模糊综合评判软件设计Word格式.docx
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Keywords:
SwitchingapparatusContactElectricallifeFuzzycomprehensivejudgementSystem
1概述
1.1开关电器的概述
1.1.1开关电器的概念及原理
开关电器是用来通断、转换各电子元件以及电路、用电设备间的信号和电力传送的电子元器件，是发电、输电、变电、配电形同的重要控制和保护设备，关系到整个电力系统的运行安全和稳定性，目前被越来越广地应用到电力和电气领域[1]。
1.1.2常用开关电器
常用的开关电器有刀开关、转换开关、断路器等，它们广泛应用于配电线路作电源的隔离、保护与控制[2]。
1.刀开关：
刀开关是一种广泛应用鹅手动电器。
刀开关由操作手柄、触刀、静插座和绝缘底板组成。
依靠手动来实现触刀插入插座与脱离插座的控制。
刀开关按刀数可分为单极、双极和三极。
刀开关在安装是，手柄要向上，不得倒装或平装，避免由于重力自动下落而引起误动作合闸。
接线时应将电源线接在上端，负载接线接在下端，这样拉闸后刀片与电源隔离，防止意外事故发生。
2.转换开关：
转换开关又称组合开关，常用于电气设备中非频繁通断的电路、转接电源和负载，控制小容量感应电动机。
转换开关由动触头、静触头、转轴、手柄定位机构。
3、断路器断路器俗称自动开关，常用于低压配电电路的不频繁通断控制。
在电路发生短路、过载或欠电压一类故障时，能自动分断故障电路，起保护作用。
断路器的种类很多，断路器主要是由三个基本部分组成：
触头、灭弧系统和各种脱扣器。
包括过流脱扣器、失压脱扣器、热脱扣器、分励脱扣器和自动脱扣器。
开关是靠操作机构。
手动或电动合闸的，触头闭合后，自由脱口机构将触头所在合闸位置上。
当电路发生时，通过各自的脱口器使自由脱扣机构动作，自动跳闸实现保护作用，断路器的主要技术参数有：
额定电压、额定电流、极数、脱扣器类型等。
1.2开关电器基本理论
开关电器的寿命即是开关电器可操作的次数，特别是对于频繁通断操作的开关电器，如接触器、继电器等，这更是一项重要指标。
开关电器的寿命评估指标主要有两项，一项是机械指标，即是开关电器在无需修理或者无需更换任何不见得情况下无载的操作次数；
另一项是开关电器的触头电寿命，实在开关电器的机械寿命机内所能承受的负载操作次数[3]。
前者主要取决于各机械机构及机械部件的金属强度，后者主要取决于电触头的耐磨程度，跟机械结构相比，触头部分由于频繁的闭合断开磨损以及电弧的侵蚀更容易被磨损，比如电触头本身材料的物理特性、化学特性、电气特性、点接触特性等，产生电弧侵蚀时的电流大小、电压大小、接触压力、操作频率等，所以触头材料是决定触头电寿命的主要因素。
1.2.1电接触理论
电接触是开关电器的重要理论依据和关键技术之一，通过电接触最终实现开关电器的电路通断、信号传递，电触头是控制开关电器通断和信号传递的，控制着开关电器的运行，随着现代工业的迅速发展，高压输电网络负载增加，电力拖动自动化水平不断提高，对电触头的要求越来越高。
电接触理论的主要内容包括：
电接触的物理—化学过程，电接触的热、电、磁以及金属形变的各种效应，点接触的物理化学过程的本质及其计算，接触和断开过程中出头的磨损、侵蚀和金属的迁移，触头在闭合过程中的震动、磨损以及熔焊等。
研究接触电阻中的收缩电阻和膜电阻的理论计算,有助于对触头结构材料和触头结构参数的正确选择，有助于触头的使用和维护。
1.2.2电弧理论
电弧是带触点的开关电器在断开过程中必然发生的一种物理现象，开关电器上触头断开产生的电弧不仅影响了触头断开所需要的时间，而且还灼伤触头表面，使之工作不可靠和缩短工作期限，同时触头上的电弧也是线路中的电磁能泄放的场所，由此减轻线路开断的过电压。
