线圈电流零相位分断下交流接触器电寿命预测*

郑淑梅，李奎，刘政君，李正广，高志成

(河北工业大学 省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室， 河北省电磁场与电器可靠性重点实验室，天津300130)

0 引 言

交流接触器是电力行业广泛使用的一种低压控制电器，主要用于远距离频繁地接通和断开交流主电路及大容量控制电路。随着各领域对交流接触器需求量的不断增大，接触器的可靠性对整个供配电系统的安全性影响越来越大，特别是关系国计民生的关键场合，单台接触器的失效可能造成严重的后果和重大的损失[1-2]。因此，研究交流接触器的剩余电寿命对提高整个系统的可靠性和安全性有重要的意义。

交流接触器主要由线圈控制电路和主电路组成，线圈电路的控制方式影响了主电路触头的分断特点，进而影响了交流接触器的电寿命。目前对交流接触器的研究主要集中在接触器动态性能的改善、可靠性的提高、寿命的延长、电寿命预测等方面。在交流接触器动态特性改善方面，文献[3-4]针对交流接触器动态响应不确定性问题，提出了单台交流接触器及整批交流接触器动态响应不确定性的评价指标，为进一步优化产品结构、提高其动态性能提供了依据。文献[5]利用Ansys电磁场软件，采用基于遗传算法的人工鱼群优化算法实现了智能交流接触器的快速分断，减小了机构分散性、提高了首开相零电流分断的准确性与稳定性。文献[6-7]采用分时PWM控制方法，通过对占空比的调节，实现了线圈在不同激励下的动态特性参数预测。文献[8-11]将线圈电压、电流、铁心位移量等有效的动态特征信号作为反馈信号，建立了接触器闭环控制系统，提高了交流接触器动态特性稳定性和触头分断相角控制的精度。

在延长接触器电寿命方面，主要手段是通过控制起弧相角降低分断过程中电弧对触头的侵蚀，方案有：(1)通过改变三相触头结构，保证交流接触器在分断时三个触头依次打开，使三相触头分别满足各自的最小燃弧条件[12-14];(2)通过三相轮流设定最小起弧相角的方式，平衡交流接触器三相触头的质量损失，使触头整体质量损失最小、电寿命最高[15];(3)采用小规格接触器组合代替传统大规格接触器的异步组合式智能控制方案，配以智能控制模块的结构，实现了接触器三相触头零电流分断控制[16]。在交流接触器电寿命预测方面，文献[17]根据断路器触头磨损机制，考虑开断电流与燃弧时间对触头电磨损量的影响，建立了交流接触器剩余相对电寿命模型。文献[18-19]对交流接触器开断过程中的电弧特性进行研究，分析了起弧相角、燃弧能量、燃弧电量、燃弧时间对电寿命的影响，并将这四种变量作为反映触头磨损的特征参量，应用到条件密度估计模型中预测交流接触器的剩余相对电寿命。文献[20]建立了基于BP神经网络的交流接触器剩余电寿命的预测模型，在相同试验或工作条件下，通过部分试品数据，实现了同一批次接触器产品的剩余电寿命预测。

综合以上研究成果可以发现，是交流接触器控制技术改善了接触器的动态性能、提高了接触器的可靠性、延长了使用寿命[21]。而控制技术的本质是应用微处理器及相关电力电子技术实现对触头固定相角(指闭合相角/起弧相角)准确控制，减少触头的弹跳及实现触头的无弧分断，降低电弧对触头的侵蚀。目前有关交流接触器电寿命预测研究，并未考虑相角控制方式的问题，文中将固定相角控制方式与寿命预测相结合，研究触头的磨损特征，建立交流接触器电寿命预测模型。线圈电流零相位分断方式作为一种常见且常被忽视的固定相角控制方式，研究此情况下接触器电寿命预测问题具有很强的实用价值。

1 线圈电流零相位分断方式下交流接触器触头磨损特点

1.1 线圈电流零相位分断方式

图1所示为交流接触器工作系统框图，交流接触器的主回路用来控制电机、工业自动化装置等大功率电路的接通和分断，交流接触器的线圈回路通常由具自动控制功能的控制器件组成回路，实现对交流接触器主回路接通和分断控制。这些控制器件都有两个输入端(端子1和2)和两个输出端(端子3和4)。控制器件的输出端常串联在交流接触器的线圈回路中，用于交流信号的控制。

