摘 要：

介紹了低壓斷路器健康管理現(xiàn)狀，分析了接觸電壓、分?jǐn)鄷r(shí)長(zhǎng)、分?jǐn)嗄芰恳约坝|頭彈跳與塑殼斷路器觸頭系統(tǒng)電氣壽命的相關(guān)性;通過軟連接加速老化試驗(yàn)，擬合出軟連接熱老化曲線;結(jié)合框架斷路器主軸轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)角的測(cè)量數(shù)據(jù)，研究表明觸頭磨損程度能夠通過相關(guān)參數(shù)進(jìn)行預(yù)估，同時(shí)能夠?qū)俸祥l工況進(jìn)行判別。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析指明了現(xiàn)階段低壓斷路器健康管理的研究方向，為智能化產(chǎn)品與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)設(shè)計(jì)打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：

健康管理; 故障預(yù)測(cè); 傳感器; 電氣壽命; 溫升試驗(yàn)

中圖分類號(hào)： TM561

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 2095-8188（2024）05-0030-06

DOI：

10.16628/j.cnki.2095-8188.2024.05.004

Health Management Test and Research on Low Voltage Circuit Breakers

WANG Bingqing1， GAO Xiaotian2， ZHOU Yingzi1

［1.Shanghai Electrical Apparatus Research Institute （Group） Co.，Ltd.， Shanghai 200063， China;

2.Shanghai Electrical Apparatus Research Institute， Shanghai 200063， China］

Abstract：

The current status of health management for low voltage circuit breakers is introduced.The correlation between contact voltage，breaking duration，breaking energy，and contact bounce with the electrical life of the contact system of molded case circuit breakers is analyzed.Through the accelerated aging test on flexible conductor，the thermal aging curve of flexible conductor is obtained by fitting the experimental data.Based on the measurement data of angular velocity and angular displacement of the main shaft on air circuit breaker，the research shows that the degree of contact wear loss can be calculated through relevant parameters，and the 1 closing condition can be distinguished in the meantime.The analysis of the experimental results indicates the research direction of low voltage electrical appliances health management at this stage to lay a solid foundation for the smart product and industrial internet platform design.

Key words：

health management; fault prediction; sensor; electrical lifespan; temperature rise test

0 引 言

低壓斷路器是電力、建筑、通信、交通等傳統(tǒng)與新興行業(yè)中重要的配用電控制與保護(hù)設(shè)備，量大面廣，承擔(dān)著90%電能分配、控制、保護(hù)等重要功能。其運(yùn)行可靠性及健康情況關(guān)乎社會(huì)的用電安全。隨著現(xiàn)階段我國各類新能源占比顯著提高、新基建建設(shè)快速推進(jìn)，對(duì)于提高偏遠(yuǎn)地區(qū)與惡劣環(huán)境下低壓配用電系統(tǒng)的可靠性，提升運(yùn)維的效率，減少人工運(yùn)維的工作量與運(yùn)營成本，降低減少非計(jì)劃停電損失，各行業(yè)對(duì)低壓斷路器設(shè)備逐步提出了全生命周期健康管理、預(yù)測(cè)性智能運(yùn)維等方面的迫切需求［1-2］。

近年來，施耐德、西門子等跨國電器企業(yè)依托各自優(yōu)勢(shì)，已推出了帶有健康管理功能的智能化斷路器產(chǎn)品，在相關(guān)領(lǐng)域走在市場(chǎng)前列。國內(nèi)有關(guān)的高校、研究機(jī)構(gòu)與生產(chǎn)企業(yè)也已開展了斷路器健康管理的相關(guān)研究。

在相近的高壓斷路器領(lǐng)域，文獻(xiàn)［3］通過機(jī)械振動(dòng)、電場(chǎng)強(qiáng)度、回路電流的非侵入式融合采集，實(shí)現(xiàn)了斷路器故障的精準(zhǔn)預(yù)警。文獻(xiàn)［4］以斷路器分閘過程振動(dòng)信號(hào)作為研究對(duì)象，構(gòu)建彈簧儲(chǔ)能的計(jì)算公式，實(shí)現(xiàn)了彈簧疲勞程度的檢測(cè)。文獻(xiàn)［5］對(duì)不同線圈老化和鐵心卡澀狀態(tài)下的合閘電流波形進(jìn)行分類，實(shí)現(xiàn)對(duì)兩類故障樣本的準(zhǔn)確識(shí)別。上述文獻(xiàn)實(shí)現(xiàn)了對(duì)斷路器健康狀態(tài)較為準(zhǔn)確的分析，但受限于低壓斷路器體積，大部分傳感器難以部署在設(shè)備內(nèi)，相關(guān)成果較難復(fù)制應(yīng)用。

