摘 要：由于現(xiàn)有的診斷方法的故障診斷效果差，誤診情況嚴重，因此本文研究10kV配電線路跌落式熔斷器故障診斷方法。采用具有不同參數(shù)的濾波器來提取故障特征，根據(jù)不同的問題選擇離散特征，形成用于診斷的連續(xù)特征數(shù)據(jù)集。對獲取的故障點定位信息進行歸一化處理，將數(shù)據(jù)映射到合適的范圍內(nèi)。通過組合分類器，獲得隨機森林模型的最終輸出。尋找決策樹，確定故障問題的可能位置，將更新結(jié)果輸入模型中，判斷森林中的數(shù)據(jù)子集是否符合條件進行熔斷器故障診斷。試驗結(jié)果表明，熔斷器10s時的過載電流為350A，超過了限定電流300A，發(fā)生了故障；8個小組的誤診率結(jié)果均在3%以下，本文提出的方法能夠在短時間內(nèi)快速定位故障，保障電力系統(tǒng)的安全運行。

關(guān)鍵詞：配電線路；跌落式；熔斷器；故障診斷

中圖分類號：TP 391" 文獻標(biāo)志碼：A

隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，對跌落式熔斷器的性能要求也越來越高。跌落式熔斷器的主要功能是當(dāng)電路發(fā)生過載或短路時，迅速切斷故障電流，防止設(shè)備損壞和火災(zāi)事故發(fā)生。對熔斷器的故障現(xiàn)象進行仔細觀察和分析，結(jié)合相關(guān)測試技術(shù)和方法，可以準(zhǔn)確判斷熔斷器的故障類型和原因，從而采取相應(yīng)的維修和更換措施，保證電力系統(tǒng)的正常運行。通過不斷完善故障診斷技術(shù)，可以提高熔斷器的可靠性，防止保護失效。在研究過程中，文獻[1]考慮熔斷器在分斷過程中的參數(shù)變化，利用有限元軟件對數(shù)學(xué)模型進行求解。通過設(shè)置不同的參數(shù)和邊界條件，模擬熔斷器分斷過程中的燃弧現(xiàn)象。如果存在偏差，就根據(jù)試驗數(shù)據(jù)對模型進行進一步修正。在建模和仿真過程中，可能難以考慮所有因素，因此會導(dǎo)致模型不完善。文獻[2]分析直流熔斷器并聯(lián)工作時電流分布不均的原因，通過調(diào)整仿真參數(shù)，分析影響并聯(lián)燃弧不均的主要因素。由于不同類型的直流熔斷器在工作環(huán)境等方面存在差異，因此研究成果可能缺乏通用性，不能直接應(yīng)用于其他類型的熔斷器。因此，現(xiàn)階段以路跌落式熔斷器為研究對象，運用故障診斷方法，結(jié)合實際情況進行分析與測試。

1 熔斷器故障診斷方法

當(dāng)進行斷器故障診斷時需要綜合考慮多個因素，例如電路負荷、短路情況、熔斷器規(guī)格等。這些因素之間相互關(guān)聯(lián)，增加了排查的復(fù)雜性。對此，須對熔斷器故障特征進行提取，并采用歸一化處理的方法對故障進行預(yù)處理，并將處理數(shù)據(jù)映射到合適的范圍內(nèi)，獲取故障數(shù)據(jù)的信息熵，結(jié)合隨機森林模型得到最終的故障，實現(xiàn)故障診斷。由于隨機森林平均了多個決策樹的結(jié)果，因此對噪聲和異常值的魯棒性較強。這種特性有助于降低過擬合的風(fēng)險，使模型更加穩(wěn)固，使后期的診斷結(jié)果更加準(zhǔn)確。

