CN201804073U - 熔断器寿命特征数据试验与评估系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种熔断器寿命特征数据试验与评估系统，它包括试验模块、数据采集模块、寿命评估模块、显示模块，所述的寿命评估模块计算在加速应力下熔断器达到各个选定冷态电阻值以及熔断或试验截止时的综合加速因子以及相应的平均运行时间，从而转换为熔断器在正常工作电流条件下的寿命。本实用新型熔断器评估系统通过对熔断器分阶段设置冷态电阻值，对各熔断器到达相应冷态电阻值以及熔断或试验截止时的时间和对应的熔体温度进行观察记录，并进行统计计算，得到平均运行时间；同时计算各个阶段的加速因子，从而保证熔断器寿命评估结果的逼真性，避免了熔断器超龄服役的问题，确保电气设备及线路的可靠安全运行。

Description

熔断器寿命特征数据试验与评估系统

技术领域

本实用新型涉及一种熔断器寿命特征数据评估系统。

背景技术

熔断器是一种过电流保护电器。使用时，将熔断器串联于被保护电路中，当被保护电路的电流超过规定值，并经过一定时间后，由熔体自身产生的热量熔断熔体，使电路断开，起到保护的作用。熔断器广泛应用于低压配电系统和控制系统及用电设备中，作为短路和过电流保护，是应用最普遍的保护器件之一。

熔断器在使用过程中，由于自身流过的电流及外界环境的影响，其不可避免的发生老化降级，改变熔断器的保护特性曲线，影响其使用寿命。熔断器主要由陶瓷或玻璃、石英砂、及熔丝材料组成。陶瓷与玻璃均需经高温烧结，强度高、耐高温、具有良好的化学稳定性与机械强度，不易老化，使用寿命在30年左右。石英砂是一种坚硬、耐磨、耐高温、热膨胀系数小、高度绝缘、化学性能稳定的硅酸盐矿物，其主要矿物成分是SiO₂，使用寿命在30年左右。所以，熔断器的寿命主要取决于熔体的状态。

熔体材料主要包括：铅、锡、锌、铜、银及相应的合金材料。铅、锡、锌熔化温度较低(327.4度、231.9度及419.5度)，热导率小、电阻率大、尺寸大，常温下蒸汽压较高，易老化、寿命短，熔断时金属蒸汽较多，不利于灭弧；铜、银及其合金制成的熔丝熔点较高(铜：1083.4度，银960度)、热导率大、电阻率小、截面积小、相对来讲不易老化、寿命较长，熔断时金属蒸汽较少，有利于灭弧。

熔断器的熔体在通电条件下的主要老化机理就是金属电迁移，即金属中的离子迁移，这种迁移会在局部区域发生质量亏损而出现空洞，或产生质量堆积而出现小丘或凝固态毛刺，造成金属缺陷，电阻增大，引发局部过热，熔体温度升高，高温又会加速金属化电迁移的过程，使缺陷进一步增大，逐渐累积至发生熔体熔断。金属电迁移失效中值时间的经典公式为：

$\mathrm{MTTF}=\frac{A}{J^n}\exp \left(\frac{E_a}{K\·T}\right)---\left(1\right)$

其中：A为材料相关的常数；J为电流密度；n为电流密度指数，其值取决于电流密度J；Ea为激活能；K为玻尔兹曼常数；T为绝对温度。

现有熔断器测试包括生产厂家对新熔断器产品进行性能测试、型式试验等；在老化测试方面，主要针对电极接触老化问题，并未考虑熔断器寿命的主要决定因素-熔体的老化问题。在熔断器寿命评估方面更是鲜有研究报道，这也是导致了大量熔断器超龄服役的原因。因此，有必要对熔断器进行寿命预测，评估熔断器寿期内主要寿命点的特征数据，从而能够制定更加合理的维修维护策略，从根本上解决熔断器超龄服役的问题。

