10kV配電線路跌落式熔斷器故障診斷方法研究

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)據集。對獲取的故障點定位信息進行歸一化處理，將數(shù)據映射到合適的范圍內。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，將更新結果輸入模型中，判斷森林中的數(shù)據子集是否符合條件進行熔斷器故障診斷。試驗結果表明，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個小組的誤診率結果均在3%以下，本文提出的方法能夠在短時間內快速定位故障，保障電力系統(tǒng)的安全運行。

關鍵詞：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電路發(fā)生過載或短路時，迅速切斷故障電流，防止設備損壞和火災事故發(fā)生。對熔斷器的故障現(xiàn)象進行仔細觀察和分析，結合相關測試技術和方法，可以準確判斷熔斷器的故障類型和原因，從而采取相應的維修和更換措施，保證電力系統(tǒng)的正常運行。通過不斷完善故障診斷技術，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)學模型進行求解。通過設置不同的參數(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，就根據試驗數(shù)據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，結合實際情況進行分析與測試。

1 熔斷器故障診斷方法

當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聯(lián)，增加了排查的復雜性。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處理，并將處理數(shù)據映射到合適的范圍內，獲取故障數(shù)據的信息熵，結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險，使模型更加穩(wěn)固，使后期的診斷結果更加準確。

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)中的重要保護設備，其運行狀態(tài)直接關系到線路的安全與穩(wěn)定。為了準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，保護線路和設備，避免其過熱導致?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)的兩個關鍵參數(shù)，它們的異常變化往往預示著潛在的問題。具體來說，當熔管內部發(fā)生電弧時，說明熔斷器內部的絕緣介質可能已經失去應有的絕緣性能，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，導致電弧產生。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生和熔體熔斷的直接依據。為了更準確地診斷熔管燒損故障，采用高精度的電壓和電流測量設備，保證能夠捕捉到任何微小的變化。在數(shù)據采集的基礎上，結合先進的信號處理技術對測量數(shù)據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，提高信號質量；使用頻譜分析技術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于熔管燒損故障的詳細信息，從而更準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。根據故障的具體情況，可能需要更換熔管、修復電弧燒蝕區(qū)域或對整個熔斷器進行更換。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，通過調整引導濾波器的參數(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)域的特征提取結果[3]。這些特征能夠反映故障區(qū)域的一些關鍵信息，為后續(xù)故障診斷提供重要依據，從而提高故障位置診斷精度。具體而言，引導濾波器能夠根據預設的參數(shù)對原始故障數(shù)據進行平滑處理，同時保留重要的邊緣信息。引導濾波器的核心是利用一個引導圖像對輸入圖像進行濾波處理。在故障診斷中，這個引導圖像可以是故障數(shù)據的某種預處理版本，或者是基于歷史數(shù)據生成的故障模式模板。通過引導圖像與輸入圖像之間的局部線性關系，引導濾波器能夠在平滑處理的同時保持邊緣清晰。當調整濾波器的參數(shù)時，窗口大小決定了濾波器在局部區(qū)域內處理數(shù)據的能力，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)。標準差則控制了濾波器的平滑程度，較大的標準差說明平滑效果更強，但也可能導致邊緣信息丟失。因此，在實際應用中，需要根據具體的故障數(shù)據和診斷需求來選擇合適的參數(shù)。

通過調整濾波器的窗口大小和標準差等參數(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)展相關的間接信息。然而，由于實際故障信息的復雜性和不確定性，因此故障樣本中可能存在離群數(shù)據或噪聲，這些數(shù)據會對特征提取和故障診斷的準確性產生不利影響。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)據歸一化后，進一步進行特征選擇。在故障診斷中，根據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)據集，這個數(shù)據集能夠全面反映故障區(qū)域的信息，同時減少數(shù)據處理的計算量。此外，由于采用歸一化處理的方法對故障樣本進行了預處理，因此無須再進行復雜的特征轉換操作，進一步提高了故障診斷的效率和準確性。

1.2 數(shù)據挖掘法故障診斷

對獲取的故障點定位信息進行歸一化處理，將數(shù)據映射到合適的范圍內，建立故障診斷模型，隨機抽取數(shù)據進行子集訓練，以確定子集中的樣本分類是否一致。對每個集內目標來說，檢查其是否存在m個取值，為樣本集中的類設置信息熵，并計算每個屬性內的信息熵。將配網的設備狀態(tài)量屬性設為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。對設備狀態(tài)量屬性增益進行分析，獲得屬性對應的分類信息[4]。根據數(shù)據結果生成決策樹，判斷樹中的特征是否存在，從而形成不同的數(shù)據集，轉化為葉節(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，將更新結果輸入模型中，并計算適應度。計算過程如公式（4）所示。

G=-∑h·log（e）+E（A）（1-h）·log（e） " （4）

式中：h為真實標簽；e為預測概率。

在適應度的計算中，隨機抽取更新完成的決策樹，對樹木的目標取值進行更新[6]。在10kV配電線路跌落式熔斷器多目標故障診斷的場景中，目標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措施等。通過收集最新的數(shù)據和行業(yè)標準來更新這些目標取值，保證決策樹的輸出結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，則符合適應度條件。最后，判斷森林中的數(shù)據子集是否符合條件，不滿足條件時需要對模型進行重復優(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定為150A。當電動機啟動時，熔件上產生的熱量會散發(fā)。但當電動機在短時間內多次啟動，熱量會逐漸積聚，導致熔件下一次啟動時熔斷。由于設備采用了封閉柜，其散熱因素必須在試驗測試的考慮范圍內，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果。試驗參數(shù)見表1。

2.2 結果與分析

根據上述環(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判斷熔斷器的故障，達到了預期的效果。這個結果充分證明了本文運用的診斷方法能夠對熔斷器的故障狀態(tài)進行有效診斷。該診斷方法不僅準確度高，而且反應迅速，能夠在短時間內有效定位并識別故障，在實際應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。當誤診率小于4%時能夠達到良好的診斷效果。因此，需要結合誤診數(shù)進行誤診率計算，結果見表2。

由表2結果可知，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快速定位故障，減少了因故障處理不當而造成的損失。通過仔細觀察和記錄設備的運行參數(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確率為97.939%。由此可見，使用本文設計的方法后，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 結語

本次從熔斷器入手，深入分析故障診斷方法相關問題，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，熔體質量問題，多次熔斷情況等。后續(xù)應更加完善計算，使用測試儀器對熔斷器進行電氣性能測試，還可以結合運行經驗等信息，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，并采取相應的措施進行修復或更換。

參考文獻

[1]席澤文，武瑾，莊勁武，等.直流限流熔斷器分斷燃弧過程的模型優(yōu)化與驗證[J].中國電機工程學報，2023，43（19）：7713-7720.

[2]尹凡，沈兵，莊勁武，等.直流熔斷器并聯(lián)燃弧不均機理研究及優(yōu)化設計[J].高電壓技術，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電弧電導率影響的分析[J].海軍工程大學學報，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].電力科學與技術學報，2022，37（3）：149-156.

[6]梁鄭秋，郝亮亮，周艷真，等.基于卷積神經網絡的核電多相無刷勵磁系統(tǒng)旋轉整流器故障診斷[J].電工技術學報，2023，38（20）：5458-5472.