何志鵬, 趙 虎

(西北工業(yè)大學 自動化學院, 陜西 西安 710129)

0 引 言

小型斷路器是低壓配電網(wǎng)中非常重要的一種開關電器,不僅能夠開斷正常工作回路,而且具備短路、過載、漏電保護等功能,廣泛安裝在家庭、店鋪、工廠等環(huán)境中[1-3]。隨著用戶對用電網(wǎng)絡安全性和可靠性需求的增加和人工智能技術的發(fā)展,智能斷路器已成為一種發(fā)展趨勢[4-5]。相比傳統(tǒng)斷路器,智能斷路器的優(yōu)勢之一就是能進行剩余壽命預測。用戶可以通過剩余壽命預測及時發(fā)現(xiàn)和更換“危險斷路器”,從而減小因小型斷路器失效引發(fā)火災事故的概率,并提高用電網(wǎng)絡的安全性和可靠性。

小型斷路器的制造工藝已經相當成熟,因此影響斷路器壽命的主要因素是其電壽命。小型斷路器分閘過程中產生的電弧會燒蝕觸頭材料,觸頭材料在電弧的作用下會發(fā)生蒸發(fā)侵蝕、噴濺侵蝕等物理過程[6-8],這些物理過程影響著小型斷路器的電氣壽命。壽命劣化的斷路器存在合閘失效、保護失效、熄弧困難等問題,繼續(xù)使用壽命劣化的斷路器會降低用電網(wǎng)絡的安全性和可靠性。

小型斷路器和繼電器、接觸器等開關電器電壽命劣化的原因相同,國內外有許多專家和學者在研究電弧燒蝕觸頭材料的過程和機理,也有許多專家和學者在研究開關電器電壽命預測模型?？傮w來說,目前開關電器電壽命預測模型可以分為兩類:一類是根據(jù)電弧燒蝕觸頭材料過程構建的數(shù)學模型;另一類是借助概率統(tǒng)計模型或者人工智能算法構建的電壽命預測模型[9]。哈工大翟國富等[6,10-11]一直在研究電弧燒蝕觸頭材料的過程和機理,并結合電弧燒蝕觸頭材料的機理建立了一些觸頭磨損的數(shù)學模型。此外,沈工大曹云東等[12-15]也一直在研究開關電器電壽命預測問題,對觸頭間電弧的產生及發(fā)展過程進行了研究。但是電弧燒蝕觸頭材料是一個復雜的物理、化學過程,建立一個融合電弧燒蝕觸頭材料機理且預測準確的電壽命預測模型較為困難。河工大李奎等[9,16-18]一直在研究接觸器的電壽命預測問題,結合概率統(tǒng)計理論和人工智能算法建立了交流接觸器的電壽命預測模型,并取得了不錯的預測效果。但是應用概率統(tǒng)計模型構建開關電器的電壽命預測模型時需要大量試驗數(shù)據(jù),且需分析壽命數(shù)據(jù)的分布類型,因此試驗周期較長,試驗成本較大。

目前,國內外的許多專家和學者對接觸器、繼電器開展了電壽命評估的研究,但針對小型斷路器開展電壽命評估的研究較少。開展小型斷路器的電壽命評估離不開試驗數(shù)據(jù)的支撐,本文結合小型斷路器電壽命試驗的相關標準要求[19],設計了一套小型斷路器電壽命試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),對6只額定通斷電流為16 A的小型斷路器進行了電壽命試驗。從試驗過程中采集的電弧電壓和電弧電流等信號中提取了燃弧時間、燃弧能量、允通能量、相對合閘時間、跌落時間等特征量。借助BP神經網(wǎng)絡模型,以特征量為輸入?yún)?shù),斷路器電壽命等級為輸出參數(shù),構建了小型斷路器電壽命評估模型。

