摘 要：該文旨在探索基于故障預(yù)警的電氣設(shè)備熱故障管理策略，以提高電氣設(shè)備的可靠性和安全性。采用全生命周期待命方式檢測電氣設(shè)備熱故障，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的工作模式和檢測頻率。應(yīng)用預(yù)警算法提高預(yù)警能力，為事故的處置和維養(yǎng)提供了充足時(shí)間。研究結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的管理策略系統(tǒng)能夠?qū)﹄姎庠O(shè)備的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和預(yù)警，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的熱故障風(fēng)險(xiǎn)，并采取相應(yīng)措施，可有效預(yù)防和處理潛在的熱故障風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)電氣設(shè)備的維護(hù)和運(yùn)營具有指導(dǎo)意義，有助于提高電氣設(shè)備的運(yùn)行效率并延長設(shè)備壽命。

關(guān)鍵詞：故障預(yù)警；電氣設(shè)備；熱故障管理

中圖分類號(hào)：TM 59" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

在電氣設(shè)備運(yùn)行過程中，負(fù)載過大或環(huán)境散熱效率不足等原因可能會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)熱故障[1]，不僅影響設(shè)備的性能和壽命，還會(huì)埋下安全隱患甚至引起事故[2]。因此，研究一種基于故障預(yù)警的電氣設(shè)備熱故障管理策略對(duì)提高電氣設(shè)備的可靠性和安全性具有重要意義。

1 基于故障預(yù)警的電氣設(shè)備熱故障管理設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是對(duì)電氣設(shè)備熱故障進(jìn)行預(yù)警和管理。溫度采集裝置可實(shí)時(shí)獲取設(shè)備的溫度數(shù)據(jù)，由主控單元分析這些數(shù)據(jù)并生成預(yù)警信號(hào)，無線通信模塊與用戶和服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，從而使系統(tǒng)具有全方位的熱故障監(jiān)測和管理功能[3]。該設(shè)計(jì)能幫助用戶及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備的熱故障風(fēng)險(xiǎn)，并采取相應(yīng)的維修和保養(yǎng)措施，以提高電氣設(shè)備的可靠性和安全性。

基于故障預(yù)警的電氣設(shè)備熱故障管理整體設(shè)計(jì)圖如圖1所示。1）溫度采集裝置。該裝置采用紅外檢測和溫敏電阻等技術(shù)，可實(shí)時(shí)采集電氣設(shè)備的溫度數(shù)據(jù)。紅外檢測非接觸獲取設(shè)備表面的溫度信息，溫敏電阻通過測量電阻值來間接推斷設(shè)備的溫度。這2種方式的結(jié)合可提供更準(zhǔn)確和全面的溫度數(shù)據(jù)。2）構(gòu)建主控單元。主控單元是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，內(nèi)置診斷預(yù)警算法模型和溫度閾值參數(shù)。該算法模型可分析溫度數(shù)據(jù)，識(shí)別潛在的熱故障風(fēng)險(xiǎn)，并生成相應(yīng)的預(yù)警信號(hào)。溫度閾值參數(shù)用于設(shè)置設(shè)備的安全溫度范圍，一旦溫度超過或接近該范圍，主控單元將觸發(fā)相應(yīng)的預(yù)警措施。3）無線通信模塊。該模塊可與顯示器進(jìn)行通信，并利用遠(yuǎn)程無線通信技術(shù)與PC端的服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)聯(lián)通。通過與顯示器進(jìn)行通信，用戶能實(shí)時(shí)監(jiān)測設(shè)備的溫度狀態(tài)和預(yù)警信息。與服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)聯(lián)通可進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分析和遠(yuǎn)程管理，方便用戶對(duì)設(shè)備熱故障進(jìn)行監(jiān)控和管理。

2 基于故障預(yù)警的電氣設(shè)備熱故障管理算法設(shè)計(jì)

電氣設(shè)備的熱平衡的計(jì)算過程如公式（1）所示。

pj=pa+ph+pr+pc " （1）

式中：pj表示電氣設(shè)備本身產(chǎn)生的熱功率；pa表示電氣設(shè)備吸收的來自外部環(huán)境的輻射熱；ph表示電氣設(shè)備以對(duì)流傳熱方式散發(fā)的熱功率；pr表示電氣設(shè)備以輻射傳熱方式散發(fā)的熱功率；pc表示電氣設(shè)備以傳導(dǎo)傳熱方式散發(fā)的熱功率。