1.1 提取熔斷器故障特征

10kV配電線路跌落式熔斷器是電力系統(tǒng)中的重要保護設(shè)備，其運行狀態(tài)直接關(guān)系到線路的安全與穩(wěn)定。為了準(zhǔn)確判斷熔斷器的故障類型及位置，需要對其進行故障診斷。對10kV配電線路跌落式熔斷器來說，當(dāng)監(jiān)測熔管燒損故障時，通過實時監(jiān)測熔管兩端的電壓和電流變化來捕捉故障發(fā)生的跡象。在10kV配電線路的日常運維中，當(dāng)電路過載或短路時，使用跌落式熔斷器迅速切斷電流，保護線路和設(shè)備，避免其過熱導(dǎo)致?lián)p壞。然而，隨著使用時間延長，熔斷器的熔管可能會因過熱而出現(xiàn)燒損的情況，導(dǎo)致其保護功能失效。因此，需要建立一套有效的監(jiān)測方案來實時監(jiān)測熔管的狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)并處理潛在的故障。電壓和電流是反映熔斷器工作狀態(tài)的兩個關(guān)鍵參數(shù)，它們的異常變化往往預(yù)示著潛在的問題。具體來說，當(dāng)熔管內(nèi)部發(fā)生電弧時，說明熔斷器內(nèi)部的絕緣介質(zhì)可能已經(jīng)失去應(yīng)有的絕緣性能，從而允許電流繞過熔體（熔絲），直接在不期望的路徑上形成放電通道，導(dǎo)致電弧產(chǎn)生。此時，電壓會急劇下降，因為電弧的電阻相對較低，所以電壓在電弧處被“分壓”降低；而電流則會迅速提高，電弧為電流提供了一個低阻通道，因此使電流能夠繞過熔體直接流動。這種電壓和電流的瞬間變化會形成一個明顯的異常波動。這種波動模式是判斷電弧產(chǎn)生和熔體熔斷的直接依據(jù)。為了更準(zhǔn)確地診斷熔管燒損故障，采用高精度的電壓和電流測量設(shè)備，保證能夠捕捉到任何微小的變化。在數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上，結(jié)合先進的信號處理技術(shù)對測量數(shù)據(jù)進行實時分析和處理，包括使用數(shù)字濾波器來去除噪聲干擾，提高信號質(zhì)量；使用頻譜分析技術(shù)來識別電壓和電流信號的頻率特性以及使用特征提取算法來提取與故障相關(guān)的特征信息，例如電壓和電流的波動幅度、頻率、持續(xù)時間等。這些特征信息能夠提供關(guān)于熔管燒損故障的詳細信息，從而更準(zhǔn)確地判斷故障類型和位置。在確定熔管燒損的故障位置后，進一步采取針對性的維修措施。根據(jù)故障的具體情況，可能需要更換熔管、修復(fù)電弧燒蝕區(qū)域或?qū)φ麄€熔斷器進行更換。通過及時有效地處理熔管燒損故障，可以避免熔斷器失效對電力系統(tǒng)的影響，保證電力供應(yīng)的穩(wěn)定性和保障安全性。因此，需要采用具有不同參數(shù)的濾波器來提取故障特征，特征提取的計算過程如公式（1）所示。

F=G（o，i） " （1）

式中：G為熔斷器輸出波形與理想波形之間的差異；o為輸出波形；i為理想波形。

在故障特征提取階段，通過調(diào)整引導(dǎo)濾波器的參數(shù)，能夠獲取不同尺度的特征，這樣能夠獲取熔斷器故障區(qū)域的特征提取結(jié)果[3]。這些特征能夠反映故障區(qū)域的一些關(guān)鍵信息，為后續(xù)故障診斷提供重要依據(jù)，從而提高故障位置診斷精度。具體而言，引導(dǎo)濾波器能夠根據(jù)預(yù)設(shè)的參數(shù)對原始故障數(shù)據(jù)進行平滑處理，同時保留重要的邊緣信息。引導(dǎo)濾波器的核心是利用一個引導(dǎo)圖像對輸入圖像進行濾波處理。在故障診斷中，這個引導(dǎo)圖像可以是故障數(shù)據(jù)的某種預(yù)處理版本，或者是基于歷史數(shù)據(jù)生成的故障模式模板。通過引導(dǎo)圖像與輸入圖像之間的局部線性關(guān)系，引導(dǎo)濾波器能夠在平滑處理的同時保持邊緣清晰。當(dāng)調(diào)整濾波器的參數(shù)時，窗口大小決定了濾波器在局部區(qū)域內(nèi)處理數(shù)據(jù)的能力，較大的窗口能夠獲取更多的整體信息，而較小的窗口則更注重局部細節(jié)。標(biāo)準(zhǔn)差則控制了濾波器的平滑程度，較大的標(biāo)準(zhǔn)差說明平滑效果更強，但也可能導(dǎo)致邊緣信息丟失。因此，在實際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體的故障數(shù)據(jù)和診斷需求來選擇合適的參數(shù)。

