低壓斷路器故障監測與診斷研究

朱 可

（上海諾雅克電氣有限公司，上海 201616）

伴隨著新興技術的發展，人們對用電要求更加嚴格，斷路器是人們日常安全用電不可缺少的部分，它在電力系統中可以斷開和閉合線路，對人們安全用電有著至關重要的作用。低壓斷路器在工作過程中，會存在多種不確定的因素，因此對其進行故障監測和診斷的研究十分必要。

1 低壓斷路器常見故障及原因

根據現有的文獻及調查研究發現人們在使用低壓斷路器過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

斷路器在實際使用過程中會發生“拒合”情況，其主要體現為兩個方面，一是鐵芯沒有開始運作；二是鐵芯動作后，操作杠桿沒有運作。其中，如在回路有電壓時鐵芯沒有運作，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；當鐵芯動作后，操作杠桿沒有運作造成此現象的因素可能但不限于鐵芯動作時受阻，操作杠桿變形，鎖扣扣的很深等。

同樣，在出現“拒分”故障時，主要表現為三個方面，一是鐵芯未啟動；二是操作機構未能得到釋放；三是機制連板體系沒有活動。其中，如在線圈帶電壓時鐵芯沒啟動可能是由于鐵芯卡澀，線圈發生毀壞，次級電路接觸不良等導致鐵芯無法啟動；當操作機構沒有得到釋放時，可能是由于杠桿變形，操作機構被卡住等因素造成；機構連板系統不運動主要是由于整體或部分嚴重機械干涉。

1.2 斷路器誤合分閘

斷路器在使用過程中會出現開、合閘的誤操作，給安全用電帶來重大的影響，故障表現有彈簧儲能后合閘、無信號分閘、合后即分的現象。其中出現彈簧儲能后合閘的現象，可能是由于連桿未復歸、鎖扣支架的部件松動、馬達的電源不正常工作等因素引起；無信號分閘可能是由于分閘電磁鐵動作電壓不穩定，繼電器接點不正常閉合，次級回路存在混線，產生接地的現象等因素引起；合后即分可能是由于未能將鎖鉤復位到四連桿，鎖鉤的最終面彎曲是由于異常緊固造成的，并且操作機制重新啟動部位間隔非常大。

1.3 繼電器的故障

繼電器在斷路器使用過程中具有決定性的作用，它能夠保證系統正常運行，繼電器故障主要表現為分合閘觸點出現粘結、對導體間呈現的電阻增大、繼電器卡死不動的現象，其中分合閘觸點出現粘結可能是由于電流過大、操作頻繁、電壓低等因素造成；對導體間呈現的電阻增大，其簧片損壞是可能性的原因之一；操作組件的壓力變小；接觸點發生耗損；觸點材料不合格，導致接觸面的面積偏大等因素造成；繼電器卡死不動可能是由于二次線圈破損，活動零件間隙污染等因素造成。

2 應用波形分析和模糊神經網絡進行低壓斷路器誤差診斷

用小波分析法的變換，結合波形提取信號特性，通過模糊神經網絡檢測低壓電路斷路器線圈相關故障方法如下。

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志性的信號值作為輸入信號，然后將模糊特征值用作神經網絡的輸入項，將收集到的樣本傳送到模糊神經網絡，并找到關于儀器故障類型的信息。不同的輸出要求，在神經網絡研究中可以采用不同的類型，在這種情況下，對要檢測的輸入的特征值進行測試以獲得網絡輸出，網絡的輸出結果最后被處理和分析并得到檢測結果，這使得設備有無發生故障，以及故障的類型和位置得以確定，以便實現進一步處理。妨礙正常運作的故障環境檢測流程圖如圖1所示。

圖1 故障診斷流程圖

2.2 小波分析故障檢測標準值的選擇

典型的妨礙空氣斷路器正常運作的現象，比如：拒分、拒合、誤合、誤分等。在脫扣及傳動系統中會出現自由行裝置被移位、堵塞甚至損壞，鐵芯行程失效、堵塞或松弛的現象。在操作機制中，電磁鐵是一個非常重要的控制部件，當外部命令要求斷路器開關運作時，它會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斷路器的執行信息，對電路電流信號的研究有助于了解電磁鐵控制的閥門及在工作時間接觸到的主要機構的工作狀況。通常，可以用可能有缺陷的實際輸出值替換它以使其更容易，或者可以通過不同的輸出值來指示設備的正常模式。本文中，所選擇的網絡輸出是正常機構，鎖扣阻塞、線圈下方觸點閉合較弱、運行機構的運行速度低等。然而將傳出數值用0和1之間作為臨界點。輸出值示意妨礙設備運行的故障環境的幾率，但也有妨礙動作其故障環境水平，當輸出值靠近1時，暗示出妨礙運作的發生故障幾率增添，或在靠近0時削減妨礙工作及出現故障的可能性。

目前，關于低壓電壓設備狀況的信息主要來自電感應器和運動感應器。該系統的主要目的是確定子門的流量信號或振動信號，提取研究這些信號所需要的特性的價值，分析數據，并通過霍爾電流傳感器收集電流信號。

分合閘線圈的等值電路主要有電阻和電感線圈，即斷路器中價值意義重要的特征信號值，分合閘線圈中的電流信號在鐵芯動作之前呈指數上升，當電流增加到一定數量時，鐵磁開始移動，回路中將出現反向，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。此時如果斷路器開啟或關閉，當電流在環內運動時，電流從零開始改變，不能立即穩定，目前鐵芯吸力也在慢慢改變，當v=0時，即鐵芯的吸引力不準運動。