图1 交流接触器工作系统框图

对于线圈控制电路，控制器件何时接通和分断将直接影响接触器触头的弹跳和燃弧情况，导致接触器主触头磨损程度不同。电磁继电器、固态继电器是接触器线圈回路常用的控制器件，在进行控制时，线圈控制回路具有相同的分断特点。

电磁继电器等触点式开关电器切断交流线圈回路时，根据交流电弧熄灭原理，触头只有等到交流线圈电流自然过零时才能分断线圈回路。同样，对于交流固态继电器来说，内部集成有可控硅元件，交流接触器线圈电流过零时才能分断线圈回路。为简化，文中将交流线圈电流自然过零分断的这种分断方式称为线圈电流零相位分断，就这种方式对接触器的电寿命进行研究。

1.2 线圈电流零相位分断方式下接触器的动作特点及磨损情况

交流接触器的触头磨损主要是由分断过程中高温电弧的侵蚀引起的，燃弧时间越长，触头磨损越严重。起弧相角是反映燃弧时间和触头磨损程度的重要参量。图2所示是线圈电流零相位分断方式下交流接触器分断过程电压电流示意图。此处假设线圈的电源与接触器的主回路的电源共用一个电源。

图2 线圈电流零相位分断方式下交流接触器分断过程电压电流示意图

φAPA=φ1+2π×Δt/T±kπ

(1)

式中T为电源周期；k取整数并保证0≤φAPA﹤2π。φ1与功率因数角和线圈的阻抗角有关。

从公式(1)可以分析得到：试验条件固定，在不考虑触头磨损和操作机构动作时间分散性的情况下，可认为φ1和Δt是固定值，因此三相触头的起弧相角φAPA是固定的且相位差按A-C-B的顺序彼此相差60°。

起弧相角的大小和触头的磨损量息息相关[19-20]，因此，起弧相角固定将导致三相触头在每次分断操作时的磨损量是固定的，三相触头起弧相角存在相位差又将导致三相磨损量是不同的，所以必定存在其中一相触头的磨损一直很大，磨损最大相也最终决定了交流接触器的电寿命。因此，实现线圈电流零相位分断方式下交流接触器的寿命预测首要任务是判别出磨损最大相，然后根据此相磨损量的特点实现交流接触器电寿命的预测。

2 线圈电流零相位分断方式下交流接触器的电寿命预测模型

2.1 磨损最大相的判别方法

理论上，在不考虑重燃的情况下，触头在接近 APA为π-或(0-)分断时，触头的燃弧时间最短，磨损量最小，是三相触头的首熄弧相；触头在接近 APA为π+或(0+)分断时，触头的燃弧时间最长，磨损量最大。理论上，通过起弧相角大小即可判别交流接触器的磨损最大相。实际上，交流接触器的触头起弧相角不是固定的，具有一定的随机性，主要原因有：

(1)在试验过程中，虽然试验电路参数和试验方法相同，但供电电网电压、试验环境的温湿度会波动，这些波动都会影响接触器的动作时间，造成APA不固定；

(2)接触器的制造品质、做工、操作机构每次动作时间的随机性以及触头的磨损及表面形貌的差异会使得APA呈现一定的随机性；

(3)控制方式的控制精度，如电磁继电器熄弧时刻、SSR的动作时间也存在一定的范围，不是一个精确的固定值。

因此，用起弧相角来判别磨损最大相是不准确的，尤其是起弧相角范围分布在0或π两侧时。但三相触头熄弧有明显的先后顺序，所以首熄弧相容易识别并且同样可以反映触头磨损量的大小，因此文中提出基于首熄弧相在三相中的分布均匀度来确定触头磨损最大相的方法。定义首熄弧相在三相中的分布均匀度为λ，定义λ为：

(2)

