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(yán)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(duì)獲取的故障點(diǎn)定位信息進(jìn)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(jī)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(jìn)行熔斷器故障診斷。試驗(yàn)結(jié)果表明，熔斷器10s時(shí)的過載電流為350A，超過了限定電流300A，發(fā)生了故障；8個(gè)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(shí)間內(nèi)快速定位故障，保障電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：配電線路；跌落式；熔斷器；故障診斷

中圖分類號(hào)：TP 391" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，對(duì)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(shí)，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(duì)熔斷器的故障現(xiàn)象進(jìn)行仔細(xì)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(yùn)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(hù)失效。在研究過程中，文獻(xiàn)[1]考慮熔斷器在分?jǐn)噙^程中的參數(shù)變化，利用有限元軟件對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)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?jǐn)噙^程中的燃弧現(xiàn)象。如果存在偏差，就根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行進(jìn)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(huì)導(dǎo)致模型不完善。文獻(xiàn)[2]分析直流熔斷器并聯(lián)工作時(shí)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(duì)象，運(yùn)用故障診斷方法，結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行分析與測試。

1 熔斷器故障診斷方法

當(dāng)進(jìn)行斷器故障診斷時(shí)需要綜合考慮多個(gè)因素，例如電路負(fù)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(duì)此，須對(duì)熔斷器故障特征進(jìn)行提取，并采用歸一化處理的方法對(duì)故障進(jìn)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(jī)森林模型得到最終的故障，實(shí)現(xiàn)故障診斷。由于隨機(jī)森林平均了多個(gè)決策樹的結(jié)果，因此對(duì)噪聲和異常值的魯棒性較強(qiáng)。這種特性有助于降低過擬合的風(fēng)險(xiǎn)，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(hù)設(shè)備，其運(yùn)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(duì)其進(jìn)行故障診斷。對(duì)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(shí)，通過實(shí)時(shí)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(yùn)維中，當(dāng)電路過載或短路時(shí)，使用跌落式熔斷器迅速切斷電流，保護(hù)線路和設(shè)備，避免其過熱導(dǎo)致?lián)p壞。然而，隨著使用時(shí)間延長，熔斷器的熔管可能會(huì)因過熱而出現(xiàn)燒損的情況，導(dǎo)致其保護(hù)功能失效。因此，需要建立一套有效的監(jiān)測方案來實(shí)時(shí)監(jiān)測熔管的狀態(tài)，及時(shí)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(gè)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(shí)，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(shí)，電壓會(huì)急劇下降，因?yàn)殡娀〉碾娮柘鄬?duì)較低，所以電壓在電弧處被“分壓”降低；而電流則會(huì)迅速提高，電弧為電流提供了一個(gè)低阻通道，因此使電流能夠繞過熔體直接流動(dòng)。這種電壓和電流的瞬間變化會(huì)形成一個(gè)明顯的異常波動(dòng)。這種波動(dòng)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(jìn)的信號(hào)處理技術(shù)對(duì)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)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(hào)質(zhì)量；使用頻譜分析技術(shù)來識(shí)別電壓和電流信號(hào)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(dòng)幅度、頻率、持續(xù)時(shí)間等。這些特征信息能夠提供關(guān)于熔管燒損故障的詳細(xì)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(jìn)一步采取針對(duì)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€(gè)熔斷器進(jìn)行更換。通過及時(shí)有效地處理熔管燒損故障，可以避免熔斷器失效對(duì)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(jì)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(duì)原始故障數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理，同時(shí)保留重要的邊緣信息。引導(dǎo)濾波器的核心是利用一個(gè)引導(dǎo)圖像對(duì)輸入圖像進(jìn)行濾波處理。在故障診斷中，這個(gè)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(shí)保持邊緣清晰。當(dāng)調(diào)整濾波器的參數(shù)時(shí)，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(xì)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(qiáng)，但也可能導(dǎo)致邊緣信息丟失。因此，在實(shí)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(xì)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(shí)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(huì)對(duì)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(duì)故障樣本進(jìn)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(jìn)一步進(jìn)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(gè)用于診斷的連續(xù)特征數(shù)據(jù)集，這個(gè)數(shù)據(jù)集能夠全面反映故障區(qū)域的信息，同時(shí)減少數(shù)據(jù)處理的計(jì)算量。此外，由于采用歸一化處理的方法對(duì)故障樣本進(jìn)行了預(yù)處理，因此無須再進(jìn)行復(fù)雜的特征轉(zhuǎn)換操作，進(jìn)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(duì)獲取的故障點(diǎn)定位信息進(jìn)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(jī)抽取數(shù)據(jù)進(jìn)行子集訓(xùn)練，以確定子集中的樣本分類是否一致。對(duì)每個(gè)集內(nèi)目標(biāo)來說，檢查其是否存在m個(gè)取值，為樣本集中的類設(shè)置信息熵，并計(jì)算每個(gè)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(jì)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(jìn)行離散化處理。對(duì)設(shè)備狀態(tài)量屬性增益進(jìn)行分析，獲得屬性對(duì)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(diǎn)。將每個(gè)輸出視為一個(gè)獨(dú)立的決策樹。將每棵樹作為一個(gè)分類器，通過組合分類器，獲得隨機(jī)森林模型的最終輸出，并對(duì)故障信息進(jìn)行計(jì)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(jī)性，將更新結(jié)果輸入模型中，并計(jì)算適應(yīng)度。計(jì)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(shí)標(biāo)簽；e為預(yù)測概率。

