低壓斷路器故障檢測與診斷策略

上海寶鋼建筑工程設計有限公司 陳文軍

現階段，低壓斷路器是低壓配電系統最為常用的開關電氣設備，以保證電力設備安全運行作為功能定位，低壓斷路器使用效果與低壓配電系統整體運行工況密切相關。然而，低壓斷路器受到自身老化、外部環境干擾等因素影響，投運使用期間經常出現故障，存在安全隱患。因此，要加大對低壓斷路器故障檢測與診斷技術的研究，降低低壓斷路器故障率。

1 低壓斷路器故障檢測策略

1.1 狀態分析

受到包括物理環境變化、化學變化在內的多重因素影響，低壓斷路器使用期間，健康狀態一直在不斷變化。如果僅依靠日常維護保養，無法顯著改善低壓斷路器的健康狀態，還會導致低壓斷路器的可靠性持續降低，增加故障率。因此，要以健康狀態分析作為故障監測技術，提前設定多項指標，包括可靠度、累積失效概率、失效率，收集低壓斷路器的實時運行數據和歷史運行數據，定期對低壓斷路器健康程度進行評價打分，如果健康程度不達標，可采取加大保養力度等處理措施，預防故障問題發生。

第一，可靠度。強調低壓斷路器在特定外界環境與時間條件下，可靠完成既定操作指令的概率，可靠度越高，表明裝置健康程度越好。可靠度計算公式為R（t）=P（T＞t），R（t）是可靠度函數，t是規定時間，T是使用壽命，P是可靠度分布函數，公式用于表示壽命超出指定開斷次數的概率，如果可靠度過低，低壓斷路器基本喪失機能。第二，累積失效概率。此項指標用于評價低壓斷路器在特定條件時沒有完成指令操作的概率，也被稱為不可靠度指標，累積失效概率、可靠度兩項指標互為補充[1]。第三，失效率。此項指標用于反映低壓斷路器歷史運行次數超過最大開斷次數且未失效的概率，著手建立失效函數模型，必須提前了解低壓斷路器故障狀態，將其作為模型建立依據。例如，拒動故障是指低壓斷路器無法正常執行閉合、斷開操作指令，并引發越級跳閘、擴大故障范圍等連鎖問題發生，形成原因包括電氣控制有誤、輔助回路失效，以分合閘線圈燒毀、二次接線故障作為表現形式。誤動故障指是低壓斷路器在錯誤時間展開動作，致使低壓配電系統大面積停電，形成原因是運行環境過于潮濕，因中端子絕緣性能下滑而在回路間出現短路情況。

1.2 狀態檢測

在健康狀態檢測環節，線圈是低壓斷路器的重要組成部分，以開斷控制作為功能定位，線圈內部分布大量電流信號，可以全面準確反映斷路器操作信息與工作狀態。因此，以斷路器線圈作為檢測部位，線圈上加裝霍爾電流傳感器，負責持續提取分合閘線圈電流，把測量信號轉換為電流信號后提交給上位機，繪制分合閘電流波形圖，線圈內電流賦值較小，采樣精度不受電磁干擾，可以準確反映低壓斷路器工作狀態，技術層面具備可行性。后續在低壓斷路器投入使用期間，合閘、分閘步驟時的鐵芯動作基本保持一致，合閘時以連桿傳動機構作為鐵芯觸動對象，分閘時則以鎖扣機構作為鐵芯觸動對象，監測系統通過分合閘線圈電流波形變化來判斷低壓斷路器動作情況、是否出現故障問題。此外，由于閘線圈電流處于動態變化狀態，實際變化速度加快，必須配備磁平衡式電流傳感器，中間布置一處通孔圓環，把線圈導線穿過通孔，線圈流經電流時，以電壓信號作為采樣數據，電壓信號調理完畢后移交給AD 采集模塊，最終上傳至控制器來評價低壓斷路器健康狀態[2]。斷路器狀態檢測原理如圖1所示。