发明内容

本实用新型目的在于提供一种能够精确且全面地进行熔断器寿命评估的系统及评估方法。

为达到上述目的，本实用新型所采用的技术方案是：一种熔断器寿命特征数据试验与评估系统，它包括用于为多个相串联的熔断器形成的熔断器组提供加速应力试验环境的试验模块、用于实时采集试验模块各种数据信息的数据采集模块、接收所述的数据采集模块传送的数据并进行分析与处理以得出熔断器组在寿期内主要寿命点的特征数据的寿命评估模块，所述的数据采集模块采集的各种数据信息包括试验电流、每个熔断器熔体达到选定冷态电阻值以及熔断或试验截止时的时间和对应的熔体温度，所述的寿命评估模块根据上述数据计算在加速应力下熔断器达到各个选定冷态电阻值以及熔断或试验截止时的综合加速因子以及相应的平均运行时间，从而转换为熔断器在正常工作电流条件下的主要寿命点特征数据。

具体评估过程如下：

(a)、设定试验截止条件以及预设多个选定冷态电阻值；

(b)、给熔断器组加正常工作电流，观察熔断器熔体温度，待温度达到稳定后，记录熔体温度；

(c)、加试验电流进行加速应力下试验，并记录试验开始时间，所述试验电流大于额定电流小于熔断器最小约定熔断电流，直至加速应力试验达到试验截止条件，记录每个熔断器熔体分别达到选定冷态电阻值以及熔断或试验截止时的时间和对应的熔体温度，从而计算针对各个选定冷态电阻值以及熔断或试验截止时的综合加速因子；

(d)、利用平均秩法计算出经验可靠性指标，通过作图法进行直线拟合得到双参数威布尔分布模型的两个参数，从而计算加速应力下达到各个选定冷态电阻值以及熔断或试验截止时的平均运行时间；

(e)、通过上述计算的各综合加速因子及对应的平均运行时间将加速应力下的主要寿命点特征数据转化为熔断器正常工作电流条件下的主要寿命点特征数据。

由于上述技术方案的采用，本实用新型具有以下优点：由于熔断器熔体在使用过程中不可避免的存在电迁移老化，冷态电阻值会逐渐增大，熔体的运行温度也会不断升高，本实用新型通过在加速应力环境下对熔断器分阶段设置冷态电阻值，对各熔断器到达相应冷态电阻值以及熔断或试验截止时的时间和对应的熔体温度进行观察记录，并进行统计计算，得到平均运行时间；同时计算各个阶段的加速因子，从而保证熔断器寿命评估结果的逼真性，避免了熔断器超龄服役的问题，确保电气设备及线路的安全可靠运行。

附图说明

附图1为本实用新型寿命试验与评估系统实现原理图；

附图2为冷态电阻达到0.068Ω拟合曲线图；

附图3为冷态电阻从0.089达到试验截止条件下拟合曲线图；

其中：1、试验模块；2、数据采集模块；3、寿命评估模块； 4、显示模块；5、存储与打印模块；6、键盘输入模块；

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型优选的实施方式进行详细说明：

如图1所示，本实用新型熔断器寿命特征数据试验与评估系统主要由试验模块1、数据采集模块2、寿命评估模块3、显示模块4、存储与打印模块5以及键盘输入模块6组成，其中，试验模块1主要用于为待评估的多个相串联的熔断器形成的熔断器组提供模拟试验环境，其主要由中央控制单元、电源单元、取样单元、检测与隔离单元、驱动单元以及执行单元组成，本实用新型中，试验模块1的优选实施方式可参见本申请人在先申请的申请号为201010003668.3的发明专利，同时，该试验模块1还具备自动检测每个熔断器个体的通断状态，当出现某一熔断器熔断，通过短接该熔断个体从而恢复其他熔断器的继续供电。

数据采集模块2主要用于实时采集熔断器寿命试验模块1的各种数据信息，包括试验电流、电位差、各个熔断器当前的状态(是否熔断)、每个熔断器熔体达到选定冷态电阻值以及熔断或试验截止时的时间和对应的熔体温度。其主要由数据采集卡、温度传感器等及其相应的处理电路组成，其具体实现电路不是本实用新型发明要点，在此不再赘述。

显示模块4的设置为了保证观察的更直接，显示的内容包括试验电流的大小、各个熔断器个体的编号、电位差、各个熔断器的通断状况、每个熔断器熔体达到选定冷态电阻值以及熔断或试验截止时的时间和对应的熔体温度，当寿命试验截止时，还可显示该组熔断器在寿期内的主要寿命点的特征数据。