在斷路器進行分合時，非常豐富的特征值和信號都歸于電流信號中，提取這些經典的特征典范進行研究，以有效闡明妨礙斷路器正常所動的故障環境的情況。利用小波分析法測量空間碎片群的波形，然后根據小波的性質分析波形，進一步確定波形中的點，從而得出研究波形所需的特性值。

2.3 神經網絡模型

RBF（徑向基）及BP神經網絡等均包含在神經網絡模型中。根據RBF神經網絡，模糊神經模型是為特定分析建立，RBF與BP同屬于前向神經網絡，然而，RBF可以在處理復雜的函數關系方面保持高度的精確性，并在解決次要問題方面發揮重要作用。

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

RBF神經網絡的檢測和診斷成果與真實的情節環境異曲同工。RBF模型的檢測比BP更精確，更具有超速度、時間短的特性，并且在同等條件下比BP更具有檢測結果的能力。因此，以RBF為基礎的神經網絡可以有效診斷低壓電停電，并且有實用性。

3 低壓斷路器的在線監測與診斷系統

現階段，在線監控體系首要是現場信號訊息的變更、處置、數據搜集、傳輸、處置、診斷。具體流程如圖2所示。

圖2 在線檢測系統框架

3.1 系統功能設計

在檢索國內外相關數據及文獻后，本文對自動空氣斷路器在線監測診斷系統設計將具有以下功能。

（1）狀況監控：監控斷路器開合狀態，辨別具有典范的信號訊息，提取典范的標準值，推測出相應的妨礙正常運作的典型故障類型為范例。

（2）數據保存：低壓電路斷路器根據工作時間隨時保存電流線圈信號，為數據服務。

（3）歷史查詢：匯總并記錄低壓電路斷路器的異常時間和類型，以確保可以快速調用曲線和狀態數據。

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

（5）通訊報警：當成套配電裝置運行軌跡異樣時，警示設備運作非正常模式，紅色報警按鈕發出報警噪音視作提醒，應予以警惕。

3.2 系統中的部件

系統中的硬件和軟件部分包括上位機和下位機，其中上位機由控制板、硬盤、顯示器構成，能夠采集操作系統數據和軟件。下位機的主芯片以FPGA芯片為主，視為系統的關鍵組成部分，在數據的收集和通信中發揮非同尋常的作用。

上位機中邏輯板可以連接某些傳感器、SSD和顯示器，SSD用以保存大量狀態數據，結合軟件運行平臺和人機界面，實時監控斷路器狀態，提取需要讀取的數據，以便更直觀地進行觀察，數據和結果將顯示在最前沿，查詢以往數據、運行狀況識別、故障檢測和數據保存相組合。

霍爾電流傳感器在下位機中收集電流信號、觸點動作等，然后通過A/D將數據傳輸到FPGA芯片，最后對電路進行切片，避免系統故障，促進系統穩定。下位機以FPGA芯片為主要工作芯片，采用數字濾波算法，增強數據收集階段其過程的穩定性，使其過程進行更加平緩不具波動。

為了實時監測自動空氣斷路器各個階段的狀況，由于信息量與環境的不確定性等相關因素的存在，使得網上監測和評估系統具有較高的標準性，因此，該文件使用FPGA芯片作為從下位機收集數據的主要部分。采用FPGA芯片是由于考慮到其具備如下特色：

（1）功能豐富。數字電路可按需要調整，在設計時限制少，靈活性高。

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

（3）時間短，費用少，風險低。

（4）超契合。能夠整合CPU以實現系統。

3.3 系統的流程

首先在空氣斷路器中收集對于檢測故障具有高效作用的信號，如分合閘線圈電流信號、設備的振動波形、電流沖擊狀態等，收集相關數據，并將數據輸入調節電路中處理，以便系統分析，模擬量將通過A/D輸入到FPGA芯片轉換為數字量，數字傳感器將用于收集相關信息，例如低壓斷路器的使用壽命和數量等。FPGA芯片為工作的主要芯片，其作用是收集和分析信號并將其傳輸到上位機。收集到的信號在下位機時就做出處理并傳送至上位機，輸入信號將變換波形分析與模糊神經網絡相聯系，顯示檢測結果和真實狀況，即故障檢測信號。最后，系統發現自己能夠正確監控和診斷低壓斷路器的故障。

3.4 系統建設特征

（1）高精度數據取樣。經由電流傳感器，可以精確地得到電流的相關訊息，從而保證取得信息的可靠性，為檢測后供給依據。

（2）超高效的數據傳送。兩芯片平行運行，一個在系統內收集數據，而另一個則負責數據傳輸，彼此獨立溝通，并提高數據的傳輸牢靠性和實時性。

（3）強大的數據存儲。開關柜內處于復雜性工作環境，數據存儲要求高。SSD體積小，讀寫速度快，防震性強，通過分離和關閉斷路器，確保它能夠瞬間容納大量寫入的數據。

（4）人機界面。主要軟件的操作語言在視窗系統中得到處理。

（5）該體系上位機的操作語言已徹底形成視窗體系。功能齊全，操作簡單，使其具有在相應變電站中全面推廣的優勢。

4 結束語

本文首先介紹了低壓斷路器使用過程中可能出現的幾種故障。其次采用小波分析法，對自動空氣斷路器故障進行診斷分析，以波形分析為前提，引用模糊神經網絡模型，結合模型所獨有的優勢進行研究，使故障判測更具有靈活性，其結果更精確與真實情況更為相近。最后建立了低壓斷路器故障監測與診斷的研究系統，希望能夠為安全用電研究提供一定的參考價值。