對(duì)于低壓斷路器健康管理，行業(yè)也已開展了一定研究。文獻(xiàn)［6］以分合閘線圈電流信號(hào)為主要研究對(duì)象，采用小波分析和模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析斷路器的健康狀態(tài)。文獻(xiàn)［7］采集斷路器合、分閘時(shí)的振動(dòng)信號(hào)，以此分析機(jī)械狀態(tài)退化情況。文獻(xiàn)［8］以剩余動(dòng)作電流作為特征參量，實(shí)現(xiàn)對(duì)剩余電流動(dòng)作斷路器的壽命評(píng)估。文獻(xiàn)［9］以溫度﹑濕度﹑操作次數(shù)﹑觸頭分?jǐn)嗄p作為統(tǒng)計(jì)維度，對(duì)斷路器健康狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算。上述文獻(xiàn)大部分無法實(shí)現(xiàn)將數(shù)據(jù)在線采集與分析集成在產(chǎn)品內(nèi)，有的需要停電后離線分析，有的需要大量實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的配合。因此，目前行業(yè)中仍未形成產(chǎn)品化的健康管理解決方案。

本文將針對(duì)斷路器的剩余電氣壽命、觸頭磨損、軟連接熱老化等健康管理關(guān)鍵因素開展相關(guān)的感知判斷研究，形成可在斷路器本地運(yùn)行的健康參數(shù)分析模型。同時(shí)，同步研究?jī)?nèi)置傳感器的工程化設(shè)計(jì)與應(yīng)用方案，支撐下階段帶健康管理的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，滿足行業(yè)產(chǎn)品智能化發(fā)展與各應(yīng)用領(lǐng)域健康管理、預(yù)測(cè)性運(yùn)維的需求。

1 塑殼斷路器電氣壽命判斷

1.1 研究對(duì)象

由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)原理的不同，不同類型斷路器特性有明顯的差異。本文以NKM-250型號(hào)塑殼斷路器為例，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)塑殼斷路器電氣壽命試驗(yàn)過程中的電流、電壓、接觸電阻、端子溫升等參數(shù)，對(duì)相關(guān)試驗(yàn)波形的特征點(diǎn)進(jìn)行分析，研究各特征參數(shù)隨著電氣壽命降低帶來的退化趨勢(shì)。電氣壽命試驗(yàn)與參數(shù)采集示意圖如圖1所示。

1.2 特征參數(shù)退化分析

在電氣壽命試驗(yàn)的開斷過程中，動(dòng)靜觸頭之間會(huì)產(chǎn)生電弧燒蝕，隨著試驗(yàn)次數(shù)的增加，觸頭的形貌變化會(huì)逐漸明顯，而觸頭磨損可能會(huì)導(dǎo)致接觸電阻的變化。由于接觸電阻在斷路器實(shí)際使用過程中難以直接測(cè)量，因此選取與接觸電阻相關(guān)的接觸電壓作為電氣壽命的監(jiān)測(cè)參數(shù)。觸頭系統(tǒng)與操作系統(tǒng)同樣會(huì)在電氣壽命試驗(yàn)過程中產(chǎn)生磨損與損耗，可能導(dǎo)致電氣壽命試驗(yàn)分?jǐn)噙^程的時(shí)長(zhǎng)與開斷能量變化。與塑殼斷路器機(jī)構(gòu)特性相關(guān)，合閘過程中的觸頭彈跳也有可能在電氣壽命試驗(yàn)過程中產(chǎn)生（測(cè)量合閘過程中的電壓波動(dòng)）。根據(jù)上述分析，選取接觸電壓、開斷時(shí)長(zhǎng)、開斷能量以及觸頭彈跳作為特征參數(shù)進(jìn)行分析。

1.2.1 觸頭磨損參數(shù)