通過調(diào)整濾波器的窗口大小和標(biāo)準(zhǔn)差等參數(shù)，可以獲取到從局部細節(jié)到整體趨勢的各種特征。這些特征不僅包括故障區(qū)域的直接信息，還有與故障發(fā)生和發(fā)展相關(guān)的間接信息。然而，由于實際故障信息的復(fù)雜性和不確定性，因此故障樣本中可能存在離群數(shù)據(jù)或噪聲，這些數(shù)據(jù)會對特征提取和故障診斷的準(zhǔn)確性產(chǎn)生不利影響。為了消除這些影響，采用歸一化處理的方法對故障樣本進行預(yù)處理。如公式（2）所示。

（2）

式中：α為故障樣本均值。

在完成數(shù)據(jù)歸一化后，進一步進行特征選擇。在故障診斷中，根據(jù)問題的具體需求選擇合適的特征，這些特征可能是離散的，也可能是連續(xù)的。通過特征選擇，能夠形成一個用于診斷的連續(xù)特征數(shù)據(jù)集，這個數(shù)據(jù)集能夠全面反映故障區(qū)域的信息，同時減少數(shù)據(jù)處理的計算量。此外，由于采用歸一化處理的方法對故障樣本進行了預(yù)處理，因此無須再進行復(fù)雜的特征轉(zhuǎn)換操作，進一步提高了故障診斷的效率和準(zhǔn)確性。

1.2 數(shù)據(jù)挖掘法故障診斷

對獲取的故障點定位信息進行歸一化處理，將數(shù)據(jù)映射到合適的范圍內(nèi)，建立故障診斷模型，隨機抽取數(shù)據(jù)進行子集訓(xùn)練，以確定子集中的樣本分類是否一致。對每個集內(nèi)目標(biāo)來說，檢查其是否存在m個取值，為樣本集中的類設(shè)置信息熵，并計算每個屬性內(nèi)的信息熵。將配網(wǎng)的設(shè)備狀態(tài)量屬性設(shè)為i，則屬性的信息熵的計算過程如公式（3）所示。

E（A）=-∑pilog2Fx " （3）

式中：pi為離散屬性在數(shù)據(jù)集中出現(xiàn)的概率。

在模型中通過劃分判斷屬性的連續(xù)性，并進行離散化處理。對設(shè)備狀態(tài)量屬性增益進行分析，獲得屬性對應(yīng)的分類信息[4]。根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)果生成決策樹，判斷樹中的特征是否存在，從而形成不同的數(shù)據(jù)集，轉(zhuǎn)化為葉節(jié)點。將每個輸出視為一個獨立的決策樹。將每棵樹作為一個分類器，通過組合分類器，獲得隨機森林模型的最終輸出，并對故障信息進行計算[5]。首先，更新決策樹的葉枝分量，通過尋找決策樹，確定故障問題的可能位置，其次，加入新的樹枝走向，并更新樹木的隨機性，將更新結(jié)果輸入模型中，并計算適應(yīng)度。計算過程如公式（4）所示。