1 電壽命試驗裝置

1.1 小型斷路器結構

小型斷路器內部結構圖如圖1所示。小型斷路器一般由電磁脫扣系統(tǒng)、熱脫扣系統(tǒng)、滅弧系統(tǒng)、操作機構等部分組成[20]。轉動手柄帶動由連桿、轉動板、鎖扣件等組成的操作機構轉動,可使斷路器合分閘。小型斷路器短路保護和過載保護的動作過程:在線路發(fā)生短路故障時,鐵心受電磁線圈的電磁力克服反力彈簧的反作用力,向另一側移動觸發(fā)跳扣件使斷路器分閘斷電;在線路長時間處于過載時,雙金屬片受熱彎曲觸發(fā)跳扣件使斷路器分閘斷電。在斷路器分閘的瞬間,動/靜觸頭間會產生電弧,電弧能量注入觸頭材料后,觸頭材料會發(fā)生相變,部分觸頭材料通過蒸發(fā)、噴濺等方式離開觸頭區(qū)域,小型斷路器的電壽命與電弧侵蝕觸頭材料的過程相關。

圖1 小型斷路器內部結構圖

1.2 電壽命試驗裝置

小型斷路器電壽命試驗裝置的硬件組成包含4部分,分別是試驗回路、合分閘操作機構、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和上位機。小型斷路器電壽命試驗裝置硬件結構如圖2所示。

圖2 小型斷路器電壽命試驗裝置硬件結構

試驗回路由交流電壓源AC、總開關QF1、試驗斷路器QF2、可調電阻R1組成。合分閘操作機構的硬件部分由SMART200型PLC、直流電機、動作機構和接近開關等組成。PLC根據(jù)上位機的指令驅動直流電機,電機轉動帶動動作機構運動,由動作機構操作小型斷路器進行合閘和分閘。當小型斷路器處于合閘狀態(tài)時,上限位接近開關輸出高電平信號;當小型斷路器處于分閘狀態(tài)時,下限位接近開關輸出高電平信號,接近開關輸出的高低電平輸入PLC形成反饋信號。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由PCI-3361型數(shù)據(jù)采集卡、DVL1000型電壓傳感器(1 000 V/50 mA)和采樣電阻等組成。電壓傳感器1和電壓傳感器2分別轉換觸頭電壓和負載電壓,通過采樣電阻R2和R3將電壓傳感器輸出的電流信號轉變?yōu)榭梢暂斎霐?shù)據(jù)采集卡的電壓信號。上位機軟件界面是基于LabWindows編程環(huán)境開發(fā)的,一方面與PLC通信驅動合分閘操作機構,另一方面驅動采集卡并讀取采樣數(shù)據(jù)。試驗裝置實物圖如圖3所示。

圖3 試驗裝置實物圖

1.3 電壽命試驗裝置運行過程

上位機運行界面如圖4所示。圖4中,可以設置信號的采樣頻率、數(shù)據(jù)長度、小型斷路器合分閘頻率等參數(shù),也可以指定合分閘操作次數(shù)。

電壽命試驗裝置運行過程如圖5所示。首先PLC通過OPC(OLE for Process Control)將接近開關的輸出信號傳遞給上位機,上位機依據(jù)該反饋信號判斷合分閘操作機構初始位置是否合適,如果初始位置不合適,則上位機向PLC傳遞復位信號,由PLC驅動直流電機帶動動作機構運動至合適位置。其次根據(jù)用戶輸入?yún)?shù)(如信號采樣頻率、數(shù)據(jù)長度、觸發(fā)電平等參數(shù))驅動數(shù)據(jù)采集卡,采集卡一旦完成初始參數(shù)設置后就啟動采樣任務等待觸發(fā)。然后上位機向PLC發(fā)送合閘操作指令,之后就一直查詢反饋信號。最后上位機依據(jù)反饋信號執(zhí)行下一步驟,如果合閘操作完成,上位機會從數(shù)據(jù)采集卡中讀取數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)保存在指定文件夾中;如果合閘操作失敗或者信號采集失敗,上位機會發(fā)出錯誤警告并停止運行。分閘操作的數(shù)據(jù)采集流程同合閘操作的數(shù)據(jù)采集流程類似。