开关电器中电弧理论的应用很广泛。
触头分离时如何引弧，气体放电和击穿的物理过程，火花放电、辉光放电和弧光放电的界限和过程，电离和激励的概念，这些都是生弧的物理基础。
于电离的同时存在消电离的物理过程，弧柱中离子平衡的化学物理状态，电弧的直径、温度分部，电弧的弧根和斑点，电弧的等离子流，电弧电位梯度等弧柱理论。
把电路的参数和电弧的动态特性、静态特性联系起来研究熄弧。
1.2.3电器发热理论和电动力理论
电器的导电部件如触头、母线和线圈都存在电阻，因此都存在损耗，同时，交流铁芯有涡流磁滞损耗，在高电场下有介质内的损耗，这些损耗属于热源，有它们形成的温度场有时是很复杂的。
在大电流的情况下不仅产生热效应，同时还产生巨大的磁效应，使交流导电部件内部电流分布不均匀，这就是集肤效应和邻近效应。
一般来讲，由于集肤效应和邻近效应，在流体产生附加损耗，影响发热温升，因此降低了它的允许载流量。
为了提高电器的工作可靠性和确定过载能力，有必要研究电器在长期、短时和反复短时工作制下的发热冷却过程和过载能力计算。
还需研究导电部分在大电流作用时间极短的情况下，电器的发热温升计算，校验导体在短时温升下的可靠程度。
对于各种不同几何形状载流体在不同的空间和平面位置上进行电动力的分析计算，这也是开关电器学的理论之一。
大的短路电流通过载流导体所产生的强大电动力，往往使载流体本身或载流体支持体变形甚至破损，这就是对电器提出电动力稳定性要求的依据。
开关电器的理论范畴还包括电磁机构理论，运动机构学，电器运动部件的阻尼消振理论。
1.3开关电器对电触头的基本要求
电触头是开关电器的关键部件，而触头材料又是制约触头性能的主要因素。
触头材料性能的优劣将直接决定整个电器或系统的使用寿命及运行可靠性[4]。
概括而言，对触头材料的基本性能要求如下
1.3.1物理性能
1物理性能
触头材料应具有合适的硬度。
较小的硬度在一定的解除压力下可增大接触面积，减小接触电阻、降低静态接触时的触头发热和静熔焊倾向。
并且可降低闭合过程中的动触头弹跳。
较高的硬度可降低熔焊面积和提高机械磨损能力。
触头材料应具有合适的弹性模数。
较高的弹性模数则容易达到塑性形变的极限值，因此表面膜容易破坏，有利于降低表面膜电阻，较低的弹性变形则可增大弹性变形的接触面积。
2热物理性质
高的热传导性，以便电弧或焦耳热源产生的热量尽快输至触头底座。
高的比热、高的融化、汽化和分解潜热，高的燃点沸点以降低燃弧的趋势。
低的蒸汽限制电弧中的金属蒸汽密度。
1.3.2化学性能
触头材料应具备比较高的化学稳定性，即具有较强的抗腐蚀气体对材料损耗的能力；
具有较高的电化电位，与周围气体的化学亲和力要小，化学生成膜不但分解温度要低，而且要求其机械强度和电强度要小。
即使产生表面薄膜，其挥发性应高。
1.3.3电气性能
触头材料应具备较高的电导率以降低接触电阻，低的二次发射和光发射以降低电弧电流和燃弧时间，要具有较高的电子逸出功和游离电位。
1.3.4电接触性能
触头电接触性能实质是物理化学性能的综合体现，并且各种特性相互交叉作用。
概括的讲，触头电接触性能主要包括：
1表面状况和接触电阻
接触电阻受到表面状况的显著影响，而且表面状况由于触头的电弧的侵蚀过程密切相关，因而要求触头的侵蚀基本均匀，以保证触头表面状况平整，接触电阻低而稳定。
2耐耐电弧侵蚀和抗材料转移能力
当触头表面熔融液池形成，触头的侵蚀性能只能靠高温下触头材料所有的冶金学特性来保证。
3抗熔焊性
触头材料的抗熔焊性包括两个方面：
一是尽量降低熔焊倾向，从触头材料角度来看，主要是提高其热物理性质。
二是降低熔融金属焊接在一起后的焊接力。
焊接力主要取决于焊接面积和触头材料的抗拉强度，显然为了降低发生静熔焊的倾向可增大接触面积和导电面积，但一旦发生熔焊，反而使熔焊力增加，因此为降低熔焊力，或为了提高触头材料的抗熔焊性，常在触头材料中加入与银化学亲和力小的组份。
