源作者:电气技术

寿命预测模型

省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室（河北工业大学）、河北省电磁场与电器可靠性重点实验室（河北工业大学）的研究人员李奎、高志成、武一、郑淑梅、李正广，在2019年第19期《电工技术学报》上撰文指出（论文标题为“基于统计回归和非线性Wiener过程的交流接触器剩余寿命预测”），电弧侵蚀引起交流接触器触头质量损耗，使其电接触性能不断退化，根据其性能退化过程可以对交流接触器剩余寿命进行预测。

该文分析可线性化的非线性Wiener过程，采用统计回归的建模方法，利用触头质量损耗历史数据建立三阶函数退化轨迹模型，进而建立时间尺度变换模型，对分段累积操作次数进行时间尺度变换；以累积触头质量损耗首次达到失效阈值作为失效判据，提出基于非线性Wiener过程的可靠性评估方法和剩余寿命预测模型。

在交流接触器电寿命试验基础上，进行试验数据变化规律分析，证明可以采用本文建立的退化模型和预测方法进行交流接触器剩余寿命预测；最后，通过试验数据进行交流接触器剩余寿命的极大似然估计，并比较分析不同数据处理方法的预测精度，验证了本文剩余寿命预测方法的准确性。

交流接触器是一种广泛应用于电力系统和控制系统中的低压控制电器，其优点是可以远距离频繁接通和分断交流主电路和大容量控制电路，其性能好坏直接影响到用电系统的可靠性和安全性。

机械寿命和电寿命是评价交流接触器性能好坏的主要指标，随着操作次数的增加，由电应力和机械应力引起的触头质量损耗不断累积，使其性能不断退化，最终引起交流接触器失效。因此，交流接触器的可靠性和剩余电寿命的准确预测，对提高用电控制系统的可靠性及用电设备的安全性有重要意义。

目前，国内外学者对开关电器的可靠性和剩余电寿命预测做了大量的研究。可靠性可以反映产品功能与性能持久能力，是衡量产品质量的一个重要指标。

翟国富等针对可靠性失效分析方法中存在的问题，提出了一种极大似然估计方法，提高了电器可靠性失效分析的计算精度和工作效率。

李玲玲等综合考虑随机性、模糊性和不完全可信性这三种不确定性，在云理论的基础上提出了可靠性度量云模型，通过计算继电器吸合过程的可靠性验证了方法的实用性。

陆俭国等系统地研究了小型断路器和塑壳断路器的机械操作和保护动作可靠性指标鉴定方法，制订了国家标准和中国标准化协会（CAS）标准。

在剩余电寿命的研究方面，吴自然等对交流接触器分断过程的电弧特性进行了研究，选取燃弧时间、燃弧电量、起弧相角和燃弧能量作为反映触头磨损的特征变量，并应用到条件密度估计模型中，实现了交流接触器剩余电寿命预测。

李志刚等提出了继电器初始接触电阻与寿命的关系，得出初期接触电阻连续出现较大值时，继电器易发生早期失效的结论。

随着传感器技术和信号处理技术的发展，基于概率统计的寿命预测方法成为人们研究的热点。概率统计的寿命预测方法是基于随机过程、数理统计、贝叶斯理论等建立性能退化模型的过程。它的优势在于可以给出预测结果的概率密度函数和可靠度函数。Wiener过程应用较为广泛的概率统计模型，可以较好地描述非单调的性能退化过程。

刘君强等利用历史性能退化数据对模型参数进行先验分布估计，通过实时退化数据建立基于Wiener过程的航空发动机多阶段性能退化模型，并给出了预测其剩余寿命的方法。

Tang Shengjin等将遗传算法和Wiener过程相结合，建立了基于非线性数据的寿命预测模型。

预估寿命模型

王小林等通过融合产品自身退化信息和先验信息建立了两阶段Wiener性能退化模型，实现了对产品可靠性的实时评估。

针对非线性退化过程，除了上述建模方法外，还可以建立基于统计回归和非线性Wiener过程的性能退化模型。

在电负荷应力下交流接触器性能不断退化，结果表现为触头质量不断损耗，因此可以将交流接触器触头系统的质量损耗作为其性能退化变量。交流接触器触头质量损耗与燃弧能量密切相关，并受触头分断时电流的起弧相角影响，由于起弧相角具有随机特征，因此单次触头质量损耗具有随机性。

在设计和生产工艺非常成熟的条件下，可以认为同批产品具有相同的失效阈值，产品的工作条件相同时，其性能退化服从同一分布，可以根据同批产品中已做试品的历史退化信息对现场产品的性能退化过程进行建模预测。

本文从交流接触器的性能退化机理出发，建立基于统计回归和非线性Wiener过程的交流接触器性能退化模型，并根据性能退化模型对时间尺度变换模型进行建模，建立三阶函数时间尺度变换模型，对操作次数进行时间尺度变换。建立基于Wiener过程的交流接触器可靠度模型和剩余寿命预测模型，实现交流接触器剩余寿命的预测。

图3 交流接触器电寿命试验装置

结论

本文用累积触头质量损耗作为交流接触器性能退化变量，采用统计回归的方法，利用同批产品中已做试品完整历史退化信息建立时间尺度变换模型，对现场产品进行时间尺度变换，建立了基于Wiener过程的交流接触器剩余寿命预测模型，实现了交流接触器剩余寿命预测。主要结论如下：

1）每隔固定次数对触头质量进行测量，由中心极限定理可知分段累积触头质量损耗服从正态分布，为建立基于Wiener过程的交流接触器剩余寿命预测模型奠定了理论基础。

2）采用统计回归的建模方法，对交流接触器累积触头质量损耗进行曲线拟合，选择R2和MSE作为拟合优度的评价指标，建立了三阶函数性能退化轨迹模型，分析表明三阶函数最适合建立交流接触器的性能退化轨迹模型。并根据同批产品中已做试品的完整历史退化信息推导出时间尺度变换模型，对现场产品进行时间尺度变换。

3）建立了基于非线性Wiener过程的可靠度模型和剩余寿命预测模型，对交流接触器进行剩余寿命预测。预测的剩余寿命平均相对误差整体呈下降趋势，且最后三个阶段相对误差均在10%以下，因此本文提出的方法可以用于交流接触器剩余寿命预测。

4）本文根据剩余寿命的预测精度进行了两种对比，分别为经时间尺度模型变换与未变换的对比，和时间尺度模型参数不同估计方法的对比。结果表明，利用同批已做试品完整历史退化信息建立的三阶函数时间尺度模型，对交流接触器进行剩余寿命预测的结果更准确。

本文建立交流接触器剩余寿命预测模型时，选取的是同批同型号的产品，且认为同批产品性能退化轨迹相似。但是对于型号相同、批次不同的产品之间，能否利用已做试品完整历史退化信息进行寿命预测，还需进一步研究，并找到衡量不同批次产品差异的特征参数，进一步扩大剩余寿命预测模型的覆盖范围。