在適應(yīng)度的計(jì)算中，隨機(jī)抽取更新完成的決策樹，對(duì)樹木的目標(biāo)取值進(jìn)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(yán)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(shí)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(shí)需要對(duì)模型進(jìn)行重復(fù)優(yōu)化。采用決策樹算法能夠及時(shí)對(duì)故障進(jìn)行分析，以實(shí)現(xiàn)10kV配電線路跌落式熔斷器多目標(biāo)故障診斷。

2 試驗(yàn)測試與分析

2.1 搭建試驗(yàn)環(huán)境

為了驗(yàn)證本文故障診斷方法的應(yīng)用性，本文模擬了真實(shí)的10kV配電線路工作環(huán)境，充分考慮了熔斷器在實(shí)際運(yùn)行中可能遇到的各種情況。試驗(yàn)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(yàn)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(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，熔件上產(chǎn)生的熱量會(huì)散發(fā)。但當(dāng)電動(dòng)機(jī)在短時(shí)間內(nèi)多次啟動(dòng)，熱量會(huì)逐漸積聚，導(dǎo)致熔件下一次啟動(dòng)時(shí)熔斷。由于設(shè)備采用了封閉柜，其散熱因素必須在試驗(yàn)測試的考慮范圍內(nèi)，因此需要及時(shí)分析判斷熔斷器的額定電流。電機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間為10s，代入熔斷器的時(shí)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(duì)10kV配電線路中跌落式熔斷器進(jìn)行故障診斷，以此進(jìn)行測試并分析實(shí)際結(jié)果。試驗(yàn)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(shí)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(shí)的過載電流為350A，超過了限定電流300A，發(fā)生了故障，說明運(yùn)用本文方法能夠精準(zhǔn)判斷熔斷器的故障，達(dá)到了預(yù)期的效果。這個(gè)結(jié)果充分證明了本文運(yùn)用的診斷方法能夠?qū)θ蹟嗥鞯墓收蠣顟B(tài)進(jìn)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(shí)間內(nèi)有效定位并識(shí)別故障，在實(shí)際應(yīng)用中具有較高的可靠性。

同時(shí)，為了驗(yàn)證本文診斷方法的有效性，除了最初兩次連續(xù)啟動(dòng)外，控制熔斷器電機(jī)在每小時(shí)的啟動(dòng)間隔，在冷態(tài)下分析接觸器是否會(huì)斷開在極限電流之上。當(dāng)最小斷能在500A，電機(jī)啟動(dòng)時(shí)間為100s時(shí)，過流保護(hù)時(shí)延過長易發(fā)生故障。因此，運(yùn)用本文方法對(duì)過流保護(hù)過程進(jìn)行診斷，并設(shè)置8個(gè)小組，對(duì)其誤診數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，從而計(jì)算具體的誤診率。當(dāng)誤診率小于4%時(shí)能夠達(dá)到良好的診斷效果。因此，需要結(jié)合誤診數(shù)進(jìn)行誤診率計(jì)算，結(jié)果見表2。