通過對(duì)流、輻射和傳導(dǎo)方式散發(fā)的熱功率以及設(shè)備本身產(chǎn)生的熱功率間具有平衡關(guān)系。通過測量和計(jì)算這些參數(shù)的值來判斷電氣設(shè)備的熱平衡狀態(tài)和是否存在過熱或過冷的風(fēng)險(xiǎn)。

由于設(shè)備故障加重會(huì)導(dǎo)致設(shè)備工作強(qiáng)度提高，進(jìn)而產(chǎn)生更多的熱量，因此電氣設(shè)備輻射源散熱效率會(huì)顯著提升[4]。輻射散熱是指電器設(shè)備以輻射換熱方式向周邊環(huán)境釋放熱量。為了能更有效地評(píng)價(jià)和操縱電氣設(shè)備熱力循環(huán)情況，必須把產(chǎn)熱要素列入算法優(yōu)化中，并調(diào)查彼此自變量。在熱力循環(huán)公式中考慮機(jī)器設(shè)備產(chǎn)生的熱輸出功率，即pi，可以將產(chǎn)熱要素列入算法優(yōu)化，以更有效地測算和預(yù)測電氣設(shè)備熱力循環(huán)情況。與此同時(shí)，還需要對(duì)其進(jìn)行更精確的散熱設(shè)計(jì)，以確保其在滿負(fù)荷工作狀態(tài)下可以有效排熱，防止太熱引起設(shè)備故障或設(shè)備毀壞。在算法優(yōu)化中考慮彼此自變量，充分考慮不一樣因子對(duì)熱力循環(huán)產(chǎn)生的影響。例如，故障加重會(huì)導(dǎo)致設(shè)備本身熱功率增加，從而提升輻射源散熱效率。同時(shí)也會(huì)影響工作溫度和對(duì)流換熱效率，從而影響整體熱力循環(huán)情況。

電氣設(shè)備的產(chǎn)熱的計(jì)算過程如公式（2）所示。

pj=kf·I2·R " "（2）

式中：kf表示電氣設(shè)備的損耗情況；I為電氣設(shè)備的總電流；R為電氣設(shè)備的總電阻；pj表示電氣設(shè)備本身產(chǎn)生的熱功率。

公式（2）表明了電氣設(shè)備產(chǎn)生的自產(chǎn)電熱功率與損耗系數(shù)、總電流和總電阻間的關(guān)系。電氣設(shè)備的損耗系數(shù)考慮了設(shè)備的損耗情況，總電流和總電阻則反映了設(shè)備的電性能。

根據(jù)傅里葉傳熱理論，假設(shè)傳導(dǎo)散熱在電氣設(shè)備表面是均勻的，并且傳導(dǎo)面積、溫度梯度在統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上有意義，則使用公式（3）表示系統(tǒng)電流與散熱環(huán)境間的關(guān)系。

（3）

式中：I表示系統(tǒng)電流；α表示對(duì)流換熱系數(shù)；A表示傳導(dǎo)面積；T表示設(shè)備溫度；T0表示環(huán)境溫度；r表示傳熱阻抗。

r如公式（4）所示。

（4）

式中：δ表示傳熱距離；λ表示導(dǎo)熱系數(shù)。

通過測量和計(jì)算對(duì)流換熱系數(shù)、傳導(dǎo)面積和溫度梯度等參數(shù)的值，得出系統(tǒng)電流與散熱環(huán)境間的關(guān)系。