圖1 斷路器狀態檢測原理

1.3 狀態評估

在健康狀態評估環節，工作人員提前收集相關故障案例，在故障監測系統內設定各類典型故障問題的出現征兆、判讀標準，系統持續更新與分析分合閘線圈電流波形，識別到異常波形時，自動根據波形特征來判斷可能存在的故障隱患，再把問題反饋給工作人員著手處理。低壓斷路器典型故障包括分閘鎖扣潤滑不足、操作線圈匝間短路、機構速度降低、回路接觸不良，健康狀態評估方法如下。

第一，分合閘鎖扣潤滑不足。鎖扣裝置潤滑失效期間，低壓斷路器啟動步驟的電流值有所增加，同步增大線圈功耗與延長輔助開關時間，進而導致線圈分閘動作滯后于正常水準，通過實際電流、標準值的偏差情況來判斷是否存在分閘鎖扣潤滑缺陷。第二，操作線圈匝間短路。出現匝間短路故障后，線圈整體電流值遠超正常水準，且完成動作時間也有所延長，如果波形圖內同時出現電流超標、時間超標兩種情況，初步判定操作線圈存在匝間短路故障，提醒工作人員及時更換全新線圈[3]。第三，機構速度降低。以斷路器操作機構作為監測部位，操作機構速度與電流值有著密切聯系，正常曲線、缺陷曲線在首處峰值基本保持一致狀態，機構脫扣時間點相同，但隨著第二個峰值的到來，輔助接點切換時間略有延遲，以此來判斷機構速度降低，斷路器出現異常工況。第四，回路接觸不良。最大電流比超出標準值，后續一段時間持續存在最大電流，電流值沒有在規定時間內平穩下降，初步判定分合閘回路沒有保持良好接觸狀態，提醒工作人員前往現場查看回路狀態。

此外，考慮到不同健康狀態下的低壓斷路器故障率、危害程度略有不同，如果粗略判定低壓斷路器處于不健康狀態，不利于工作人員做出科學決策。因此，需要采取定量評估方法，以分合閘線圈電流波形的正常曲線、故障曲線的重合度作為評估標準，并建立分級響應機制。如果所選取99%分位點處于劃定包絡線范圍內，表明低壓斷路器處于正常健康狀態。所選取95%～99%分位點處于包絡線之間，表明低壓斷路器健康狀態處于60%～80%，問題反饋到工作人員，工作人員在后續在維護保養期間處理問題。所選取95%分位點處在包絡線以外，表明低壓斷路器健康狀態不足60%，系統發送報警信號，工作人員應立即前往現場處理問題。

2 低壓斷路器故障診斷策略

2.1 小波分析

小波分析本質上屬于一種波形分析技術，故障診斷流程圖如圖2所示，按照波形來提取信號特性，對比所提取特征值和典型故障特征值的相似程度，確定相似度超過規定標準后，即可準確判斷故障性質，故障診斷流程由特征信號測量、特征提取、樣本集比對、輸出診斷結果等步驟組成，可以在無人工干預情況下，確定故障類型與出現位置。以小波分析作為低壓斷路器故障診斷方法時，重點關注故障檢測標準值選擇問題，一般情況下，把閉合線圈電流、分合閘線圈電流作為故障檢測標準值。

圖2 故障診斷流程圖

第一，閉合線圈電流。此項指標可用于反映電磁鐵控制閥門和所接觸其他機構的工作狀況，使用帶有缺陷的輸出值進行替換，或是通過不同輸出值來指示低壓斷路器正常模式。例如，網絡輸出為正常機構的情況下，把0～1作為傳出數值臨界點，輸出值靠近0時，低壓斷路器故障率較低，而在輸出值靠近1時，低壓斷路器發生故障的概率有所提高，根據電流波形來判斷故障性質，可用于診斷鎖扣阻塞、運行機構速度降低、線圈觸點閉合較弱等故障問題。第二，分合閘線圈電流。線圈等值電路由電感線圈與電阻組成，鐵芯展開動作前，線圈電路信號呈現指數上升趨勢，待實際電流值超出規定標準后，趨勢鐵磁移動，電流曲線從指數上升趨勢變更為向下趨勢，直至鐵芯完全吸收電流。而在開啟、關閉低壓斷路器時，電流將在環內運動，從0開始變化，無法在短時間內恢復穩定狀態，鐵芯吸力隨著電流同步變化[4]。最終，各項故障特征標準值設定完畢后，故障診斷系統從低壓斷路器電流信號內提取惰性特征值，測量空間碎片群波形，確定波形點位與所需特征值，按照經典特征典范來判斷故障性質，準確描述阻礙低壓斷路器正常展開動作的故障情況。

