1、2023 年4 月 电 工 技 术 学 报 Vol.38 No.8 第 38 卷第 8 期 TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Apr.2023 DOI:10.19595/ki.1000-6753.tces.220204 电磁式断路器状态监测与智能评估技术综述 韩翔宇 纽春萍 何海龙 吴佳宝 陈子薇（电力设备电气绝缘国家重点实验室（西安交通大学）西安 710000）摘要 在智能电网的发展背景下，电磁式断路器的健康管理对提高电力系统的供电可靠性、安全性和稳定性具有重要意义，因此受到了研究者们的广泛关注。状态监测和智能评估是电磁式断路器健康
2、管理的主要内容。首先，通过对近些年相关文献的梳理，从传感监测、特征提取与降维、故障诊断、健康评估和剩余寿命预测方面总结当前的研究现状，并着重分析了现有技术中存在的局限。然后，简要介绍电磁式断路器健康管理系统的硬件实现方案，阐明了在实际应用上的不足。最后，讨论了状态监测与智能评估所面临的研究挑战以及未来的发展趋势，希望能给该领域的研究人员提供一定参考。关键词：断路器 状态监测 智能评估 数据驱动 人工智能 中图分类号：TM561 0 引言 近年来，随着“双碳”目标的提出1，绿色低碳和能源转型逐渐成为我国经济社会发展的重要战略目标。目前，我国的电力系统碳排放置占全社会碳排放置的 40%左右2，是实
3、现“双碳”目标的关键领域和主战场。我国电网经过多年的快速发展，大量运行中的电力设备已逐渐接近初始设计的寿命年限，老旧设备的比例逐渐增加，提高电力设备的利用效率并延长使用寿命是“双碳”目标下电力行业所面临的共性需求，实现基础即是设备剩余寿命预测和全寿命周期的健康管理3。预测与健康管理（Prognostics and Health Manage-ment,PHM）技术是在设备发生故障前，对健康状态进行预测，并结合可利用的资源信息，提供一系列的维修保障措施，通常包括诊断和预防设备故障，评估设备核心组件的可靠性和剩余使用寿命4。目前，PHM 技术已成为航空航天、储能系统、机械工业等诸多领域后勤保障、维
4、护和自主健康管理的重要支撑技术和基础5，具有重要的应用价值和现实意义，而在电气领域特别是电力开关设备领域的应用研究相对较少。电磁式断路器作为电力系统中的关键开关设备，起到控制能量流动、保护系统电路、隔离故障电流等重要作用，被广泛应用在电力系统中。随着动作次数的增加，断路器的关键部件产生不同程度的机械性能和电气性能的劣化，多重劣化因素作用下产生的故障类型主要分为机械故障和电气故障6。主要故障反映为拒绝合闸、拒绝分闸、误分闸和误合闸四种情况，容易引发停电和电气设备损坏等事故，造成较大的经济损失。电磁式断路器的正常运行关系到电力系统的安全稳定运行，高效的运维方案是保证其可靠性的重要手段，2017 年
5、国家电网公司发布智能运检白皮书，推动电力检修方式从传统计划检修向状态检修积极转变，努力打造以状态实时检测为基础、以故障有效诊断和决策为输出的智能运检体系7。数据表明，采用预防性维护技术有望减少电力系统中 30%的维护费用，避免 35%45%的事故，降低 75%的停机时间8。因此，应用PHM 技术实现电磁式断路器的健康管理对提高电力系统的供电可靠性、安全性和稳定性具有重要意义。随着先进传感器技术、工业大数据技术和人工智能技术的发展以及国家电网公司提出“三型两网”的战略规划9，数据已成为电力系统的核心资源，国家电网灾备信息的累积量已达 15 PB 以上，仅在网运行的 2.4 亿只智能电能表一年即可
6、产生 200 TB数据10，海量数据的产生为实现电磁式断路器的全周期健康管理提供了新的可能。近年来，“基于数据 收稿日期 2022-02-15 改稿日期 2022-04-08 2192 电 工 技 术 学 报 2023 年 4 月 驱动的方法”逐渐代替以往“基于机理建模的方法”成为电磁式断路器健康管理技术的主流研究方向11。基于数据驱动的电磁式断路器的健康管理技术如图 1所示，数据驱动下的健康管理技术主要包括状态监测和智能评估两大部分：状态监测是健康管理技术的基础，也是近些年电力物联网感知层的重要建设内容。状态监测技术首先运用传感器实时监测状态参量，产生大量数据后，再应用信号分析技术从中提取多
