低壓斷路器故障監(jiān)測(cè)與診斷研究

朱 可

（上海諾雅克電氣有限公司，上海 201616）

伴隨著新興技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)用電要求更加嚴(yán)格，斷路器是人們?nèi)粘０踩秒姴豢扇鄙俚牟糠?，它在電力系統(tǒng)中可以斷開和閉合線路，對(duì)人們安全用電有著至關(guān)重要的作用。低壓斷路器在工作過(guò)程中，會(huì)存在多種不確定的因素，因此對(duì)其進(jìn)行故障監(jiān)測(cè)和診斷的研究十分必要。

1 低壓斷路器常見故障及原因

根據(jù)現(xiàn)有的文獻(xiàn)及調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)人們?cè)谑褂玫蛪簲嗦菲鬟^(guò)程中常見的故障及原因主要有以下幾種：

1.1 斷路器拒合和拒分

斷路器在實(shí)際使用過(guò)程中會(huì)發(fā)生“拒合”情況，其主要體現(xiàn)為兩個(gè)方面，一是鐵芯沒有開始運(yùn)作；二是鐵芯動(dòng)作后，操作杠桿沒有運(yùn)作。其中，如在回路有電壓時(shí)鐵芯沒有運(yùn)作，可能是由于線圈燒毀或斷線，尤其引線段易折斷、鐵芯卡澀等因素造成；當(dāng)鐵芯動(dòng)作后，操作杠桿沒有運(yùn)作造成此現(xiàn)象的因素可能但不限于鐵芯動(dòng)作時(shí)受阻，操作杠桿變形，鎖扣扣的很深等。

同樣，在出現(xiàn)“拒分”故障時(shí)，主要表現(xiàn)為三個(gè)方面，一是鐵芯未啟動(dòng)；二是操作機(jī)構(gòu)未能得到釋放；三是機(jī)制連板體系沒有活動(dòng)。其中，如在線圈帶電壓時(shí)鐵芯沒啟動(dòng)可能是由于鐵芯卡澀，線圈發(fā)生毀壞，次級(jí)電路接觸不良等導(dǎo)致鐵芯無(wú)法啟動(dòng)；當(dāng)操作機(jī)構(gòu)沒有得到釋放時(shí)，可能是由于杠桿變形，操作機(jī)構(gòu)被卡住等因素造成；機(jī)構(gòu)連板系統(tǒng)不運(yùn)動(dòng)主要是由于整體或部分嚴(yán)重機(jī)械干涉。

1.2 斷路器誤合分閘

斷路器在使用過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)開、合閘的誤操作，給安全用電帶來(lái)重大的影響，故障表現(xiàn)有彈簧儲(chǔ)能后合閘、無(wú)信號(hào)分閘、合后即分的現(xiàn)象。其中出現(xiàn)彈簧儲(chǔ)能后合閘的現(xiàn)象，可能是由于連桿未復(fù)歸、鎖扣支架的部件松動(dòng)、馬達(dá)的電源不正常工作等因素引起；無(wú)信號(hào)分閘可能是由于分閘電磁鐵動(dòng)作電壓不穩(wěn)定，繼電器接點(diǎn)不正常閉合，次級(jí)回路存在混線，產(chǎn)生接地的現(xiàn)象等因素引起；合后即分可能是由于未能將鎖鉤復(fù)位到四連桿，鎖鉤的最終面彎曲是由于異常緊固造成的，并且操作機(jī)制重新啟動(dòng)部位間隔非常大。

1.3 繼電器的故障

繼電器在斷路器使用過(guò)程中具有決定性的作用，它能夠保證系統(tǒng)正常運(yùn)行，繼電器故障主要表現(xiàn)為分合閘觸點(diǎn)出現(xiàn)粘結(jié)、對(duì)導(dǎo)體間呈現(xiàn)的電阻增大、繼電器卡死不動(dòng)的現(xiàn)象，其中分合閘觸點(diǎn)出現(xiàn)粘結(jié)可能是由于電流過(guò)大、操作頻繁、電壓低等因素造成；對(duì)導(dǎo)體間呈現(xiàn)的電阻增大，其簧片損壞是可能性的原因之一；操作組件的壓力變?。唤佑|點(diǎn)發(fā)生耗損；觸點(diǎn)材料不合格，導(dǎo)致接觸面的面積偏大等因素造成；繼電器卡死不動(dòng)可能是由于二次線圈破損，活動(dòng)零件間隙污染等因素造成。