G=-∑h·log（e）+E（A）（1-h）·log（e） " （4）

式中：h為真實標(biāo)簽；e為預(yù)測概率。

在適應(yīng)度的計算中，隨機抽取更新完成的決策樹，對樹木的目標(biāo)取值進行更新[6]。在10kV配電線路跌落式熔斷器多目標(biāo)故障診斷的場景中，目標(biāo)取值可能包括熔斷器的故障類型、故障嚴重程度以及可能的修復(fù)措施等。通過收集最新的數(shù)據(jù)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)來更新這些目標(biāo)取值，保證決策樹的輸出結(jié)果與實際情況相符合。更新決策樹的判斷特征集，若特征集為空集，則不符合適應(yīng)度條件，須重新更新決策樹；若更新后的決策樹不是空集，則符合適應(yīng)度條件。最后，判斷森林中的數(shù)據(jù)子集是否符合條件，不滿足條件時需要對模型進行重復(fù)優(yōu)化。采用決策樹算法能夠及時對故障進行分析，以實現(xiàn)10kV配電線路跌落式熔斷器多目標(biāo)故障診斷。

2 試驗測試與分析

2.1 搭建試驗環(huán)境

為了驗證本文故障診斷方法的應(yīng)用性，本文模擬了真實的10kV配電線路工作環(huán)境，充分考慮了熔斷器在實際運行中可能遇到的各種情況。試驗設(shè)備包括一套完整的10kV配電線路系統(tǒng)、跌落式熔斷器、電流測量儀器以及相應(yīng)的控制裝置。搭建試驗所用的測試環(huán)境。

在考慮環(huán)境溫度和安裝因素后，將熔斷器額定電流值設(shè)定為150A。當(dāng)電動機啟動時，熔件上產(chǎn)生的熱量會散發(fā)。但當(dāng)電動機在短時間內(nèi)多次啟動，熱量會逐漸積聚，導(dǎo)致熔件下一次啟動時熔斷。由于設(shè)備采用了封閉柜，其散熱因素必須在試驗測試的考慮范圍內(nèi)，因此需要及時分析判斷熔斷器的額定電流。電機的啟動時間為10s，代入熔斷器的時間-電流特性曲線，設(shè)置限定電流為300A，如果過載電流值超過限定電流，那么表示熔斷器發(fā)生故障。因此，針對10kV配電線路中跌落式熔斷器進行故障診斷，以此進行測試并分析實際結(jié)果。試驗參數(shù)見表1。

2.2 結(jié)果與分析

根據(jù)上述環(huán)境，通過分析熔斷過載電流，得到熔斷器時間-電流的特性曲線，如圖1所示。

由圖1可知，發(fā)現(xiàn)熔斷器10s時的過載電流為350A，超過了限定電流300A，發(fā)生了故障，說明運用本文方法能夠精準(zhǔn)判斷熔斷器的故障，達到了預(yù)期的效果。這個結(jié)果充分證明了本文運用的診斷方法能夠?qū)θ蹟嗥鞯墓收蠣顟B(tài)進行有效診斷。該診斷方法不僅準(zhǔn)確度高，而且反應(yīng)迅速，能夠在短時間內(nèi)有效定位并識別故障，在實際應(yīng)用中具有較高的可靠性。

同時，為了驗證本文診斷方法的有效性，除了最初兩次連續(xù)啟動外，控制熔斷器電機在每小時的啟動間隔，在冷態(tài)下分析接觸器是否會斷開在極限電流之上。當(dāng)最小斷能在500A，電機啟動時間為100s時，過流保護時延過長易發(fā)生故障。因此，運用本文方法對過流保護過程進行診斷，并設(shè)置8個小組，對其誤診數(shù)量進行統(tǒng)計，從而計算具體的誤診率。當(dāng)誤診率小于4%時能夠達到良好的診斷效果。因此，需要結(jié)合誤診數(shù)進行誤診率計算，結(jié)果見表2。

由表2結(jié)果可知，對過流保護問題進行誤診率計算，得到8個小組的誤診率結(jié)果均在3%以下，說明運用本文診斷方法能夠有效并及時對熔斷器的故障進行診斷，提高了診斷的精確度，為熔斷器在電力系統(tǒng)中的穩(wěn)定運行提供了支撐。

