CN110567697A - 一种高压断路器机械寿命预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压断路器机械寿命预测方法，包括以下步骤：通过指数分布模型描述高压断路器偶然失效期的失效率，并采用最小二乘法拟合多项式模型来代替指数分布模型；统计高压断路器的分闸次数、分闸时间、合闸次数、合闸时间的历史数据，得到m组数据(x_i,y_i)；根据多项式模型，得到m组数据的总方差，根据方差最小的点整理得到范德蒙德矩阵，并进行求解；将求解得到的数据代入多项式模型，求出分/合闸时间的拟合曲线；绘出高压断路器分闸时间劣化曲线和合闸时间劣化曲线，根据高压断路器的分合闸次数，即可求出高压断路器的运行机械寿命次数。本发明能准确的预测高压断路器机械寿命。

Description

一种高压断路器机械寿命预测方法

技术领域

本发明涉及高压断路器技术领域，更具体的，涉及一种高压断路器机械寿命预测方法。

背景技术

据统计，瓷柱式高压断路器的机械类故障占缺陷总量的76％，气体绝缘封闭高压断路器的机械类故障占故障总量的47％，其中包括机构及其二次元件、开关本体机械传动故障。因此，高压断路器的机械寿命的评价是非常重要的。

目前对于运行中的高压断路器机械寿命预测及评价普遍采用静态机械寿命所述的开关设备的静态机械寿命信息，即高压断路器的动作次数，通过调度自动化中的保护装置中读取开关的动作信息，开关每分闸一次，记录在案，依次累加，获得开关的分闸动作的总次数n，已知开关原始机械寿命次数n₀，剩余寿命为N＝n-n₀。

然而设备的静态机械寿命只能说明高压断路器的理论上的寿命，无法体现高压断路器的运行工况对其的影响，例如高低温环境，灰尘，湿度等；也不包含高压断路器个体在运行中劣化，即偶发缺陷和故障。

发明内容

本发明为了解决目前对于运行中的高压断路器机械寿命预测及评价普遍采用静态机械寿命，无法准确预测高压断路器机械寿命的问题，提供了一种高压断路器机械寿命预测放大，其能准确预测高压断路器的机械寿命。

为实现上述本发明目的，采用的技术方案如下：一种高压断路器机械寿命预测方法，所述方法包括以下步骤：

S1：通过指数分布模型描述高压断路器偶然失效期的失效率，并采用最小二乘法拟合多项式模型来代替指数分布模型；

S2：统计高压断路器的分闸次数、分闸时间、合闸次数、合闸时间的历史数据，得到m组数据(x_i,y_i)，其中x_i表示第i次通/断时已经累计的合/分闸次数，y_i表示第i次通/断时的合/分闸时间；

S3：根据步骤S1得到的多项式模型，得到m组数据的总方差，根据方差最小的点整理得到范德蒙德矩阵，并进行求解；

S4：将求解得到的数据代入多项式模型，求出分/合闸时间的拟合曲线；

S5：绘出高压断路器分闸时间劣化曲线和合闸时间劣化曲线，根据高压断路器的分合闸次数，即可求出高压断路器的运行机械寿命次数。

优选地，所述的指数分布模型，其表达式如下：

其中d、t₀是两个正参数；

当0<d<1时，λ(t)是减函数，用来表示早期失效状态；

当d>1时，λ(t)是增函数，d越大，失效率增速越快；

当d＝1时，λ(t)是常数，对应着指数分布。

进一步地，采用最小二乘法拟合多项式模型来代替指数分布模型，

假设拟合多项式模型为

T(n)＝a₀+a₁n+a₂n²+…+a_k-1n^k-1+a_kn^k (3)

其中，n是高压断路器通断的次数，T(n)是预测的高压断路器开断第n次时，其分/合闸时间，a₀,a₁,a₂,...a_k是未知常数。

再进一步地，步骤S2，所述合闸时间包括：合闸脱扣器带电时间——合闸脱扣器动作时间——触头的合闸时间；

所述分闸时间包括：分闸脱扣器带电时间——分闸脱扣器动作时间——触头超行程时间。

再进一步地，步骤S3，求得的m个组数据的总方差为：

设第n＝x_i次通/断时，测得的合/分闸时间为y_i，其中i＝1,2,3...m

式(4)可以看作是函数R²(a₀,a₁,a₂,...a_k)，方差最小的点即函数的驻点：

整理可得：

把式(9)、(10)、(11)、(12)表示为矩阵：

式(13)是一个范德蒙德矩阵，由于x₁,x₂…x_m互不相等，上述矩阵方程则存在唯一解，解出a₀,a₁,a₂,...a_k，代入式(3)即可求出分/合闸时间的拟合曲线。