2 應(yīng)用波形分析和模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行低壓斷路器誤差診斷

用小波分析法的變換，結(jié)合波形提取信號(hào)特性，通過(guò)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)低壓電路斷路器線圈相關(guān)故障方法如下。

2.1 診斷思路

首先用小波分析法中的波形分析找出具有標(biāo)志性的信號(hào)值作為輸入信號(hào)，然后將模糊特征值用作神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入項(xiàng)，將收集到的樣本傳送到模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并找到關(guān)于儀器故障類型的信息。不同的輸出要求，在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究中可以采用不同的類型，在這種情況下，對(duì)要檢測(cè)的輸入的特征值進(jìn)行測(cè)試以獲得網(wǎng)絡(luò)輸出，網(wǎng)絡(luò)的輸出結(jié)果最后被處理和分析并得到檢測(cè)結(jié)果，這使得設(shè)備有無(wú)發(fā)生故障，以及故障的類型和位置得以確定，以便實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步處理。妨礙正常運(yùn)作的故障環(huán)境檢測(cè)流程圖如圖1所示。

圖1 故障診斷流程圖

2.2 小波分析故障檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)值的選擇

典型的妨礙空氣斷路器正常運(yùn)作的現(xiàn)象，比如：拒分、拒合、誤合、誤分等。在脫扣及傳動(dòng)系統(tǒng)中會(huì)出現(xiàn)自由行裝置被移位、堵塞甚至損壞，鐵芯行程失效、堵塞或松弛的現(xiàn)象。在操作機(jī)制中，電磁鐵是一個(gè)非常重要的控制部件，當(dāng)外部命令要求斷路器開關(guān)運(yùn)作時(shí)，它會(huì)正常工作以保證電路的安全。

閉合線圈中的電流顯示了大部分?jǐn)嗦菲鞯膱?zhí)行信息，對(duì)電路電流信號(hào)的研究有助于了解電磁鐵控制的閥門及在工作時(shí)間接觸到的主要機(jī)構(gòu)的工作狀況。通常，可以用可能有缺陷的實(shí)際輸出值替換它以使其更容易，或者可以通過(guò)不同的輸出值來(lái)指示設(shè)備的正常模式。本文中，所選擇的網(wǎng)絡(luò)輸出是正常機(jī)構(gòu)，鎖扣阻塞、線圈下方觸點(diǎn)閉合較弱、運(yùn)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)行速度低等。然而將傳出數(shù)值用0和1之間作為臨界點(diǎn)。輸出值示意妨礙設(shè)備運(yùn)行的故障環(huán)境的幾率，但也有妨礙動(dòng)作其故障環(huán)境水平，當(dāng)輸出值靠近1時(shí)，暗示出妨礙運(yùn)作的發(fā)生故障幾率增添，或在靠近0時(shí)削減妨礙工作及出現(xiàn)故障的可能性。

目前，關(guān)于低壓電壓設(shè)備狀況的信息主要來(lái)自電感應(yīng)器和運(yùn)動(dòng)感應(yīng)器。該系統(tǒng)的主要目的是確定子門的流量信號(hào)或振動(dòng)信號(hào)，提取研究這些信號(hào)所需要的特性的價(jià)值，分析數(shù)據(jù)，并通過(guò)霍爾電流傳感器收集電流信號(hào)。

分合閘線圈的等值電路主要有電阻和電感線圈，即斷路器中價(jià)值意義重要的特征信號(hào)值，分合閘線圈中的電流信號(hào)在鐵芯動(dòng)作之前呈指數(shù)上升，當(dāng)電流增加到一定數(shù)量時(shí)，鐵磁開始移動(dòng)，回路中將出現(xiàn)反向，在這種情況下，電流將變成向下的曲線，直到鐵芯被完全吸收。此時(shí)如果斷路器開啟或關(guān)閉，當(dāng)電流在環(huán)內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，電流從零開始改變，不能立即穩(wěn)定，目前鐵芯吸力也在慢慢改變，當(dāng)v=0時(shí)，即鐵芯的吸引力不準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)。