在不考虑重燃的情况下，首熄弧相的燃弧时间最短，磨损量最小，可以判断交流接触器的磨损最小相，然后通过三相触头之间的相位关系推断触头磨损最大相。表1所示为磨损最大相和λ值的一一对应关系。

表1 磨损最大相和λ值的对应关系

2.2 基于磨损最大相的交流接触器电寿命预测模型

一般可以认为交流接触器的三相触头可以承受的极限磨损量是相同的。三相中任何一相的触头磨损达到了磨损量阈值都会导致整个交流接触器的失效。根据能量累积效应，在线圈电流零相位分断方式下磨损最大相的磨损量最先到达阈值，即磨损最大相的操作次数就是交流接触器的寿命。因此，在确定磨损最大相之后，可以根据磨损最大相的磨损量来预测其还能承受的剩余负荷能力。假设交流接触器触头的磨损阈值Q固定且磨损量线性累积，交流接触器的剩余电寿命可表示为：

(3)

对于单次磨损量qj计算，触头磨损主要是电弧电流对触头的电磨损。从电弧的外特性上分析，触头磨损量可用电弧电流和燃弧时间的积分定义，则交流接触器单次开断触头磨损量为：

(4)

式中ij和tj分别为k相第j次开断电流和燃弧时间，其中，燃弧时间的计算公式为：

(5)

将式(5)代入式(4)中得到了起弧相角与单次动作触头磨损量的关系为：

(6)

式中I为分断电流的有效值；ω为交流电源的角频率；φj为第j次分断电流时的起弧相角；α为电弧侵蚀常数，与触头结构与材料、灭弧系统等有关，可以认为同一批次交流接触器的电弧侵蚀常数相同。

3 实例分析

3.1 试验验证

为了验证预测模型的准确性和适用性，文中对CJX2-9A型的交流接触器进行电寿命试验，线圈控制采用交流固态继电器(AC-SSR)控制，试验设备如图3所示，试验条件如表2所示。

图3 交流接触器电寿命试验装置

试验参数数值线圈电压/V220功率因数0.65额定电流/A9试验电流/A36操作频率/Hz300负载类型AC4试品个数3

按表2所示的试验条件对3个交流接触器进行了电寿命试验。试验设备采用自主研制的交流接触器寿命试验装置，实时采集交流接触器每次动作过程中的触点间的电压电流波形及线圈电流波形，根据电压电流波形每隔100次提取各相触头的起弧相角、燃弧时间、触头的磨损量等特征参数并保存。

图4为1# 试品三相触头起弧相角的分布图。从图4中可以看出，每相触头的APA明显分布在两条水平线上。三相的APA分布几乎一致。从APA的数值上看，每相APA的两条线所对应的平均值相差180°左右，三相的APA相位差之间相差60°，这是由于三相电源彼此相差120°的导致的。这些试验结果与理论分析的结果完全一致，验证了2.2节中理论分析的正确性。图5为1# 试品触头磨损量随着操作次数的变化。图6为1# 试品首熄弧相在三相中占的比重。表3所示1# 试品首熄弧相在三相中的分布均匀度。图7为1# 试品磨损最大相起弧相角的分布。

图4 试品1的APA随操作次数的变化

图5 试品1的触头磨损量随操作次数的变化(α=1)

图6 试品1首熄弧相在三相中占的比重

触头λ1λ2λ3数值100%58%158%

图7 磨损最大相起弧相角的分布

从图5中可以看出，1#试品的电寿命为38 685，在AC-SSR控制下交流接触器的三相触头磨损量很不均匀，A相的触头磨损量一直最大，累积磨损量阈值为7.5×103A2·S；C相的触头磨损量一直最小，累积磨损量阈值为2×103A2·S；A相的磨损量约是C相的磨损量的3.7倍。同时，触头磨损最大相的磨损率几乎是不变的，呈直线上升的趋势，也证明了预测模型假设的正确性。

从图6可以看出，首熄弧相在C相中所占的比例最高，高达86.08%，其次是B相，在A中所占的比例最少，为0%。从分布均匀度的角度看，λ3的值最大，即A相是磨损量最大相，而B相的磨损处在中等水平，磨损最均匀，而C相的磨损最小。这个结论与图5中的试验结果一致，同时验证了表1中理论分析的正确性。

