摘 要：

介紹了健康管理的概念，分析了低壓斷路器健康管理的關(guān)鍵技術(shù)，更深層次探索和研究了低壓斷路器健康管理的技術(shù)要求和功能應(yīng)用，從而制定推出相應(yīng)的低壓斷路器健康管理規(guī)范標準?？蛇M一步加快傳統(tǒng)電器設(shè)備數(shù)字化進程，打造行業(yè)可持續(xù)高質(zhì)量發(fā)展生態(tài)。

關(guān)鍵詞：

低壓斷路器; 健康管理技術(shù); 標準化; 可持續(xù)

中圖分類號： TM561

文獻標志碼： A

文章編號： 2095-8188（2024）09-0077-04

DOI：

10.16628/j.cnki.2095-8188.2024.09.012

Health Management Technology and Standardization for Low Voltage Circuit Breakers

CHEN Xueqin， CHEN Zhengxin

（Shanghai Electrical Apparatus Research Institute， Shanghai 200063， China）

Abstract：

The concept of health management is introduced，and the key technologies of low voltage circuit breaker health management is analyzed.The technical requirements and functional applications of circuit breaker health management are explored and studied at a deeper level to develop the corresponding low voltage circuit breaker health management standard，which can speed up the digitalization process of traditional electrical equipment， and create a sustainable and high quality development ecology of the industry.

Key words：

low voltage circuit breakers; health management technology; standardization; sustainable

0 引 言

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)作為全新工業(yè)生態(tài)、關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施和應(yīng)用模式，通過人、機、物的全面互聯(lián)，實現(xiàn)全要素、全產(chǎn)業(yè)鏈、全價值鏈的全面連接，正在全球范圍內(nèi)不斷顛覆傳統(tǒng)制造模式、生產(chǎn)組織方式和產(chǎn)業(yè)形態(tài)，推動傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)加快轉(zhuǎn)型升級、新興產(chǎn)業(yè)加速發(fā)展壯大?！豆I(yè)互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新發(fā)展行動計劃（2021—2023年）》和《“十四五”智能制造發(fā)展規(guī)劃》等政策文件中都明確指出要大力發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，支持建設(shè)云仿真、數(shù)據(jù)加工、故障預(yù)測與健康管理等技術(shù)專業(yè)型平臺，加快信息技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用;要加速工業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展，大力發(fā)展數(shù)字化設(shè)計、遠程運維服務(wù)，加快工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等新型網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)?；渴?，提升現(xiàn)場感知和數(shù)據(jù)傳輸能力，建立各具特色的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺;要推動制造業(yè)實現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型、網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同、智能化變革。在此過程中，配用電系統(tǒng)將迎來新的變革，向新型配用電系統(tǒng)不斷發(fā)展，數(shù)字化電器設(shè)備將逐步替代傳統(tǒng)電器設(shè)備，實現(xiàn)環(huán)境友好、低碳和電能的高效應(yīng)用。

低壓斷路器健康管理技術(shù)是提升新型配用電系統(tǒng)高效性的一項重要技術(shù)，可以有效帶動相關(guān)電器設(shè)備制造企業(yè)、狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展，為電器產(chǎn)品的運維策略、管控措施、更新和檢修計劃提供有力的技術(shù)支撐，同時有效提高新型配電網(wǎng)運行管理自動化、數(shù)字化、智能化水平，提高供電可靠性，降低企業(yè)運維成本［1］。

1 健康管理概述

健康管理是對設(shè)備及其部件健康狀態(tài)的影響因素進行全面管理的過程，包括涉及健康狀態(tài)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理、健康度評估、故障預(yù)測等，并給出維修的建議或方案等。

健康管理技術(shù)在誕生之際主要應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，早在20世紀70年代，基于系統(tǒng)、設(shè)備、印制電路板（PCB）的故障診斷與健康管理技術(shù)就開始在航空領(lǐng)域中應(yīng)用。到了20世紀八九十年代，此項技術(shù)的應(yīng)用主要集中于狀態(tài)監(jiān)控，重點是對過程中的數(shù)據(jù)進行采集，在比較數(shù)據(jù)狀態(tài)后進行閾值報警，結(jié)合智能推理模型得到運行狀態(tài)，并逐漸向預(yù)測故障發(fā)生的方向發(fā)展。近年來，隨著信息技術(shù)的不斷創(chuàng)新，該技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)從航空領(lǐng)域發(fā)展到了更多的領(lǐng)域，且技術(shù)逐漸成熟，在先前的故障監(jiān)測的基礎(chǔ)上，增加了對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的健康管理，從而實現(xiàn)全方位、多角度、深層次網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的故障檢測運維。

