斷路器健康狀態(tài)重要性的原因
模殼斷路器（MCCB）和低壓電力斷路器（LVPCB）為低壓配電系統(tǒng)和程序提供重要功能：保護連接裝置免於遭受過載和短路的影響。MCCB和LVPCB是各行各業(yè)普遍採用的設備，尤其是在正常運轉(zhuǎn)相當重要的應用方面，這些設備能夠以安全、經(jīng)濟、有效的方式從電源端連接和斷開負載。例如，醫(yī)院的每天意外停電所耗費的成本從80萬美元到100萬美元不等。
| 圖1 : MCCB保護美國肯塔基州鬱草區(qū)Eaton Bluegrass Data Center的關鍵設備 |
|
簡而言之，幾乎世界各地的每一種應用均採用MCCB和LVPCB，藉以提供必要的功能：人員和設備保護。為此，正確操作斷路器相當重要。這些LVPCB在無數(shù)設定中可靠運轉(zhuǎn)，並且在正確應用時如預期運轉(zhuǎn)。然而，有效的持續(xù)維護計劃是提供可靠操作和控制成本所需的關鍵。
如何判斷應該更換的MCCB / LVCB是大海撈針？例如，有一家造紙廠使用876個MCCB，採行強大的預防性維護計劃仔細檢查裝置。在這些876個裝置中，有5個需要更換，佔該廠房斷路器總數(shù)的0.57%。問題變成：
● 您如何有信心知道哪些MCCB（或其他類型的斷路器）需要維修？
● 您如何避免投入時間和資源來檢查所有876個斷路器，找出需要更換或維修的設備？
● 是否難以確定MCCB和LVPCB的狀況？
雖然斷路器的類型相當多，但MCCB都是由五個組件組成：模殼或框架、操作機構、消弧片、載流路徑，以及跳脫裝置。對於MCCB，這些組件是密封在框架中，維護一直侷限於機械安裝、電線和機構的手動操作。低壓絕緣斷路器和LVPCB由於構造獨特，在維護這些組件有較多選擇。
所有斷路器都能夠正常運作；但是，傳統(tǒng)的挑戰(zhàn)在於確定何時移除需要維修的斷路器，尤其是 MCCB，如圖3中的典型「浴缸形」故障曲線所示；斷路器健康狀態(tài)的重要性是確保在曲線底部以及損耗期開始上升時發(fā)生相對較少的問題。
溫度過高、濕氣、灰塵、化學蒸氣和振動之類的環(huán)境因素，也可能對於斷路器的健康狀態(tài)造成重大的影響。此外，如果斷路器長期運作卻未能得到適當?shù)木S護，而且承受過度的環(huán)境和過電流條件，則很難確定裝置能否發(fā)揮其預期的功能。
斷路器啟斷非常高的故障電流時（接近其額定遮斷電流），一般很難確定排除故障的斷路器能否繼續(xù)保護系統(tǒng)。在重複啟斷故障電流期間所發(fā)生的內(nèi)部損壞，可能會影響斷路器未來啟斷故障的能力，因而可能會影響未來的效能。
透過瞭解環(huán)境條件和電力系統(tǒng)問題，操作和維護（O&M）人員可以知道何時更換斷路器，各種創(chuàng)新方法確定這些累積效應的問題變得更加簡單。
早期是運用紅外線（IR）技術明確瞭解斷路器效能，雖然這種方法提供有價值的重要資訊，但是需要等待定期維護和紅外線掃描。
這些紅外線掃描全部進行一次，無法在所有操作時間和條件下提供斷路器效能的真實全天候影像。此外，這種方式會發(fā)生誤判；當發(fā)現(xiàn)需要更換的斷路器時，但其實只是連接的端子鬆脫，重新連接後還能夠在現(xiàn)場運作（圖4）。
最近的創(chuàng)新促使新一代斷路器問世，包括MCCB和LVPCB，這些斷路器更有智慧和連線能力，而且包含更多內(nèi)部感測器，能夠提供持續(xù)監(jiān)控，並進行預測性維護。這些斷路器採用自我診斷跳脫裝置，可以即時和長時間測量各種參數(shù)，以便在問題發(fā)生之前更明確指示何時需要更換斷路器，藉以避免停機。