在額定電壓、電流工況下進(jìn)行電氣壽命試驗(yàn)，功率因數(shù)0.8，操作頻率2次/min，通過板卡對(duì)觸頭間接觸電壓進(jìn)行在線測(cè)量。塑殼斷路器電氣壽命試驗(yàn)接觸電壓數(shù)據(jù)如圖2所示。在進(jìn)行了4 158次開斷后，因其中一相無法接通而失效。試驗(yàn)初期，三相的接觸電壓都保持在同一水平并在比較小的范圍內(nèi)波動(dòng);隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，三相的接觸電壓產(chǎn)生差異，其中A相接觸電壓呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，且波動(dòng)范圍越來越大，另兩相相對(duì)差異不明顯;同時(shí)對(duì)比開斷波形，A相先分次數(shù)較多，可能是造成觸頭燒蝕更加嚴(yán)重的原因。根據(jù)接觸電壓的變化規(guī)律，本文認(rèn)為接觸電壓隨著電氣壽命試驗(yàn)次數(shù)的增大有一定的退化趨勢(shì)，各相特性不同、波動(dòng)范圍大等在實(shí)際運(yùn)行中應(yīng)用困難。

1.2.2 電氣壽命試驗(yàn)分?jǐn)鄥?shù)

通過板卡對(duì)電氣壽命試驗(yàn)分?jǐn)噙^程參數(shù)進(jìn)行采集并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，直接得到相關(guān)的開斷時(shí)長(zhǎng)與開斷能量參數(shù)。塑殼斷路器電氣壽命試驗(yàn)開斷

時(shí)長(zhǎng)數(shù)據(jù)如圖3所示;塑殼斷路器電氣壽命試驗(yàn)開斷能量數(shù)據(jù)如圖4所示。整個(gè)電氣壽命試驗(yàn)過程中，三相的開斷時(shí)長(zhǎng)未發(fā)生明顯變化（開斷時(shí)長(zhǎng)、能量與相角無關(guān)），退化趨勢(shì)不明顯。具體而言，A相開斷時(shí)長(zhǎng)呈略微上升趨勢(shì)，B相開斷時(shí)長(zhǎng)呈略微下降趨勢(shì)，C相開斷時(shí)長(zhǎng)保持不變。其中，某兩相的分?jǐn)鄷r(shí)長(zhǎng)范圍較寬（較分散），B相范圍較窄（較集中），可以判斷范圍較窄的相極少成為首開相。關(guān)于開斷能量，三相的分布通道為平行上升通道且三相通道寬度基本一致，與開斷時(shí)長(zhǎng)類似，開斷能量的退化趨勢(shì)不明顯。

1.2.3 觸頭彈跳

在斷路器進(jìn)行電氣壽命試驗(yàn)時(shí)，提取合閘過程的電壓波形。若波形中出現(xiàn)山丘狀波紋，則說明觸頭發(fā)生彈跳現(xiàn)象。對(duì)試驗(yàn)波形進(jìn)行批量化處理分析，記錄波紋的起始時(shí)間，計(jì)算得到彈跳時(shí)長(zhǎng)。塑殼斷路器觸頭彈跳數(shù)據(jù)如圖5所示。隨著試驗(yàn)的進(jìn)行與觸頭磨損的增長(zhǎng)，觸頭彈跳時(shí)長(zhǎng)逐漸增大，并且彈跳逐漸頻繁，與接觸電壓相似，在初期和中期均無明顯變化，只在后期明顯劣化時(shí)才表現(xiàn)出顯著特征。因此，觸頭彈跳可以作為觸頭狀態(tài)的顯著劣化特征，但不能用于壽命預(yù)判。

2 斷路器軟連接熱老化壽命判斷

2.1 研究對(duì)象

目前，低壓電器行業(yè)內(nèi)針對(duì)斷路器常規(guī)較少應(yīng)用的接通分?jǐn)喙r（未產(chǎn)生電氣磨損與機(jī)械磨損），斷路器基礎(chǔ)壽命預(yù)測(cè)主要方案是根據(jù)負(fù)載比例與環(huán)境溫度進(jìn)行計(jì)算，分析這兩項(xiàng)參數(shù)主要影響斷路器中導(dǎo)電元件的氧化速度［10］，而氧化速度最快的就是軟連接。低壓斷路器的軟連接一般為編織銅絞線，由多股細(xì)銅線編織而成，具有較大的電阻與表面積，并且由于其活動(dòng)件的特性，氧化層更易于斷裂與剝落。由此可見，軟連接是斷路器熱老化壽命的瓶頸，得到軟連接的老化壽命即得到斷路器的老化壽命。本文選取一款框架斷路器用8根10組128股0.05 mm規(guī)格的銅特軟絞線進(jìn)行試驗(yàn)。銅絞線尺寸示意如圖6所示。

