CN104655955B - 一种母线接头寿命预测方法与实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种母线接头寿命预测方法与实验装置，采用加热装置和制冷装置交替工作的方式实现温升范围内的温度冲击，实现内部温度的实时监测与调整，便于不同温升下电阻值的测量；通过建立母线接头处温升、温度冲击次数与接头电阻三者之间的非线性关系，得出母线接头的阈值电阻及与其对应的温度冲击次数；在实际应用中，只需测得母线接头温升和流经母线的电流的周期即可采用BP神经网络训练得出被测母线的温度冲击次数及接头电阻，根据温度冲击次数与接头电阻的对应关系估测被测母线接头的剩余寿命；可以同时在线监测多个母线接头，提高工作效率，有效避免因有些母线安装在高处或其他不易触及的地方而导致的不易测量的问题。

Description

一种母线接头寿命预测方法与实验装置

技术领域

本发明涉及电力供配电系统领域，尤其涉及电力传输设备中的母线接头的寿命预测的方法和寿命预测实验装置。

背景技术

母线是电力传输设备的重要组成部分，作为传统电缆的替代产品，母线已经被广泛应用于多种场合，然而母线单元之间的连接是否可靠，直接关系到整个供配电系统的安全运行，特别是母线接头接触电阻的大小及接头处温升对其工作效率及使用寿命有着直接影响。在母线应用过程中，长时间通入交流电会导致母线接头处温升增加，进而导致接头电阻增大、导电铜排发热并被氧化，继续通入电流则会出现铜损增加、电能损耗加大、绝缘材料老化快、母线使用寿命急骤缩短等现象。然而，导致母线接头接触电阻增大的一个重要原因是母线接头的热胀冷缩现象。通常，母线接头处由螺栓固定，母线长时间处于工作状态产生的热胀冷缩反应会引起导电体的蠕动，使接头的固定螺栓松动，进而导致接触电阻增大。

实现母线接头寿命预测对母线接头的正常工作甚至电力传输设备的正常运行很重要。由于客观条件的限制，例如有些母线安装在高处或其他不易触及的地方而，在现实应用中难以测得母线接头的寿命。

发明内容

本发明针对母线接头寿命难以测得的问题，提出了一种母线接头寿命预测方法与实验装置，以估算实际应用中的母线接头寿命。

本发明提出的一种母线接头寿命预测实验装置采用的技术方案是：具有一个实验箱，实验箱外部有上位机、控制模块、回路电阻采集模块，上位机与控制模块连接，控制模块通过导线分别与回路电阻采集模块和实验箱侧壁上的数据线接口连接；实验箱内的一侧放置了待测的母线接头，连接母线接头两端的母线从实验箱中伸出露在实验箱外部，回路电阻采集模块采用四端子接线法分别将电压电流信号接在露在实验箱外部的母线两端的导线接头上；母线接头上表面放置测温模块，测温模块通过导线经数据线接口与控制模块连接；实验箱内的另一侧空间中置放有加热装置和制冷装置，加热装置和制冷装置分别经控制数据线连接至数据线接口。

本发明提出的一种母线接头寿命预测方法采用的技术方案是：具有以下步骤：

步骤一：上位机设置第一个采样周期温度冲击的温度上限值 与温度下限值，温度下限值为母线接头的表面实时温度；

步骤二：开启加热装置，测温模块将测得的母线接头表面温度传递给上位机，待温度升到上限值后停止加热，开启制冷装置，待温度降至下限值后完成第一次温度冲击；然后进行第二次冲击，如此循环直至完成第次冲击，第一组温度冲击结束；

步骤三：上位机向控制模块发送测电阻命令，回路电阻采集模块测量母线接头的第一个接触电阻；

步骤四：重复执行步骤二，第二组温度冲击结束，再重复执行步骤三，获得母线接头18的第二个电阻值；以此类推，直至采集到第个电阻，将第一个至第个接头电阻传给上位机，第一个采样周期结束；

步骤五：开始进行第二个采样周期，先设置第二个采样周期温度冲击的温度上限值与温度下限，其中温度下限为第一个采样周期结束时的母线接头18的表面实时温度；然后重复步骤二至步骤四，采集得到第二个采样周期的第一个至第个接头电阻并传给上位机，第二个采样周期结束；

