Anomaly detection of angular travel curves of low voltage ABB circuit breakers

An electric switch breaker is a kind of electrical device designed to do the actions including connection or interruption of the current of lines in different electrical circuits and power system networks. Moreover, it would have a protection function during the overload and short-circuit situations of the network by connecting to the various kinds of relays to stop the current flow. As a result, they can protect the power system from whole breakout, otherwise it may get difficult to return the network to its normal condition by remaining the fault for a long time. So, the components and structure of the circuit breakers are highly dependent on electrical and mechanical faults and their effects. All circuit breakers have operating coils known as tripping coils, whenever these coils are energized by switching pulse, the plunger inside them displaced. This operating coil plunger is typically attached to the operating mechanism of circuit breaker, as a result, the mechanically stored potential energy in circuit breaker is released in forms of kinetic energy, which makes the moving contact to move, and these moving contacts mechanically attached through a gear lever arrangement with the operating mechanism. The performance of circuit breakers depends on various characteristics consisting of nominal voltage and current, type, voltage class, vibration etc. So, the fault in the operation of circuit breakers affected by its internal circuit could cause occurrence of problem in interruption or connection of current, inability to stop the fault current flow and increasing the time of the breaker operation. Furthermore, it is notable that by considering the vital role of breakers in different levels of voltage zones of power systems, it is important to increase their reliability which can help to increase the transient stability and degree of reliability of power networks. One of the significant issues of circuit breakers which must be considered is the large arcing between the contacts during the interruption of current. So, the safety manners and regularities should be regarded in numerous operations of power switch breakers. The purpose of this research is to program and analyze the methods and algorithms on recorded data received from ABB low-voltage circuit breakers in order to detect early signs of possible malfunction in their behavior with the aim of being able to take the appropriate reactions and considerations before the complete failure of circuit breakers. One of the most significant characteristics of circuit breakers for the perfect performance is their angular travel curve during the closing or opening operations. Therefore, based on data collected by ABB on this feature, this work is mainly considered the evaluation of angular travel curves, calculation of their deviation from normal case based on batches of data collected during several endurance tests through the relevant sensor installed on low voltage circuit breakers by ABB. Moreover, python language in Jupiter-notebook environment has been used to develop the codes based on different ML (machine learning) techniques in order to detection of abnormal tests by calculating the anomaly score of all tests and representing of travel curve figures.

Un interruttore elettrico è un tipo di dispositivo elettrico progettato per eseguire azioni, tra cui il collegamento o l'interruzione della corrente delle linee in diversi circuiti elettrici e reti di sistemi di alimentazione. Inoltre, avrebbe una funzione di protezione durante le situazioni di sovraccarico e cortocircuito del circuito collegandosi ai vari tipi di relè per interrompere il flusso di corrente. Di conseguenza, possono proteggere il sistema di alimentazione da un'interruzione completa, altrimenti potrebbe essere difficile riportare la rete alla sua condizione normale rimanendo guasto per lungo tempo. Pertanto, i componenti e la struttura degli interruttori automatici dipendono fortemente dai guasti elettrici e meccanici e dai loro effetti. Tutti gli interruttori automatici hanno bobine di manovra note come bobine di sgancio e chiusura, ogni volta che queste bobine vengono eccitate dall'impulso di commutazione, lo stantuffo al loro interno viene spostato. Questo stantuffo della bobina operativa è tipicamente collegato al meccanismo di azionamento dell'interruttore automatico, di conseguenza, l'energia potenziale immagazzinata meccanicamente nel meccanismo dell'interruttore viene rilasciata sotto forma di energia cinetica, che fa muovere il contatto mobile mentre questi contatti mobili sono fissati meccanicamente attraverso una disposizione della leva del cambio con il meccanismo di azionamento. Le prestazioni degli interruttori automatici dipendono da varie caratteristiche costituite da tensione e corrente nominali, tipo, classe di tensione, vibrazioni ecc. Pertanto, il guasto nel funzionamento degli interruttori automatici potrebbe essere influenzato dal suo circuito interno, dal verificarsi di problemi durante l'interruzione o il collegamento di corrente, incapacità di arrestare il flusso di corrente di guasto e aumento del tempo di funzionamento dell'interruttore. Inoltre, è da notare che, considerando il ruolo vitale degli interruttori automatici in diversi livelli di zone di tensione dei sistemi di alimentazione, è importante aumentare la loro affidabilità che può contribuire ad aumentare la stabilità transitoria e il grado di affidabilità delle reti di alimentazione. Uno dei problemi significativi degli interruttori automatici che deve essere considerato è il grande arco tra i contatti durante l'interruzione della corrente. Pertanto, le modalità e le regolarità di sicurezza dovrebbero essere considerate in numerose operazioni degli interruttori di potenza. Lo scopo di questa ricerca è quello di programmare e analizzare i metodi e gli algoritmi sui dati registrati provenienti dagli interruttori di bassa tensione ABB al fine di rilevare i primi segni di possibili malfunzionamenti nel loro comportamento con l'obiettivo di poter prendere le reazioni e le considerazioni appropriate prima del guasto completo degli interruttori automatici. Una delle caratteristiche più significative degli interruttori per la perfetta prestazione è la loro curva di corsa angolare durante le manovre di chiusura o apertura. Pertanto, sulla base dei dati raccolti da ABB su questa caratteristica, questo lavoro è principalmente considerato la valutazione delle curve di corsa angolare, il calcolo della loro deviazione dal caso normale sulla base di lotti di dati raccolti durante diversi test di resistenza attraverso il relativo sensore installato sul circuito a bassa tensione interruttori di ABB. Inoltre, il linguaggio Python nell'ambiente Jupiter-notebook è stato utilizzato per sviluppare i codici basati su diverse tecniche di ML (apprendimento automatico) al fine di rilevare test anomali calcolando il punteggio di anomalia di tutti i test e la rappresentazione dei dati della curva di viaggio.