一种断路器的健康分析系统研究

谢建波, 张伟强, 谢宗强

(上海良信电器股份有限公司, 上海 200000)

0 引 言

断路器作为切断和接通负载电路的关键元件,在整个电网运行过程中扮演着很重要的角色,尤其是当自身发生故障时会直接引起电网事故,由断路器故障引起的停电损失比断路器本身价值高得多。对断路器进行全天候监测,掌握实时运行状态,并根据运行状态进行及时、精准运维,时刻保持断路器的工作可靠性成为了一种趋势。随着智能化,数字化在工业设备中的快速发展,这种趋势呈加速状态[1]。

断路器的健康状态表示其在一定时间段内正常工作,完成指定功能的情况。断路器工作状态受多方面影响,包括温度、湿度、腐蚀、粉尘、老化、振动、谐波等,经长时间影响后,设备的健康值就会下降,使用寿命会降低。断路器整个使用期的健康状态是一个动态过程,为了确保断路器设备的安全及操作人员的安全,需要对断路器的健康状态进行评估研究。

1 原 理

统计分析表明,80%的断路器故障是机械故障原因。目前,断路器主要的测试手段有在线监测和停电试验,但是都存在问题[2]。

(1) 在线监测。在设备带负荷情况下,第三方监测断路器动作状况,并通过监测到的状态数据判断断路器设备状态。但在线监测产品投资巨大,不适合大范围推广使用。

(2) 停电试验。停电后,在试验电压下进行动作试验,并监测试验结果,但停电试验无法监测到断路器在带电运行状态下的真实状况,该方法也不合理。

断路器工作的环境十分复杂,有可能对断路器造成伤害的维度很多,例如温度对于橡胶圈、润滑脂的影响;湿度对于电路板、银点的影响;振动对于断路器螺丝固定,软连接处的状态的影响;腐蚀和粉尘对于触头的影响等。因此通过各种工作环境的维度来建立一种能够监测断路器运行状态的模型就显得十分必要。

本文采取的技术方案是:将断路器的工作环境及关键部位的状态通过模型数据化,整理得出断路器的健康状态量化数据。

本系统主要通过温度、湿度、触头磨损、寿命(多影响维度),以及操作次数等维度分析断路器的健康状态。健康管理是基于历史环境数据下预测断路器未来还能正常工作多久的一种方法(展示断路器工作状态的变化趋势)。这套系统分为硬件采集部分和软件分析部分。硬件采集部分主要包括电流互感器、振动采集电路、温湿度传感器、通信电路、存储电路等。

2 健康度模型

总健康度指的是操作次数健康度、触头磨损健康度、湿度健康度、寿命健康度、温度健康度5个健康度的综合,总健康度取5个健康度值中的最低值作为整个断路器的健康度指示。

综合上述断路器健康维度指示状态指标,可以计算出断路器的健康度,结果可用0%～100%指示。利用模型计算出健康度分数,并自行给出相关定义。

(1) 温度健康度指的是环境温度,从某个温度值开始,温度健康度以100%为初始值,随着温度值的上升,呈线性下降,以至最低降为0。

(2) 湿度健康度指的是设备的相对湿度,从某个湿度值开始,湿度健康度以100%为初始值,随着湿度值的上升,呈线性下降,以至最低为0。

(3) 操作次数健康度是指带电操作次数,不带电的分闸、脱扣不计入次数计算。操作次数健康度以100%为初始值,随着操作次数的增加,呈线性下降,以至最低为0。

(4) 触头磨损量健康度跟故障电流有关系,一般来说,单次的触头磨损当量其模型如下:

P=βU(aI2+bI+c)Δt

(1)

式中:β——磨损系数;

U——电压;

a,b,c——系数;

I——分断电流;

△t——分断时间。

(2)

当P总达到P′(P′为最大触头磨损当量)时,一般认为触头健康度为0。

由于Δt相对固定,因此在不同阶段,Δt为不同的固定时间系数。

(5) 寿命健康度。

(3)

式中:Ss——寿命健康度;

TFn——不同条件下的标准失效时间;

tn——不同条件下的设备运行时间;

社会的发展进步体现在了各个方面，其中在气象观测方面，也不断应用了多项新的技术，不再像传统的气象观测工作一样全部依赖人工，而是利用自动化的技术，有效提升了气象观测的效率和工作质量，体现出了时代进步的特点。在自动气象站仪器设备的使用当中，常见的一些故障需要进行及时修理，同时在日常的使用当中也需要可以进行有效的维护。

Acn——不同条件下的老化加速度。

由于每个因素点对断路器影响的部位不一样,因此若干个因素点对断路器的影响分为结构部分和控制器寿命。每个部分的寿命分别进行统计(结构寿命、控制器寿命)。而断路器使用寿命=max{结构寿命,控制器寿命}=max{温度使用寿命,盐雾使用寿命,灰尘使用寿命,谐波和负载使用寿命,腐蚀使用寿命,湿度使用寿命(电子),湿度使用寿命(结构),振动使用寿命}。每个细分项单独统计使用寿命,其中结构部分的初始寿命与电子部分的初始寿命是有差异的。每种设备不太一样,断路器可以根据实际情况研发设计周期,并进行赋值。