2.2 模糊神經網絡模型

模糊神經網絡模型是神經網絡、模糊系統兩項技術的融合產物，本質上屬于一類含有多層結構的網絡，結構層級包括模糊化層、輸入層、隱層，以及輸出層，相鄰層級結構保持互連關系和對應關系，所連接兩層對應一個權值。在低壓斷路器故障診斷場景下，搭配采取小波分析和模糊神經網絡模型，率先從電流信號內提取特征值，經過去噪、平滑處理后作為輸入信號，特征值模糊操作完畢后把信號導入神經網絡當中，最終根據網絡輸出結果來出具診斷報告，準確判斷故障類型、部位，以及性質，這有利于提高故障診斷精度。隨后，根據診斷要求來選擇相應學習算法，優先選擇聚類法作為學習算法，把模糊系統、神經網絡二者相互結合來建立故障診斷模型，以規定數據當作參數設計，按照所需輸入—輸出對數來確定最終的模糊規則數目，保持所設定模糊規則數目、輸入—輸出個數的等價狀態，避免故障診斷系統出現無效性問題，做到對計算結果準確性和計算速度的完美兼顧。模型構建完畢后，持續開展機器學習，導入低壓斷路器典型故障案例作為學習樣本，經過長時間訓練后，掌握各類故障問題的客觀發生規律與判讀標準。最后，在系統內設定故障診斷內容，確保診斷報告可以全面展示設備故障情況，以判斷低壓斷路器有無故障、故障性質類型、形成原因、故障位置，全面診斷結論并采取相應解決方法[5]。

2.3 人工診斷

智能診斷技術當前已成為低壓斷路器診斷工作的主要手段，理論層面上的診斷精度、速度都遠超傳統診斷技術，綜合應用表現較為理想。但根據實際情況來看，受采樣數據誤差、訓練時長、樣本訓練規模等因素影響，實際診斷效果略有下滑。因此，需要搭配采取人工診斷技術，如果診斷系統無法準確出具診斷報告，則由工作人員前往現場進行診斷，要求工作人員熟練掌握各類故障問題的診斷方法。例如，對于低壓斷路器拒合故障，重新閉合控制開關，如果合閘未成功，檢查電氣回路情況，包括控制電源、熔斷器、接觸器觸點，再把控制開關扳至合閘位置，觀察鐵芯動作，確定電氣回路無誤后，表明故障性質為機械方面故障。對于低壓斷路器拒分故障，以表記全盤擺動、電壓異常降低、顯示保護動作為故障征兆，依次檢查跳閘電源電壓、跳閘回路、跳閘鐵芯動作，判斷是電氣方面還是機械方面存在故障，形成原因包括鐵芯卡澀、觸點接觸不良、繼電保護整定值設置有誤。而對于低壓斷路器誤合故障，如果出現紅燈連續閃爍的故障，應拉開誤合斷路器，如果再次出現同類問題，則檢查電氣方面與機械方面，如測量合閘接觸器線圈電阻值，確定故障原因。

綜上所述，為確保低壓配電系統安全平穩運行，預防低壓斷路器故障問題，工作人員應加強對低壓斷路器故障監測和診斷工作的重視，建立功能完善的健康狀態監測系統，積極落實小波分析、模糊神經網絡模型、人工診斷三項故障診斷策略，切實改善低壓斷路器使用條件，實現安全優質供電目標。