低压断路器健康管理技术与标准化

摘 要：

介绍了健康管理的概念，分析了低压断路器健康管理的关键技术，更深层次探索和研究了低压断路器健康管理的技术要求和功能应用，从而制定推出相应的低压断路器健康管理规范标准。可进一步加快传统电器设备数字化进程，打造行业可持续高质量发展生态。

关键词：

低压断路器; 健康管理技术; 标准化; 可持续

中图分类号： TM561

文献标志码： A

文章编号： 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

工业互联网作为全新工业生态、关键基础设施和应用模式，通过人、机、物的全面互联，实现全要素、全产业链、全价值链的全面连接，正在全球范围内不断颠覆传统制造模式、生产组织方式和产业形态，推动传统产业加快转型升级、新兴产业加速发展壮大。《工业互联网创新发展行动计划（2021—2023年）》和《“十四五”智能制造发展规划》等政策文件中都明确指出要大力发展工业互联网平台，支持建设云仿真、数据加工、故障预测与健康管理等技术专业型平台，加快信息技术创新应用;要加速工业数字化、网络化发展，大力发展数字化设计、远程运维服务，加快工业互联网、物联网等新型网络基础设施规模化部署，提升现场感知和数据传输能力，建立各具特色的工业互联网平台;要推动制造业实现数字化转型、网络化协同、智能化变革。在此过程中，配用电系统将迎来新的变革，向新型配用电系统不断发展，数字化电器设备将逐步替代传统电器设备，实现环境友好、低碳和电能的高效应用。

低压断路器健康管理技术是提升新型配用电系统高效性的一项重要技术，可以有效带动相关电器设备制造企业、状态监测技术的发展，为电器产品的运维策略、管控措施、更新和检修计划提供有力的技术支撑，同时有效提高新型配电网运行管理自动化、数字化、智能化水平，提高供电可靠性，降低企业运维成本［1］。

1 健康管理概述

健康管理是对设备及其部件健康状态的影响因素进行全面管理的过程，包括涉及健康状态的数据采集、数据传输、数据处理、健康度评估、故障预测等，并给出维修的建议或方案等。

健康管理技术在诞生之际主要应用于军事领域，早在20世纪70年代，基于系统、设备、印制电路板（PCB）的故障诊断与健康管理技术就开始在航空领域中应用。到了20世纪八九十年代，此项技术的应用主要集中于状态监控，重点是对过程中的数据进行采集，在比较数据状态后进行阈值报警，结合智能推理模型得到运行状态，并逐渐向预测故障发生的方向发展。近年来，随着信息技术的不断创新，该技术的应用领域已经从航空领域发展到了更多的领域，且技术逐渐成熟，在先前的故障监测的基础上，增加了对网络设备的健康管理，从而实现全方位、多角度、深层次网络系统的故障检测运维。

近年来，配用电系统用户端对设备的健康管理提出如下需求：物业管理者希望确保电力系统100%防止故障发生，能够实时在线、实现远程操作，并缩减故障时间;最终用户希望全面保障供电连续性，降低运维成本，并具有较高的舒适度。基于上述需求，新型配用电系统中的关键保护与控制电器元件逐渐开始采用健康管理技术，实现对产品健康状态的评估、寿命预测、故障预警等，进一步提高产品安全性和可靠性，同时量身定制维护计划以优化成本。

2 低压断路器健康管理的关键技术

低压断路器作为当前智能化水平较高的低压电器设备，在融合新一代数字化和网络化技术的基础上，具有电气测量及报警、状态感知、故障及历史记录、诊断维护等功能，已初步具备健康状态指示功能，但仍不具备全面、系统的断路器健康管理功能。

用于新型配用电系统的低压断路器的健康管理技术应包括状态监测、健康评估、故障预测、维护决策4类关键技术，且可以通过低压断路器控制器、柜门显示单元或者云平台实现低压断路器健康管理功能［2-4］。

（1） 状态监测：将接收到的电气参数、机械参数、环境参数等数据与设定的阈值进行比较，得到“过大”“过小”或“为零”等是否在正常运行状态的判断。

（2） 健康评估：确定健康状态评估的维度，给出产品健康度的评价体系;结合综合寿命周期、故障预警，并根据评价体系给出设备健康度。

（3） 故障预测：结合故障机理模型以及监测到的状态得出故障诊断的结果，确定给出用户层面的故障类型，如动作不正常、触头过热、控制器失效、附件失效、抽屉不到位、二次回路不接通等异常;对个别大类故障，还可结合其预警判定方式，如过热，研究分析其趋势变化，从而给出故障预警信息。

（4）维护决策：基于系统所有低压断路器的健康度情况、使用维护和环境信息，融合平台侧的运维策略库，包括巡检、设备保养、检修及更换要求，提供预测性维护的建议（维护策略），制订维护计划。