存储与打印模块5能够自动存储与打印试验电流的大小、各个熔断器个体的编号、电位差、各个熔断器的通断状况、每个熔断器熔体达到选定冷态电阻值以及熔断或试验截止时的时间和对应的熔体温度，当寿命试验截止时，还可存储并打印该组熔断器在寿期内的主要寿命点的特征数据。

键盘输入模块6用于向寿命评估模块3输入试验电流设定值以及熔断器熔体冷态电阻选定值等。

上述显示模块4、存储与打印模块5以及键盘输入模块6均可采用现有技术实现，在此对其具体电路不再赘述。

所述的寿命评估模块3是基于金属电迁移寿命模型而设计的，其对数据采集模块2提供的熔断器组的寿命试验数据进行分析与处理，以得出该组熔断器在寿期内主要寿命点的特征数据。具体评估方法如下：

首先设定试验截止条件，给熔断器组加正常工作电流，待温度达到稳定后，通过数据采集模块采集熔丝温度T_U并记录；

然后，通过试验模块1向熔断器组增加电流应力(小于最小约定熔断电流大于额定电流)进行加速应力试验，并记录试验开始时间，此电流为试验电流，整个过程中，试验电流保持恒定值，待熔断器温度达到稳定后，记录试验电流下的熔丝温度T_S。随着加速试验的进行，熔断器的熔体逐渐老化，冷态电阻值会逐渐增大，熔体温度会缓慢升高，温度升高后，熔体自身的冷态电阻值会进一步增大，直至熔体熔断。因此，在不同的阶段，熔断器的冷态电阻值是不同的，在整个试验过程间隔设定j个冷态电阻值，定义为选定冷态电阻值，不同的熔断器到达各选定冷态电阻值的时间以及熔体温度均有所不同，分别记录下每个熔断器达到相应冷态电阻值以及熔断或试验截止时的时间和对应的熔体温度。根据上述公式(1)可得到针对各个选定冷态电阻值的综合加速因子AF_m，以及各熔体熔断或试验截止时的综合加速因子AF_j+1，分别为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{AF}}_m=\frac{J_S^{n_1}}{J_U^{n_2}}\exp \left[\frac{E_a}{K}(\frac{1}{T_U}-\frac{1}{T_{\mathrm{Sm}}})\right],m=\mathrm{1,2},...j\\ {\mathrm{AF}}_{j+1}=\frac{J_S^{n_1}}{J_U^{n_2}}\exp \left[\frac{E_a}{K}(\frac{1}{T_U}-\frac{1}{T_{\mathrm{Sf}}})\right]\end{array}\right.---\left(2\right)$

式中，J_U为正常工作电流条件下的电流密度，n₂为相应的电流密度指数；J_S为试验电流条件下的电流密度，n₁为相应的电流密度指数；T_U为正常工作电流条件下的熔体温度，T_Sm为达到第m个冷态电阻值时的各个熔体温度的平均值，T_Sf为各熔断个体熔断时以及未熔断个体达到试验截止条件时熔体温度的平均值。

上述对各个阶段下的综合加速因子进行了计算，下面将计算加速应力下熔断器寿期内另一特征数据--达到各选定冷态电阻值以及熔断或试验截止时的运行时间：

首先，采用平均秩法计算定时截尾试验的经验故障分布函数，计算方法如下：

$\mathrm{\Δ}{A}_k=\frac{n+1-A_{k-1}}{n-i+2}---\left(3\right)$

A_k＝A_k-1+ΔA_k             (4)

$F\left(t_k\right)=\frac{A_k-0.3}{n+0.4}---\left(5\right)$

R(t)＝1-F(t_k)             (6)

以上各式中，A_k为故障样品的平均秩次；k为试验过程中熔断样品按试验时间由小到大的顺序号；ΔA_k为平均秩次增量；i为所有样品按试验时间由小到大的顺序排列号；t_k为第k个故障样品的运行时间(h)。