重要的是，維護人員現(xiàn)在能夠主動找出需要維修或更換的斷路器，而不需要花費時間和精力來檢查廠房或系統(tǒng)中的所有斷路器；大幅降低維護成本。
適用安全標準
斷路器有許多既有的規(guī)範和標準，可以對於測試、安裝和維護這些裝置提供有價值的資訊。
MCCB和LVPCB是通過UL 489認證的裝置。此項標準是由UL、加拿大CSA Group和墨西哥 ANCE針對評估北美洲MCCB和LVPCB所共同發(fā)佈。此項標準要求所有適用的斷路器設計必須在100%的額定電流下進行數(shù)千次耐久性測試操作。這也要求裝置能夠在多次過載操作下運轉(zhuǎn)。
所有適用的斷路器設計均經(jīng)過校準、過載、溫度、耐久性、啟斷、介電質(zhì)、高故障電流測試，並達到腐蝕保護、絕緣材料、載流零件和間距的其他設計要求。隨著電子裝置使用的斷路器愈來愈多，此項標準也納入軟體一致性和評估的EMC測試。
美國電機電子工程師學會（IEEE）公佈標準1458，其中提供「工業(yè)應用模殼斷路器的選擇、現(xiàn)場測試和預期壽命的建議規(guī)範」。此項標準的2005版本確定何時將MCCB移除，進行維修的具體方法，並提供現(xiàn)場測試和確定模殼斷路器剩餘壽命的程序。
美國電氣製造商協(xié)會（NEMA）公佈AB-4標準，此項標準為斷路器的檢查和預防性維護提供適用於商業(yè)和工業(yè)應用的準則。此項標準提供斷路器維修的檢查和測試程序相關資訊。
NEMA AB-4
測試和維護程序的基本指引，包括：
● 端子連接檢查
● 除去灰塵、污垢、煙灰油脂或濕氣
● 斷電時，操作斷路器機構以檢查機械連桿
● 如果可能，在負載通電下操作斷路器以清除主接點接觸面碎屑和氧化物
| 圖4 : 紅外線攝影機可用於提供斷路器健康狀態(tài)的重要資訊 |
|
換句話說，確定斷路器的健康狀態(tài)需要進行一系列參數(shù)調(diào)查，才能確定哪個斷路器需要更換。有時做為關鍵參數(shù)的接點磨耗，只是需要評估的眾多因素之一；有一些低壓斷路器製造商提供接點腐蝕警報做為健康狀態(tài)診斷。如果接點是需要更換斷路器的唯一原因或主要原因，則這種方法相當合適。然而，這些斷路器是由各種不同功能的數(shù)百個零件所組成，需要監(jiān)控一系列參數(shù)，才能全面瞭解裝置是否能夠如預期繼續(xù)運轉(zhuǎn)，而不只有接點磨耗需要監(jiān)控。
MCCB 維護基礎知識和新的預測診斷創(chuàng)新
斷路器能夠滿足北美洲標準的嚴格測試要求，以及達到長期可靠性的全球一系列標準。這些斷路器都在製造商的工廠中經(jīng)過嚴格測試，以確保品質(zhì)和一致性。NEMA AB-4和IEEE 1458測試標準提供現(xiàn)場測試MCCB的絕佳逐步說明，即使是原廠密封的斷路器，也能夠確定斷路器的狀況。
相較於傳統(tǒng)的斷路器檢查程序，伊頓的Power Xpert Release（PXR）跳脫裝置有極大的改進，能夠提供強大的資料分析，以及MCCB和LVPCB的預測診斷，這些關鍵資訊可用於對實際設備狀況做出更明智的決定。這些智慧型斷路器可以顯示斷路器完整健康狀態(tài)的資料摘要，讓客戶或維護人員容易瞭解和運用。
伊頓的PXR跳脫裝置監(jiān)控的參數(shù)，包括短路、過載、操作、溫度和運轉(zhuǎn)時間，這些參數(shù)可以提供大量的重要資訊，而所有參數(shù)的組合提供斷路器狀態(tài)的整體情況，可用於預測性維護和系統(tǒng)可靠性。