3 基于故障預(yù)警的電氣設(shè)備熱故障管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

3.1.1 監(jiān)測模塊

通過監(jiān)測模塊的工作，系統(tǒng)可實(shí)時(shí)獲取電氣設(shè)備的溫度數(shù)據(jù)和電流數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)是進(jìn)行故障預(yù)警和管理的基礎(chǔ)，可為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和算法模型提供準(zhǔn)確的輸入。監(jiān)測模塊的設(shè)計(jì)和功能確保了數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確性，可為電氣設(shè)備熱故障的預(yù)防和管理提供重要的支持。配電柜將IA和IAN端接入配電系統(tǒng)的正母線和負(fù)母線，以獲取感應(yīng)電流。將電流傳感器安裝在IA和IAN端口上，以便測量正母線和負(fù)母線的電流。感應(yīng)電流是通過感應(yīng)支路電流檢測裝置來獲取的，該裝置連接到VIP和VIN端口，可實(shí)時(shí)監(jiān)測電氣設(shè)備中的感應(yīng)電流，并記錄相應(yīng)數(shù)值。電流互感傳感器電路設(shè)計(jì)示意圖如圖2所示。除了電流檢測，電氣設(shè)備的散熱也是一個(gè)重要的方面。為了監(jiān)控電氣設(shè)備的散熱情況，使用紅外線傳感器。這類傳感器測量電氣設(shè)備外表溫度，包括母線槽溫度與斷路器梯度方向。該溫度數(shù)據(jù)對(duì)分辨機(jī)器設(shè)備的散熱情況和常見熱故障至關(guān)重要。除此之外，還要應(yīng)用溫敏電阻器檢測工作溫度，以確定電氣設(shè)備四周的環(huán)境溫度狀況。溫敏電阻器能根據(jù)環(huán)境溫度變化改變阻值，從而提供工作溫度數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)將MLX90614單片機(jī)設(shè)計(jì)作為溫度感應(yīng)器。該單片機(jī)的檢測溫度為-40℃～125℃，主要適用于日常運(yùn)行中的電氣設(shè)備電流互感傳感器的溫度檢測。上述檢測方式可充分了解電氣設(shè)備排熱情況和工作溫度，并立即采取相應(yīng)措施，通過圖像處理對(duì)監(jiān)控范圍內(nèi)不同節(jié)點(diǎn)的距離、角度進(jìn)行自動(dòng)修訂。該檢測方式的使用保證了電氣設(shè)備的安全性和可靠性，提升了系統(tǒng)的運(yùn)行效率和穩(wěn)定性。

3.1.2 功能模塊

前端設(shè)備讀取數(shù)據(jù)并計(jì)算，再將數(shù)據(jù)傳送到后臺(tái)服務(wù)器。這種前端設(shè)備包括感應(yīng)器、監(jiān)控裝置或其他智能產(chǎn)品，通過無線通信方式將收集的數(shù)據(jù)傳送給后臺(tái)服務(wù)器。數(shù)據(jù)計(jì)算包括數(shù)據(jù)處理方法、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析或其他優(yōu)化算法測算，以獲取有價(jià)值的信息。后臺(tái)服務(wù)器接收到前端設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)后，根據(jù)啟用數(shù)據(jù)庫模式命令進(jìn)行數(shù)據(jù)處理可視化分析。數(shù)據(jù)庫模式命令包括SQL句子或其他數(shù)據(jù)庫操作命令，用以查看、排列、篩選并處理數(shù)據(jù)。根據(jù)這些操作，后臺(tái)服務(wù)器生成圖表、表格或其他形式的大數(shù)據(jù)可視化結(jié)論，便于管理者進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和決策。管理者根據(jù)Web控制模塊在PC端或移動(dòng)端中瀏覽后臺(tái)服務(wù)器，閱讀與文章有關(guān)的數(shù)據(jù)信息。通過登錄認(rèn)證獲取權(quán)限，并用Web頁面預(yù)覽和查找數(shù)據(jù)。因此管理者可在所有的時(shí)間、地點(diǎn)獲得實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)，并制定相應(yīng)的戰(zhàn)略決策。通信模塊主要包括近程通信系統(tǒng)和遠(yuǎn)距離通信2種形式，二者全部采用無線通信形式。近程通信通過藍(lán)牙、Wi-Fi或其他近距無線傳輸技術(shù)完成，用于設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳送和通信。遠(yuǎn)距離通信可通過GSM、GPRS、4G或其他長距離無線傳輸技術(shù)完成，用于設(shè)備和后臺(tái)服務(wù)器間的數(shù)據(jù)傳輸和通信。這種通信方式是靈便、高效且方便快捷的數(shù)據(jù)傳輸方式，促使設(shè)備與服務(wù)器間即時(shí)互換數(shù)據(jù)信息。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

采用全生命周期待命方式對(duì)電氣設(shè)備的熱故障進(jìn)行檢測，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的工作模式和檢測頻率。系統(tǒng)初始化完成后，會(huì)進(jìn)入開啟測量模式，整個(gè)系統(tǒng)以24h全天候方式待命，對(duì)電氣設(shè)備的熱故障進(jìn)行檢測。系統(tǒng)的刷新頻率為每秒1次，即每秒對(duì)電氣設(shè)備的溫度進(jìn)行一次測量。此外還會(huì)定期對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行測量，每10min進(jìn)行一次，并對(duì)紅外線測溫進(jìn)行監(jiān)控，每30min進(jìn)行一次。進(jìn)行數(shù)據(jù)測量后，系統(tǒng)還會(huì)對(duì)測量數(shù)據(jù)的有效性進(jìn)行檢驗(yàn)。非接觸式紅外傳感器電路示意圖如圖3所示。

