低压断路器故障监测与诊断研究

朱 可

（上海诺雅克电气有限公司，上海 201616）

伴随着新兴技术的发展，人们对用电要求更加严格，断路器是人们日常安全用电不可缺少的部分，它在电力系统中可以断开和闭合线路，对人们安全用电有着至关重要的作用。低压断路器在工作过程中，会存在多种不确定的因素，因此对其进行故障监测和诊断的研究十分必要。

1 低压断路器常见故障及原因

根据现有的文献及调查研究发现人们在使用低压断路器过程中常见的故障及原因主要有以下几种：

1.1 断路器拒合和拒分

断路器在实际使用过程中会发生“拒合”情况，其主要体现为两个方面，一是铁芯没有开始运作；二是铁芯动作后，操作杠杆没有运作。其中，如在回路有电压时铁芯没有运作，可能是由于线圈烧毁或断线，尤其引线段易折断、铁芯卡涩等因素造成；当铁芯动作后，操作杠杆没有运作造成此现象的因素可能但不限于铁芯动作时受阻，操作杠杆变形，锁扣扣的很深等。

同样，在出现“拒分”故障时，主要表现为三个方面，一是铁芯未启动；二是操作机构未能得到释放；三是机制连板体系没有活动。其中，如在线圈带电压时铁芯没启动可能是由于铁芯卡涩，线圈发生毁坏，次级电路接触不良等导致铁芯无法启动；当操作机构没有得到释放时，可能是由于杠杆变形，操作机构被卡住等因素造成；机构连板系统不运动主要是由于整体或部分严重机械干涉。

1.2 断路器误合分闸

断路器在使用过程中会出现开、合闸的误操作，给安全用电带来重大的影响，故障表现有弹簧储能后合闸、无信号分闸、合后即分的现象。其中出现弹簧储能后合闸的现象，可能是由于连杆未复归、锁扣支架的部件松动、马达的电源不正常工作等因素引起；无信号分闸可能是由于分闸电磁铁动作电压不稳定，继电器接点不正常闭合，次级回路存在混线，产生接地的现象等因素引起；合后即分可能是由于未能将锁钩复位到四连杆，锁钩的最终面弯曲是由于异常紧固造成的，并且操作机制重新启动部位间隔非常大。

1.3 继电器的故障

继电器在断路器使用过程中具有决定性的作用，它能够保证系统正常运行，继电器故障主要表现为分合闸触点出现粘结、对导体间呈现的电阻增大、继电器卡死不动的现象，其中分合闸触点出现粘结可能是由于电流过大、操作频繁、电压低等因素造成；对导体间呈现的电阻增大，其簧片损坏是可能性的原因之一；操作组件的压力变小；接触点发生耗损；触点材料不合格，导致接触面的面积偏大等因素造成；继电器卡死不动可能是由于二次线圈破损，活动零件间隙污染等因素造成。

2 应用波形分析和模糊神经网络进行低压断路器误差诊断

用小波分析法的变换，结合波形提取信号特性，通过模糊神经网络检测低压电路断路器线圈相关故障方法如下。

2.1 诊断思路

首先用小波分析法中的波形分析找出具有标志性的信号值作为输入信号，然后将模糊特征值用作神经网络的输入项，将收集到的样本传送到模糊神经网络，并找到关于仪器故障类型的信息。不同的输出要求，在神经网络研究中可以采用不同的类型，在这种情况下，对要检测的输入的特征值进行测试以获得网络输出，网络的输出结果最后被处理和分析并得到检测结果，这使得设备有无发生故障，以及故障的类型和位置得以确定，以便实现进一步处理。妨碍正常运作的故障环境检测流程图如图1所示。

图1 故障诊断流程图

2.2 小波分析故障检测标准值的选择

典型的妨碍空气断路器正常运作的现象，比如：拒分、拒合、误合、误分等。在脱扣及传动系统中会出现自由行装置被移位、堵塞甚至损坏，铁芯行程失效、堵塞或松弛的现象。在操作机制中，电磁铁是一个非常重要的控制部件，当外部命令要求断路器开关运作时，它会正常工作以保证电路的安全。

闭合线圈中的电流显示了大部分断路器的执行信息，对电路电流信号的研究有助于了解电磁铁控制的阀门及在工作时间接触到的主要机构的工作状况。通常，可以用可能有缺陷的实际输出值替换它以使其更容易，或者可以通过不同的输出值来指示设备的正常模式。本文中，所选择的网络输出是正常机构，锁扣阻塞、线圈下方触点闭合较弱、运行机构的运行速度低等。然而将传出数值用0和1之间作为临界点。输出值示意妨碍设备运行的故障环境的几率，但也有妨碍动作其故障环境水平，当输出值靠近1时，暗示出妨碍运作的发生故障几率增添，或在靠近0时削减妨碍工作及出现故障的可能性。

目前，关于低压电压设备状况的信息主要来自电感应器和运动感应器。该系统的主要目的是确定子门的流量信号或振动信号，提取研究这些信号所需要的特性的价值，分析数据，并通过霍尔电流传感器收集电流信号。

分合闸线圈的等值电路主要有电阻和电感线圈，即断路器中价值意义重要的特征信号值，分合闸线圈中的电流信号在铁芯动作之前呈指数上升，当电流增加到一定数量时，铁磁开始移动，回路中将出现反向，在这种情况下，电流将变成向下的曲线，直到铁芯被完全吸收。此时如果断路器开启或关闭，当电流在环内运动时，电流从零开始改变，不能立即稳定，目前铁芯吸力也在慢慢改变，当v=0时，即铁芯的吸引力不准运动。