步骤六：以此类推地直到进行第个采样周期，先设置第个采样周期温度冲击的温度上限值与温度下限值，其中温度下限值为前一个采样周期结束时的母线接头的表面实时温度，将采集得到的第个采样周期的接头电阻传给上位机；数据样本采集结束时温度共冲击次；

步骤七：上位机将所有的接头温度上限值、温度下限值、温度冲击次数和接头电阻归一化处理，将归一化处理后的样本数据分成训练样本和测试样本，以训练样本数据中的接头温度上限值、温度下限值和温度冲击次数作为BP神经网络的输入变量，接头电阻作为输出变量建立BP神经网络模型，得到母线接头的接头电阻与接头温度上限、接头温度下限以及温度冲击次数之间的数学关系式，估算出母线接头所能承受的最大阈值电阻；

步骤八：分别采集一条传输线上串接的多个母线接头表面温度和环境温度并传送给上位机，计算经次采样的多个母线接头的平均温度和环境平均温度，通过电流频率计算电流变化周期为，采样期间电流冲击总次数为，为采样周期，将母线接头的平均温度作为接头温度上限、环境平均温度作为接头温度下限，电流冲击总次数作为温度冲击次数代入关系式，计算出母线接头接触电阻；

步骤九：比较接触电阻与最大阈值电阻，若，则母线接头寿命到期，若，则将母线接头的平均温度、环境平均温度、电阻差值分别作为接头温度上限、接头温度下限和接头电阻代入式计算出母线接头剩余电流冲击次数，通过式估算得到母线接头18的剩余寿命。

本发明具有如下优点：

1、本发明母线接头寿命预测装置在密闭空间中模拟现实温升，采用加热装置和制冷装置交替工作的方式实现温升范围内的温度冲击，模拟现实应用中母线接头处的温度升降，实现内部温度的实时监测与调整，便于不同温升下电阻值的测量，测被测母线接头接触电阻、温度冲击次数并在此基础上估算母线接头寿命。装置内部采用直接接触式测温，外部的控制模块接收上位机下传的指令，对试验箱内的温度参数进行实时采集，并根据采集到的数据自动控制装置内部的温度，以达到由上位机预先给定的值。

2、本发明母线接头寿命预测方法采用软测量方法，采用BP神经网络来实现对母线接头寿命的预测，即通过建立母线接头处温升、温度冲击次数与接头电阻三者之间的非线性关系，得出母线接头的阈值电阻及与其对应的温度冲击次数；在实际应用中，只需测得母线接头温升和流经母线的电流的周期即可采用BP神经网络训练得出被测母线的温度冲击次数及接头电阻，根据温度冲击次数与接头电阻的对应关系估测被测母线接头的剩余寿命。

3、本发明采用无线传感网络技术在线监测正在使用的母线接头，采集其接头温度和流经母线接头的电流，并将采集到的数据无线传输给接收端设备，接收设备通过USB接口将数据传输给上位机，由上位机实现对被测母线寿命的预测。本发明可以同时在线监测多个母线接头，大大提高监测系统工作效率。可以有效避免因有些母线安装在高处或其他不易触及的地方而导致的不易测量的问题。

4、本发明母线接头寿命预测实验装置为箱体状，实验箱采用上开门式，可直接将待测母线接头放置在箱内，并且箱体两侧分别设有卡槽，用于固定待测母线接头，箱盖与箱体接缝处覆有密封条，可以有效地将箱内环境与外界环境隔开，避免外界环境对实验的影响。

附图说明

图1是本发明提出的一种母线接头寿命预测实验装置的整体结构布置图；

图2是用无线传感网络监测一条传输线上的母线接头温度的结构示意图；

图3是本发明提出的一种母线接头寿命预测方法的流程图。

附图中各部件的序号和名称：1.上位机；2.RS-485数据线；3.控制模块；4.导线；5.数据线接口；6.电流输入端；7.电压输入端；8.导线接头；9.回路电阻采集模块；10.密封条；11.箱盖；12.母线卡槽压紧片；13.箱盖拉手；14.锁片；15.母线卡槽；16.锁孔；17.母线接头支撑架；18.母线接头；19.测温模块；20.温度传感器；21.合页；22.冷端导热铜块；23.半导体制冷片支架；24.半导体制冷片；25.散热装置；26.风扇；27.加热电阻丝；28.加热电阻丝支架；29.母线；30.无线传感节点；31.无线信号接收模块；32.USB数据线。

