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模殼斷路器與低壓電力斷路器的健康狀態
低壓斷路器預期壽命監控新進展

【作者: 伊頓】   2018年08月29日 星期三

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斷路器健康狀態重要性的原因

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是各行各業普遍採用的設備,尤其是在正常運轉相當重要的應用方面,這些設備能夠以安全、經濟、有效的方式從電源端連接和斷開負載。例如,醫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Eaton Bluegrass Data Center的關鍵設備
圖1 : MCCB保護美國肯塔基州鬱草區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在無數設定中可靠運轉,並且在正確應用時如預期運轉。然而,有效的持續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。



圖2 : MCCB包括的五個基本組件
圖2 : MCCB包括的五個基本組件

所有斷路器都能夠正常運作;但是,傳統的挑戰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;斷路器健康狀態的重要性是確保在曲線底部以及損耗期開始上升時發生相對較少的問題。


溫度過高、濕氣、灰塵、化學蒸氣和振動之類的環境因素,也可能對於斷路器的健康狀態造成重大的影響。此外,如果斷路器長期運作卻未能得到適當的維護,而且承受過度的環境和過電流條件,則很難確定裝置能否發揮其預期的功能。


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保護系統。在重複啟斷故障電流期間所發生的內部損壞,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。



圖3 : 浴缸形故障曲線
圖3 : 浴缸形故障曲線

透過瞭解環境條件和電力系統問題,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,這種方式會發生誤判;當發現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場運作(圖4)。


最近的創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,而且包含更多內部感測器,能夠提供持續監控,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,以便在問題發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。


所有適用的斷路器設計均經過校準、過載、溫度、耐久性、啟斷、介電質、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「工業應用模殼斷路器的選擇、現場測試和預期壽命的建議規範」。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和工業應用的準則。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的重要資訊
圖4 : 紅外線攝影機可用於提供斷路器健康狀態的重要資訊

換句話說,確定斷路器的健康狀態需要進行一系列參數調查,才能確定哪個斷路器需要更換。有時做為關鍵參數的接點磨耗,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百個零件所組成,需要監控一系列參數,才能全面瞭解裝置是否能夠如預期繼續運轉,而不只有接點磨耗需要監控。


MCCB 維護基礎知識和新的預測診斷創新

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

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過嚴格測試,以確保品質和一致性。NEMA AB-4和IEEE 1458測試標準提供現場測試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跳脫裝置監控的參數,包括短路、過載、操作、溫度和運轉時間,這些參數可以提供大量的重要資訊,而所有參數的組合提供斷路器狀態的整體情況,可用於預測性維護和系統可靠性。


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。


● 過載啟斷的影響小於短路啟斷,但是也包含在健康狀態的計算和加權中。


● 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考量的另一項權重。


● 運轉時間顯示斷路器通過電流運作多長久的時間。


● 環境溫度是最重要的測量之一;這是最高溫度的記錄,發生該溫度的日期和時間被儲存下來便於分析。


所有這些參數都儲存在PXR跳脫裝置的非揮發性記憶體中,可以透過控制或通訊系統在現場或遠端擷取資料,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螢幕呈現圖形顯示的資料摘要,以便顯示斷路器的狀態,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健康狀態

斷路器的基本功能不斷發展,不僅提供人員和設備保護,也支援更高階的系統可見度和預測診斷。新的電子跳脫裝置支援斷路器的智慧功能和連接能力,能夠監控斷路器健康狀態、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、網路或雲端。



圖6 : 對於斷路器的操作和環境條件進行監控,可以與傳達健康狀態的電子感測器發揮相輔相成的效果。
圖6 : 對於斷路器的操作和環境條件進行監控,可以與傳達健康狀態的電子感測器發揮相輔相成的效果。

最終,雖然斷路器產生的資料可用於監控和電力趨勢使用,但是也可用於改善設備利用率和電氣系統組件的狀況,藉以實現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境條件進行的監控,可以與傳達健康狀態的電子感測器發揮相輔相成的效果。如今,電子跳脫裝置可以監控機械磨耗、故障電流、環境溫度、運轉時間、整體健康狀態剖析,從中提供即時資料。通過將資訊傳遞到網路,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及其即時狀況和歷史時間內發生的情況。


現在,廠務經理可以更準確瞭解斷路器健康狀態和系統狀態;藉由一系列參數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。透過增加斷路器的智慧和瞭解程度,可以達到下列系統各層級的影響。


● 維護模式—從影響運行的維護轉變為達到能夠更容易轉移關鍵負載的系統可見度,使得維護不會影響關鍵功能。


● 減少維護資源—斷路器健康狀態診斷與即時系統資料相結合,維護人員只需要在必要時對系統進行維護,因此能夠降低營運成本;而且更有時間完成其他作業。


● 耗電量—完整的系統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)。


● 法規遵循—加快並簡化即時資料的合規性


● 停電恢復—人員能夠透過更直覺的資料處理系統快速找出故障原因,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—電力系統擴充通常需要進行全面電力系統研究;如今,系統的容量和能力隨時可發揮作用。


結論

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,企業能夠延長設備正常運轉時間,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,同時提高系統可靠性。


PXR跳脫裝置內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生並關閉中心或作業程序時才解決。雖然可能有一些製造商完全依據主接點壽命或現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時間效能的最佳方法。即使只有少數安裝的裝置受影響,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變為更動態而且可能更有效益的模式。


智慧演算法的開發充分運用數十年的斷路器設計、測試和現場分析知識。這些演算法能夠對斷路器提供簡單、功能強大且前所未有的診斷指示。透過在配電系統的各個層面運用這些「智慧型」通訊斷路器,也能夠展現巨大的系統優勢。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或其他網路系統。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完全整合而且自動化的電力系統,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全球生產線經理)


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」,IEEE 2009 年白皮書。


[2]「工業應用模殼斷路器的選擇、現場測試和預期壽命的建議規範」,IEEE 1458。


[3]「模殼斷路器、模殼開關和斷路器外殼」,UL 489。


[4]「商業和工業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」,2017年9月,Data Center Frontier網站。https://datacenterfrontier.com/how-intel-dcm-aligns-cios-it-facilities-teams/


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