根据记录的每个熔断器熔体达到相应冷态电阻值的时间以及各个熔断器的熔断时间，利用式(3)～式(6)计算出经验可靠性指标。在此，R(t)为与试验过程中熔断样品个数相对应的多个离散点。利用这些离散点，采用双参数威布尔分布模型进行可靠性参数估计，涉及的模型表达式如下：

$R\left(t\right)=\exp [-{\left(\frac{t}{\mathrm{\α}}\right)}^{\mathrm{\β}}],t\≥0---\left(7\right)$

通过作图法，进行直线拟合，可得出在各个选定冷态电阻值下双参数威布尔分布对应的两个参数α_m与β_m(m＝1，2，...，j)以及熔断或试验截止时对应的α_f与β_f，从而得到式(7)的可靠度函数R_m(t)(m＝1，2，...，j)以及R_f(t)，最终通过如下式(8)得到加速应力下的达到各个选定冷态电阻值以及熔断或试验截止时的运行时间，为：

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\‾}{T}}_m={\∫}_0^{\∞}{R}_m\left(t\right)\mathrm{dt}={\mathrm{\α}}_m\mathrm{\Γ}(1+\frac{1}{{\mathrm{\β}}_m}),m=\mathrm{1,2},...j\\ {\stackrel{\‾}{T}}_f={\∫}_0^{\∞}{R}_f\left(t\right)\mathrm{dt}={\mathrm{\α}}_f\mathrm{\Γ}(1+\frac{1}{{\mathrm{\β}}_f})\end{array}\right.---\left(8\right)$

其中，

为伽马函数。

最后，通过上述各个选定冷态电阻值以及熔断或试验截止时的综合加速因子以及运行时间，将加速应力下熔断器的寿命转化为熔断器在正常工作电流条件下的寿命：

$T={\mathrm{AF}}_1\·{\stackrel{\‾}{T}}_1+\underset{m=2}{\overset{j}{\mathrm{\Σ}}}[{\mathrm{AF}}_m\×({\stackrel{\‾}{T}}_m-{\stackrel{\‾}{T}}_{m-1})]+{\mathrm{AF}}_{j+1}(T_f-T_j)---\left(9\right)$

式中：T代表熔断器正常工作电流条件下的寿命。

下面将给出根据上述方法对16个熔断器形成的熔断器组进行试验的过程举例：

加速老化试验开始时间：2010-5-29 10:10；

选定冷态电阻值为：0.068Ω、0.071Ω、0.074Ω、0.077Ω、0.08Ω、0.083Ω、0.086Ω、0.089Ω；

In表示额定电流，正常工作电流为0.8In，试验电流为1.05In。

试验中不同电流下达到不同冷态电阻值时测量的平均温度信息记录如表1：

表1试验过程中的平均温度信息

选定冷态电阻值以及达到各个选定冷态电阻的运行时间如表2：

表2达到各个选定冷态电阻的运行时间

注：＞1492表示超过试验截止时间仍未达到相应冷态电阻值

利用加速因子公式(公式2)根据上述记录结果计算不同试验阶段对应的加速因子，计算结果如表3所示：

表3不同试验阶段对应的加速因子

计算出不同阶段对应的加速因子后，下面对达到各个选定冷态电阻值的平均运行时间进行计算：

1、冷态电阻达到0.068Ω，各熔断器的时间信息如表4：

表4冷态电阻达到0.068Ω的时间信息

设备编号	投运时间	达到0.068Ω的时间	运行时间ti
				1	2010-5-29 10:10	2010-6-8 15:00	244
2	2010-5-29 10:10	2010-6-7 15:00	220
				3	2010-5-29 10:10	2010-6-8 15:00	244
4	2010-5-29 10:10	2010-6-7 15:00	220
				5	2010-5-29 10:10	2010-6-10 15:00	292
6	2010-5-29 10:10	2010-6-11 15:00	316
				7	2010-5-29 10:10	2010-6-15 15:00	412
8	2010-5-29 10:10	2010-6-13 15:00	364
				9	2010-5-29 10:10	2010-6-15 15:00	412
10	2010-5-29 10:10	2010-6-3 15:00	124
				11	2010-5-29 10:10	2010-6-2 15:00	100
12	2010-5-29 10:10	2010-6-15 15:00	412
				13	2010-5-29 10:10	2010-6-11 15:00	316
14	2010-5-29 10:10	2010-6-12 15:00	340
				15	2010-5-29 10:10	2010-6-15 15:00	412
16	2010-5-29 10:10	2010-6-13 15:00	364