具体实施方式

参见图1，本发明母线接头寿命预测实验装置整体结构布置示意图，此装置主要包括实验箱、上位机1、控制模块3、回路电阻采集模块9等。上位机1、控制模块3、回路电阻采集模块9均在实验箱外部，上位机1与控制模块3通过RS-485数据线2进行连接，控制模块3通过导线4分别与回路电阻采集模块9和实验箱侧壁上的数据线接口5连接，实时控制回路电阻采集模块9和实验箱内部的运作。

实验箱内的一侧放置了待测的母线接头18，连接母线接头18两端的母线29从实验箱中伸出露在实验箱外部，在实验箱前后两侧壁上各开一个母线卡槽15，母线29从母线卡槽15的位置伸出实验箱外。回路电阻采集模块9采用四端子接线法分别将电压电流信号接在露在实验箱外部的母线29两端的导线接头8上。

母线接头18上方的实验箱顶壁上开有开口，开口处设置箱盖11，箱盖11与箱体通过合页21连接，使箱盖11可以开合。箱盖11前后两侧各有突出的母线卡槽压紧片12，盖上箱盖11时母线卡槽压紧片12卡嵌在母线卡槽15处以固定母线29。在箱盖11和箱体的接触部分，包括母线卡槽15部分分别布上一层密封条10，用以提高装置的密封性。箱盖11上装有箱盖拉手13，便于手动开启和闭合箱盖11。箱盖11上面装有两个锁片14，在箱体的对应位置装有两个锁孔16，实验箱可以通过锁片14和锁孔16进行压紧封锁。打开箱盖11，里面是母线接头18的放置空间，在该空间中，有两个母线接头支撑架17在母线接头18的下方固定，用以支撑箱内母线接头18的两端。在母线接头18上表面直接放置测温模块19和温度传感器20，采用直接接触母线接头18表面测温。测温模块19通过导线4经数据线接口5与控制模块3连接，接收控制模块3的控制信号并将测得的温度传递给控制模块3，通过控制模块3将温度值传给上位机1。

在实验箱内的另一侧，即未设箱盖11的箱体内部为温度调节部分，该部分空间中置放有加热装置和制冷装置，其中，加热装置包括加热电阻丝27和一台风扇26，加热电阻丝27以加热电阻丝支架28为支撑放置在靠近待测母线接头18的地方，风扇26放置在加热电阻丝27旁侧且靠近箱壁处。加热电阻丝27加热时，开启风扇26以促进箱体内部气体流动，使箱体内部热度均匀。制冷装置主要由冷端导热铜块22、半导体制冷片支架 23、半导体制冷片24和散热装置25组成。冷端导热铜块22、半导体制冷片支架 23、半导体制冷片24放置在实验箱内部，散热装置25放置在实验箱外部。导热介质冷端导热铜块22靠近母线接头18放置，并与半导体制冷片24紧紧连接在一起，半导体制冷片24固定在半导体制冷片支架 23上，在半导体制冷片24的冷热端表面均匀涂抹导热硅脂，以减少接触热阻。半导体制冷片支架 23固定在实验箱壁上，散热装置25与半导体制冷片24相连，垂直放在实验箱的外部，用以散热。加热电阻丝27、风扇26和半导体制冷片24分别将控制数据线连接至数据线接口5，通过导线4与控制模块3连接，接收控制模块3的控制信号。

在实际的电力传输工程中，在一条配电传输线上，有多个母线接头18通过母线29串接。参见图2，一条传输线是由多个母线接头18将多条母线29串接而成的，在每个母线接头18上面置有一套无线传感节点30，因此，一条传输线上共需要多套无线传感节点30，用以监测每个母线接头18表面的温度，并将测得的信息发射给无线信号接收模块31，无线信号接收模块31将接收到的信息通过USB数据线32传送给上位机1，上位机1对无线信号接收模块31传送过来的信息进行处理并对每个母线接头18进行寿命预测。

参见图3，为母线接头寿命预测方法流程图，采用本发明设计的实验装置模拟温度对母线接头的冲击，在不同温升条件下经过多次温度冲击使母线接头接触电阻发生变化，最终通过母线接头接触电阻的大小来预测其寿命。整个寿命预测方法由三个部分组成：数据样本采集、数据样本训练、寿命预测。具体步骤如下：