在断路器进行分合时，非常丰富的特征值和信号都归于电流信号中，提取这些经典的特征典范进行研究，以有效阐明妨碍断路器正常所动的故障环境的情况。利用小波分析法测量空间碎片群的波形，然后根据小波的性质分析波形，进一步确定波形中的点，从而得出研究波形所需的特性值。

2.3 神经网络模型

RBF（径向基）及BP神经网络等均包含在神经网络模型中。根据RBF神经网络，模糊神经模型是为特定分析建立，RBF与BP同属于前向神经网络，然而，RBF可以在处理复杂的函数关系方面保持高度的精确性，并在解决次要问题方面发挥重要作用。

径向基一般用S函数（双曲正切）。将输出量用线性函数表示，通过RBF处理，一般RBF用取整函数，具有隐藏层字符的输出，网络输出包括隐藏层字符的输出。

RBF神经网络的检测和诊断成果与真实的情节环境异曲同工。RBF模型的检测比BP更精确，更具有超速度、时间短的特性，并且在同等条件下比BP更具有检测结果的能力。因此，以RBF为基础的神经网络可以有效诊断低压电停电，并且有实用性。

3 低压断路器的在线监测与诊断系统

现阶段，在线监控体系首要是现场信号讯息的变更、处置、数据搜集、传输、处置、诊断。具体流程如图2所示。

图2 在线检测系统框架

3.1 系统功能设计

在检索国内外相关数据及文献后，本文对自动空气断路器在线监测诊断系统设计将具有以下功能。

（1）状况监控：监控断路器开合状态，辨别具有典范的信号讯息，提取典范的标准值，推测出相应的妨碍正常运作的典型故障类型为范例。

（2）数据保存：低压电路断路器根据工作时间随时保存电流线圈信号，为数据服务。

（3）历史查询：汇总并记录低压电路断路器的异常时间和类型，以确保可以快速调用曲线和状态数据。

（4）故障检测：低压电路断路器故障的具体算法和类型由所采集的运动特性的大小确定。

（5）通讯报警：当成套配电装置运行轨迹异样时，警示设备运作非正常模式，红色报警按钮发出报警噪音视作提醒，应予以警惕。

3.2 系统中的部件

系统中的硬件和软件部分包括上位机和下位机，其中上位机由控制板、硬盘、显示器构成，能够采集操作系统数据和软件。下位机的主芯片以FPGA芯片为主，视为系统的关键组成部分，在数据的收集和通信中发挥非同寻常的作用。

上位机中逻辑板可以连接某些传感器、SSD和显示器，SSD用以保存大量状态数据，结合软件运行平台和人机界面，实时监控断路器状态，提取需要读取的数据，以便更直观地进行观察，数据和结果将显示在最前沿，查询以往数据、运行状况识别、故障检测和数据保存相组合。

霍尔电流传感器在下位机中收集电流信号、触点动作等，然后通过A/D将数据传输到FPGA芯片，最后对电路进行切片，避免系统故障，促进系统稳定。下位机以FPGA芯片为主要工作芯片，采用数字滤波算法，增强数据收集阶段其过程的稳定性，使其过程进行更加平缓不具波动。

为了实时监测自动空气断路器各个阶段的状况，由于信息量与环境的不确定性等相关因素的存在，使得网上监测和评估系统具有较高的标准性，因此，该文件使用FPGA芯片作为从下位机收集数据的主要部分。采用FPGA芯片是由于考虑到其具备如下特色：

（1）功能丰富。数字电路可按需要调整，在设计时限制少，灵活性高。

（2）反应迅速。FPGA芯片执行硬件的方式应用于超快电子线路，提升整条线路速度，并以非常快的逻辑运行。

（3）时间短，费用少，风险低。

（4）超契合。能够整合CPU以实现系统。

3.3 系统的流程

首先在空气断路器中收集对于检测故障具有高效作用的信号，如分合闸线圈电流信号、设备的振动波形、电流冲击状态等，收集相关数据，并将数据输入调节电路中处理，以便系统分析，模拟量将通过A/D输入到FPGA芯片转换为数字量，数字传感器将用于收集相关信息，例如低压断路器的使用寿命和数量等。FPGA芯片为工作的主要芯片，其作用是收集和分析信号并将其传输到上位机。收集到的信号在下位机时就做出处理并传送至上位机，输入信号将变换波形分析与模糊神经网络相联系，显示检测结果和真实状况，即故障检测信号。最后，系统发现自己能够正确监控和诊断低压断路器的故障。

3.4 系统建设特征

（1）高精度数据取样。经由电流传感器，可以精确地得到电流的相关讯息，从而保证取得信息的可靠性，为检测后供给依据。

（2）超高效的数据传送。两芯片平行运行，一个在系统内收集数据，而另一个则负责数据传输，彼此独立沟通，并提高数据的传输牢靠性和实时性。

（3）强大的数据存储。开关柜内处于复杂性工作环境，数据存储要求高。SSD体积小，读写速度快，防震性强，通过分离和关闭断路器，确保它能够瞬间容纳大量写入的数据。

（4）人机界面。主要软件的操作语言在视窗系统中得到处理。

（5）该体系上位机的操作语言已彻底形成视窗体系。功能齐全，操作简单，使其具有在相应变电站中全面推广的优势。

4 结束语

本文首先介绍了低压断路器使用过程中可能出现的几种故障。其次采用小波分析法，对自动空气断路器故障进行诊断分析，以波形分析为前提，引用模糊神经网络模型，结合模型所独有的优势进行研究，使故障判测更具有灵活性，其结果更精确与真实情况更为相近。最后建立了低压断路器故障监测与诊断的研究系统，希望能够为安全用电研究提供一定的参考价值。