河北工业大学科研团队提出电子式漏电断路器剩余寿命预测的新方法

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）的研究人员刘帼巾、李想、王泽、岳承浩，在2022年第2期《电工技术学报》上撰文，对高可靠性、长寿命的电子式漏电断路器建立基于Wiener过程的剩余寿命预测模型，并对其进行可靠性预测。
他们首先对电子式漏电断路器进行以温度为加速应力、剩余动作电流值为退化特征量的恒定应力加速退化试验，根据试验数据描述其性能退化轨迹，分析性能退化规律；然后对加速退化试验数据进行正态分布检验，验证其符合Wiener过程，利用极大似然估计的方法，对剩余寿命预测模型进行参数估计，预测出漏电断路器的剩余寿命；将漏电断路器初始时刻的剩余寿命作为伪失效寿命，外推出漏电断路器在正常应力下的使用寿命大约为2085天。

漏电断路器是电力系统中重要的低压保护电器，广泛应用于低压配电系统的终端保护中，在防止漏电事故、保护用电人员的生命财产安全上发挥着重大作用。但是随着使用时间的增加，漏电断路器疲劳老化不断积累，漏电断路器的性能逐渐降低，最终会对人民生命财产造成重大损失。

目前，国内所应用的漏电断路器中电子式漏电断路器因其制造成本及制造工艺比电磁式漏电断路器更具优势，市场占用率近似达到90%。因此，对电子式漏电断路器的性能退化进行分析并对剩余寿命进行剩余预测，对保障低压配电系统的安全稳定运行和其他电力设备的正常工作意义重大。

目前，剩余寿命预测广泛应用于低压电器等各个行业，寿命预测以及可靠性评估得到了广泛应用。

李华等以超程时间为继电器的退化特征量，将超程时间的参数值融入回归模型当中，对继电器的寿命进行预测；
李志刚等同样将超程时间作为继电器的退化特征量，对小波包变换进行改进，并和径向基函数（Radial Basis Function, RBF）神经网络模型结合预测继电器的寿命；
李奎等以交流接触器的触头质量损耗为性能退化参数，并利用统计回归方法和非线性Wiener退化模型对交流接触器触头质量损耗建立预测模型，从而预测出交流接触器剩余寿命；
段宇等以电弧侵蚀量作为交流接触器的性能退化参数，并将累积电弧侵蚀量进行分段处理，建立Wiener退化模型预测交流接触器的剩余寿命。

上述论文的研究对象属于频繁动作的控制类电器，它们可以找到像接触电阻、触头电弧侵蚀量以及超程时间等标志性退化特征量。漏电断路器属于不频繁动作的保护类电器，正常情况下只有出现漏电故障时，才会发生动作。漏电断路器的工作特点使得漏电断路器没有明显的性能退化特征量。

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）的研究人员通过预试验确定了剩余动作电流作为漏电断路器的退化特征量；其次进行以温度为加速变量的恒定应力加速退化试验，建立Wiener退化模型并利用极大似然估计法对模型参数进行估计，预测其在加速应力下的剩余寿命；最后通过Arrhenius加速模型外推出漏电断路器在正常应力下的使用寿命。

图1 漏电断路器的中间环节

通过研究分析，他们指出：

1）根据加速退化试验数据，建立各加速应力下剩余动作电流退化量的退化轨迹，可得出高温应力会使漏电断路器的性能退化加剧；

2）以单个周期作为时间分段，根据中心极限定理，以及分段退化量的正态分布检验图，可以验证每个周期漏电断路器剩余动作电流分段退化量服从正态分布，从而验证符合Wiener过程；

3）利用概率统计的方法推导出其剩余寿命概率密度函数和可靠度函数；建立漏电断路器剩余寿命预测模型，预测出漏电断路器在加速应力初始时刻的剩余寿命。

研究人员表示，将漏电断路器初始时刻的剩余寿命作为该加速应力下的伪失效寿命，通过Arrhenius加速模型，基于最小二乘法对参数进行估计，最终预测出漏电断路器在常温下的寿命为2085天。

本文编自2022年第2期《电工技术学报》，论文标题为“基于Wiener过程电子式漏电断路器的剩余寿命预测”，作者为刘帼巾、李想 等。

本文编自2022年第2期《电工技术学报》，论文标题为“基于Wiener过程电子式漏电断路器的剩余寿命预测”，作者为刘帼巾、李想等。