（一）数据样本采集

步骤一：将待测母线接头18正确地放置在实验箱中，安装好实验装置，封闭实验箱，开启实验装置。在进行温度冲击实验前，首先上位机1设置第一个采样周期温度冲击的温度上限值与温度下限值，其中温度下限值为母线接头18的表面实时温度。设置一个采样周期内进行组温度冲击，每组进行次温度冲击，

步骤二：温度上下限设置完毕后，开始进行温度冲击，记温度一升一降为1次冲击。温度冲击具体过程为：首先开启加热装置中的加热电阻丝27和风扇26，给实验箱内均匀地加热，位于母线接头18上的测温模块19实时地将测得的母线接头18的表面温度传递给上位机1，上位机1对接头表面温度进行判断，待温度达到设定上限值后，向控制模块3发送降温命令，控制模块3断开加热电阻丝27和风扇26，停止加热，开启制冷装置中的半导体制冷片24，开始降温。待接头表面温度降至设定温度下限值后，完成第一次温度冲击。然后，再次开启加热装置，进行第二次冲击，如此循环，直至温度冲击次，第一组温度冲击结束。

步骤三：待温度冲击次后，上位机1向控制模块3发送测电阻命令，开启回路电阻采集模块9，测量母线接头18的第一个接触电阻。

步骤四：重复执行步骤二，继续进行第二组温度冲击，待温度再次冲击次后，重复执行步骤三测量母线接头18的第二个电阻值。以此类推，直至采集到第个电阻，将传给上位机1并存储到数组中，第一个采样周期结束。

步骤五：开始进行第二个采样周期。首先设置第二个采样周期温度冲击的温度上限值与温度下限值，其中温度下限值为第一个采样周期结束时的母线接头18的表面实时温度。按上述步骤二、步骤三、步骤四所述进行温度冲击并采集得到个母线接头接触电阻，将采集到的传给上位机1并存储到数组中，第二个采样周期结束。

步骤六：以此类推，进行第三个采样周期，将采集得到接头电阻存储到数组中。将第四个采样周期采集得到接头电阻存储到数组中等等，一直到进行第个采样周期，第个采样周期时，先设置第个采样周期温度冲击的温度上限值与温度下限值，其中温度下限值为前一个（第m-1个）采样周期结束时的母线接头18的表面实时温度，将采集得到接头电阻存储到数组中。数据样本采集结束,此时温度共冲击次。

（二）数据样本训练

本发明方法中的数据样本训练采用BP神经网络实现，以接头温度上限、接头温度下限和温度冲击次数为输入，母线接头接触电阻为输出进行训练。得出母线接头接触电阻与接头温度上限、接头温度下限以及温度冲击次数之间的数学关系式。式中，分别以字母表示母线接头接触电阻，表示接头温度上限，表示接头温度下限，表示温度冲击次数，具体如下：

步骤一：为加快训练网络的收敛性，上位机1首先对接头温度上限、接头温度下限、温度冲击次数和接头电阻进行归一化处理，分别得到相应的样本接头温度上限、样本接头温度下限、样本温度冲击次数和样本接头电阻，然后将得到的样本数据分成训练样本和测试样本，训练样本用于创建BP神经网络模型，测试样本用于修正该模型。

步骤二：以本部分步骤一中训练样本数据中的接头温度上限、接头温度下限和温度冲击次数作为BP神经网络的输入变量，接头电阻作为输出变量，建立合理的BP神经网络模型。其中，BP神经网络隐层单元数目在使用中可根据实际情况作适当调整。

步骤三：利用本部分步骤一中的测试样本数据对该模型进行测试修正，通过修正该模型相关参数，使得实际测量值与模型输出值之间的相对误差尽可能的小，最终完成整个BP神经网络的训练过程。得到母线接头接触电阻与接头温度上限、接头温度下限以及温度冲击次数之间的数学关系式。

