposed method provides the theoretical and practical foundations for the life prediction of low voltage circuit breakers.

Key words: life prediction, low voltage circuit breaker, arc energy, function fitting

中图分类号:

TM561

徐佳宁, 杨皓文, 高偲智, 陈思磊, 李兴文. 基于燃弧能量估计的低压断路器寿命预测方法[J]. 电器与能效管理技术, 2025, 0(1): 6-13.

XU Jianing, YANG Haowen, GAO Caizhi, CHEN Silei, LI Xingwen. Life Prediction Method of Low Voltage Circuit Breaker Based on Arc Energy Estimation[J]. LOW VOLTAGE APPARATUS, 2025, 0(1): 6-13.

图/表 11

图1

图2

图3

图4

图5

图6

图7

表1

不同拟合函数的表达式、系数及预测准确率

函数	表达式	常数系数	$α —$ /%
多项式	g_pred_j=p₁ $t a r c j 2$ +p₂t_arc_j+p₃	$p 1 = 8.19 × 105 p 2 = 199.9 p 3 = 1.93$	96.1
指数函数	g_pred_j=a $e b t a r c j$	$a = 3.11 b = 356.2$	93.1
傅里叶变换函数	g_pred_j=a₀+a₁cos(wt_arc_j)+ b₁sin(wt_arc_j)	$a 0 = 23.88 a 1 = 20.64 b 1 = 9.17 w = 434.6$	98.4
高斯函数	g_pred_j=a₁ $e - t a r c j - b 1 c 1 2$	$a 1 = 45.81 b 1 = 0.0077 c 1 = 0.0029$	99.1
威布尔分布函数	g_arc_j=abx⁽^b^-1) $e a x b$	$a = 1.03 × 106 b = 3.268$	97.9
幂函数	g_arc_j=ax^b	$a = 1.05 × 106 b = 2.06$	98.0

表1

图8

图9

图10

参考文献 20

[1]	MATAVALAM R R A, BHARATI A K. Reliability assessment of industrial circuit breakers with design enhancements[C]// 2018 IEEE International Conference on Probabilistic Methods Applied to Power Systems (PMAPS),2018:1-6.
[2]	何志鹏, 赵虎. 小型断路器电寿命试验研究[J]. 电器与能效管理技术, 2022(1):19-26.
[3]	SLADE P G. Electrical contacts:Principles and applications[M]. 2nd Edition. Boca Raton: CRC Press, 2014.
[4]	RONG M, MA Q, WU Y, et al. The influence of electrode erosion on the air arc in a low-voltage circuit breaker[J]. Journal of Applied Physics, 2009, 106(2):23308.
[5]	杨义政, 杨文学, 杨园, 等. 电弧停滞时间对交流断路器电寿命性能的影响研究[J]. 电器与能效管理技术, 2020(2):15-19.
[6]	尹健宁, 李兴文, 刘超, 等. 频率对低压断路器空气电弧燃弧特性影响的实验研究[J]. 高电压技术, 2021, 47(11):3913-3922.
[7]	胡博凯, 李奎, 牛峰, 等. 低压断路器机械特性状态监测方法研究[J]. 电工技术学报, 2022, 37(13):3317-3330.
[8]	赵成晨, 李奎, 胡博凯, 等. 变应力条件下低压断路器剩余电寿命预测[J]. 中国电机工程学报, 2022, 42(21):8004-8016.
[9]	王冰青, 高孝天, 周英姿. 低压断路器健康管理试验与研究[J]. 电器与能效管理技术, 2024(5):30-35.
[10]	SUN S, WEN Z, DU T, et al. Remaining life prediction of conventional low-voltage circuit breaker contact system based on effective vibration signal segment detection and MCCAE-LSTM[J]. IEEE Sensors Journal, 2021, 21(19):21862-21871.
[11]	蔚德申, 王景芹, 王丽, 等. 基于灰色理论的低压断路器寿命预测模型的研究[J]. 电力科学与技术学报, 2019, 34(4):35-41.
[12]	李家豪, 王青于, 范玥霖, 等. 鲸鱼优化算法-双向长短期记忆神经网络用于断路器机械剩余寿命的预测研究[J]. 高电压技术, 2024, 50(1):250-262.
[13]	李林. 低压断路器触点电气寿命试验及预测研究[D]. 西安: 西安理工大学, 2021.
[14]	张丽萍, 石敦义, 缪希仁. 低压断路器振动特性分析及其故障诊断研究[J]. 电机与控制学报, 2016, 20(10):82-87.
[15]	周英姿, 陈正馨, 王冰青. 万能式断路器触头磨损传感器的仿真设计[J]. 电器与能效管理技术, 2024(7):65-68.
[16]	WANGZ Y, CHEN X B, GUO J H, et al. Experimental study on arc motion and electrode erosion behavior of MCCB[C]// 2023 5th International Conference on Power and Energy Technology (ICPET),2023: 468-473.
[17]	KIMB C, KIM S T, AHN K Y, et al. A study on electrical lifespan of VI by means of calculation of arc energy during arcing time in synthetic tests[C]// 2015 3rd International Conference on Electric Power Equipment-Switching Technology (ICEPE-ST),2015: 81-84.
[18]	全国低压电器标准化委员会. 低压开关设备和控制设备第2部分:断路器:GB/T 14048.2—2020[S]. 北京: 中国标准出版社, 2020.
[19]	TAEV I S, PARKHOMENKO S V, GORSHKOV Y E, et al. A mathematical model for the calculation of EVTSM arc processes in circuit breakers[J]. Izv.Universities.Electromechanics, 1980(3):308-315.
[20]	XIONG S, GAO T, GAO C, et al. Condition assessment of low voltage circuit breaker based on long short-term memory network[C]// 2023 IEEE 4th International Conference on Electrical Materials and Power Equipment (ICEMPE), 2023: 1-4.