4电弧特性
电弧特性主要有三个方面：
一是触头材料应具有良好的电弧运动特性以降低电弧对触头过于集中的热流输入；
二是具有较高的最小起弧电压和最小起弧电流；
三是出头见电弧可具有金属相和气体相两种形式，触头材料应使触头间发生的电弧尽快地由金属相转换到气体相。
5其他性能
除上述要求外，触头材料应尽可能便于加工，而且具有较高的性价比。
由此看来，对触头材料的要求广而苛刻，而且许多要求还互相存在矛盾。
所以要想获得满足所有要求的触头材料是不可能的，触头材料的研制、生产和选用只能根据具体条件满足那些最关键的要求。
1.4开关电器电寿命研究的发展史
由于开关电器的可靠性高，工作寿命长，而保证开关电器功能实现的关键部分便是触头，所以，研究开关电器触头电寿命有极其重要的意义。
最早是由Giffith提出的临界断裂应力方程，1938年由Irwin和Orwan将其理论推广应用到金属材料上。
1961年Forst又建立了裂纹扩展速度与变更应力和裂纹长度之间的关系，这是最早的关于触头寿命的研究，并且是断裂理论研究中的重要发现[5]。
Kang和Brecher于1989年对银基触头材料AgSnO2表面的裂纹进行研究。
材料工作者又提出了电疲劳这一概念。
此后，Jiang对影响电疲劳的具体因素进行了详细的研究。
同年，Cao和Evans将电疲劳的概念扩展到了电致疲劳下的裂纹扩展[6]。
国内外在20世纪70年代之前主要都是研究触头材料的电寿命与电弧、电流、电压、分闭次数之间的关系[7]。
最早建立出触头电寿命一维模型的是YukioNakagawa，他于1976年首次建立了触头材料的物理参数与电接触行为间的关系，这种将电接触数学模型化对触头材料的研制和发展具有重大意义。
此后，其他学者如Robertson和Nied等对此又做了完善工作[8]。
在国内也有一些专家学者发表了电弧对触头表面劣化现象的影响以及从出头材料成分设计的制造工艺方面提高触头电寿命，但制造的工艺比较复杂，实现复杂，性能低[9]。
1.5本论文主要工作
本论文在参考国内外大量的有关文献的基础上，对开关电器银基触头材料的形变现象及开关触头的电寿命预测评估进行研究和分析。
主要研究内容如下：
本文分析了开关电器工作原理，其直接性能是由触头实现的，再找出影响开关触头的主要因素如触头材料、电弧侵蚀等，其中电弧侵蚀是主要原因。
再确定影响电弧侵蚀大小的主要因素
然后，利用数据结构及模糊数学的理论基础，针对性的分析本文情况，建立模糊综合评判的数学模型，建立影响出头电寿命的树状层次结构，确定各权数，编写各模块的C语言程序算法实现，且用软件对触头材料从理论上进行模糊综合评估。
2数据结构的相关理论
被计算机加工的数据元素不是相互独立的，它们彼此之间一般存在着某些逻辑关系，这些逻辑联系需要在对数据进行存储和加工时反映出来[10]。
因此，数据结构概念一般包括三个方面的内容：
数据之间的逻辑关系，数据在计算机中的存储方式，以及在这些数据上定义的运算的集合。
2.1线性表
由有限多个性质相同的数据元素构成的一个序列就是线性表，表中包含的数据元素个数称为线性表的长度。
线性表可以不包含任何数据元素，不含数据的线性表称为空表。
例如，由26个大写英文字母组成的字母表（‘A’,‘B’,‘C’…，‘Z’），表中每个数据元素是一个大写英文字母，表长26，具有链式存储结构的线性表统称为链表。
2.2树
树是由n（n
）个节点组成的有限集。
若n=0怎称为空树。
若n>
0则树满足：
1有且仅有一个特定的称为根的结点；
2若除根以外还有其他结点，则其他结点可以划分为m（
）个互不相交的有限集T1，T2，T3,…,Tm，其中每一个集合本身又是一棵树，称为根的子树。
与树有关的一些常用术语：
