断路器故障诊断专家系统研究

白 丽，胡晓光

（1.中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林 长春 130021；2.北京航空航天大学，北京 100191）

断路器作为电力系统中重要的设备，它担负着开断系统结构，以实现安排各种负载网络配置的任务；同时，断路器还用于隔离系统故障部分，减小部分故障对电网带来的影响。如此重要的作用就要求断路器实时准备操作，任何操作失误都可能带来严重的后果。为了避免断路器的误操作，对断路器进行检修和维护必不可少。

1 断路器运行分析

断路器的操作是通过其本身的2个部分的控制电路来完成的，即合闸控制电路和分闸控制电路，其简化电路如图1所示。

图1 断路器控制电路简化图

断路器分闸控制电路主要包括：分闸线圈TC和辅助触点c，图中其余的部分即为合闸控制电路。

当断路器处于“合”状态时，所有的c触点处于“合”位。控制室给控制电路发分闸动作信号，分闸线圈TC上电，产生分闸线圈电流，分闸电磁铁蓄能。当能量到达一定程度时铁芯被推出线圈，使维持蓄能的掣子动作，压缩弹簧释放能量以驱动其它机构分开主触头；断路器主触头一旦打开，辅助触点c，d随之改变状态，分闸线圈去电，分闸操作完成，断路器准备合闸操作。因而在分闸状态，辅助接点c处于“分”位，d处于“合”位。当控制室发出合闸信号时，由于Yb触点处于“合”位，X线圈上电，Xa触点闭合，从而给合闸线圈CC上电，产生合闸线圈电流；当合闸电磁铁能量达到一定程度时铁芯被推出线圈，使压缩弹簧释放能量，闭合主触头；主触头一旦闭合，机构就会同时闭合辅助触点c、打开辅助触点d，这样就使线圈Y上电，其所有的触点状态发生改变；Y上电一直维持到合闸触发信号消失，合闸过程结束。这里线圈Y的作用就是防止合闸线圈二次上电，使在一次合闸信号内合闸线圈上电一次，这就是所谓的“反泵”。

在断路器的每次分合过程中，铁心的任何运动细节都会引起操作线圈电流的变化；同时，铁芯、线圈及其它相关机构如锁勾、连杆等的运行状态也可由操作线圈电流信号反映出来，这也是多年来利用操作线圈电流信号诊断断路器故障的原因。

2 电流信号及故障分析

一般情况下，线圈电流波形可以反映的状态有铁芯行程，铁芯卡滞，线圈状态（如是否有短路匝），与铁芯顶杆连接的铁闩和阀门的状态，合分线圈的辅助接点状况与转换时间。通过对分合操作线圈动作电流的监测，运行人员可以大致了解断路器二次控制回路的工作情况及铁芯的运动有无卡滞等，为检修提供一个辅助判据。下面以一标准的分闸线圈电流信号为例，如图2，分析一般情况下从电流信号中所提取的信息。

图中时间轴上的t0，t1，t2，t3就是代表了电磁铁动铁芯在触头脱扣或释能过程中的动作情况的几个关键时间点，也是一般处理线圈电流信号所需要提取的几个关键时间点。图中时间坐标零点代表分闸指令发出时刻，在t0时刻线圈开始通电；到t1时刻铁芯开始运动，t1就是开关分闸计时的起点，即铁芯开始移动的时刻，t0和t1与控制电源及线圈电阻有密切的关系；t2是触头开始运动的时刻，从t2时刻铁芯停止运动，开始由机构通过传动系统带动动触头开始分闸，t2—t1这段时间曲线的变化反应了电磁铁铁芯运动是否有卡制、脱扣、释能机械负载变动等的情况；t3时刻断路器辅助接点切断，t3—t4阶段电流达到近似的稳态；t4时刻辅助开关开断，此时刻之后电流迅速减小。同时B点电流可以反映电源电压，C点电流可以反映线圈电阻，D点电流可以反映电磁铁动铁芯的速度信息，这三点电流量也可以作为分析动作的参考。

图2 典型断路器分闸线圈电流信号

3 专家系统设计

3.1 推理机构与诊断原理

针对目前断路测试、检修的现状，设计了一个基于规则的断路器故障诊断专家系统，其中包括的规则主要来源于断路器检修人员经验与IEEE所建议的断路器故障诊断规则。专家系统的核心是推理机构，它主要包括数据库和推理引擎，数据库主要用来保存用于断路器故障诊断的各种规则信息和历史数据。推理机构根据诊断规则，找出输入信息与故障信息间的对应关系。其中数据库由三部分组成：原始知识库主要用来存储断路器诊断基本信息，如断路器安装使用说明中所规定的限值信息等，这一部分在安装后是不可更改；专家知识库可以存储断路器故障诊断专家根据经验所总结的诊断规则，它是可以通过人机接口人工添加的；自动更新知识库由系统根据一系列更新规则自动添加或删除的，主要存储系统根据不同断路器历次的输入信息所做出的趋势分析等，可用作下次诊断的参考，它对于一些缓变故障的预测比较有效。