由表2結(jié)果可知，對(duì)過流保護(hù)問題進(jìn)行誤診率計(jì)算，得到8個(gè)小組的誤診率結(jié)果均在3%以下，說明運(yùn)用本文診斷方法能夠有效并及時(shí)對(duì)熔斷器的故障進(jìn)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(yùn)行提供了支撐。

綜上所述，運(yùn)用本文方法能夠在短時(shí)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(xì)觀察和記錄設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)等，對(duì)熔斷器進(jìn)行物理檢查，以進(jìn)一步定位故障原因。同時(shí)，為更準(zhǔn)確地找出故障機(jī)理，需要對(duì)10kV配電線路跌落式熔斷器進(jìn)行故障診斷，保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

為驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的熔斷器故障診斷方法的使用價(jià)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(yàn)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(jī)選取多種線路故障類型，針對(duì)每個(gè)類型進(jìn)行10次試驗(yàn)，共做4組試驗(yàn)，保證試驗(yàn)的真實(shí)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(xiàn)[1]直流限流熔斷器分?jǐn)嗳蓟∵^程的模型故障診斷方法（方法1）、文獻(xiàn)[2]直流熔斷器并聯(lián)燃弧不均機(jī)理研究故障診斷方法（方法2）以及本文設(shè)計(jì)的10kV配電線路跌落式熔斷器故障診斷方法（本文方法）進(jìn)行故障診斷。通過對(duì)比故障位置的實(shí)際值、診斷值，確定最佳的故障診斷方案。試驗(yàn)結(jié)果見表3。

在其他條件一致的情況下，使用文獻(xiàn)[1]方法后，故障位置與實(shí)際位置存在±0.5km的診斷誤差，4組試驗(yàn)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(hù)質(zhì)量。

在使用文獻(xiàn)[2]方法后，故障位置與實(shí)際位置存在0.03km的誤差，4組試驗(yàn)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(xiàn)[1]方法有所改進(jìn)，但在AB故障方面診斷不良，仍須對(duì)其進(jìn)行進(jìn)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(shí)際位置僅存在0.001km的診斷誤差，4組試驗(yàn)的平均診斷準(zhǔn)確率為97.939%。由此可見，使用本文設(shè)計(jì)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(duì)熔斷器發(fā)生的故障現(xiàn)象進(jìn)行仔細(xì)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(shí)，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(jì)算，使用測試儀器對(duì)熔斷器進(jìn)行電氣性能測試，還可以結(jié)合運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)等信息，對(duì)故障診斷方法進(jìn)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(jìn)行修復(fù)或更換。

參考文獻(xiàn)

[1]席澤文，武瑾，莊勁武，等.直流限流熔斷器分?jǐn)嗳蓟∵^程的模型優(yōu)化與驗(yàn)證[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2023，43（19）：7713-7720.

[2]尹凡，沈兵，莊勁武，等.直流熔斷器并聯(lián)燃弧不均機(jī)理研究及優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].高電壓技術(shù)，2022，48（10）：3919-3926.

[3]席澤文，武瑾，莊勁武，等.直流熔斷器電弧壓力對(duì)電弧電導(dǎo)率影響的分析[J].海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2023，35（6）：34-39.

[4]高德民，伍國興，曹海兵，等.一起10kV電壓互感器熔斷器熔斷及二次電壓不平衡處理與分析[J].變壓器，2022，59（1）：65-68.

[5]王國慶，熊俊，焦夏男，等.8/20μs雷電流作用下熔斷器工作性能影響因素仿真研究[J].電力科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào)，2022，37（3）：149-156.

[6]梁鄭秋，郝亮亮，周艷真，等.基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的核電多相無刷勵(lì)磁系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)整流器故障診斷[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2023，38（20）：5458-5472.