(1) 结构寿命包括盐雾使用寿命、灰尘使用寿命、谐波和负载使用寿命、腐蚀使用寿命、湿度使用寿命(结构)、振动使用寿命(结构)。

(2) 控制器寿命包括相对湿度寿命(电子)、振动寿命(电子)、环境温度。

3 硬件电路设计

3.1 硬件系统框图

硬件系统框图如图1所示。

图1 硬件系统框图

电流/电压采集模块:通信模块采用断路器原有电路即可实现功能。温湿度采集、振动采集采用芯片模式,体积小,使用更方便。

3.2 温湿度监测电路

SHTC3是一款温湿度芯片。最低可测-40 ℃,最高可测125 ℃,反应时间为5～30 s,测量精度为±0.2 ℃。温湿度电路原理图如图2所示。SHTC3的1脚和4脚通电,2脚和3脚是I2C通信,MCU通过查询SHTC3的不同寄存器值,获取温度和湿度的值。

图2 温湿度电路原理图

3.3 电流采集电路

接收终端主要包含电流互感器、采集电路、MCU电路,本文主要针对采集电路的设计进行说明,电流采集电路原理图如图3所示。

图3 电流采集电路原理图

电流互感器通过电磁感应原理将一次侧大电流转换成二次侧小电流,流经采样电阻R2、R3、R6、R7、R17、R18,这些采样电阻将电流互感器输出的电流信号转换成电压信号,然后送入一个由RC组成的一阶抗混叠滤波器,这样极大地衰减采样频率,并且不对模数转换器(ADC)精度产生任何干扰。这种抗混叠滤波器对所关心的信号带宽有接近1的增益,却对潜在干扰RF信号有很强的衰减能力。

经过抗混叠滤波器后,信号被送入ADC内进行转换。本文采用Microchip公司的MCP3912作为信号处理和转换。MCP3912是3 V的4通道模拟前端(AFE),它主要包括4个同步取样的Delta-Sigma ADC,4个可编程增益放大器(增益为1、2、4、8、16和32)。另外,该芯片还具有相位延迟补偿区块、低漂移基准电压、数字失调和增益误差校准寄存器,具备高速20 MHz+SPI兼容的串口。MCP3912可以连接各种不同的电压和电流传感器,外围电路简单,配置灵活方便。

3.4 振动采集电路

QMA7981是矽睿科技生产的一款芯片级加速度传感器。振动采集电路如图4所示。该产品有六轴组合传感器(三轴加速度计加三轴陀螺仪)技术。QMA7981的3、7、8、9脚用于供电,1、4脚下拉,2、12脚采用I2C通信方式将信息传递出去,MCU通过查询QMA7981的不同寄存器值,获取每个轴的加速度值。

图4 振动采集电路

4 软件设计

MCU软件采用C语言编写,模块化程序设计。健康分析系统的程序模块主要包括总健康度计算、寿命健康度、操作次数健康度、温度健康度、湿度健康度、电流ADC采样、振动信号采集、通信、存储模块。健康度计算处理流程如图5所示。寿命健康度计算处理流程如图6所示。

图5 健康度计算处理流程

图6 寿命健康度计算处理流程

通信模块主要接收外部主站的命令请求,并根据对应请求内容返回相应的数据。

电流ADC采样:电流A、B、C、N相分别经过两级放大,送入单片机ADC采集端进行采集。MCU将采集到的信号经过多点采样后,计算出每相的相电流,作为是否发生故障的判断条件之一。

温湿度采样:断路器工作的温湿度通过温湿度芯片进行采集后,将分析数据通过通信方式传给MCU,MCU根据所得数据判断断路器工作环境的温湿度,并根据模型给出对应的健康状况是否合理。

盐雾、粉尘、腐蚀是用户通过通信设置的,分严重、中等、良好3种状态。每个参数有不同的老化加速系数。

5 试验验证

选定一款额定电流为250 A、电气寿命在10 000次的塑壳断路器,进行断路器的电寿命试验,每20 s做一次分断,每1 000次实际测量触头,试验数据整理及分析如表1所示。测试图片如图7所示。

表1 试验数据整理及分析

图7 测试图片

1号样机银点变化如图8所示,2号样机银点变化如图9所示。1、2号样机健康度曲线如图10所示。由图8～图10可以看出,断路器的健康度随着电气寿命次数的增而下降,其下降趋势基本一致。说明该系统能较好地对触头磨损进行计算,甚至预测。

图8 1号样机银点变化

图9 2号样机银点变化

图10 1、2号样机健康度曲线

温度的健康度曲线如图11所示。操作次数的健康度曲线如图12所示。

图11 温度的健康度曲线

图12 操作次数的健康度曲线

由图11～图12可以看出,断路器的健康状态与温度和操作次数在一定的范围内呈线性关系,温度上升,健康度呈线性下降;操作次数增加,健康度呈线性下降。

6 结 语

本文设计的断路器健康分析系统,将断路器的总健康状态分解为操作次数健康度、触头健康度、湿度健康度、温度健康度、寿命健康度。而寿命健康度的计算又分别跟断路器的结构和控制器部分的寿命相关,结构和电子寿命的最小寿命作为断路器的寿命值进行显示,分别计算操作次数、触头、温度、湿度、寿命的健康度后,经过系列算法得出断路器的总健康状态,一般情况下5项中最小的健康度即为总健康度值。该系统具有实现电路简单、稳定可靠、可扩展性强的优点。后期随着研究的深入,还可以加入声音、频域算法等更精准地监控断路器健康度。