步骤四：通过本部分步骤二中得到的数学关系式估算母线接头18的阈值电阻。首先，分别给接头温度上限和接头温度上限赋一个定值，将温度冲击次数从1开始递增，增幅为1，将每次递增后的温度冲击次数代入公式，计算对应接头电阻。绘制在固定接头温度上限和固定接头温度上限条件下接头电阻随温度冲击次数变化而变化的曲线。当曲线上的随着的变化不再发生变化或变化幅度很小的时候，此时的电阻即为母线接头所能承受的最大电阻值，称为阈值电阻，记作。

（三）寿命预测

本发明方法中的母线接头寿命预测是在数据样本训练部分得出的数学关系式的基础上，采用本发明设计的无线传感网络系统采集母线接头表面温度（下称接头温度）和环境温度，然后分别以接头温度代替接头温度上限，环境温度代替接头温度下限，流经母线接头电流的冲击次数代替温度冲击次数，计算母线接头电阻。进而实现对母线接头寿命的预测。以一个母线接头的寿命预测为例，具体步骤如下：

步骤一：在进行数据采集之前，首先记流经母线接头18的电流频率为。设置数据采样周期为，总采样次数为。其中，每次采样采集的数据包括一个接头温度和一个环境温度。

步骤二：开启无线传感网络，无线传感节点30检测母线接头18的接头温度和环境温度，并将测得的数据通过节点中的发射模块发送给无线信号接收模块31，上位机1从无线信号接收模块31获取并保存相关数据，第一次采样结束。

步骤三：重复本部分步骤二，开始第二次采样，测得母线接头18的接头温度和环境温度。以此类推，直至第次采样，采样结束。

步骤四：利用本部分步骤二、步骤三中采集到的母线接头18的接头温度和环境温度计算对应的母线接头18的平均温度和环境平均温度。通过电流频率计算电流变化周期为，采样期间电流冲击总次数为。

步骤五：以母线接头18的平均温度代替接头温度上限，环境平均温度代替接头温度下限，采样期间电流冲击总次数代替温度冲击次数代入公式，计算母线接头接触电阻。然后，将算得的母线接头接触电阻与上述数据样本训练部分得出的阈值电阻进行比较，若，则说明母线接头18寿命到期，系统报警。若，则计算母线接头剩余寿命。母线接头剩余寿命计算方法为：首先，计算此时母线接头接触电阻与阈值电阻的差值。然后，重新将母线接头18的平均温度、环境平均温度、电阻差值作为接头温度上限、接头温度下限和接头电阻代入公式，计算出母线接头剩余电流冲击次数。最后，通过公式估算得到母线接头18的剩余寿命，即母线接头18还能继续使用的时间。

在一条配电传输线上，一般有多个母线接头，其余母线接头寿命的预测方法与上述寿命预测一致，采用该方法可实现对传输线上的每个母线接头进行寿命评估，以确保整条传输线路的安全。

Claims (5)

1.一种母线接头寿命预测实验装置，具有一个实验箱，实验箱外部有上位机（1）、控制模块（3）、回路电阻采集模块（9），上位机（1）与控制模块（3）连接，控制模块（3）通过导线分别与回路电阻采集模块和实验箱侧壁上的数据线接口连接；实验箱内的一侧放置了待测的母线接头（18），连接母线接头两端的母线（29）从实验箱中伸出露在实验箱外部，回路电阻采集模块采用四端子接线法分别将电压电流信号接在露在实验箱外部的母线两端的导线接头上；母线接头上表面放置测温模块（19），测温模块通过导线经数据线接口与控制模块连接；实验箱内的另一侧空间中置放有加热装置和制冷装置，加热装置和制冷装置分别经控制数据线连接至数据线接口，其特征是：所述加热装置包括加热电阻丝和一台风扇，加热电阻丝以加热电阻丝支架为支撑放置在靠近待测母线接头的地方，风扇放置在加热电阻丝旁侧且靠近箱壁处，加热电阻丝加热时开启风扇；所述制冷装置包括冷端导热铜块、半导体制冷片支架 、半导体制冷片和散热装置，冷端导热铜块、半导体制冷片支架 、半导体制冷片放置在实验箱内部，散热装置放置在实验箱外部并与半导体制冷片相连；导热介质冷端导热铜块靠近母线接头放置并与半导体制冷片紧紧连接在一起，半导体制冷片固定在半导体制冷片支架上，半导体制冷片支架 固定在实验箱壁上，在半导体制冷片的冷热端表面均匀涂抹导热硅脂；加热电阻丝、风扇和半导体制冷片分别将控制数据线连接至数据线接口。