4 應(yīng)用效果

本文選取兩相母排進(jìn)行試驗(yàn)，其中一相為可正常工作的正常母排，另一相為內(nèi)部老化、插入用電設(shè)備溫度會(huì)迅速升高的缺陷母排。2個(gè)試驗(yàn)?zāi)概诺念~定功率相同，并分別長時(shí)間插入了相同的實(shí)驗(yàn)室用電設(shè)備或者電氣設(shè)備的組合，包括A（220W）、B（500W）、C（800W）、D（1000W）、E（600W）、F（900W）和G（1800W）。分別測量了正常母排、缺陷母排的溫度以及它們各自觸頭的溫度，同時(shí)也記錄了環(huán)境溫度和電流，見表1。比較這些數(shù)據(jù)，評(píng)估缺陷母排在不同負(fù)載條件下的溫度變化情況和觸頭溫度的變化，從而揭示缺陷母排的熱故障風(fēng)險(xiǎn)。此時(shí)環(huán)境溫度為20.5℃時(shí)，采集電壓值為227.1V。

為了預(yù)測缺陷母排的溫度并判斷其工作狀態(tài)，可以利用本文系統(tǒng)進(jìn)行訓(xùn)練和預(yù)測。首先，將環(huán)境溫度、正常母排的負(fù)荷電流、母排溫度和觸頭溫度作為訓(xùn)練樣本對(duì)本文系統(tǒng)進(jìn)行訓(xùn)練，通過訓(xùn)練學(xué)習(xí)到環(huán)境溫度和正常母排工況下的溫度間的關(guān)系。其次，將環(huán)境溫度和缺陷母排的負(fù)荷電流數(shù)據(jù)輸入訓(xùn)練好的本文系統(tǒng)，得出在相同工作環(huán)境下正常母排的溫度值。通過與實(shí)際測量值進(jìn)行比較，評(píng)估缺陷母排的實(shí)際溫度情況。計(jì)算一般缺陷、嚴(yán)重缺陷和緊急缺陷的溫度預(yù)警閾值。根據(jù)這些閾值，將缺陷母排的預(yù)測溫度值與實(shí)際測量值進(jìn)行比較，并確定缺陷母排的工作狀態(tài)。如果預(yù)測溫度值超過動(dòng)態(tài)溫度預(yù)警閾值，就說明缺陷母排處于危險(xiǎn)的工作狀態(tài)，需要立即采取措施進(jìn)行修復(fù)或更換。缺陷母排的溫度預(yù)測值與實(shí)際值對(duì)比圖如圖4所示。

從試驗(yàn)中可發(fā)現(xiàn)，缺陷母排的實(shí)際溫度遠(yuǎn)高于預(yù)測溫度，并且處于重大缺陷預(yù)警閾值和一般缺陷預(yù)警閾值之間。這種情況提示了缺陷母排存在嚴(yán)重的熱故障風(fēng)險(xiǎn)，需要及時(shí)采取措施進(jìn)行修復(fù)或更換。如果不及時(shí)處理，可能導(dǎo)致嚴(yán)重的后果，如設(shè)備損壞、停機(jī)時(shí)間增加以及埋下火災(zāi)等安全隱患。因此，特別是在高功率負(fù)載條件下，需要高度關(guān)注存在缺陷的母排的溫度變化，及時(shí)進(jìn)行維護(hù)和修復(fù)，以防止?jié)撛谑鹿拾l(fā)生。同時(shí)，上述試驗(yàn)證明，本系統(tǒng)可對(duì)電氣設(shè)備潛在故障進(jìn)行預(yù)警，并判斷設(shè)備的缺陷情況，適用于熱故障診斷預(yù)警技術(shù)。

5 結(jié)語

本文基于故障預(yù)警的電氣設(shè)備熱故障管理策略，采用全生命周期待命方式對(duì)電氣設(shè)備的熱故障進(jìn)行檢測，并結(jié)合設(shè)備溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測，提前發(fā)出預(yù)警信號(hào)，以提高預(yù)警能力和事故處置效率。研究結(jié)果表明，該策略可有效提升電氣設(shè)備的可靠性和安全性。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)設(shè)備特點(diǎn)和工作環(huán)境進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整和優(yōu)化，以取得更好的效果。

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