7、个反映劣化状态的时频特征量，为后续的评估奠定数据基础。智能评估是健康管理技术的核心环节，与计算机科学、人工智能、信息处理、测量与控制等学科深度交叉，衍生出了故障诊断技术、健康评估技术和剩余寿命预测技术，目的是基于状态监测提供的数据或提取的劣化特征实现对运行状态的综合评估。之后，结合智能评估结果可及时给出相应的运维策略，实现状态检修。目前，电磁式断路器的健康管理技术还存在传感器抗扰能力差、数据利用率低、故障机理不明、评估效果不准等缺陷，多数研究仍处于实验室阶段，还需要结合实际需求不断深入。图 1 基于数据驱动的电磁式断路器的健康管理技术 Fig.1 Health assessment techn
8、ology of electromagnetic circuit breaker based on data drive 本文以电磁式断路器（后文简称“断路器”）为研究对象，详细梳理了近十年的主要文献或公开报道的技术专利，重点关注基于数据驱动的健康管理技术，检修决策部分未过多涉及。对于状态监测技术，本文总结了当前广泛应用的传感信号及监测手段，并从特征提取和特征降维两方面阐述了多种信号处理方法；对于智能评估技术，主要介绍了故障诊断、健康评估及剩余寿命预测的主流研究成果。然后简要概述了健康管理系统的硬件方案和应用进展。最后对全文进行总结，阐明了现存问题和发展趋势。1 状态监测技术 状态监测技术主要
9、分为“传感监测”和“特征提取与降维”，一方面选择反映断路器劣化规律的传感信号，并采用合适的传感手段获取；另一方面应用信号处理技术从原始传感信号中进一步提取劣化特征。1.1 传感监测 断路器传感监测早期采用离线监测，主要测试断路器的分合机械参数，适合出厂检测和定期故障检修，无法满足状态监测的实时性要求。目前，多采用在线监测获取监测数据，即通过不同类型传感器实时采集断路器工作时的不同状态参量。在线传感监测主要针对电气特性、机械特性和温度特性进行监测。1.1.1 电气特性监测 断路器的电气信号不仅直接反映断路器电气回路、控制回路的劣化程度，还间接反映相关机械部件的运行情况。主要包括电流信号和弧压信号
10、。1）电流信号 电流信号是传感监测中的常用信号，断路器的电流信号主要包括分合闸线圈电流、主回路电流、储能电机电流等，前两个信号的应用最广泛。（1）分合闸线圈电流。分闸电磁铁和合闸电磁铁是中低压断路器操动机构的重要部件，典型的分 第 38 卷第 8 期 韩翔宇等 电磁式断路器状态监测与智能评估技术综述 2193 合闸线圈电流波形如图 2 所示，对应的五个变化过程见表 1。图 2 分合闸线圈电流波形 Fig.2 Switching coil current waveform 表 1 分合闸线圈电流的变化过程 Tab.1 The changing process of opening and clo
11、sing coil current 阶段 时间段 变化过程 1 t0t1 t0时刻线圈通电，铁心受到的电磁力小于阻力，铁心不动，线圈电流持续上升 2 t1t2 t1时刻铁心开始运动，铁心运动在线圈中产生反电动势，电流减小 3 t2t3 t2时刻铁心运动到位，线圈电流持续上升4 t3t4 线圈电流保持不变 5 t4t5 辅助开关动作，切断线圈回路，电流迅速下降至 0 该信号不仅反映线圈控制回路的状态，还能反映操作机构的运动状态。例如，电磁铁铁心和复位弹簧的锈蚀使铁心运动的阻力增加，导致铁心运动的时间（t1t2）变长，此外，辅助开关的动作决定于传动机构，传动机构磨损会增长辅助开关的动作时间（t3t