结点：
存放数据元素的逻辑单元。
分支：
结点之间的二元关系（序偶）。
结点的度：
结点拥有的子树棵数。
叶子结点：
度为0的结点。
分支结点：
度不为0的结点。
树的度：
树内各结点度的最大值。
孩子：
该结点的子树的根。
双亲结点（父结点）：
若B是A的孩子结点，则称A是B的父结点。
兄弟结点：
若几个结点具有相同的父结点，则它们互称为父结点。
祖父结点：
若B是C的父结点，A是B的父结点，则称A是C的祖父结点。
结点的层次：
根为第一层结点，对任何其他结点，若其父亲是第k层结点，则它是k+1层结点。
2.3二叉树
二叉树是
个结点的有限集，它或者是空树（n=0）,或者只有一个结点（根结点），或者由一个根结点和两棵分别称为根结点左子树和根结点右子树的互不相交的二叉树组成。
2.4树的二叉树表示
由于树和二叉树都可以使用二叉链表作为存储结构，因此以二叉树链表作为媒介，树与二叉树之间可以建立一种对应转换关系：
树的根结点对应着二叉树的根结点，树上某结点的第一个孩子在对应二叉树上市相同结点的左子树，树上某结点的下一个兄弟在对应二叉树上是相同结点的右子树。
2.5程序递归
允许程序直接或间接地调用它自身就成为程序递归。
程序的对象允许把一个复杂的问题转变为同类的规模较小的问题进行处理。
2.6二叉树的遍历
在二叉树的操作中，经常需要在树中查找具有某种特性的结点，或者需要对树中的结点逐一进行某种处理，这就引入了遍历二叉树的问题。
所谓遍历二叉树是指按照某种搜索方式，访问二叉树中的每个结点，且每个结点只能访问一次【11】。
尽管二叉树的遍历操作很容易实现，但二叉树属于非线性结构，一个结点可能有两棵子树，因此必须根据二叉树的特征，按照某种规律依次对结点进行访问操作，才能达到遍历目的。
用L、D、R分别表示遍历左子树、访问根结点、遍历右子树。
由于通用模糊综合评判软件系统所处理的数据之间存在很复杂的i安息，所以该系统内存工作空间采用了一种很复杂的数据结构来组织，其总得结构是一个链表，链表的每个结点中都包含有一棵模糊综合评判二叉树，而这个二叉树的每个结点中又包含了一个表示综合评判指标的链表，该系统的几乎所有功能模块中都采用了扩展3对功能的二叉树后序周游算法，这些算法用鬼地方是十分容易实现。
2.7模糊综合评判树
为了能够描述各模糊变量之间数据结构的逻辑联系，可以引出模糊综合评判树的概念。
可以完全地描述模糊综合评判应用系统功能的一棵树就成为模糊综合评判树，它可以描述在所有具体的模糊综合评判软件系统中，包括该系统包含多少个模糊变换，各模糊变换之间的逻辑联系和各个模糊变换的详细情况以。
一棵模糊综合评判树表示可以表示一个模糊变换，模糊变换使用的模糊算子和评判的结果向量用子树的根结点来保存。
由多个模糊变换组成的多层次模糊综合评判系统可以按树的递归定义构造对应的模糊综合评判树。
3银基触头材料电寿命的模糊综合评判
参照有关文献估计，影响电触头性能的因素大约有200多个。
因此，想要精确计算或控制触头材料的电弧侵蚀是相当困难的。
目前触头材料的电弧侵蚀一般是由实验来确定的，这个方法比较真实可靠，但消耗大量的人力和物力，并且实验结果会因为实验条件等客观因素的不同而存在差异，而模糊评估理论却特别适宜于复杂系统的计算和分析[12]。
利用模糊综合评判理论对触头材料电弧侵蚀进行综合评判，为预测触头材料的电寿命提供了一条新的途径。
开关电器银基触头材料的电弧侵蚀实质上就是电弧能量、接触压力、环境因素等对触头材料的综合作用，相应的作用下触头表面发生加热、熔化、汽化、流动、凝固等物理冶金过程，导致触头表面产生软化、喷溅、流动、裂纹等现象。
提高触头使用寿命就需要要求触头材料通过其组元和组织优化设计与制备，延缓、减轻上述物理冶金过程的发生。
通常来说，增强触头材料抗电弧侵蚀能力，各组元不仅要具有优良的物理性能、化学性能、电气性能，而且要具有良好的电接触性能。