近年來，配用電系統(tǒng)用戶端對設(shè)備的健康管理提出如下需求：物業(yè)管理者希望確保電力系統(tǒng)100%防止故障發(fā)生，能夠?qū)崟r在線、實現(xiàn)遠程操作，并縮減故障時間;最終用戶希望全面保障供電連續(xù)性，降低運維成本，并具有較高的舒適度?；谏鲜鲂枨螅滦团溆秒娤到y(tǒng)中的關(guān)鍵保護與控制電器元件逐漸開始采用健康管理技術(shù)，實現(xiàn)對產(chǎn)品健康狀態(tài)的評估、壽命預(yù)測、故障預(yù)警等，進一步提高產(chǎn)品安全性和可靠性，同時量身定制維護計劃以優(yōu)化成本。

2 低壓斷路器健康管理的關(guān)鍵技術(shù)

低壓斷路器作為當(dāng)前智能化水平較高的低壓電器設(shè)備，在融合新一代數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)的基礎(chǔ)上，具有電氣測量及報警、狀態(tài)感知、故障及歷史記錄、診斷維護等功能，已初步具備健康狀態(tài)指示功能，但仍不具備全面、系統(tǒng)的斷路器健康管理功能。

用于新型配用電系統(tǒng)的低壓斷路器的健康管理技術(shù)應(yīng)包括狀態(tài)監(jiān)測、健康評估、故障預(yù)測、維護決策4類關(guān)鍵技術(shù)，且可以通過低壓斷路器控制器、柜門顯示單元或者云平臺實現(xiàn)低壓斷路器健康管理功能［2-4］。

（1） 狀態(tài)監(jiān)測：將接收到的電氣參數(shù)、機械參數(shù)、環(huán)境參數(shù)等數(shù)據(jù)與設(shè)定的閾值進行比較，得到“過大”“過小”或“為零”等是否在正常運行狀態(tài)的判斷。

（2） 健康評估：確定健康狀態(tài)評估的維度，給出產(chǎn)品健康度的評價體系;結(jié)合綜合壽命周期、故障預(yù)警，并根據(jù)評價體系給出設(shè)備健康度。

（3） 故障預(yù)測：結(jié)合故障機理模型以及監(jiān)測到的狀態(tài)得出故障診斷的結(jié)果，確定給出用戶層面的故障類型，如動作不正常、觸頭過熱、控制器失效、附件失效、抽屜不到位、二次回路不接通等異常;對個別大類故障，還可結(jié)合其預(yù)警判定方式，如過熱，研究分析其趨勢變化，從而給出故障預(yù)警信息。

（4）維護決策：基于系統(tǒng)所有低壓斷路器的健康度情況、使用維護和環(huán)境信息，融合平臺側(cè)的運維策略庫，包括巡檢、設(shè)備保養(yǎng)、檢修及更換要求，提供預(yù)測性維護的建議（維護策略），制訂維護計劃。

3 低壓斷路器健康管理規(guī)范標準

3.1 低壓斷路器健康管理技術(shù)要求

根據(jù)低壓斷路器的健康管理要求，標準中考慮低壓斷路器從投入運行開始至當(dāng)前的健康狀態(tài)評估，不僅包括設(shè)備的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理、狀態(tài)監(jiān)測以及健康狀態(tài)評估，還包括故障監(jiān)測、維護決策等。需要采集的數(shù)據(jù)規(guī)定如下：電氣參數(shù)包括電壓、電流、頻率、功率、諧波、觸頭壓降以及觸頭阻抗等;機械參數(shù)包括彈簧力、主觸頭角位移、主軸角速度、觸頭磨損以及聲音等;環(huán)境參數(shù)包括溫度（低壓斷路器進出線端溫度、主觸頭溫度、軟連接溫度、低壓斷路器周圍空氣溫度）、濕度（與周圍空氣溫度同時采集）、鹽霧、粉塵以及振動等;其他參數(shù)包括欠/失電壓脫扣器、閉合脫扣器和分勵脫扣器狀態(tài)（如適用），準備閉合（合閘）狀態(tài)，儲能閉合機構(gòu)狀態(tài)（如適用），智能控制器狀態(tài)，通信模塊狀態(tài)，操作次數(shù)，累計帶電運行時間等。

針對低壓斷路器健康狀態(tài)評估，標準中給出相應(yīng)流程。低壓斷路器健康狀態(tài)評估流程如圖1所示。

健康狀態(tài)等級如表1所示。在如表1等級劃分的基礎(chǔ)上，同時對低壓斷路器健康狀態(tài)參數(shù)（如電氣、環(huán)境等運行工況，觸頭磨損，熱老化率等）給出推薦值。結(jié)合這些參數(shù)情況，利用數(shù)學(xué)模型計算出低壓斷路器健康度，結(jié)果用0～100分指示：70～100分表示低壓斷路器健康情況處于優(yōu)良狀態(tài);50～69分表示低壓斷路器健康情況下降，處于關(guān)注狀態(tài);0～49分表示低壓斷路器健康情況惡化，處于危險狀態(tài)。

