謝建波, 張偉強, 謝宗強

(上海良信電器股份有限公司, 上海 200000)

0 引 言

斷路器作為切斷和接通負載電路的關鍵元件,在整個電網(wǎng)運行過程中扮演著很重要的角色,尤其是當自身發(fā)生故障時會直接引起電網(wǎng)事故,由斷路器故障引起的停電損失比斷路器本身價值高得多。對斷路器進行全天候監(jiān)測,掌握實時運行狀態(tài),并根據(jù)運行狀態(tài)進行及時、精準運維,時刻保持斷路器的工作可靠性成為了一種趨勢。隨著智能化,數(shù)字化在工業(yè)設備中的快速發(fā)展,這種趨勢呈加速狀態(tài)[1]。

斷路器的健康狀態(tài)表示其在一定時間段內(nèi)正常工作,完成指定功能的情況。斷路器工作狀態(tài)受多方面影響,包括溫度、濕度、腐蝕、粉塵、老化、振動、諧波等,經(jīng)長時間影響后,設備的健康值就會下降,使用壽命會降低。斷路器整個使用期的健康狀態(tài)是一個動態(tài)過程,為了確保斷路器設備的安全及操作人員的安全,需要對斷路器的健康狀態(tài)進行評估研究。

1 原 理

統(tǒng)計分析表明,80%的斷路器故障是機械故障原因。目前,斷路器主要的測試手段有在線監(jiān)測和停電試驗,但是都存在問題[2]。

(1) 在線監(jiān)測。在設備帶負荷情況下,第三方監(jiān)測斷路器動作狀況,并通過監(jiān)測到的狀態(tài)數(shù)據(jù)判斷斷路器設備狀態(tài)。但在線監(jiān)測產(chǎn)品投資巨大,不適合大范圍推廣使用。

(2) 停電試驗。停電后,在試驗電壓下進行動作試驗,并監(jiān)測試驗結果,但停電試驗無法監(jiān)測到斷路器在帶電運行狀態(tài)下的真實狀況,該方法也不合理。

斷路器工作的環(huán)境十分復雜,有可能對斷路器造成傷害的維度很多,例如溫度對于橡膠圈、潤滑脂的影響;濕度對于電路板、銀點的影響;振動對于斷路器螺絲固定,軟連接處的狀態(tài)的影響;腐蝕和粉塵對于觸頭的影響等。因此通過各種工作環(huán)境的維度來建立一種能夠監(jiān)測斷路器運行狀態(tài)的模型就顯得十分必要。

本文采取的技術方案是:將斷路器的工作環(huán)境及關鍵部位的狀態(tài)通過模型數(shù)據(jù)化,整理得出斷路器的健康狀態(tài)量化數(shù)據(jù)。

本系統(tǒng)主要通過溫度、濕度、觸頭磨損、壽命(多影響維度),以及操作次數(shù)等維度分析斷路器的健康狀態(tài)。健康管理是基于歷史環(huán)境數(shù)據(jù)下預測斷路器未來還能正常工作多久的一種方法(展示斷路器工作狀態(tài)的變化趨勢)。這套系統(tǒng)分為硬件采集部分和軟件分析部分。硬件采集部分主要包括電流互感器、振動采集電路、溫濕度傳感器、通信電路、存儲電路等。

2 健康度模型

總健康度指的是操作次數(shù)健康度、觸頭磨損健康度、濕度健康度、壽命健康度、溫度健康度5個健康度的綜合,總健康度取5個健康度值中的最低值作為整個斷路器的健康度指示。

綜合上述斷路器健康維度指示狀態(tài)指標,可以計算出斷路器的健康度,結果可用0%～100%指示。利用模型計算出健康度分數(shù),并自行給出相關定義。

(1) 溫度健康度指的是環(huán)境溫度,從某個溫度值開始,溫度健康度以100%為初始值,隨著溫度值的上升,呈線性下降,以至最低降為0。

(2) 濕度健康度指的是設備的相對濕度,從某個濕度值開始,濕度健康度以100%為初始值,隨著濕度值的上升,呈線性下降,以至最低為0。

(3) 操作次數(shù)健康度是指帶電操作次數(shù),不帶電的分閘、脫扣不計入次數(shù)計算。操作次數(shù)健康度以100%為初始值,隨著操作次數(shù)的增加,呈線性下降,以至最低為0。

