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模壳断路器与低压电力断路器的健康状态
低压断路器预期寿命监控新进展

【作者: 伊頓】2018年08月29日 星期三

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断路器健康状态重要性的原因

模壳断路器(MCCB)和低压电力断路器(LVPCB)为低压配电系统和程序提供重要功能:保护连接装置免於遭受过载和短路的影响。MCCB和LVPCB是各行各业普遍采用的设备,尤其是在正常运转相当重要的应用方面,这些设备能够以安全、经济、有效的方式从电源端连接和断开负载。例如,医院的每天意外停电所耗费的成本从80万美元到100万美元不等。



图1 : MCCB保护美国肯塔基州郁草区Eaton Bluegrass Data Center的关键设备
图1 : MCCB保护美国肯塔基州郁草区Eaton Bluegrass Data Center的关键设备

简而言之,几??世界各地的每一种应用均采用MCCB和LVPCB,藉以提供必要的功能:人员和设备保护。为此,正确操作断路器相当重要。这些LVPCB在无数设定中可靠运转,并且在正确应用时如预期运转。然而,有效的持续维护计划是提供可靠操作和控制成本所需的关键。


如何判断应该更换的MCCB / LVCB是大海捞针?例如,有一家造纸厂使用876个MCCB,采行强大的预防性维护计划仔细检查装置。在这些876个装置中,有5个需要更换,占该厂房断路器总数的0.57%。问题变成:


● 您如何有信心知道哪些MCCB(或其他类型的断路器)需要维修?


● 您如何避免投入时间和资源来检查所有876个断路器,找出需要更换或维修的设备?


● 是否难以确定MCCB和LVPCB的状况?


虽然断路器的类型相当多,但MCCB都是由五个组件组成:模壳或框架、操作机构、消弧片、载流路径,以及跳脱装置。对於MCCB,这些组件是密封在框架中,维护一直局限於机械安装、电线和机构的手动操作。低压绝缘断路器和LVPCB由於构造独特,在维护这些组件有较多选择。



图2 : MCCB包括的五个基本组件
图2 : MCCB包括的五个基本组件

所有断路器都能够正常运作;但是,传统的挑战在於确定何时移除需要维修的断路器,尤其是 MCCB,如图3中的典型「浴缸形」故障曲线所示;断路器健康状态的重要性是确保在曲线底部以及损耗期开始上升时发生相对较少的问题。


温度过高、湿气、灰尘、化学蒸气和振动之类的环境因素,也可能对於断路器的健康状态造成重大的影响。此外,如果断路器长期运作却未能得到适当的维护,而且承受过度的环境和过电流条件,则很难确定装置能否发挥其预期的功能。


断路器启断非常高的故障电流时(接近其额定遮断电流),一般很难确定排除故障的断路器能否继续保护系统。在重复启断故障电流期间所发生的内部损坏,可能会影响断路器未来启断故障的能力,因而可能会影响未来的效能。



图3 : 浴缸形故障曲线
图3 : 浴缸形故障曲线

透过了解环境条件和电力系统问题,操作和维护(O&M)人员可以知道何时更换断路器,各种创新方法确定这些累积效应的问题变得更加简单。


早期是运用红外线(IR)技术明确了解断路器效能,虽然这种方法提供有价值的重要资讯,但是需要等待定期维护和红外线扫描。


这些红外线扫描全部进行一次,无法在所有操作时间和条件下提供断路器效能的真实全天候影像。此外,这种方式会发生误判;当发现需要更换的断路器时,但其实只是连接的端子松脱,重新连接後还能够在现场运作(图4)。


最近的创新促使新一代断路器问世,包括MCCB和LVPCB,这些断路器更有智慧和连线能力,而且包含更多内部感测器,能够提供持续监控,并进行预测性维护。这些断路器采用自我诊断跳脱装置,可以即时和长时间测量各种叁数,以便在问题发生之前更明确指示何时需要更换断路器,藉以避免停机。


重要的是,维护人员现在能够主动找出需要维修或更换的断路器,而不需要花费时间和精力来检查厂房或系统中的所有断路器;大幅降低维护成本。


适用安全标准

断路器有许多既有的规范和标准,可以对於测试、安装和维护这些装置提供有价值的资讯。


MCCB和LVPCB是通过UL 489认证的装置。此项标准是由UL、加拿大CSA Group和墨西哥 ANCE针对评估北美洲MCCB和LVPCB所共同发布。此项标准要求所有适用的断路器设计必须在100%的额定电流下进行数千次耐久性测试操作。这也要求装置能够在多次过载操作下运转。


