基于Bootstrap法及性能退化的永磁机构可靠性分析.pdf

大连理工大学硕士学位论文
摘 要
作为一种常用的开关设备，断路器保护和控制作用的稳定发挥对电力系统的稳定性
有着直接影响。操动机构在断路器中占据重要地位，因此其可靠性受到越来越多的关注。
本文以真空断路器的双稳态永磁机构作为研究对象，从机构寿命及性能退化两个方面对
其展开可靠性分析，建立表征永磁机构可靠性各参量的可靠度分布模型，为永磁机构的
可靠性评估提供参考依据。
为了建立永磁机构可靠性模型，本文依据相关可靠性试验标准开展了一系列针对双
稳态永磁机构的可靠性试验。选取 7 台机构展开无替换定时截尾寿命试验，结合永磁机
构生产厂家的历史数据，利用故障模式影响分析法对试验过程中机构故障情况和失效时
间进行分析，得到永磁机构的失效信息；温度试验依据国家标准中相关实验选定了三个
温度等级，测量并记录机构合闸保持力的变化，分析试验数据发现，合闸保持力随温度
的升高而降低，当温度小于某一值时，合闸保持力下降缓慢，温度大于某一值时，保持
力迅速下降，从而引起机构的失效。
随后以永磁机构的失效机理和失效模式为背景，建立了永磁机构威布尔分布的最小
二乘估计模型，并利用拟合优度检验法验证了机构寿命数据服从所选定的分布模型；利
用无替换定时截尾试验条件下威布尔分布参数的最小二乘估计法对试验数据进行拟合，
获得了永磁机构的可靠度分布模型，并利用最大似然理论的区间估计对该模型参数进行
了验证。
针对永磁机构试验样本数据少的问题，文中选用了小样本可靠性分析中常用的
Bootstrap 法增广样本数据，利用自助样本组与试验样本组的分析结果对比，并对永磁机
构可靠度进行了计算。
作为高可靠、长寿命产品，永磁机构的工作过程符合一定的退化轨迹，通过分析寿
命试验中各参量的退化轨迹，选用表征永磁机构可靠度的参量，通过参量的退化轨迹得
到永磁机构的伪失效寿命。利用伪失效寿命数据获得永磁机构的可靠度分布模型，并与
实验寿命数据所获得的模型进行对比，结果表明利用性能退化数据所获得的模型与试验
数据的分布模型一致。

关键词：永磁机构；寿命；性能退化；威布尔分布；Bootstrap 法



- I -
基于 Bootstrap 法及性能退化的永磁机构可靠性分析
Reliability Analysis of Permanent Magnetic Actuator Based on
Bootstrap Method and Performance Degradation

Abstract
As a kind of switching device, the reliability of the circuit breaker directly affects the
stability of power system. The operating mechanism occupies an important position in the
circuit breaker, so its reliability is attracting more and more attention. Using bi-stable
permanent magnetic actuator in vacuum circuit breaker as the research object, this paper
develops its reliability research from the lifetime and performance degradation, and
establishes its reliability distribution model from the parameters which can characterize its
reliability, providing reference for the reliability evaluation of permanent magnetic actuato