设计中的推理引擎是由一系列规则处理程序组成的，如图3。信号经过预处理所提取的参数被输入到推理引擎，在这里主要是从线圈电流信号和触点状态信号中提取的时间参数、电流参数。推理的第一步是用一系列基本规则检测所提取的参数是否在其所容许的范围之内。如果一个参数超出了推理的设定范围，该参数所对应的所有推理规则将被激活，这些规则主要保存在原始知识库和专家知识库。激活规则的处理可以提供断路器故障的初步诊断结果，而与其并列的趋势分析则是根据各个参量的历史数据分析它的变化趋势，并对其可能出现的故障做出预测，使缓变故障在其发展阶段就能被检测出来，避免故障的发生。综合决策则是根据规则处理和趋势分析的结果综合分析，找出深层的、可能诱发的故障，同时对故障的原因作出分析，形成最终的诊断报告，以供断路其维护人员参考。

图3 推理引擎

3.2 一般推理规则

数据库中的每条诊断规则解释一个用于决策过程的知识框架。规则都使用IF-THEN表达，其中IF部分叫做前提，THEN叫推理。前提部分指定一系列的标准，只有满足了标准，该条规则才能被激活。规则激活后，推理中的处理程序才能被执行。一条推理可能给出断路器状态的最终诊断结果，也可能只是得出一个中间结果，以被其他规则或更复杂的推理使用。处于推理过程中间的规则一般只输出中间结果，但对于某故障敏感规则的输出也可以反映到最终的决策报告与检修建议中。

根据IEEE建议报告及断路器维护人员经验，设计断路器故障/检测信号对应关系，部分对应关系如图4。图中中间一层为检测信号，上、下两层为各种故障，连线关系表明该信号可以从某一方面反映故障，不同故障可能对应不同的特征参数。

图4 断路器故障/检测信号对应关系图

推理过程使用C++builder实现，并设计较好的人机界面。推理规则做成模块，供推理过程调用。专家系统有参数输入和信号输入两种输入方式，前者输入已经提取出来的参数；后者直接以文本文件方式输入信号。下面以两种典型的故障：分闸锁勾润滑不足、分闸线圈故障，来解释专家系统的推理过程。

4 实际应用分析

4.1 分闸锁勾润滑不足故障

断路器分闸锁勾润滑不足是断路器运行中经常会出现的一种故障，它是一种缓变故障，但如果不能在其发展过程中及时的检测出来并做出相应的处理，其结果会导致断路器出现拒分的恶性故障。这种故障可以通过对分闸线圈电流信号与触点转换时间的分析检测出来。首先信号预处理部分从此次操作的线圈电流信号中提取5点时间参数、3点电流参数，并由触点状态转换信号计算分闸操作时间。图5为连续3次分闸操作的电流信号和触点状态转换信号，从图中可以发现，断路器操作时间逐渐增长，尤其是t4时刻后移。利用信号方式依次将3次操作信号输入专家系统。对第一次操作信号，系统输出表示正常；对第二次操作信号，经过规则判断发现：t4时刻后移超过设定阈值。与t4相关规则被激活，经规则判断与趋势分析，结果是不能导致故障。在输入第三次操作信号时，系统输出结果。与t4相关的规则再次被激活，继续处理后发现线圈耗能增加超过设定阈值2.1%，纹波系数低于上次操作；同时发现分闸操作时间比上次操作增加2.5 ms。趋势分析单元得出结论：最近连续两次线圈耗能增加，分别为1.5%、1.4%，t4时刻后移分别为1.9，3.3 ms。综合决策部分据此判断机构润滑不充分，并给出报警信息：再经2次操作后可能有拒分故障出现。

图5 连续3次分闸操作信号（3次依次为倒角由左至右）

4.2 操作线圈故障

图6 断路器分闸操作信号（上曲线正常）

操作线圈故障也是断路器运行过程中经常出现的另外一种故障。这种故障的发生时一般比较突然，看不出前期预兆，图6就是以典型的分闸线圈故障时的操作电流与触点状态信号的对比图。从图6中可以看出，在发生线圈故障时，线圈电流低于正常值，同时器操作时间也较正常状况加长。如上所述，以信号方式输入专家系统诊断，此时与I1，I2，I3，t4相关的规则激活，同时发现电流AB段斜率低于正常，电流扰动有所增加；趋势分析认为这是偶然状况，不能预测。综合分析后，系统得出结果：分闸线圈阻抗增加。

5 结语

该文在详细介绍断路器分、合闸操作过程的基础上，分析了断路器操作线圈电流的特性及其在断路器故障诊断中的应用，并专门就操作线圈电流信号和触点状态信号设计一实用的故障诊断专家系统。经试验验证，该专家系统可以准确地诊断出断路器多种故障，并在目前断路器维护现状的基础上给出合理的检修建议。不过同时也可以发现，所设计的故障诊断专家系统由于推理过程复杂、用时较长，难以用于小型CPU如单片机、DSP等所设计的本体在线诊断系统，不过这可以通过变电所的所有断路器监测组网、主控室集中深层诊断来解决。

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