2.根据权利要求1所述一种母线接头寿命预测实验装置，其特征是：实验箱前后两侧壁上各开一个母线卡槽，母线从母线卡槽的位置伸出实验箱外；母线接头上方的实验箱顶壁上开有开口，开口处设置箱盖，箱盖与箱体通过合页连接，箱盖前后两侧各有突出的母线卡槽压紧片，盖上箱盖时母线卡槽压紧片卡嵌在母线卡槽处以固定母线。

3.一种如权利要求1所述母线接头寿命预测实验装置的母线接头寿命预测方法，其特征是具有以下步骤：

步骤一：上位机设置第一个采样周期温度冲击的温度上限值与温度下限值，温度下限值为母线接头的表面实时温度；

步骤二：开启加热装置，测温模块将测得的母线接头表面温度传递给上位机，待温度升到上限值后停止加热，开启制冷装置，待温度降至下限值后完成第一次温度冲击；然后进行第二次冲击，如此循环直至完成第次冲击，第一组温度冲击结束；

步骤三：上位机向控制模块发送测电阻命令，回路电阻采集模块测量母线接头的第一个接触电阻；

步骤四：重复执行步骤二，第二组温度冲击结束，再重复执行步骤三，获得母线接头的第二个电阻值；以此类推，直至采集到第个电阻，将第一个至第个接头电阻传给上位机，第一个采样周期结束；

步骤五：开始进行第二个采样周期，先设置第二个采样周期温度冲击的温度上限值与温度下限，其中温度下限为第一个采样周期结束时的母线接头的表面实时温度；然后重复步骤二至步骤四，采集得到第二个采样周期的第一个至第个接头电阻并传给上位机，第二个采样周期结束；

步骤六：以此类推地直到进行第个采样周期，先设置第个采样周期温度冲击的温度上限值与温度下限值，其中温度下限值为前一个采样周期结束时的母线接头的表面实时温度，将采集得到的第个采样周期的接头电阻传给上位机；数据样本采集结束时温度共冲击次；

步骤七：上位机将所有的接头温度上限值、温度下限值、温度冲击次数和接头电阻归一化处理，将归一化处理后的样本数据分成训练样本和测试样本，以训练样本数据中的接头温度上限值、温度下限值和温度冲击次数作为BP神经网络的输入变量，接头电阻作为输出变量建立BP神经网络模型，得到母线接头的接头电阻与接头温度上限、接头温度下限以及温度冲击次数之间的数学关系式，估算出母线接头所能承受的最大阈值电阻；

步骤八：分别采集一条传输线上串接的多个母线接头表面温度和环境温度并传送给上位机，计算经次采样的多个母线接头的平均温度和环境平均温度，通过电流频率计算电流变化周期为，采样期间电流冲击总次数为，为采样周期，将母线接头的平均温度作为接头温度上限、环境平均温度作为接头温度下限，电流冲击总次数作为温度冲击次数代入关系式，计算出母线接头接触电阻；

步骤九：比较接触电阻与最大阈值电阻，若，则母线接头寿命到期，若，则将母线接头的平均温度、环境平均温度、电阻差值分别作为接头温度上限、接头温度下限和接头电阻代入式计算出母线接头剩余电流冲击次数，通过式估算得到母线接头的剩余寿命。

4.根据权利要求3所述母线接头寿命预测方法，其特征是：步骤八中，在一条传输线上的每个母线接头上面置有一套无线传感节点，监测每个母线接头表面的温度，并将测得的信息发射给无线信号接收模块，无线信号接收模块将接收到的信息通过USB数据线传送给上位机。

5.根据权利要求3所述母线接头寿命预测方法，其特征是：步骤七中，估算母线接头所能承受的最大阈值电阻的方法是：分别给接头温度上限和接头温度下限赋一个定值，将温度冲击次数从1开始递增，增幅为1，将每次递增后的温度冲击次数下代入公式，计算对应接头电阻，绘制在固定接头温度上限和固定接头温度下限条件下接头电阻随温度冲击次数变化而变化的曲线，当曲线上的随着的变化不再发生变化或变化幅度很小时，此时的电阻即为母线接头所能承受的最大阈值电阻。