3.1银基触头的模糊综合评判计算
利用模糊综合评判进行计算[13]，主要步骤如下[14]:
3.1.1列出被选择的对象集:
{AgZnO，AgCdO，AgSnO2，AgNi，AgC}
3.1.2建立评判对象的因素集:
根据开关电电器对触头的基本要求[15]，选出的基本因素集如图3—1所示。
触头材料电弧侵蚀性能
图3—1基本因素集树状图
3.1.3建叙评语集:
由评判等级划分的原则及实际情况，评语集确定为:
V={
}={强，较强，一般，较弱，弱}
3.1.4确定权重:
1确定目标和评断因素集
现以U1={u11,u12,u13,u14,u15}为例，确定五种材料在CJ10-20、50A电流条件下的一级模糊综合评判的权重Ci与二级模糊综合评判的权重B。
2建立判断矩阵
1）在弱小电流下对主要因素取相对较大的权重数值；
而对材料的熄弧特性等可做次要因素处理，即对次要因素取相对较小的权值。
对上例构造模糊判断矩阵为：
则有模糊判断矩阵：
=
利用方根法求出其权重向量的分配。
计算判断矩阵每一行元素的乘积Mi，Mi=
ij,其中：
（i,j=1,2,…,n）。
所以有[M1M2M3M4M5]T=[80/31921/201/81/16]T,计算Mi的5次方根的Wi=[1.92832.86190.54930.65980.5743]T,归一化，从而有权重集C1=（0.26550.45250.08690.10430.0908）。
同理：
C2=（0.14280.8572）
C3=（0.82530.15760.0172）
C4=（0.74930.15480.0959）
2）在弱小电流条件下，触头材料在物理性能和电接触性能则相对来说处于次要地位，而化学稳定性和电气性能应当取较大的权重。
用权重确定方法来确定二级模糊综合评判的权重WB为WB=（0.0900.36420.46780.080）
3）层次总排序
方案层的所有影响因素对最高层的重要性排序和权重值计算便是层次总排序。
层次总排序如图4—1，此时，需要首先形成总判断矩阵A=[aij]13×
4，其中脚标i=1，2，…，13，对应方案层Ci的各因素，脚标j对应准则层Bj的各因素，则有：
当准则层Bj与Ci无关时，aij=0；
否则，aij=WBjKi，其中Ki为WBj中与Ci对一定的脚标序号，从而有：
W=[Wi]13×
1=AWB=[aij]13×
4·
[WB]4×
1
表3—1层次总排序表
A
B₁
B₂
B₃
B₄
W
优先顺序
0.090
0.3642
0.4678
0.080
µ
₁₁
0.2655
0.000
0.0239
7
₁₂
0.4525
0.0407
6
₁₃
0.0869
0.0078
12
₁₄
0.1043
0.0094
9
₁₅
0.0908
0.0082
10
₂₁
0.1428
0.0520
5
₂₂
0.8572
0.3122
3
₃₁
0.8523
0.3861
2
₃₂
0.1576
0.0737
4
₃₃
0.0172
0.0080
11
₄₁
0.7493
0.5999
₄₂
0.1548
0.0124
8
₄₃
0.0959
0.0077
13
3.2一致性检验
用一致性比率指标CR=（CI）/（RI）,进行判断矩阵的一致性检验。
其中CI是偏离一致性指标[16]，RI是平均随机一致性指标。
经检验CR<
0.10，满足一致性的要求。
同理，在CJ10-20，100A电流条件下，确定各影响因素的权重如下：
1）一级模糊综合评判的权重的确定在中等电流条件下，除了要求触头材料具备良好的导电、导热特性外，还应考虑电接触性能，对于被评判对象集中的五种
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