具體重要資訊包括：
● 操作資料提供斷路器機構最後運作時的重要資訊，並顯示機構是否被纏住或卡住。
● 操作總數(shù)可以提供斷路器機構耐久性磨耗的指示，以及接點磨耗的指示。
● 啟斷次數(shù)以及啟斷能量的大小，對於接點磨耗指示和消弧片狀況是相當重要的參數(shù)。
● 過載啟斷的影響小於短路啟斷，但是也包含在健康狀態(tài)的計算和加權中。
● 短路可能會損壞斷路器的接點、完整性和介電強度。將短路事故的規(guī)模和斷路器的額定值進行比較，並做為對於斷路器健康狀態(tài)考量的另一項權重。
● 運轉(zhuǎn)時間顯示斷路器通過電流運作多長久的時間。
● 環(huán)境溫度是最重要的測量之一；這是最高溫度的記錄，發(fā)生該溫度的日期和時間被儲存下來便於分析。
所有這些參數(shù)都儲存在PXR跳脫裝置的非揮發(fā)性記憶體中，可以透過控制或通訊系統(tǒng)在現(xiàn)場或遠端擷取資料，以進行進一步的分析和資料記錄，藉以提高運轉(zhuǎn)效率，將停機時間降至最低。或者，PXR跳脫裝置的某些機型可以在裝置的LCD螢幕呈現(xiàn)圖形顯示的資料摘要，以便顯示斷路器的狀態(tài)，並且為操作和維護人員提供決定斷路器是否需要更換的資訊。
嵌入式智慧支援斷路器和電氣系統(tǒng)健康狀態(tài)
斷路器的基本功能不斷發(fā)展，不僅提供人員和設備保護，也支援更高階的系統(tǒng)可見度和預測診斷。新的電子跳脫裝置支援斷路器的智慧功能和連接能力，能夠監(jiān)控斷路器健康狀態(tài)、提供更多資訊的感測器資料，且連接到使用者的大樓管理系統(tǒng)、網(wǎng)路或雲(yún)端。
| 圖6 : 對於斷路器的操作和環(huán)境條件進行監(jiān)控，可以與傳達健康狀態(tài)的電子感測器發(fā)揮相輔相成的效果。 |
|
最終，雖然斷路器產(chǎn)生的資料可用於監(jiān)控和電力趨勢使用，但是也可用於改善設備利用率和電氣系統(tǒng)組件的狀況，藉以實現(xiàn)更有智慧而且可預測的維護，並降低營運成本。
對於斷路器的操作和環(huán)境條件進行的監(jiān)控，可以與傳達健康狀態(tài)的電子感測器發(fā)揮相輔相成的效果。如今，電子跳脫裝置可以監(jiān)控機械磨耗、故障電流、環(huán)境溫度、運轉(zhuǎn)時間、整體健康狀態(tài)剖析，從中提供即時資料。通過將資訊傳遞到網(wǎng)路，可以獲得有關斷路器的最新實用分析，並且更能夠明確瞭解系統(tǒng)及其即時狀況和歷史時間內(nèi)發(fā)生的情況。
現(xiàn)在，廠務經(jīng)理可以更準確瞭解斷路器健康狀態(tài)和系統(tǒng)狀態(tài)；藉由一系列參數(shù)支援增強的安全性和效率，有助於採用更可靠和成本更低的電力系統(tǒng)。透過增加斷路器的智慧和瞭解程度，可以達到下列系統(tǒng)各層級的影響。
● 維護模式—從影響運行的維護轉(zhuǎn)變?yōu)檫_到能夠更容易轉(zhuǎn)移關鍵負載的系統(tǒng)可見度，使得維護不會影響關鍵功能。
● 減少維護資源—斷路器健康狀態(tài)診斷與即時系統(tǒng)資料相結(jié)合，維護人員只需要在必要時對系統(tǒng)進行維護，因此能夠降低營運成本；而且更有時間完成其他作業(yè)。
● 耗電量—完整的系統(tǒng)可見度有助於廠房和維護人員查看並找出造成效率低落的問題（以前未偵測到）。
