低压断路器故障检测与诊断策略

上海宝钢建筑工程设计有限公司 陈文军

现阶段，低压断路器是低压配电系统最为常用的开关电气设备，以保证电力设备安全运行作为功能定位，低压断路器使用效果与低压配电系统整体运行工况密切相关。然而，低压断路器受到自身老化、外部环境干扰等因素影响，投运使用期间经常出现故障，存在安全隐患。因此，要加大对低压断路器故障检测与诊断技术的研究，降低低压断路器故障率。

1 低压断路器故障检测策略

1.1 状态分析

受到包括物理环境变化、化学变化在内的多重因素影响，低压断路器使用期间，健康状态一直在不断变化。如果仅依靠日常维护保养，无法显著改善低压断路器的健康状态，还会导致低压断路器的可靠性持续降低，增加故障率。因此，要以健康状态分析作为故障监测技术，提前设定多项指标，包括可靠度、累积失效概率、失效率，收集低压断路器的实时运行数据和历史运行数据，定期对低压断路器健康程度进行评价打分，如果健康程度不达标，可采取加大保养力度等处理措施，预防故障问题发生。

第一，可靠度。强调低压断路器在特定外界环境与时间条件下，可靠完成既定操作指令的概率，可靠度越高，表明装置健康程度越好。可靠度计算公式为R（t）=P（T＞t），R（t）是可靠度函数，t是规定时间，T是使用寿命，P是可靠度分布函数，公式用于表示寿命超出指定开断次数的概率，如果可靠度过低，低压断路器基本丧失机能。第二，累积失效概率。此项指标用于评价低压断路器在特定条件时没有完成指令操作的概率，也被称为不可靠度指标，累积失效概率、可靠度两项指标互为补充[1]。第三，失效率。此项指标用于反映低压断路器历史运行次数超过最大开断次数且未失效的概率，着手建立失效函数模型，必须提前了解低压断路器故障状态，将其作为模型建立依据。例如，拒动故障是指低压断路器无法正常执行闭合、断开操作指令，并引发越级跳闸、扩大故障范围等连锁问题发生，形成原因包括电气控制有误、辅助回路失效，以分合闸线圈烧毁、二次接线故障作为表现形式。误动故障指是低压断路器在错误时间展开动作，致使低压配电系统大面积停电，形成原因是运行环境过于潮湿，因中端子绝缘性能下滑而在回路间出现短路情况。

1.2 状态检测

在健康状态检测环节，线圈是低压断路器的重要组成部分，以开断控制作为功能定位，线圈内部分布大量电流信号，可以全面准确反映断路器操作信息与工作状态。因此，以断路器线圈作为检测部位，线圈上加装霍尔电流传感器，负责持续提取分合闸线圈电流，把测量信号转换为电流信号后提交给上位机，绘制分合闸电流波形图，线圈内电流赋值较小，采样精度不受电磁干扰，可以准确反映低压断路器工作状态，技术层面具备可行性。后续在低压断路器投入使用期间，合闸、分闸步骤时的铁芯动作基本保持一致，合闸时以连杆传动机构作为铁芯触动对象，分闸时则以锁扣机构作为铁芯触动对象，监测系统通过分合闸线圈电流波形变化来判断低压断路器动作情况、是否出现故障问题。此外，由于闸线圈电流处于动态变化状态，实际变化速度加快，必须配备磁平衡式电流传感器，中间布置一处通孔圆环，把线圈导线穿过通孔，线圈流经电流时，以电压信号作为采样数据，电压信号调理完毕后移交给AD 采集模块，最终上传至控制器来评价低压断路器健康状态[2]。断路器状态检测原理如图1所示。

图1 断路器状态检测原理

1.3 状态评估

在健康状态评估环节，工作人员提前收集相关故障案例，在故障监测系统内设定各类典型故障问题的出现征兆、判读标准，系统持续更新与分析分合闸线圈电流波形，识别到异常波形时，自动根据波形特征来判断可能存在的故障隐患，再把问题反馈给工作人员着手处理。低压断路器典型故障包括分闸锁扣润滑不足、操作线圈匝间短路、机构速度降低、回路接触不良，健康状态评估方法如下。

第一，分合闸锁扣润滑不足。锁扣装置润滑失效期间，低压断路器启动步骤的电流值有所增加，同步增大线圈功耗与延长辅助开关时间，进而导致线圈分闸动作滞后于正常水准，通过实际电流、标准值的偏差情况来判断是否存在分闸锁扣润滑缺陷。第二，操作线圈匝间短路。出现匝间短路故障后，线圈整体电流值远超正常水准，且完成动作时间也有所延长，如果波形图内同时出现电流超标、时间超标两种情况，初步判定操作线圈存在匝间短路故障，提醒工作人员及时更换全新线圈[3]。第三，机构速度降低。以断路器操作机构作为监测部位，操作机构速度与电流值有着密切联系，正常曲线、缺陷曲线在首处峰值基本保持一致状态，机构脱扣时间点相同，但随着第二个峰值的到来，辅助接点切换时间略有延迟，以此来判断机构速度降低，断路器出现异常工况。第四，回路接触不良。最大电流比超出标准值，后续一段时间持续存在最大电流，电流值没有在规定时间内平稳下降，初步判定分合闸回路没有保持良好接触状态，提醒工作人员前往现场查看回路状态。

