低壓斷路器健康管理技術與標準化

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

關鍵詞：

低壓斷路器; 健康管理技術; 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)網作為全新工業(yè)生態(tài)、關鍵基礎設施和應用模式，通過人、機、物的全面互聯(lián)，實現(xiàn)全要素、全產業(yè)鏈、全價值鏈的全面連接，正在全球范圍內不斷顛覆傳統(tǒng)制造模式、生產組織方式和產業(yè)形態(tài)，推動傳統(tǒng)產業(yè)加快轉型升級、新興產業(yè)加速發(fā)展壯大?！豆I(yè)互聯(lián)網創(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)網平臺，支持建設云仿真、數(shù)據加工、故障預測與健康管理等技術專業(yè)型平臺，加快信息技術創(chuàng)新應用;要加速工業(yè)數(shù)字化、網絡化發(fā)展，大力發(fā)展數(shù)字化設計、遠程運維服務，加快工業(yè)互聯(lián)網、物聯(lián)網等新型網絡基礎設施規(guī)?；渴穑嵘F(xiàn)場感知和數(shù)據傳輸能力，建立各具特色的工業(yè)互聯(lián)網平臺;要推動制造業(yè)實現(xiàn)數(shù)字化轉型、網絡化協(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)字化電器設備將逐步替代傳統(tǒng)電器設備，實現(xiàn)環(huán)境友好、低碳和電能的高效應用。

低壓斷路器健康管理技術是提升新型配用電系統(tǒng)高效性的一項重要技術，可以有效帶動相關電器設備制造企業(yè)、狀態(tài)監(jiān)測技術的發(fā)展，為電器產品的運維策略、管控措施、更新和檢修計劃提供有力的技術支撐，同時有效提高新型配電網運行管理自動化、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)據采集、數(shù)據傳輸、數(shù)據處理、健康度評估、故障預測等，并給出維修的建議或方案等。

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

近年來，配用電系統(tǒng)用戶端對設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，能夠實時在線、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)中的關鍵保護與控制電器元件逐漸開始采用健康管理技術，實現(xiàn)對產品健康狀態(tài)的評估、壽命預測、故障預警等，進一步提高產品安全性和可靠性，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鍵技術

低壓斷路器作為當前智能化水平較高的低壓電器設備，在融合新一代數(shù)字化和網絡化技術的基礎上，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應包括狀態(tài)監(jiān)測、健康評估、故障預測、維護決策4類關鍵技術，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)據與設定的閾值進行比較，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，給出產品健康度的評價體系;結合綜合壽命周期、故障預警，并根據評價體系給出設備健康度。

（3） 故障預測：結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，還可結合其預警判定方式，如過熱，研究分析其趨勢變化，從而給出故障預警信息。

（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，融合平臺側的運維策略庫，包括巡檢、設備保養(yǎng)、檢修及更換要求，提供預測性維護的建議（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要求

根據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前的健康狀態(tài)評估，不僅包括設備的數(shù)據采集、數(shù)據傳輸、數(shù)據處理、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。結合這些參數(shù)情況，利用數(shù)學模型計算出低壓斷路器健康度，結果用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用

在實際應用中，除了可通過低壓斷路器及其終端顯示設備（設備側）提供健康管理相關信息外，也可通過系統(tǒng)平臺的數(shù)據存儲、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，當監(jiān)測結果為非正常狀態(tài)或接近設定閾值的情況進行設備故障預警。平臺側的故障預警包括設備故障預警和系統(tǒng)故障預警。在多級保護配電系統(tǒng)中，根據低壓斷路器的電參數(shù)（如電流、電壓）的變化，可預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，為用戶提供設備故障預警信息;同時可結合用電負載的重要度，給出針對系統(tǒng)故障的預防措施建議或即時動作指令。

平臺側的系統(tǒng)健康度評估結果可通過顏色標識，標準中給出的推薦顏色和對應分值：綠色對應的健康度分值為70～100分;黃色對應的健康度分值為50～69分;紅色對應的健康度分值為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，融合平臺側的運維策略庫，包括巡檢、設備保養(yǎng)、檢修及更換要求，提供預測性維護的建議（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合斷路器的健康狀態(tài)評估及健康度計算結果制定，制造商可自行定義顯示參數(shù)及對應的維護策略。

依據低壓斷路器健康管理規(guī)范標準，研究設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、端子溫度、異常事件等數(shù)據的實時監(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果如圖2所示。

4 結 語

低壓斷路器健康管理技術和標準化的研究為電器設備制造商提供了應用在各類傳統(tǒng)和新興領域電器設備健康管理的設計、制造、試驗和應用指導，提高了設備的數(shù)字化、網絡化、智能化發(fā)展水平，對推進低壓電器行業(yè)數(shù)字化轉型具有重要意義。制定的低壓斷路器健康管理技術規(guī)范標準可以提升行業(yè)對低壓斷路器健康管理的認知，引導用戶利用平臺進行遠程運維、故障預警和預測性維護等，助力新型配用電設備及系統(tǒng)標準體系建設，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，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，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.低壓開關設備和控制設備 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