圖5 電壽命試驗裝置運行過程

1.4 電壽命試驗的試驗參數(shù)

本文對6只小型斷路器進行了電壽命試驗,在試驗過程中每開斷500次便測量一次試驗樣品的接觸電阻、動/靜觸頭厚度和超程等參數(shù)。觸頭材料燒蝕程度決定著斷路器合閘成敗,因此本文依據(jù)觸頭燒蝕量(動/靜觸頭厚度較初始狀態(tài)下的減少量)判定小型斷路器電壽命狀態(tài)。小型斷路器電壽命試驗參數(shù)如表1所示。

表1 小型斷路器電壽命試驗參數(shù)

2 特征量

觸頭材料在經過電弧燒蝕后,其厚度會減小并且觸頭間的開距會增大,但是觸頭厚度和開距難以在線實時監(jiān)測,其無法直接應用于小型斷路器電壽命評估中。相比觸頭厚度和開距,電弧電壓和電弧電流更容易在線采集。此外,觸頭表面形貌在燒蝕前后會有較大的差異,其可能會影響觸頭間的燃弧過程,進而影響電弧電壓和電弧電流波形,因此電弧電壓和電弧電流波形中可能含有反映斷路器壽命退化過程的信息。本文分析了電弧電壓和電弧電流的變化過程,并從中提取了相關特征量。

2.1 電壓信號波形特點

某次分斷過程中,電弧電壓和電弧電流信號波形如圖6所示。在t在0～9.95 ms內,動/靜觸頭穩(wěn)定接觸,電弧電壓近似等于零,電弧電流跟隨電源電壓變化;在t=10.00 ms時,動/靜觸頭間出現(xiàn)電弧,電弧電壓開始從零迅速增大,電弧電流略微減小后繼續(xù)跟隨電源電壓變化;在t=11.60 ms時,持續(xù)增大的電弧電壓出現(xiàn)跌落,由高速攝像機記錄的電弧運動過程可知,其原因是動觸頭回落引起電弧更加劇烈燃燒所致;在t=19.00 ms時,動靜觸頭間的電弧熄滅,電弧電壓跟隨電源電壓變化,電弧電流減小為零。

2.2 特征量提取過程

某次分斷過程中,電弧電壓信號的波形如圖7所示。本文選取了從起弧時刻到電弧電壓發(fā)生跌落的這段時間作為特征量,即t2-t1,為描述方便文中將這段時間稱為跌落時間。此外,本文在電壽命試驗過程中采用了2P斷路器作為試驗樣品,一路通斷16 A電流,另外一路通斷25 mA電流,提取了兩路斷路器合閘時刻的時間差作為特征量,為方便描述文中將這段時間差稱為相對合閘時間。另外本文還提取了燃弧時間、燃弧能量、允通能量等特征量。

圖6 電弧電壓和電弧電流信號波形

圖7 電弧電壓信號波形

2.3 特征量的變化過程

2.3.1 物理參數(shù)

在電壽命試驗過程中,每開斷500次就測量一次試驗樣品的動/靜觸頭厚度和超程。觸頭厚度減少量包括動觸頭和靜觸頭厚度減少量之和。觸頭厚度減少量隨開斷次數(shù)的變化過程如圖8所示。超程隨開斷次數(shù)的變化過程圖9所示。在動/靜觸頭合分過程中,觸頭材料會經歷熱、力、化學作用等過程的破壞,觸頭材料的燒蝕量會隨著開斷次數(shù)增加而增加,動觸頭需要運動更長的路程才能和靜觸頭穩(wěn)定接觸,因此超程隨開斷次數(shù)增加而減小。

2.3.2 電參數(shù)