所有适用的断路器设计均经过校准、过载、温度、耐久性、启断、介电质、高故障电流测试,并达到腐蚀保护、绝缘材料、载流零件和间距的其他设计要求。随着电子装置使用的断路器愈来愈多,此项标准也纳入软体一致性和评估的EMC测试。


美国电机电子工程师学会(IEEE)公布标准1458,其中提供「工业应用模壳断路器的选择、现场测试和预期寿命的建议规范」。此项标准的2005版本确定何时将MCCB移除,进行维修的具体方法,并提供现场测试和确定模壳断路器剩馀寿命的程序。


美国电气制造商协会(NEMA)公布AB-4标准,此项标准为断路器的检查和预防性维护提供适用於商业和工业应用的准则。此项标准提供断路器维修的检查和测试程序相关资讯。


NEMA AB-4

测试和维护程序的基本指引,包括:


● 端子连接检查


● 除去灰尘、污垢、烟灰油脂或湿气


● 断电时,操作断路器机构以检查机械连杆


● 如果可能,在负载通电下操作断路器以清除主接点接触面碎屑和氧化物



图4 : 红外线摄影机可用於提供断路器健康状态的重要资讯
图4 : 红外线摄影机可用於提供断路器健康状态的重要资讯

换句话说,确定断路器的健康状态需要进行一系列叁数调查,才能确定哪个断路器需要更换。有时做为关键叁数的接点磨耗,只是需要评估的众多因素之一;有一些低压断路器制造商提供接点腐蚀警报做为健康状态诊断。如果接点是需要更换断路器的唯一原因或主要原因,则这种方法相当合适。然而,这些断路器是由各种不同功能的数百个零件所组成,需要监控一系列叁数,才能全面了解装置是否能够如预期继续运转,而不只有接点磨耗需要监控。


MCCB 维护基础知识和新的预测诊断创新

图5 : Eaton PXR 20D和25
图5 : Eaton PXR 20D和25

断路器能够满足北美洲标准的严格测试要求,以及达到长期可靠性的全球一系列标准。这些断路器都在制造商的工厂中经过严格测试,以确保品质和一致性。NEMA AB-4和IEEE 1458测试标准提供现场测试MCCB的绝隹逐步说明,即使是原厂密封的断路器,也能够确定断路器的状况。


相较於传统的断路器检查程序,伊顿的Power Xpert Release(PXR)跳脱装置有极大的改进,能够提供强大的资料分析,以及MCCB和LVPCB的预测诊断,这些关键资讯可用於对实际设备状况做出更明智的决定。这些智慧型断路器可以显示断路器完整健康状态的资料摘要,让客户或维护人员容易了解和运用。


伊顿的PXR跳脱装置监控的叁数,包括短路、过载、操作、温度和运转时间,这些叁数可以提供大量的重要资讯,而所有叁数的组合提供断路器状态的整体情况,可用於预测性维护和系统可靠性。


具体重要资讯包括:


● 操作资料提供断路器机构最後运作时的重要资讯,并显示机构是否被缠住或卡住。


● 操作总数可以提供断路器机构耐久性磨耗的指示,以及接点磨耗的指示。


● 启断次数以及启断能量的大小,对於接点磨耗指示和消弧片状况是相当重要的叁数。


● 过载启断的影响小於短路启断,但是也包含在健康状态的计算和加权中。


● 短路可能会损坏断路器的接点、完整性和介电强度。将短路事故的规模和断路器的额定值进行比较,并做为对於断路器健康状态考量的另一项权重。


● 运转时间显示断路器通过电流运作多长久的时间。


● 环境温度是最重要的测量之一;这是最高温度的记录,发生该温度的日期和时间被储存下来便於分析。


所有这些叁数都储存在PXR跳脱装置的非挥发性记忆体中,可以透过控制或通讯系统在现场或远端撷取资料,以进行进一步的分析和资料记录,藉以提高运转效率,将停机时间降至最低。或者,PXR跳脱装置的某些机型可以在装置的LCD萤幕呈现图形显示的资料摘要,以便显示断路器的状态,并且为操作和维护人员提供决定断路器是否需要更换的资讯。


嵌入式智慧支援断路器和电气系统健康状态

断路器的基本功能不断发展,不仅提供人员和设备保护,也支援更高阶的系统可见度和预测诊断。新的电子跳脱装置支援断路器的智慧功能和连接能力,能够监控断路器健康状态、提供更多资讯的感测器资料,且连接到使用者的大楼管理系统、网路或云端。