2.2 老化程度標(biāo)定

低壓斷路器的軟連接處滿載運(yùn)行溫度一般處于120～180 ℃（一般工況與環(huán)境溫度相關(guān)，短時(shí)耐受工況下瞬時(shí)能達(dá)到240 ℃及以上），在此溫度范圍，軟連接老化失效時(shí)長(zhǎng)數(shù)以月計(jì)，試驗(yàn)過程中環(huán)境溫度的變化會(huì)影響溫度的穩(wěn)定性，故而老

化試驗(yàn)難以在穩(wěn)定溫度下進(jìn)行。因此，本文選擇更高的溫度380 ℃進(jìn)行加速老化試驗(yàn)，用以完成對(duì)軟連接老化程度的標(biāo)定。該溫度下銅的氧化規(guī)律與軟連接工作溫度下的氧化規(guī)律基本一致，且達(dá)到失效的所需時(shí)長(zhǎng)能夠控制在一定范圍內(nèi)（400 ℃以下銅的氧化曲線呈倒對(duì)數(shù)曲線形式）。

試驗(yàn)過程中軟連接顏色由以下規(guī)律出現(xiàn)：亮銅色亮橙色古銅色暗紅色紫紅色亮棕色深棕色灰黑色黑色。軟連接顏色隨時(shí)間變化示意圖如圖7所示。最終階段軟連接表面會(huì)出現(xiàn)黑色的CuO粉末，彎折扭曲軟連接會(huì)致使粉末剝落，露出內(nèi)部的棕色。因此，本文將黑色作為軟連接的失效顏色，代表在該顏色下氧化過程已經(jīng)達(dá)到一定程度。此時(shí)：① 軟連接氧化后，表面壓縮應(yīng)力的作用產(chǎn)生硬化，妨礙觸頭運(yùn)動(dòng);② 氧化后內(nèi)阻提升導(dǎo)致溫升也會(huì)提高，氧化速度進(jìn)一步加快，產(chǎn)生惡性循環(huán)，且高溫會(huì)導(dǎo)致塑料件的損壞，甚至引發(fā)火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 軟連接老化試驗(yàn)

通過試驗(yàn)臺(tái)通過不同的電流將軟連接溫度分別穩(wěn)定在130 ℃、150 ℃、170 ℃、190 ℃，記錄各組軟連接顏色的變化，并與標(biāo)定對(duì)照組進(jìn)行對(duì)比。與標(biāo)定組采用同樣的拍攝參數(shù)與拍攝光照，減小拍攝引起的誤差。拍攝光源與設(shè)備示意圖如圖8所示。

2.4 斷路器壽命評(píng)估

根據(jù)目前的研究推斷，認(rèn)為銅的氧化速率從低溫到中溫到高溫應(yīng)按以下規(guī)律［11］：倒對(duì)數(shù)曲線立方曲線拋物線，且倒對(duì)數(shù)曲線只適用于電子軌道效應(yīng)起作用的厚度?；谲涍B接活動(dòng)件的特性，認(rèn)為低溫條件下倒對(duì)數(shù)曲線適用于所有厚度軟連接的氧化階段。通過試驗(yàn)得到不同溫度下時(shí)間與氧化程度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，根據(jù)倒對(duì)數(shù)曲線對(duì)氧化程度時(shí)間進(jìn)行擬合，得到對(duì)應(yīng)的擬合曲線。其中，擬合曲線形式為

AT=alogb（t+1）

式中： AT——軟連接溫度為T工況下的氧化程度百分比;

T——溫度;

a、b——常數(shù);

t——老化時(shí)長(zhǎng)。

根據(jù)擬合的曲線，計(jì)算試驗(yàn)溫度下的老化壽命，當(dāng)AT達(dá)到100時(shí)，表明軟連接已老化失效。根據(jù)得到的數(shù)值，近似擬合出軟連接熱老化曲線。軟連接熱老化曲線如圖9所示。

3 框架斷路器觸頭磨損判斷

3.1 研究對(duì)象

作為低壓斷路器中電流等級(jí)最大的元器件之一的框架斷路器具有較寬裕的傳感器安裝空間，同時(shí)也能夠通過智能控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與分析。針對(duì)斷路器壽命的關(guān)鍵指標(biāo)之一的觸頭磨損，設(shè)計(jì)主軸的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)角傳感器，來對(duì)觸頭磨損帶來的參數(shù)變化量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