在電壽命試驗過程中,起弧時刻的回路電流相位是隨機的,而交流電弧通常在回路電流過零時刻附近熄滅,因此燃弧時間這個特征量在交流小型斷路器壽命周期內也呈現(xiàn)隨機趨勢?；谶@個原因,本文特意將試驗數(shù)據(jù)按照起弧相位分成了不同的組類,每一個小組內的樣本數(shù)據(jù)的起弧相位基本是相同的,即每次觸頭分斷時觸頭間的電壓和流過觸頭的電流基本是相同的,而觸頭表面形貌會因開斷次數(shù)的增加而發(fā)生改變,這樣能夠最大程度體現(xiàn)選取的特征量隨觸頭燒蝕量增加而改變的變化過程。相對合閘時間隨開斷次數(shù)的變化過程如圖10所示;特征量隨開斷次數(shù)的變化過程如圖11所示。

圖8 觸頭厚度減少量隨開斷次數(shù)的變化過程

圖9 超程隨開斷次數(shù)的變化過程

圖10 相對合閘時間隨開斷次數(shù)的變化過程

圖11 特征量隨開斷次數(shù)的變化過程

由圖10和圖11可見,跌落時間和相對合閘時間隨開斷次數(shù)變化的趨勢最明顯,而其他3個特征量與開斷次數(shù)之間的關聯(lián)度較差。如前文所述,電弧電壓跌落是因為動觸頭回落導致弧根更加劇烈燃燒所致,所以跌落時間與動觸頭回落的位置、斷路器機械疲勞、觸頭表面形貌等有關,間接反映了斷路器的電壽命狀態(tài)。而相對合閘時間更體現(xiàn)了觸頭燒蝕量,通斷mA級電流的觸頭燒蝕程度遠遠小于通斷16 A電流的觸頭燒蝕程度,因此隨著開斷次數(shù)的增加,燒蝕程度小的觸頭接通時刻會遠遠早于觸頭燒蝕程度大的觸頭接通時刻,相對合閘時間隨開斷次數(shù)增加呈現(xiàn)增大的趨勢。其他起弧相位區(qū)間內各特征量的變化趨勢與該起弧相位下各特征量的變化趨勢一致,這里不再贅述。

3 電壽命評估模型

含有雙隱層的神經網(wǎng)絡能夠解決任何復雜的分類問題,應用BP算法的神經網(wǎng)絡更是具有良好的非線性映射能力、泛化能力和容錯能力[21],且BP神經網(wǎng)絡在繼電器和接觸器電壽命預測方面得到了應用[18,22],因此本文選用BP神經網(wǎng)絡作為小型斷路器電壽命評估的分類模型。本文用提取的特征量和小型斷路器電壽命等級分別作為模型的輸入?yún)?shù)和輸出參數(shù),并且構造了相應的訓練集和測試集數(shù)據(jù)庫。

3.1 模型的輸入輸出參量

斷路器電壽命的退化過程是一個不可逆的過程,選取呈現(xiàn)單調性變化的趨勢特征量作為模型輸入?yún)?shù)能夠有效提高模型的評估準確度。在小型斷路器通斷電路的過程中,觸頭間產生的電弧會燒蝕觸頭材料,觸頭燒蝕量(觸頭厚度的減小量)會隨開斷次數(shù)的累積而單調遞增,本文選用相對合閘時間和跌落時間這兩個趨勢特征量作為模型的輸入?yún)?shù),選用小型斷路器的電壽命等級作為模型的輸出參數(shù)。小型斷路器的電壽命等級依據(jù)觸頭燒蝕量劃分,不同的電壽命等級分別代表小型斷路器的不同健康狀態(tài),其代表的含義分別是良好、正常、注意和故障。本文對電壽命等級進行了數(shù)值化,并將其作為電壽命評估模型的輸出參量。小型斷路器電壽命等級劃分規(guī)則如表2所示。

表2 小型斷路器電壽命等級劃分規(guī)則

3.2 電壽命評估模型的訓練過程

本文利用測量的觸頭燒蝕量對其他未知的與開斷次數(shù)相對應的觸頭燒蝕量進行了插值擬合,并根據(jù)觸頭燒蝕量對斷路器電壽命等級進行了標簽化,將相對合閘時間、跌落時間和電壽命等級組成一組數(shù)據(jù),共得到了18 994組數(shù)據(jù),選用其中的20%作為測試集樣本,剩余80%作為訓練集樣本。