● 法規(guī)遵循—加快並簡化即時資料的合規(guī)性
● 停電恢復—人員能夠透過更直覺的資料處理系統(tǒng)快速找出故障原因，藉以快速恢復電力，並快速查明導致故障的狀況。
● 新設備安裝—電力系統(tǒng)擴充通常需要進行全面電力系統(tǒng)研究；如今，系統(tǒng)的容量和能力隨時可發(fā)揮作用。
結(jié)論
日復一日，流程、廠房和電路的可靠、安全效能相當重要。例如，在資料中心應用中，即使失去不到1%的關鍵負載，也會對營收造成直接影響；資料中心環(huán)境的停機所耗費的大量成本都有詳細的記錄，目前為每分鐘9,000美元或每小時540,000美元。設備的可靠性、安全性和維護相關的費用是必須注重的首要任務，而新技術能夠有效提高預測性維護方法的效率。運用深入分析資料獲得的資訊，企業(yè)能夠延長設備正常運轉(zhuǎn)時間，並減少決定需要維修或更換設備所需的人力和成本，因此大幅減少決定維修需求所需的成本和人力，同時提高系統(tǒng)可靠性。
PXR跳脫裝置內(nèi)建的全新預測性維護技術，可用於自動找出可在預定停電期間解決的潛在故障點，而不需要等到故障發(fā)生並關閉中心或作業(yè)程序時才解決。雖然可能有一些製造商完全依據(jù)主接點壽命或現(xiàn)場錄製的紅外線影像做出決定，但全天候運作的分析資料診斷和謹慎維護，才是維護最高正常運轉(zhuǎn)時間效能的最佳方法。即使只有少數(shù)安裝的裝置受影響，但透過向人員通知潛在問題的方式，可以達到避免停機並改善維護做法的潛在投資報酬率，從簡單的定期維護轉(zhuǎn)變?yōu)楦鼊討B(tài)而且可能更有效益的模式。
智慧演算法的開發(fā)充分運用數(shù)十年的斷路器設計、測試和現(xiàn)場分析知識。這些演算法能夠?qū)嗦菲魈峁┖唵巍⒐δ軓姶笄仪八从械脑\斷指示。透過在配電系統(tǒng)的各個層面運用這些「智慧型」通訊斷路器，也能夠展現(xiàn)巨大的系統(tǒng)優(yōu)勢。從斷路器收集的資料可以傳送到分佈在設備或廠房中的智慧儀表板HMI顯示器，然後再將資訊傳送到BMS、SCADA或其他網(wǎng)路系統(tǒng)。換句話說，來自斷路器的即時資訊可用於支援與整個廠房或建築系統(tǒng)完全整合而且自動化的電力系統(tǒng)，並促進可靠的廠房，大幅降低維護成本。
（本文作者James Lagree1、Rob Griffin2為伊頓1電源組件部門總工程師、2電源組件部門MCCB和ACB全球生產(chǎn)線經(jīng)理）
資料來源
[1] David B. Durocher（Eaton）、Mark Higginson（North Pacific Paper Corporation，「確實應用和維護模殼斷路器確保安全和可靠運轉(zhuǎn)」，IEEE 2009 年白皮書。
[2]「工業(yè)應用模殼斷路器的選擇、現(xiàn)場測試和預期壽命的建議規(guī)範」，IEEE 1458。
[3]「模殼斷路器、模殼開關和斷路器外殼」，UL 489。
[4]「商業(yè)和工業(yè)應用的模殼斷路器檢查和預防性維護指南」，NEMA AB-4。
[5]「DCIM如何與CIO、IT和廠房團隊保持同調(diào)」，2017年9月，Data Center Frontier網(wǎng)站。https://datacenterfrontier.com/how-intel-dcm-aligns-cios-it-facilities-teams/