在图7中显示了磨损最大相A相的起弧相角分布，起弧相角几乎分布在[0°,60°]和[180°,240°]两个范围内(虚线红色区域所示)，这两个区域也是产生触头磨损量最大的区域，占到了所有操作次数的86.08%，这是导致A相磨损最严重的主要原因。

3.2 寿命预测

将试品1 A相的触头磨损量阈值Q=7.5×103A2·S 作为交流接触器能够承受的电弧侵蚀的磨损量阈值，对2#、3#试品的电寿命进行预测。图8和图9分别是2#、3#试品在运行了2万次时，对首熄弧相和磨损最大相的分析。表4所示是2#、3#试品在运行了2万次时的电寿命预测结果。

图8 试品2最大磨损相分析

图9 试品3最大磨损相分析

试验参数试品2试品3λ3170%180%磨损最大相A相A相平均磨损量0.203 A2·S0.202 A2·S实际电寿命17 66516 799预测电寿命18 51315 732绝对误差4.8%2.9%

对于2# 试品，图8(a) 中的首熄弧相在C相中所占的比例最高，高达90.22%，其次是B相，A中所占的比例最少，为0%。图8(b)中磨损量最大区域所占的比例很大。与1# 试品相比，首熄弧相的分布更加不均匀。

对于3# 试品，图9(a) 中的首熄弧相在C相中所占的比例最高，高达93.54%，其次是B相，A中所占的比例依然最少。图9(b)中磨损量最大区域所占的比例很大。与1# 、 2# 试品相比，首熄弧相的分布更加不均匀。

从表4可以看出，2# 试品运行了2万次时，λ3=170%，A相为磨损最大相，用公式(3)计算剩余寿命为R=18 513，与实际的剩余寿命的绝对误差为ε=4.8%。同样，3# 试品在运行2万次时，λ3=180%，A相为磨损最大相，用公式(3)计算剩余寿命为R=15 732，与实际的剩余寿命的绝对误差为ε=2.9%。图10所示是2# 、 3# 试品在不同运行次数下的寿命预测误差。

图10 2# 、3# 试品在不同次数下的寿命预测绝对误差

如图10所示，2# 和3# 的剩余寿命预测误差随着寿命的逼近越来越小，但两试品的变化率有所不同。前期，2# 试品的剩余寿命预测误差比3# 试品的预测误差整体偏大，分析其原因是由于2# 实际的失效阈值与1# 试品的阈值相差较大，同时首熄弧相比例不同也会导致预测结果不同。2# 和3# 的剩余寿命预测误差变化率不同是因为2# 试品的磨损速度快，加上实际寿命长，所以绝对误差曲线变化较快。但两个试品的最大预测误差均<7.5%，预测误差较小，满足工程的需要。同时预测结果也说明不同产品间会存在个体差异，但对于设计和制造工艺成熟的交流接触器，在相同的试验条件下，其个体差异较小。另外，当用一个交流接触器数据来预测同批其他试品的寿命时，条件密度估计法预测的最小误差是10%[15]，神经网络模型预测的最大误差11%[20]，而所提方法预测寿命最大误差是7.5%，所以，所提方法的预测误差更小，同时可以使用在小样本情况下。

4 结束语

文中对线圈电流零相位分断控制方式下交流接触器电寿命进行预测研究，建立了这种常见控制方式下的接触器预测模型。主要研究内容和取得的成果如下：

(1)线圈电流零相位分断控制方式下交流接触器的三相触头起弧相角的分布很集中，三相触头磨损很不均匀，交流接触器的电寿命会降低；

(2)利用首熄弧相的分布均匀度确定磨损最大相，触头磨损累积呈近似的线性增加。基于磨损最大相最先失效建立了交流接触器电寿命预测模型，通过试验验证，此模型可以实现对同一批次下同类交流接触器的剩余电寿命预测，误差满足工程的需要；

(3)文中所建模型可以应用在其他固定相角控制方式下交流接触器电寿命预测上。

所提的预测模型受触头磨损阈值的影响较大，后期将进一步进行如何处理触头磨损量阈值提高寿命预测精度的研究。