再进一步地，步骤S5，以横坐标为分闸次数、纵坐标为分闸时间绘制高压断路器分闸时间劣化曲线；以横坐标为合闸次数、纵坐标为合闸时间绘制高压断路器合闸时间劣化曲线。

再进一步地，根据高压断路器的出厂技术要求，确定高压断路器的劣化极限，所述的劣化极限包括分闸时间上限、合闸时间上限，若达到这个劣化极限，高压断路器就要停止运行。

本发明的有益效果如下：本发明所述的高压断路器机械寿命预测方法，通过对处于偶然失效期的断路器的分(合)闸时间曲线进行拟合，将高压断路器的运行特征参数与开断次数结合起来进行机械寿命的预测，其准确的预测高压断路器机械寿命。

附图说明

图1是本实施例所述预测方法的步骤流程图。

图2是本实施例所述高压断路器失效曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做详细描述。

实施例1

高压断路器(或称高压开关)它不仅可以切断或闭合高压电路中的空载电流和负荷电流，而且当系统发生故障时通过继电器保护装置的作用。

所述高压断路器的合闸(闭合)过程为：合闸脱扣器带电——合闸脱扣器动作——完成合闸脱扣——合闸弹簧释放能量——通过凸轮及传动部件(例如四连杆)——断路器的传动部件(拐臂和绝缘拉杆，钢拉杆)——带动触头系统合闸动作，触头系统按一定的合闸速度动作——弧触头接触为合闸时间的节点。

相应的合闸时间包括：合闸脱扣器带电时间——合闸脱扣器动作时间——触头的合闸时间，即合闸速度的大小将影响合闸时间的长短。

由于合闸脱扣器在运行动作过程中存在磨损，变形，甚至潮湿和盐雾引起的线圈霉变等负载应力和环境应力，包括机构传动部件也会受到磨损和变形等的影响，造成运动系统的卡涩甚至卡滞都有可能使合闸时间变长，因此，合闸时间在整个运行寿命周期内应是一个缓慢退化过程。当退化至合闸时间值超出技术条件要求时，认为产品性能明显劣化，输出报警信号。

高压断路器的分闸(切断)过程包括：分闸脱扣器带电——分闸脱扣器动作——完成分闸脱扣——分闸弹簧释放能量——通过传动部件(例如四连杆)——断路器的传动部件(拐臂和绝缘拉杆，钢拉杆)——带动触头系统分闸动作——主触头分离——弧触头分离(触头开始运动到弧触头分离时间称为超行程时间)

相应的其分闸时间包括：分闸脱扣器带电时间——分闸脱扣器动作时间——触头超行程时间。

由于分闸脱扣器在运行动作过程中存在磨损，变形，甚至潮湿和盐雾引起的线圈霉变等负载应力和环境应力，包括机构传动部件也会受到磨损和变形等的影响，造成运动系统的卡涩甚至卡滞都有可能使分闸时间变长，同时，由于分闸时间包括超行程阶段，主触头和弧触头(尤其是弧触头)在开断电流后，触头表面烧蚀，其表面的光洁度下降，运动摩擦阻力增加，引起分闸时间增加。因此，分闸时间在整个运行寿命周期内也应是一个缓慢退化过程。当退化至分闸时间值超出技术条件要求时，认为产品性能明显劣化，输出报警信号。

综上所述，根据分/合闸时间历史获得的数据，确定分/合闸时间退化拟合曲线，可以评估动态的机械寿命。

从各种产品使用和试验中得到的大量数据进行统计分析后，发现一般产品的失效率λ和时间t有如图1所示的浴盆曲线形式，该曲线为故障曲线。这条曲线明显地分为三段，对应着产品的三个时期：

(a)早期失效。其特点是失效率较高，但随着工作时间的增加，失效率迅速降低，这一时期产品失效原因大多是由于原材料不均匀和制造工艺缺陷等引起的。

(b)偶然失效期。又称随机失效期，这是产品最好的工作周期。其特点是失效率低且稳定，可以看做常数。这一时期内产品失效纯属偶然。

(c)耗损失效期。它是由于材料老化、疲劳、磨损而引起失效的。其特点是失效率急速增加，大部分都会失效。

而本实施例所述高压断路器的失效率符合故障曲线。

基于以上分析，本实施例提出一种高压断路器机械寿命预测方法，如图1所示，该方法具体包括以下步骤：

S1：当失效率为常数时，一般用指数分布模型来表示产品的失效率，采取指数分布模型可以较好地刻画处于偶然失效期的断路器机械特性；因此本实施例通过指数分布模型描述高压断路器偶然失效期的失效率，所述的指数分布模型。其表达式如下：

其中d、t₀是两个正参数；

当0<d<1时，λ(t)是减函数，用来表示早期失效状态；

当d>1时，λ(t)是增函数，d越大，失效率增速越快；

当d＝1时，λ(t)是常数，对应着指数分布。

根据泰勒定理可知，指数模型又可以展开为多项式模型：

a^x＝p₀+p₁x+p₂x²+…+p_nxⁿ+R(n+1)(2)

p₀,p₁,p₂...p_n是常数，R(n+1)为n+1阶截断误差。

因此，本实施例采用最小二乘法拟合多项式模型来代替指数分布模型。

假设拟合多项式为：

T(n)＝a₀+a₁n+a₂n²+…+a_k-1n^k-1+a_kn^k(3)