3.2 主軸轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)角

在框架斷路器的結(jié)構(gòu)當(dāng)中，觸頭的磨損會(huì)導(dǎo)致超程減小，同時(shí)觸頭彈簧行程減小，分閘動(dòng)作的起動(dòng)能量就會(huì)降低。較小的起動(dòng)能量會(huì)導(dǎo)致主軸轉(zhuǎn)動(dòng)的速度降低，同時(shí)超程能夠直接影響主軸在合分閘過程中到達(dá)死點(diǎn)的行程［12］。設(shè)計(jì)加工不同厚度的靜觸片，模擬不同的觸頭磨損量，在合分閘操作時(shí)記錄主軸轉(zhuǎn)速傳感器的電壓波形，同時(shí)對(duì)波形進(jìn)行積分運(yùn)算，得到轉(zhuǎn)角時(shí)間曲線。不同觸頭磨損工況下合閘、分閘時(shí)主軸轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)角曲線分別如圖10、圖11所示。不同觸頭磨損工況下，分閘的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)角波形具有明顯的差異性，轉(zhuǎn)速波形的數(shù)值拐點(diǎn)隨著磨損量的增大而向后偏移，轉(zhuǎn)角波形的起始段的斜率隨著磨損量的增大而降低。由于磨損量對(duì)于合閘的影響位于整個(gè)過程的最終階段，此時(shí)主軸轉(zhuǎn)速高，因此不同磨損工況的曲線的差異性不明顯。因此，分閘階段的主軸轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)角可作為觸頭磨損的退化特征參數(shù)進(jìn)行研究，并且具有較高的工程實(shí)現(xiàn)性。

本文研究觸頭磨損的同時(shí)，針對(duì)假合閘工況，設(shè)計(jì)假合閘試驗(yàn)，記錄主軸轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)角曲線。正常合閘工況與假合閘工況轉(zhuǎn)角曲線對(duì)比如圖12所示。假合閘工況的主軸轉(zhuǎn)角具有非常明顯的特征，因此，實(shí)際應(yīng)用中可以通過轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)角的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)假合閘工況的產(chǎn)生并提供最優(yōu)的運(yùn)維處理方案。

4 結(jié) 語

本文針對(duì)斷路器健康管理關(guān)鍵因素開展相關(guān)的感知判斷研究，得出以下結(jié)論：

（1） 塑殼斷路器的接觸電壓、開斷時(shí)長(zhǎng)與能量、觸頭彈跳均難以作為斷路器壽命預(yù)判的特征參數(shù)，但接觸電壓與觸頭彈跳可作為斷路器電氣壽命的顯著劣化指標(biāo)。

（2） 通過快速老化試驗(yàn)，可以獲得一定溫度下軟連接氧化程度與時(shí)間的關(guān)系，進(jìn)一步可獲得軟連接的老化曲線。由于軟連接為斷路器老化壽命中的薄弱瓶頸環(huán)節(jié)，因此軟連接的老化曲線可以視為斷路器的老化曲線，用來進(jìn)行老化壽命預(yù)測(cè)。

（3） 框架斷路器的主軸轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角的數(shù)據(jù)特征能夠與觸頭系統(tǒng)的磨損相對(duì)應(yīng)，說明可將其作為觸頭系統(tǒng)的退化參數(shù)進(jìn)行研究。

本文受限于研究時(shí)長(zhǎng)、樣本數(shù)量、傳感器精度等客觀因素，僅篩選出具有退化趨勢(shì)的特征參數(shù)，仍需要對(duì)相關(guān)特征參數(shù)進(jìn)行更深一步的研究，后續(xù)的研究將針對(duì)具有退化趨勢(shì)的參數(shù)進(jìn)行更加詳細(xì)與深入的試驗(yàn)與分析。此外，研究團(tuán)隊(duì)正基于已獲取的數(shù)據(jù)算法，同步構(gòu)建固化為產(chǎn)品健康機(jī)理模型，并與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)、產(chǎn)品智能控制器等結(jié)合，在云側(cè)或邊緣側(cè)進(jìn)行部署，形成產(chǎn)品健康管理的工程化解決方案，逐步提升產(chǎn)品的健康管理水平。

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收稿日期： 20240321