在斷路器進(jìn)行分合時(shí)，非常豐富的特征值和信號(hào)都?xì)w于電流信號(hào)中，提取這些經(jīng)典的特征典范進(jìn)行研究，以有效闡明妨礙斷路器正常所動(dòng)的故障環(huán)境的情況。利用小波分析法測(cè)量空間碎片群的波形，然后根據(jù)小波的性質(zhì)分析波形，進(jìn)一步確定波形中的點(diǎn)，從而得出研究波形所需的特性值。

2.3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

RBF（徑向基）及BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等均包含在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中。根據(jù)RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，模糊神經(jīng)模型是為特定分析建立，RBF與BP同屬于前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，然而，RBF可以在處理復(fù)雜的函數(shù)關(guān)系方面保持高度的精確性，并在解決次要問(wèn)題方面發(fā)揮重要作用。

徑向基一般用S函數(shù)（雙曲正切）。將輸出量用線性函數(shù)表示，通過(guò)RBF處理，一般RBF用取整函數(shù)，具有隱藏層字符的輸出，網(wǎng)絡(luò)輸出包括隱藏層字符的輸出。

RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的檢測(cè)和診斷成果與真實(shí)的情節(jié)環(huán)境異曲同工。RBF模型的檢測(cè)比BP更精確，更具有超速度、時(shí)間短的特性，并且在同等條件下比BP更具有檢測(cè)結(jié)果的能力。因此，以RBF為基礎(chǔ)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以有效診斷低壓電停電，并且有實(shí)用性。

3 低壓斷路器的在線監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)

現(xiàn)階段，在線監(jiān)控體系首要是現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)訊息的變更、處置、數(shù)據(jù)搜集、傳輸、處置、診斷。具體流程如圖2所示。

圖2 在線檢測(cè)系統(tǒng)框架

3.1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

在檢索國(guó)內(nèi)外相關(guān)數(shù)據(jù)及文獻(xiàn)后，本文對(duì)自動(dòng)空氣斷路器在線監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)將具有以下功能。

（1）狀況監(jiān)控：監(jiān)控?cái)嗦菲鏖_合狀態(tài)，辨別具有典范的信號(hào)訊息，提取典范的標(biāo)準(zhǔn)值，推測(cè)出相應(yīng)的妨礙正常運(yùn)作的典型故障類型為范例。

（2）數(shù)據(jù)保存：低壓電路斷路器根據(jù)工作時(shí)間隨時(shí)保存電流線圈信號(hào)，為數(shù)據(jù)服務(wù)。

（3）歷史查詢：匯總并記錄低壓電路斷路器的異常時(shí)間和類型，以確?？梢钥焖僬{(diào)用曲線和狀態(tài)數(shù)據(jù)。

（4）故障檢測(cè)：低壓電路斷路器故障的具體算法和類型由所采集的運(yùn)動(dòng)特性的大小確定。

（5）通訊報(bào)警：當(dāng)成套配電裝置運(yùn)行軌跡異樣時(shí)，警示設(shè)備運(yùn)作非正常模式，紅色報(bào)警按鈕發(fā)出報(bào)警噪音視作提醒，應(yīng)予以警惕。

3.2 系統(tǒng)中的部件

系統(tǒng)中的硬件和軟件部分包括上位機(jī)和下位機(jī)，其中上位機(jī)由控制板、硬盤、顯示器構(gòu)成，能夠采集操作系統(tǒng)數(shù)據(jù)和軟件。下位機(jī)的主芯片以FPGA芯片為主，視為系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，在數(shù)據(jù)的收集和通信中發(fā)揮非同尋常的作用。

上位機(jī)中邏輯板可以連接某些傳感器、SSD和顯示器，SSD用以保存大量狀態(tài)數(shù)據(jù)，結(jié)合軟件運(yùn)行平臺(tái)和人機(jī)界面，實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)嗦菲鳡顟B(tài)，提取需要讀取的數(shù)據(jù)，以便更直觀地進(jìn)行觀察，數(shù)據(jù)和結(jié)果將顯示在最前沿，查詢以往數(shù)據(jù)、運(yùn)行狀況識(shí)別、故障檢測(cè)和數(shù)據(jù)保存相組合。