3.2 低壓斷路器健康管理功能應(yīng)用

在實際應(yīng)用中，除了可通過低壓斷路器及其終端顯示設(shè)備（設(shè)備側(cè)）提供健康管理相關(guān)信息外，也可通過系統(tǒng)平臺的數(shù)據(jù)存儲、處理、分析、計算能力，提供接入系統(tǒng)的單個或多個低壓斷路器信息，發(fā)起健康管理各種報表。平臺側(cè)低壓斷路器健康管理信息示例如表2所示。

系統(tǒng)平臺對低壓斷路器的運行工況（電氣、環(huán)境）、觸頭磨損、熱老化率等參數(shù)進行監(jiān)測，當(dāng)監(jiān)測結(jié)果為非正常狀態(tài)或接近設(shè)定閾值的情況進行設(shè)備故障預(yù)警。平臺側(cè)的故障預(yù)警包括設(shè)備故障預(yù)警和系統(tǒng)故障預(yù)警。在多級保護配電系統(tǒng)中，根據(jù)低壓斷路器的電參數(shù)（如電流、電壓）的變化，可預(yù)測或即時判斷可能發(fā)生的系統(tǒng)故障（如過電流、欠/過電壓、三相不平衡、接地、剩余電流等），并通過低壓斷路器自身或通過平臺側(cè)邊緣計算分析精準定位故障點，得出低壓斷路器綜合故障概率，為用戶提供設(shè)備故障預(yù)警信息;同時可結(jié)合用電負載的重要度，給出針對系統(tǒng)故障的預(yù)防措施建議或即時動作指令。

平臺側(cè)的系統(tǒng)健康度評估結(jié)果可通過顏色標識，標準中給出的推薦顏色和對應(yīng)分值：綠色對應(yīng)的健康度分值為70～100分;黃色對應(yīng)的健康度分值為50～69分;紅色對應(yīng)的健康度分值為0～49分。

基于系統(tǒng)所有低壓斷路器的健康度情況、使用維護和環(huán)境信息，融合平臺側(cè)的運維策略庫，包括巡檢、設(shè)備保養(yǎng)、檢修及更換要求，提供預(yù)測性維護的建議（維護策略），并提出維護要求和實施方案。低壓斷路器維護策略可結(jié)合斷路器的健康狀態(tài)評估及健康度計算結(jié)果制定，制造商可自行定義顯示參數(shù)及對應(yīng)的維護策略。

依據(jù)低壓斷路器健康管理規(guī)范標準，研究設(shè)計了健康管理柜門式控制單元，通過對低壓斷路器運行狀態(tài)、運行數(shù)據(jù)、端子溫度、異常事件等數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控實現(xiàn)對低壓斷路器的健康評估。柜門式控制單元健康評估結(jié)果如圖2所示。

4 結(jié) 語

低壓斷路器健康管理技術(shù)和標準化的研究為電器設(shè)備制造商提供了應(yīng)用在各類傳統(tǒng)和新興領(lǐng)域電器設(shè)備健康管理的設(shè)計、制造、試驗和應(yīng)用指導(dǎo)，提高了設(shè)備的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展水平，對推進低壓電器行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型具有重要意義。制定的低壓斷路器健康管理技術(shù)規(guī)范標準可以提升行業(yè)對低壓斷路器健康管理的認知，引導(dǎo)用戶利用平臺進行遠程運維、故障預(yù)警和預(yù)測性維護等，助力新型配用電設(shè)備及系統(tǒng)標準體系建設(shè)，推動行業(yè)的健康發(fā)展。

【參 考 文 獻】

［1］ 尹天文， 高孝天.雙碳背景下低壓電器行業(yè)發(fā)展思考［J］.電器與能效管理技術(shù)，2023（1）：1-7，23.

［2］ 王冰青， 高孝天， 周英姿.低壓斷路器健康管理試驗與研究［J］.電器與能效管理技術(shù)，2024（5）：30-35.

［3］ 中電協(xié)低壓電器標準化專業(yè)委員會.智能低壓斷路器：T/CEEIA 509—2021［S］.北京：中國標準出版社，2021.

［4］ 國家市場監(jiān)督管理總局，國家標準化管理委員會.低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備 第2部分：斷路器：GB/T 14048.2—2020［S］.北京：中國標準出版社，2020.

收稿日期： 2024-07-04