本文選用的BP神經網(wǎng)絡僅包含一層輸入層,一層隱含層和一層輸出層,為避免輸入?yún)⒘苛烤V對訓練結果的影響,本文提前對訓練集樣本進行了歸一化處理,模型訓練過程如圖12所示。

圖12 模型訓練過程

首先在訓練開始前對輸入層與隱含層、隱含層與輸出層之間的權值矩陣進行了初始化處理。然后依據(jù)指定的神經元激活函數(shù)正向計算各層輸出,并依據(jù)Levenberg-Marquarelt(LM)算法反向修正各權值矩陣。最后依據(jù)模型計算輸出與期望輸出的誤差是否滿足要求決定是否結束訓練。

3.3 電壽命評估模型的測試結果

測試集數(shù)據(jù)輸入訓練模型后,模型預測結果與期望結果對比如圖13所示。由圖13可知,訓練模型預測結果不是期望的電壽命等級,因此需要將預測結果整數(shù)化。預測結果整數(shù)化的思路是將預測結果與電壽命等級值進行做差,然后再將差值最小的電壽命等級值作為模型輸出。預測結果整數(shù)化后的電壽命等級分布如圖14所示。

圖13 模型預測結果與期望結果對比

圖14 預測結果整數(shù)化后的電壽命等級分布

本文通過改變隱含層神經元數(shù)目訓練了不同的模型,并利用測試集數(shù)據(jù)對評估效果一一進行了測試,在訓練耗時方面并無明顯差異。不同隱含層神經元數(shù)目下模型評估準確度如表3所示。

表3 不同隱含層神經元數(shù)目下模型評估準確度

由表3可見,訓練后的電壽命評估模型的評估準確度約為91%,能夠滿足一般工程應用要求,但是其也有一定的提升空間。在分析電壽命等級狀態(tài)隨趨勢特征量的分布情況時,由于不同試驗樣品存在些許差異,各試驗樣品的趨勢特征量在不同電壽命等級時對應閾值有略微差異,所以模型的評估準確度在相鄰兩個電壽命等級位置附近較低。其次,趨勢特征量的變化過程并非呈現(xiàn)線性增大,而是呈現(xiàn)波動式增大,其對模型評估準確度也有一定的限制作用。

4 結 語

本文基于LabWindows編程環(huán)境設計了一套小型斷路器電壽命試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),對試驗樣品進行了電壽命試驗,并從采集的數(shù)據(jù)中提取了相關趨勢特征量,利用BP神經網(wǎng)絡構建了小型斷路器電壽命評估模型。通過上述研究工作,可以獲得以下結論:

(1) 在小型斷路器進行16 A電壽命試驗過程中,跌落時間和相對合閘時間隨開斷次數(shù)增加有明顯的變化趨勢。其原因均和觸頭燒蝕量增加有關,跌落時間因觸頭開距增加動觸頭運動路程延長而呈現(xiàn)增大的變化趨勢,相對合閘時間因觸頭磨損累積和合閘時刻滯后而呈現(xiàn)增大的變化趨勢。

(2) 應用BP神經網(wǎng)絡模型可以解決一般的開關電器電壽命狀態(tài)分類問題,BP神經網(wǎng)絡的預測結果經過整數(shù)化后,其評估準確度約為91%,能夠滿足一般的工程應用要求。

本文以設計和制造工藝成熟的小型斷路器為研究對象,從電壽命試驗的試驗數(shù)據(jù)中提取了反映其性能退化過程的趨勢特征量。不同型號的小型斷路器觸頭材料、內部零件參數(shù)等略有差異,特征量的失效閾值會因產品型號不同而不同,因此在未來研究中需要提取更加有效的趨勢特征量和構建融合多參數(shù)的電壽命評估模型。