12、4）。因此，图 2 中的关键时段、电流分段变化速率及电流极值点幅值均可作为时域局部特征。文献12-13即从分合闸线圈电流中提取包括电流时域局部特征在内的多个特征来进行故障诊断，取得了不错的实验效果。（2）主回路电流。断路器分断电流时，动静触头打开产生电弧，电弧烧蚀触头，长期累积导致触头失效。断路器分闸时主回路的电流波形如图 3 所示16，从图 3 中可看出，电弧的产生导致主回路电流波形发生畸变，畸变部分刚好对应电弧烧蚀过程。已有研究通过实时监测主回路电流波形，并对畸变部分采用电流积分法14、累积 I2t 法15等方法累积计算以量化电弧对触头的烧蚀，进而反映触头的劣化程度。（3）电流监测方法。断
13、路器的动作时长在 ms量级，因此分合闸线圈电流和主回路电流（电弧畸 图 3 分闸时的主回路电流波形 Fig.3 Main circuit current waveforms at switching 变部分）对传感器的精度和采样速率都提出较高要求。目前，电流信号的传感方式主要分为接触式和非接触式。接触式测量是在被测回路中串入采样电阻，基于欧姆定律来推算回路电流，简单易实现，但是在被测回路中放置元件易增添新的安全隐患、降低回路可靠性；非接触式测量能实现电气隔离，有电流互感器、罗氏线圈和霍尔电流传感器等，电流互感器和罗氏线圈的原理是电磁感应定律，前者易发生铁心饱和，后者没有铁心，不会磁饱和，但在测
14、量小电流时，精度较低且抗干扰性差，常用于大电流的测量；霍尔电流传感器基于零磁通原理，交、直流均可测量，测量原理如图 4 所示，输出电压正比于一次电流，测量精度高、响应快17。因此，霍尔电流传感器成为分合闸线圈电流和主回路电流的主流监测方案。图 4 霍尔电流传感器原理 Fig.4 Schematic diagram of Hall current sensor 2）弧压信号 弧压信号可以反映断路器分断电流时的燃弧过程18，直流断路器的典型弧压信号如图 5 所示19，从中可提取熄弧时长、弧压峰值等特征来直接反映断路器灭弧系统和动静触头的劣化情况。弧压的幅值最高可达几十伏，常采用电压探头进行测量，但
15、高压探头在低压区域的精度不足，低 2194 电 工 技 术 学 报 2023 年 4 月 图 5 直流断路器弧压示意图 Fig.5 Diagram of arc voltage of DC circuit breaker 压探头又无法承受熄弧后断口间较大的动态恢复电压，为解决这一矛盾，文献20最新提出了如图 6所示的双向弧压测量装置，既能实现弧压信号的准确测量，又能解决熄弧后恢复电压损坏小功率型器件的问题。图 6 双向弧压测量装置 Fig.6 Bidirectional arc voltage measuring device 1.1.2 机械特性监测 断路器的机械特性能直接反映各个机械部件的
16、劣化程度，主要包括振动信号、声音信号和触头位移信号。1）振动信号 在断路器动作过程中，操作机构及传动机构部件间的摩擦与碰撞、动静触头相互撞击都会产生机械振动信号，因此振动信号中蕴含丰富的机械状态信息。振动信号如图 7 所示22。从图 7 可看出，振动信号有多个明显的事件时刻点，如幅值最大点对应动静触头撞击的时刻，关键时刻点及时间间隔均可作为断路器的劣化特征，如文献21即从振动信号中提取时刻点特征进行故障诊断。振动信号产生后沿断路器壳壁等固体材料传播，衰减较小，安装加速度传感器即可实时监测，属于接触式测量。振动检测的关键是确定传感器的安装位置与检测方向，考虑到振动信号主要源于动 图 7 振动信号 Fig.7 Vibration signal 静触头的碰撞，安装位置应足够靠近触头系统，检测方向应与触头的撞击方向一致，文献23整理了加速度传感器的五种安装方式，对比之后采用“磁铁吸附”方法，简单易行。2）声音信号 振动信号产生的同时，断路器发出相应的声音信号。声音信号与振动信号属于同源信号，两者都包含断路器的多种机械状态信息，但两种信号的传播介质和监测方式不同，声音信号产生后通过空气传播，多采