其中，n是高压断路器通断的次数，T(n)是预测的高压断路器开断第n次时，其分/合闸时间，a₀,a₁,a₂,…a_k是未知常数。

S3：根据步骤S1得到的多项式模型，得到m组数据的总方差，所述m个组数据的总方差为：

设第n＝x_i次通/断时，测得的合/分闸时间为y_i，其中i＝1,2,3…m

式(4)可以看作是函数R²(a₀,a₁,a₂,...a_k)，方差最小的点即函数的驻点：

整理可得：

把式(9)、(10)、(11)、(12)表示为矩阵：

式(13)是一个范德蒙德矩阵，由于x₁,x₂...x_m互不相等，上述矩阵方程则存在唯一解，解出a₀,a₁,a₂,…a_k。

S4：将求解得到的a₀,a₁,a₂,…a_k代入式(3)的多项式模型，得到分/合闸时间的拟合曲线。

S5：以横坐标为分闸次数、纵坐标为分闸时间绘制高压断路器分闸时间劣化曲线；以横坐标为合闸次数、纵坐标为合闸时间绘制高压断路器合闸时间劣化曲线。根据高压断路器的出厂技术要求，确定高压断路器的劣化极限，所述的劣化极限包括分闸时间上限、合闸时间上限，若达到这个劣化极限，高压断路器就要停止运行。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种高压断路器机械寿命预测方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

S1：通过指数分布模型描述高压断路器偶然失效期的失效率，并采用最小二乘法拟合多项式模型来代替指数分布模型；

S2：统计高压断路器的分闸次数、分闸时间、合闸次数、合闸时间的历史数据，得到m组数据(x_i,y_i)，其中x_i表示第i次通/断时已经累计的合/分闸次数，y_i表示第i次通/断时的合/分闸时间；

S3：根据步骤S1得到的多项式模型，得到m组数据的总方差，根据方差最小的点整理得到范德蒙德矩阵，并进行求解；

S4：将求解得到的数据代入多项式模型，求出分/合闸时间的拟合曲线；

S5：绘出高压断路器分闸时间劣化曲线和合闸时间劣化曲线，根据高压断路器的分合闸次数，即可求出高压断路器的运行机械寿命次数。

2.根据权利要求1所述的高压断路器机械寿命预测方法，其特征在于：所述的指数分布模型，其表达式如下：

其中d、t₀是两个正参数；

当0<d<1时，λ(t)是减函数，用来表示早期失效状态；

当d>1时，λ(t)是增函数，d越大，失效率增速越快；

当d＝1时，λ(t)是常数，对应着指数分布。

3.根据权利要求2所述的高压断路器机械寿命预测方法，其特征在于：采用最小二乘法拟合多项式模型来代替指数分布模型，

假设拟合多项式模型为

T(n)＝a₀+a₁n+a₂n²+…+a_k-1n^k-1+a_kn^k(3)

其中，n是高压断路器通断的次数，T(n)是预测的高压断路器开断第n次时，其分/合闸时间，a₀,a₁,a₂,...a_k是未知常数。

4.根据权利要求3所述的高压断路器机械寿命预测方法，其特征在于：步骤S2，所述合闸时间包括：合闸脱扣器带电时间——合闸脱扣器动作时间——触头的合闸时间；

所述分闸时间包括：分闸脱扣器带电时间——分闸脱扣器动作时间——触头超行程时间。

5.根据权利要求4所述的高压断路器机械寿命预测方法，其特征在于：步骤S3，求得的m个组数据的总方差为：

设第n＝x_i次通/断时，测得的合/分闸时间为y_i，其中i＝1,2,3...m

式(4)可以看作是函数R²(a₀,a₁,a₂,…a_k)，方差最小的点即函数的驻点：

整理可得：

把式(9)、(10)、(11)、(12)表示为矩阵：

式(13)是一个范德蒙德矩阵，由于x₁,x₂...x_m互不相等，上述矩阵方程则存在唯一解，解出a₀,a₁,a₂,...a_k，代入式(3)即可求出分/合闸时间的拟合曲线。

6.根据权利要求5所述的高压断路器机械寿命预测方法，其特征在于：步骤S5，以横坐标为分闸次数、纵坐标为分闸时间绘制高压断路器分闸时间劣化曲线；以横坐标为合闸次数、纵坐标为合闸时间绘制高压断路器合闸时间劣化曲线。

7.根据权利要求6所述的高压断路器机械寿命预测方法，其特征在于：根据高压断路器的出厂技术要求，确定高压断路器的劣化极限，所述的劣化极限包括分闸时间上限、合闸时间上限，若达到这个劣化极限，高压断路器就要停止运行。