3 低压断路器健康管理规范标准

3.1 低压断路器健康管理技术要求

根据低压断路器的健康管理要求，标准中考虑低压断路器从投入运行开始至当前的健康状态评估，不仅包括设备的数据采集、数据传输、数据处理、状态监测以及健康状态评估，还包括故障监测、维护决策等。需要采集的数据规定如下：电气参数包括电压、电流、频率、功率、谐波、触头压降以及触头阻抗等;机械参数包括弹簧力、主触头角位移、主轴角速度、触头磨损以及声音等;环境参数包括温度（低压断路器进出线端温度、主触头温度、软连接温度、低压断路器周围空气温度）、湿度（与周围空气温度同时采集）、盐雾、粉尘以及振动等;其他参数包括欠/失电压脱扣器、闭合脱扣器和分励脱扣器状态（如适用），准备闭合（合闸）状态，储能闭合机构状态（如适用），智能控制器状态，通信模块状态，操作次数，累计带电运行时间等。

针对低压断路器健康状态评估，标准中给出相应流程。低压断路器健康状态评估流程如图1所示。

健康状态等级如表1所示。在如表1等级划分的基础上，同时对低压断路器健康状态参数（如电气、环境等运行工况，触头磨损，热老化率等）给出推荐值。结合这些参数情况，利用数学模型计算出低压断路器健康度，结果用0～100分指示：70～100分表示低压断路器健康情况处于优良状态;50～69分表示低压断路器健康情况下降，处于关注状态;0～49分表示低压断路器健康情况恶化，处于危险状态。

3.2 低压断路器健康管理功能应用

在实际应用中，除了可通过低压断路器及其终端显示设备（设备侧）提供健康管理相关信息外，也可通过系统平台的数据存储、处理、分析、计算能力，提供接入系统的单个或多个低压断路器信息，发起健康管理各种报表。平台侧低压断路器健康管理信息示例如表2所示。

系统平台对低压断路器的运行工况（电气、环境）、触头磨损、热老化率等参数进行监测，当监测结果为非正常状态或接近设定阈值的情况进行设备故障预警。平台侧的故障预警包括设备故障预警和系统故障预警。在多级保护配电系统中，根据低压断路器的电参数（如电流、电压）的变化，可预测或即时判断可能发生的系统故障（如过电流、欠/过电压、三相不平衡、接地、剩余电流等），并通过低压断路器自身或通过平台侧边缘计算分析精准定位故障点，得出低压断路器综合故障概率，为用户提供设备故障预警信息;同时可结合用电负载的重要度，给出针对系统故障的预防措施建议或即时动作指令。

平台侧的系统健康度评估结果可通过颜色标识，标准中给出的推荐颜色和对应分值：绿色对应的健康度分值为70～100分;黄色对应的健康度分值为50～69分;红色对应的健康度分值为0～49分。

基于系统所有低压断路器的健康度情况、使用维护和环境信息，融合平台侧的运维策略库，包括巡检、设备保养、检修及更换要求，提供预测性维护的建议（维护策略），并提出维护要求和实施方案。低压断路器维护策略可结合断路器的健康状态评估及健康度计算结果制定，制造商可自行定义显示参数及对应的维护策略。

依据低压断路器健康管理规范标准，研究设计了健康管理柜门式控制单元，通过对低压断路器运行状态、运行数据、端子温度、异常事件等数据的实时监控实现对低压断路器的健康评估。柜门式控制单元健康评估结果如图2所示。

4 结 语

低压断路器健康管理技术和标准化的研究为电器设备制造商提供了应用在各类传统和新兴领域电器设备健康管理的设计、制造、试验和应用指导，提高了设备的数字化、网络化、智能化发展水平，对推进低压电器行业数字化转型具有重要意义。制定的低压断路器健康管理技术规范标准可以提升行业对低压断路器健康管理的认知，引导用户利用平台进行远程运维、故障预警和预测性维护等，助力新型配用电设备及系统标准体系建设，推动行业的健康发展。

【参 考 文 献】

［1］ 尹天文， 高孝天.双碳背景下低压电器行业发展思考［J］.电器与能效管理技术，2023（1）：1-7，23.

［2］ 王冰青， 高孝天， 周英姿.低压断路器健康管理试验与研究［J］.电器与能效管理技术，2024（5）：30-35.

［3］ 中电协低压电器标准化专业委员会.智能低压断路器：T/CEEIA 509—2021［S］.北京：中国标准出版社，2021.

［4］ 国家市场监督管理总局，国家标准化管理委员会.低压开关设备和控制设备 第2部分：断路器：GB/T 14048.2—2020［S］.北京：中国标准出版社，2020.

收稿日期： 2024-07-04