霍爾電流傳感器在下位機(jī)中收集電流信號(hào)、觸點(diǎn)動(dòng)作等，然后通過(guò)A/D將數(shù)據(jù)傳輸?shù)紽PGA芯片，最后對(duì)電路進(jìn)行切片，避免系統(tǒng)故障，促進(jìn)系統(tǒng)穩(wěn)定。下位機(jī)以FPGA芯片為主要工作芯片，采用數(shù)字濾波算法，增強(qiáng)數(shù)據(jù)收集階段其過(guò)程的穩(wěn)定性，使其過(guò)程進(jìn)行更加平緩不具波動(dòng)。

為了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)自動(dòng)空氣斷路器各個(gè)階段的狀況，由于信息量與環(huán)境的不確定性等相關(guān)因素的存在，使得網(wǎng)上監(jiān)測(cè)和評(píng)估系統(tǒng)具有較高的標(biāo)準(zhǔn)性，因此，該文件使用FPGA芯片作為從下位機(jī)收集數(shù)據(jù)的主要部分。采用FPGA芯片是由于考慮到其具備如下特色：

（1）功能豐富。數(shù)字電路可按需要調(diào)整，在設(shè)計(jì)時(shí)限制少，靈活性高。

（2）反應(yīng)迅速。FPGA芯片執(zhí)行硬件的方式應(yīng)用于超快電子線路，提升整條線路速度，并以非常快的邏輯運(yùn)行。

（3）時(shí)間短，費(fèi)用少，風(fēng)險(xiǎn)低。

（4）超契合。能夠整合CPU以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)。

3.3 系統(tǒng)的流程

首先在空氣斷路器中收集對(duì)于檢測(cè)故障具有高效作用的信號(hào)，如分合閘線圈電流信號(hào)、設(shè)備的振動(dòng)波形、電流沖擊狀態(tài)等，收集相關(guān)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)輸入調(diào)節(jié)電路中處理，以便系統(tǒng)分析，模擬量將通過(guò)A/D輸入到FPGA芯片轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，數(shù)字傳感器將用于收集相關(guān)信息，例如低壓斷路器的使用壽命和數(shù)量等。FPGA芯片為工作的主要芯片，其作用是收集和分析信號(hào)并將其傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。收集到的信號(hào)在下位機(jī)時(shí)就做出處理并傳送至上位機(jī)，輸入信號(hào)將變換波形分析與模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相聯(lián)系，顯示檢測(cè)結(jié)果和真實(shí)狀況，即故障檢測(cè)信號(hào)。最后，系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)自己能夠正確監(jiān)控和診斷低壓斷路器的故障。

3.4 系統(tǒng)建設(shè)特征

（1）高精度數(shù)據(jù)取樣。經(jīng)由電流傳感器，可以精確地得到電流的相關(guān)訊息，從而保證取得信息的可靠性，為檢測(cè)后供給依據(jù)。

（2）超高效的數(shù)據(jù)傳送。兩芯片平行運(yùn)行，一個(gè)在系統(tǒng)內(nèi)收集數(shù)據(jù)，而另一個(gè)則負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸，彼此獨(dú)立溝通，并提高數(shù)據(jù)的傳輸牢靠性和實(shí)時(shí)性。

（3）強(qiáng)大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。開關(guān)柜內(nèi)處于復(fù)雜性工作環(huán)境，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)要求高。SSD體積小，讀寫速度快，防震性強(qiáng)，通過(guò)分離和關(guān)閉斷路器，確保它能夠瞬間容納大量寫入的數(shù)據(jù)。

（4）人機(jī)界面。主要軟件的操作語(yǔ)言在視窗系統(tǒng)中得到處理。

（5）該體系上位機(jī)的操作語(yǔ)言已徹底形成視窗體系。功能齊全，操作簡(jiǎn)單，使其具有在相應(yīng)變電站中全面推廣的優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文首先介紹了低壓斷路器使用過(guò)程中可能出現(xiàn)的幾種故障。其次采用小波分析法，對(duì)自動(dòng)空氣斷路器故障進(jìn)行診斷分析，以波形分析為前提，引用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，結(jié)合模型所獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行研究，使故障判測(cè)更具有靈活性，其結(jié)果更精確與真實(shí)情況更為相近。最后建立了低壓斷路器故障監(jiān)測(cè)與診斷的研究系統(tǒng)，希望能夠?yàn)榘踩秒娧芯刻峁┮欢ǖ膮⒖純r(jià)值。