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[1]	古知昊, 吴承创, 张超, 何育斌, 任万滨. 高压直流接触器寿命预测模型的研究[J]. 电器与能效管理技术, 2025, 0(1): 1-5.
[2]	袁娟, 陈正豪, 郑连清. 基于任务剖面的光伏逆变器寿命预测研究[J]. 电器与能效管理技术, 2024, 0(9): 1-7.
[3]	陈雪琴, 陈正馨. 低压断路器健康管理技术与标准化[J]. 电器与能效管理技术, 2024, 0(9): 77-80.
[4]	孙昊, 周柳君, 张新宇, 吴翊, 纽春萍. 低压断路器中铁磁性栅片的近极压降影响因素[J]. 电器与能效管理技术, 2024, 0(8): 21-26.
[5]	张威, 张宇, 麻玉林, 胡辰. 低压断路器的电场分析与优化设计[J]. 电器与能效管理技术, 2024, 0(8): 45-49.
[6]	马东坤, 王召斌, 何天洋. 电磁继电器的剩余使用寿命预测方法综述[J]. 电器与能效管理技术, 2024, 0(7): 1-8.
[7]	陈昌足, 周超, 金平平. 小型断路器外壳热固改热塑对短路分断性能的影响与优化[J]. 电器与能效管理技术, 2024, 0(5): 53-60.
[8]	陈昇, 刘亮, 孙凯革. 基于超程时间退化特性的电磁接触器寿命预测方法[J]. 电器与能效管理技术, 2024, 0(2): 66-71.
[9]	杨诺铭, 吴自然, 刘泽州, 吴晨茜, 吴桂初, 林义刚. 基于残差网络回归的直流断路器电寿命预测方法[J]. 电器与能效管理技术, 2024, 0(10): 7-18.
[10]	朱佳淼, 王召斌, 李久鑫. 基于POA优化支持向量回归模型的航天电磁继电器贮存寿命预测[J]. 电器与能效管理技术, 2023, 0(8): 61-67.
[11]	乔青云, 王召斌, 刘百鑫, 陈康宁. 基于WOA-SVM模型的电磁继电器贮存寿命预测研究[J]. 电器与能效管理技术, 2023, 0(2): 1-5.
[12]	李少飞, 王召斌, 张文行. 基于深度学习的继电器剩余使用寿命预测研究综述[J]. 电器与能效管理技术, 2023, 0(10): 1-7.
[13]	李久鑫, 王召斌, 朱佳淼. 继电器贮存可靠性研究方法综述[J]. 电器与能效管理技术, 2022, 0(6): 1-5.
[14]	陈康宁, 王召斌, 李朕, 乔青云. 基于萤火虫算法优化的改进灰色模型的弹用继电器贮存寿命预测方法[J]. 电器与能效管理技术, 2022, 0(4): 1-5.
[15]	乔青云, 王召斌, 陈康宁, 刘百鑫, 朱佳淼. 继电器贮存可靠性分析和加速退化试验综述[J]. 电器与能效管理技术, 2022, 0(1): 1-6.