(4) 觸頭磨損量健康度跟故障電流有關系,一般來說,單次的觸頭磨損當量其模型如下:

P=βU(aI2+bI+c)Δt

(1)

式中:β——磨損系數(shù);

U——電壓;

a,b,c——系數(shù);

I——分斷電流;

△t——分斷時間。

(2)

當P總達到P′(P′為最大觸頭磨損當量)時,一般認為觸頭健康度為0。

由于Δt相對固定,因此在不同階段,Δt為不同的固定時間系數(shù)。

(5) 壽命健康度。

(3)

式中:Ss——壽命健康度;

TFn——不同條件下的標準失效時間;

tn——不同條件下的設備運行時間;

社會的發(fā)展進步體現(xiàn)在了各個方面，其中在氣象觀測方面，也不斷應用了多項新的技術，不再像傳統(tǒng)的氣象觀測工作一樣全部依賴人工，而是利用自動化的技術，有效提升了氣象觀測的效率和工作質(zhì)量，體現(xiàn)出了時代進步的特點。在自動氣象站儀器設備的使用當中，常見的一些故障需要進行及時修理，同時在日常的使用當中也需要可以進行有效的維護。

Acn——不同條件下的老化加速度。

由于每個因素點對斷路器影響的部位不一樣,因此若干個因素點對斷路器的影響分為結構部分和控制器壽命。每個部分的壽命分別進行統(tǒng)計(結構壽命、控制器壽命)。而斷路器使用壽命=max{結構壽命,控制器壽命}=max{溫度使用壽命,鹽霧使用壽命,灰塵使用壽命,諧波和負載使用壽命,腐蝕使用壽命,濕度使用壽命(電子),濕度使用壽命(結構),振動使用壽命}。每個細分項單獨統(tǒng)計使用壽命,其中結構部分的初始壽命與電子部分的初始壽命是有差異的。每種設備不太一樣,斷路器可以根據(jù)實際情況研發(fā)設計周期,并進行賦值。

(1) 結構壽命包括鹽霧使用壽命、灰塵使用壽命、諧波和負載使用壽命、腐蝕使用壽命、濕度使用壽命(結構)、振動使用壽命(結構)。

(2) 控制器壽命包括相對濕度壽命(電子)、振動壽命(電子)、環(huán)境溫度。

3 硬件電路設計

3.1 硬件系統(tǒng)框圖

硬件系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 硬件系統(tǒng)框圖

電流/電壓采集模塊:通信模塊采用斷路器原有電路即可實現(xiàn)功能。溫濕度采集、振動采集采用芯片模式,體積小,使用更方便。

3.2 溫濕度監(jiān)測電路

SHTC3是一款溫濕度芯片。最低可測-40 ℃,最高可測125 ℃,反應時間為5～30 s,測量精度為±0.2 ℃。溫濕度電路原理圖如圖2所示。SHTC3的1腳和4腳通電,2腳和3腳是I2C通信,MCU通過查詢SHTC3的不同寄存器值,獲取溫度和濕度的值。

圖2 溫濕度電路原理圖

3.3 電流采集電路

接收終端主要包含電流互感器、采集電路、MCU電路,本文主要針對采集電路的設計進行說明,電流采集電路原理圖如圖3所示。

圖3 電流采集電路原理圖

電流互感器通過電磁感應原理將一次側(cè)大電流轉(zhuǎn)換成二次側(cè)小電流,流經(jīng)采樣電阻R2、R3、R6、R7、R17、R18,這些采樣電阻將電流互感器輸出的電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號,然后送入一個由RC組成的一階抗混疊濾波器,這樣極大地衰減采樣頻率,并且不對模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)精度產(chǎn)生任何干擾。這種抗混疊濾波器對所關心的信號帶寬有接近1的增益,卻對潛在干擾RF信號有很強的衰減能力。

經(jīng)過抗混疊濾波器后,信號被送入ADC內(nèi)進行轉(zhuǎn)換。本文采用Microchip公司的MCP3912作為信號處理和轉(zhuǎn)換。MCP3912是3 V的4通道模擬前端(AFE),它主要包括4個同步取樣的Delta-Sigma ADC,4個可編程增益放大器(增益為1、2、4、8、16和32)。另外,該芯片還具有相位延遲補償區(qū)塊、低漂移基準電壓、數(shù)字失調(diào)和增益誤差校準寄存器,具備高速20 MHz+SPI兼容的串口。MCP3912可以連接各種不同的電壓和電流傳感器,外圍電路簡單,配置靈活方便。