图6 : 对於断路器的操作和环境条件进行监控,可以与传达健康状态的电子感测器发挥相辅相成的效果。
图6 : 对於断路器的操作和环境条件进行监控,可以与传达健康状态的电子感测器发挥相辅相成的效果。

最终,虽然断路器产生的资料可用於监控和电力趋势使用,但是也可用於改善设备利用率和电气系统组件的状况,藉以实现更有智慧而且可预测的维护,并降低营运成本。


对於断路器的操作和环境条件进行的监控,可以与传达健康状态的电子感测器发挥相辅相成的效果。如今,电子跳脱装置可以监控机械磨耗、故障电流、环境温度、运转时间、整体健康状态剖析,从中提供即时资料。通过将资讯传递到网路,可以获得有关断路器的最新实用分析,并且更能够明确了解系统及其即时状况和历史时间内发生的情况。


现在,厂务经理可以更准确了解断路器健康状态和系统状态;藉由一系列叁数支援增强的安全性和效率,有助於采用更可靠和成本更低的电力系统。透过增加断路器的智慧和了解程度,可以达到下列系统各层级的影响。


● 维护模式从影响运行的维护转变为达到能够更容易转移关键负载的系统可见度,使得维护不会影响关键功能。


● 减少维护资源断路器健康状态诊断与即时系统资料相结合,维护人员只需要在必要时对系统进行维护,因此能够降低营运成本;而且更有时间完成其他作业。


● 耗电量完整的系统可见度有助於厂房和维护人员查看并找出造成效率低落的问题(以前未侦测到)。


● 法规遵循加快并简化即时资料的合规性


● 停电恢复人员能够透过更直觉的资料处理系统快速找出故障原因,藉以快速恢复电力,并快速查明导致故障的状况。


● 新设备安装电力系统扩充通常需要进行全面电力系统研究;如今,系统的容量和能力随时可发挥作用。


结论

日复一日,流程、厂房和电路的可靠、安全效能相当重要。例如,在资料中心应用中,即使失去不到1%的关键负载,也会对营收造成直接影响;资料中心环境的停机所耗费的大量成本都有详细的记录,目前为每分钟9,000美元或每小时540,000美元。设备的可靠性、安全性和维护相关的费用是必须注重的首要任务,而新技术能够有效提高预测性维护方法的效率。运用深入分析资料获得的资讯,企业能够延长设备正常运转时间,并减少决定需要维修或更换设备所需的人力和成本,因此大幅减少决定维修需求所需的成本和人力,同时提高系统可靠性。


PXR跳脱装置内建的全新预测性维护技术,可用於自动找出可在预定停电期间解决的潜在故障点,而不需要等到故障发生并关闭中心或作业程序时才解决。虽然可能有一些制造商完全依据主接点寿命或现场录制的红外线影像做出决定,但全天候运作的分析资料诊断和谨慎维护,才是维护最高正常运转时间效能的最隹方法。即使只有少数安装的装置受影响,但透过向人员通知潜在问题的方式,可以达到避免停机并改善维护做法的潜在投资报酬率,从简单的定期维护转变为更动态而且可能更有效益的模式。


智慧演算法的开发充分运用数十年的断路器设计、测试和现场分析知识。这些演算法能够对断路器提供简单、功能强大且前所未有的诊断指示。透过在配电系统的各个层面运用这些「智慧型」通讯断路器,也能够展现巨大的系统优势。从断路器收集的资料可以传送到分布在设备或厂房中的智慧仪表板HMI显示器,然後再将资讯传送到BMS、SCADA或其他网路系统。换句话说,来自断路器的即时资讯可用於支援与整个厂房或建筑系统完全整合而且自动化的电力系统,并促进可靠的厂房,大幅降低维护成本。


(本文作者James Lagree1、Rob Griffin2为伊顿1电源组件部门总工程师、2电源组件部门MCCB和ACB全球生产线经理)


资料来源

[1] David B. Durocher(Eaton)、Mark Higginson(North Pacific Paper Corporation,「确实应用和维护模壳断路器确保安全和可靠运转」,IEEE 2009 年白皮书。


[2]「工业应用模壳断路器的选择、现场测试和预期寿命的建议规范」,IEEE 1458。


[3]「模壳断路器、模壳开关和断路器外壳」,UL 489。


[4]「商业和工业应用的模壳断路器检查和预防性维护指南」,NEMA AB-4。


[5]「DCIM如何与CIO、IT和厂房团队保持同调」,2017年9月,Data Center Frontier网站。https://datacenterfrontier.com/how-intel-dcm-aligns-cios-it-facilities-teams/


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