按照平均秩法计算结果如表5：

表5冷态电阻达到0.068Ω的平均秩法计算结果

i	k	tk	Ak	ΔAk	F*(tk)	R*(tk)	lntk	ln[-lnR(t)]
									1	1	100	1	1	0.0427	0.9573	4.6052	-3.1322
2	2	124	2	1	0.1037	0.8963	4.8203	-2.2124
									3	3	220	3	1	0.1646	0.8354	5.3936	-1.7154
4	4	220	4	1	0.2256	0.7744	5.3936	-1.3638
									5	5	244	5	1	0.2866	0.7134	5.4972	-1.0856
6	6	244	6	1	0.3476	0.6524	5.4972	-0.8509
									7	7	292	7	1	0.4085	0.5915	5.6768	-0.6441
8	8	316	8	1	0.4695	0.5305	5.7557	-0.4558
									9	9	316	9	1	0.5305	0.4695	5.7557	-0.2796
10	10	340	10	1	0.5915	0.4085	5.8289	-0.1107
									11	11	364	11	1	0.6524	0.3476	5.8972	0.0553
12	12	364	12	1	0.7134	0.2866	5.8972	0.2229
									13	13	412	13	1	0.7744	0.2256	6.0210	0.3981
14	14	412-	14	1	0.8354	0.1646	6.0210	0.5900
									15	15	412	15	1	0.8963	0.1037	6.0210	0.8183
16	16	412	16	1	0.9573	0.0427	6.0210	1.1487

采用双参数威布尔分布模型进行可靠性参数估计，根据表5的结果，以ln[-lnR(t)]为纵轴，lnt_k为横轴，进行直线拟合，拟合曲线图如图2所示。

直线拟合方程为：ln[-lnR(t)]＝2.6426lnt-15.42；

双参数威布尔分布的两个参数为：α＝342.12、β＝2.6426；

由此可得威布尔分布拟合结果为：

故试验开始至冷态电阻达到0.068的平均运行时间为：

${\stackrel{\‾}{T}}_1={\∫}_0^{\∞}R\left(t\right)\mathrm{dt}=\mathrm{\α\Γ}(1+\frac{1}{\mathrm{\β}})=304.03h;$

利用相同的计算过程可得出达到其它各个选定冷态电阻值的平均运行时间，当有样品在试验过程中未达到某一冷态电阻值，则按照正常退出处理，这里不再赘述。下面给出熔断或试验截止时的计算过程，同样根据试验记录的结果(如表6)按照平均秩法计算经验可靠性指标，见表7，并利用作图法进行双参数威布尔模型的参数估计，拟合曲线如图3所示，运行时间计算过程如下：

直线拟合方程为：ln[-lnR(t)]＝4.0299lnt-29.111；

双参数威布尔分布的两个参数为：α＝1371.63，β＝4.0299；

由此可得威布尔分布拟合结果为：

故冷态电阻从0.089达到试验截止的平均运行时间为：

${\stackrel{\‾}{T}}_f={\∫}_0^{\∞}R\left(t\right)\mathrm{dt}=\mathrm{\α\Γ}(1+\frac{1}{\mathrm{\β}})=1243.79h;$

表6熔断或试验截止时的时间信息

设备编号	投运时间	熔断或试验截止时	运行时间ti
				1	2010-5-29 10:10	2010-6-30 4:35	762
2	2010-5-29 10:10	2010-7-29 10:11	1464
				3	2010-5-29 10:10	2010-7-4 15:03	868
4	2010-5-29 10:10	2010-7-5 10:42	888
				5	2010-5-29 10:10	2010-7-5 5:19	883
6	2010-5-29 10:10	2010-7-30 15:00(试验截止)	1118
				7	2010-5-29 10:10	2010-7-15 0:20	1492
8	2010-5-29 10:10	2010-7-29 15:22	1469
				9	2010-5-29 10:10	2010-7-23 7:22	1317
10	2010-5-29 10:10	2010-7-2 15:41	821
				11	2010-5-29 10:10	2010-7-30 8:36	1486