綜上所述，運用本文方法能夠在短時間內(nèi)快速定位故障，減少了因故障處理不當(dāng)而造成的損失。通過仔細觀察和記錄設(shè)備的運行參數(shù)等，對熔斷器進行物理檢查，以進一步定位故障原因。同時，為更準(zhǔn)確地找出故障機理，需要對10kV配電線路跌落式熔斷器進行故障診斷，保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

為驗證本文設(shè)計的熔斷器故障診斷方法的使用價值，將配電線路分為7種，a、b、c單相接地；ab、ac、bc兩相接地；abc三相接地，分別利用AG、BG、CG；AB、AC、BC；ACG來表示故障類型，使試驗具有良好的泛化能力，更加準(zhǔn)確地完成故障診斷過程。其中，AG為a相接地故障、BG為b相接地故障、CG為c相接地故障；AB為a、b相接地故障、AC為a、c相接地故障、BC為b、c相接地故障；ACG為a、b、c相接地故障。本文將AG、AB、AC、ACG作為配電線路故障類型，故障阻抗為0Ω～100Ω，故障相角為45°～90°。

隨機選取多種線路故障類型，針對每個類型進行10次試驗，共做4組試驗，保證試驗的真實有效性。在故障阻抗、故障相角等條件均一致的情況下，使用文獻[1]直流限流熔斷器分斷燃弧過程的模型故障診斷方法（方法1）、文獻[2]直流熔斷器并聯(lián)燃弧不均機理研究故障診斷方法（方法2）以及本文設(shè)計的10kV配電線路跌落式熔斷器故障診斷方法（本文方法）進行故障診斷。通過對比故障位置的實際值、診斷值，確定最佳的故障診斷方案。試驗結(jié)果見表3。

在其他條件一致的情況下，使用文獻[1]方法后，故障位置與實際位置存在±0.5km的診斷誤差，4組試驗的平均診斷準(zhǔn)確率僅為79.801%。由此可見，使用該模型后，在ACG故障方面診斷不良，影響配電線路后續(xù)維護質(zhì)量。

在使用文獻[2]方法后，故障位置與實際位置存在0.03km的誤差，4組試驗的平均診斷準(zhǔn)確率為87.521%。由此可見，使用該方法后，比文獻[1]方法有所改進，但在AB故障方面診斷不良，仍須對其進行進一步優(yōu)化，保證配電線路故障診斷的精準(zhǔn)度。而使用本文方法后，故障位置與實際位置僅存在0.001km的診斷誤差，4組試驗的平均診斷準(zhǔn)確率為97.939%。由此可見，使用本文設(shè)計的方法后，在AG、AB、AC、ACG等故障類型中均體現(xiàn)了良好的診斷效果，故障診斷準(zhǔn)確率較高，可以在熔斷器發(fā)生故障的瞬間找出故障位置，為配電線路的穩(wěn)定使用提供保障。

3 結(jié)語

本次從熔斷器入手，深入分析故障診斷方法相關(guān)問題，探究了10kV配電線路跌落式熔斷器故障診斷方法。對熔斷器發(fā)生的故障現(xiàn)象進行仔細觀察和分析，檢查熔斷器的安裝狀態(tài)，包括安裝是否牢固等。同時，檢查熔斷器的熔體是否有多次熔斷的情況以及熔體質(zhì)量是否合格。但方法中還存在一些不足，例如操作規(guī)范問題，熔體質(zhì)量問題，多次熔斷情況等。后續(xù)應(yīng)更加完善計算，使用測試儀器對熔斷器進行電氣性能測試，還可以結(jié)合運行經(jīng)驗等信息，對故障診斷方法進行不斷完善和優(yōu)化，提高故障診斷的準(zhǔn)確性和效率。確定10kV配電線路跌落式熔斷器的故障原因，并采取相應(yīng)的措施進行修復(fù)或更換。

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