3.4 振動采集電路

QMA7981是矽?？萍忌a(chǎn)的一款芯片級加速度傳感器。振動采集電路如圖4所示。該產(chǎn)品有六軸組合傳感器(三軸加速度計加三軸陀螺儀)技術。QMA7981的3、7、8、9腳用于供電,1、4腳下拉,2、12腳采用I2C通信方式將信息傳遞出去,MCU通過查詢QMA7981的不同寄存器值,獲取每個軸的加速度值。

圖4 振動采集電路

4 軟件設計

MCU軟件采用C語言編寫,模塊化程序設計。健康分析系統(tǒng)的程序模塊主要包括總健康度計算、壽命健康度、操作次數(shù)健康度、溫度健康度、濕度健康度、電流ADC采樣、振動信號采集、通信、存儲模塊。健康度計算處理流程如圖5所示。壽命健康度計算處理流程如圖6所示。

圖5 健康度計算處理流程

圖6 壽命健康度計算處理流程

通信模塊主要接收外部主站的命令請求,并根據(jù)對應請求內(nèi)容返回相應的數(shù)據(jù)。

電流ADC采樣:電流A、B、C、N相分別經(jīng)過兩級放大,送入單片機ADC采集端進行采集。MCU將采集到的信號經(jīng)過多點采樣后,計算出每相的相電流,作為是否發(fā)生故障的判斷條件之一。

溫濕度采樣:斷路器工作的溫濕度通過溫濕度芯片進行采集后,將分析數(shù)據(jù)通過通信方式傳給MCU,MCU根據(jù)所得數(shù)據(jù)判斷斷路器工作環(huán)境的溫濕度,并根據(jù)模型給出對應的健康狀況是否合理。

鹽霧、粉塵、腐蝕是用戶通過通信設置的,分嚴重、中等、良好3種狀態(tài)。每個參數(shù)有不同的老化加速系數(shù)。

5 試驗驗證

選定一款額定電流為250 A、電氣壽命在10 000次的塑殼斷路器,進行斷路器的電壽命試驗,每20 s做一次分斷,每1 000次實際測量觸頭,試驗數(shù)據(jù)整理及分析如表1所示。測試圖片如圖7所示。

表1 試驗數(shù)據(jù)整理及分析

圖7 測試圖片

1號樣機銀點變化如圖8所示,2號樣機銀點變化如圖9所示。1、2號樣機健康度曲線如圖10所示。由圖8～圖10可以看出,斷路器的健康度隨著電氣壽命次數(shù)的增而下降,其下降趨勢基本一致。說明該系統(tǒng)能較好地對觸頭磨損進行計算,甚至預測。

圖8 1號樣機銀點變化

圖9 2號樣機銀點變化

圖10 1、2號樣機健康度曲線

溫度的健康度曲線如圖11所示。操作次數(shù)的健康度曲線如圖12所示。

圖11 溫度的健康度曲線

圖12 操作次數(shù)的健康度曲線

由圖11～圖12可以看出,斷路器的健康狀態(tài)與溫度和操作次數(shù)在一定的范圍內(nèi)呈線性關系,溫度上升,健康度呈線性下降;操作次數(shù)增加,健康度呈線性下降。

6 結 語

本文設計的斷路器健康分析系統(tǒng),將斷路器的總健康狀態(tài)分解為操作次數(shù)健康度、觸頭健康度、濕度健康度、溫度健康度、壽命健康度。而壽命健康度的計算又分別跟斷路器的結構和控制器部分的壽命相關,結構和電子壽命的最小壽命作為斷路器的壽命值進行顯示,分別計算操作次數(shù)、觸頭、溫度、濕度、壽命的健康度后,經(jīng)過系列算法得出斷路器的總健康狀態(tài),一般情況下5項中最小的健康度即為總健康度值。該系統(tǒng)具有實現(xiàn)電路簡單、穩(wěn)定可靠、可擴展性強的優(yōu)點。后期隨著研究的深入,還可以加入聲音、頻域算法等更精準地監(jiān)控斷路器健康度。