12	2010-5-29 10:10	2010-7-30 15:00(试验截止)	1492
				13	2010-5-29 10:10	2010-7-19 2:16	1216
14	2010-5-29 10:10	2010-7-22 9:26	1295
				15	2010-5-29 10:10	2010-7-30 15:00(试验截止)	1492
16	2010-5-29 10:10	2010-7-18 16:06	1205

表7熔断或试验截止时的平均秩法计算结果

i	k	tk	Ak	ΔAk	F*(tk)	R*(tk)	lntk	ln[-lnR(t)]
									1	1	762	1	1	0.0427	0.9573	6.6359	-3.1322
2	2	821	2	1	0.1037	0.8963	6.7105	-2.2124
									3	3	868	3	1	0.1646	0.8354	6.7662	-1.7154
4	4	883	4	1	0.2256	0.7744	6.7833	-1.3638
									5	5	888	5	1	0.2866	0.7134	6.7890	-1.0856
6	6	1118	6	1	0.3476	0.6524	7.0193	-0.8509
									7	7	1205	7	1	0.4085	0.5915	7.0942	-0.6441
8	8	1216	8	1	0.4695	0.5305	7.1033	-0.4558
									9	9	1295	9	1	0.5305	0.4695	7.1663	-0.2796
10	10	1317	10	1	0.5915	0.4085	7.1831	-0.1107
									11	11	1464	11	1	0.6524	0.3476	7.2889	0.0553
12	12	1469	12	1	0.7134	0.2866	7.2923	0.2229
									13	13	1486	13	1	0.7744	0.2256	7.3038	0.3981

表8具体给出了熔断器组达到各选定冷态电阻各阶段的双参数威布尔分布的参数估计：

表8试验各阶段的双参数威布尔分布的参数估计结果

	0.068	0.071	0.074	0.077	0.08	0.083	0.086	0.089	试验截止
										α	342.12	476.65	747.2	968	1086.77	1181.36	1255.94	1323.19	1371.63
β	2.6426	4.2883	2.0729	2.1864	2.5902	2.9225	3.1851	3.4713	4.0299
										T(h)	304.03	433.77	661.86	857.27	965.17	1053.77	1124.69	1190.08	1243.79

通过达到各个选定冷态电阻值以及熔断或试验截止时的综合加速因子以及平均运行时间，可计算出正常工作电流0.8In条件下熔断器的寿命：

本实用新型通过采集熔断器组在加速应力环境下达到多个选定冷态电阻值以及熔断或试验截止时的熔体温度与时间进行综合加速因子与平均运行时间的计算，将整个熔断器的熔断过程分为多阶段进行综合评估，从而使得评估的结果更真实可靠，避免了现有技术中直接利用熔断时间进行粗略评估的缺陷，为熔断器的使用寿命提供了精确的参考。

Claims (3)

1.一种熔断器寿命特征数据试验与评估系统，其特征在于：它包括用于为多个相串联的熔断器形成的熔断器组提供加速应力试验环境的试验模块、用于实时采集试验模块各种数据信息的数据采集模块、接收所述的数据采集模块传送的数据并进行分析与处理以得出熔断器组在寿期内主要寿命点的特征数据的寿命评估模块，所述的数据采集模块采集的各种数据信息包括试验电流、每个熔断器熔体达到选定冷态电阻值的时间和对应的熔体温度、各个熔断器的熔断时间，所述的寿命评估模块根据上述数据计算在加速应力下熔断器达到各个选定冷态电阻值的综合加速因子以及相应的平均运行时间，从而转换为熔断器在正常工作电流条件下的主要寿命点特征数据。

2.根据权利要求1所述的熔断器寿命特征数据试验与评估系统，其特征在于：它还包括与寿命评估模块输出端相电连接的显示模块和存储与打印模块以及与所述的寿命评估模块输入端相电连接的键盘输入模块。

3.根据权利要求1或2所述的熔断器寿命特征数据试验与评估系统，其特征在于：所述的选定冷态电阻值为5～15个。

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