此外，考虑到不同健康状态下的低压断路器故障率、危害程度略有不同，如果粗略判定低压断路器处于不健康状态，不利于工作人员做出科学决策。因此，需要采取定量评估方法，以分合闸线圈电流波形的正常曲线、故障曲线的重合度作为评估标准，并建立分级响应机制。如果所选取99%分位点处于划定包络线范围内，表明低压断路器处于正常健康状态。所选取95%～99%分位点处于包络线之间，表明低压断路器健康状态处于60%～80%，问题反馈到工作人员，工作人员在后续在维护保养期间处理问题。所选取95%分位点处在包络线以外，表明低压断路器健康状态不足60%，系统发送报警信号，工作人员应立即前往现场处理问题。

2 低压断路器故障诊断策略

2.1 小波分析

小波分析本质上属于一种波形分析技术，故障诊断流程图如图2所示，按照波形来提取信号特性，对比所提取特征值和典型故障特征值的相似程度，确定相似度超过规定标准后，即可准确判断故障性质，故障诊断流程由特征信号测量、特征提取、样本集比对、输出诊断结果等步骤组成，可以在无人工干预情况下，确定故障类型与出现位置。以小波分析作为低压断路器故障诊断方法时，重点关注故障检测标准值选择问题，一般情况下，把闭合线圈电流、分合闸线圈电流作为故障检测标准值。

图2 故障诊断流程图

第一，闭合线圈电流。此项指标可用于反映电磁铁控制阀门和所接触其他机构的工作状况，使用带有缺陷的输出值进行替换，或是通过不同输出值来指示低压断路器正常模式。例如，网络输出为正常机构的情况下，把0～1作为传出数值临界点，输出值靠近0时，低压断路器故障率较低，而在输出值靠近1时，低压断路器发生故障的概率有所提高，根据电流波形来判断故障性质，可用于诊断锁扣阻塞、运行机构速度降低、线圈触点闭合较弱等故障问题。第二，分合闸线圈电流。线圈等值电路由电感线圈与电阻组成，铁芯展开动作前，线圈电路信号呈现指数上升趋势，待实际电流值超出规定标准后，趋势铁磁移动，电流曲线从指数上升趋势变更为向下趋势，直至铁芯完全吸收电流。而在开启、关闭低压断路器时，电流将在环内运动，从0开始变化，无法在短时间内恢复稳定状态，铁芯吸力随着电流同步变化[4]。最终，各项故障特征标准值设定完毕后，故障诊断系统从低压断路器电流信号内提取惰性特征值，测量空间碎片群波形，确定波形点位与所需特征值，按照经典特征典范来判断故障性质，准确描述阻碍低压断路器正常展开动作的故障情况。

2.2 模糊神经网络模型

模糊神经网络模型是神经网络、模糊系统两项技术的融合产物，本质上属于一类含有多层结构的网络，结构层级包括模糊化层、输入层、隐层，以及输出层，相邻层级结构保持互连关系和对应关系，所连接两层对应一个权值。在低压断路器故障诊断场景下，搭配采取小波分析和模糊神经网络模型，率先从电流信号内提取特征值，经过去噪、平滑处理后作为输入信号，特征值模糊操作完毕后把信号导入神经网络当中，最终根据网络输出结果来出具诊断报告，准确判断故障类型、部位，以及性质，这有利于提高故障诊断精度。随后，根据诊断要求来选择相应学习算法，优先选择聚类法作为学习算法，把模糊系统、神经网络二者相互结合来建立故障诊断模型，以规定数据当作参数设计，按照所需输入—输出对数来确定最终的模糊规则数目，保持所设定模糊规则数目、输入—输出个数的等价状态，避免故障诊断系统出现无效性问题，做到对计算结果准确性和计算速度的完美兼顾。模型构建完毕后，持续开展机器学习，导入低压断路器典型故障案例作为学习样本，经过长时间训练后，掌握各类故障问题的客观发生规律与判读标准。最后，在系统内设定故障诊断内容，确保诊断报告可以全面展示设备故障情况，以判断低压断路器有无故障、故障性质类型、形成原因、故障位置，全面诊断结论并采取相应解决方法[5]。

2.3 人工诊断

智能诊断技术当前已成为低压断路器诊断工作的主要手段，理论层面上的诊断精度、速度都远超传统诊断技术，综合应用表现较为理想。但根据实际情况来看，受采样数据误差、训练时长、样本训练规模等因素影响，实际诊断效果略有下滑。因此，需要搭配采取人工诊断技术，如果诊断系统无法准确出具诊断报告，则由工作人员前往现场进行诊断，要求工作人员熟练掌握各类故障问题的诊断方法。例如，对于低压断路器拒合故障，重新闭合控制开关，如果合闸未成功，检查电气回路情况，包括控制电源、熔断器、接触器触点，再把控制开关扳至合闸位置，观察铁芯动作，确定电气回路无误后，表明故障性质为机械方面故障。对于低压断路器拒分故障，以表记全盘摆动、电压异常降低、显示保护动作为故障征兆，依次检查跳闸电源电压、跳闸回路、跳闸铁芯动作，判断是电气方面还是机械方面存在故障，形成原因包括铁芯卡涩、触点接触不良、继电保护整定值设置有误。而对于低压断路器误合故障，如果出现红灯连续闪烁的故障，应拉开误合断路器，如果再次出现同类问题，则检查电气方面与机械方面，如测量合闸接触器线圈电阻值，确定故障原因。

综上所述，为确保低压配电系统安全平稳运行，预防低压断路器故障问题，工作人员应加强对低压断路器故障监测和诊断工作的重视，建立功能完善的健康状态监测系统，积极落实小波分析、模糊神经网络模型、人工诊断三项故障诊断策略，切实改善低压断路器使用条件，实现安全优质供电目标。