基于多特征参量融合的断路器动作预判系统研究

胡恩德 宣荣生 赵伟苗 倪钱杭 方珺

摘要：本文以PLC作为微处理器核心，并结合多种高精度传感器采集断路器相应的电流、温度、保护、辅助接点等动作特征参量，同时，以检修专家多年对断路器动作、检修故障事例的检修分析经验，形成断路器动作分析专家数据库，研制出了一套断路器动作预判系统。研究表明，该预判系统能准确判断出断路器的动作性质，提高了检修人员对断路器的检修效率。

关键词：断路器；动作预判；特征参量；检修

1 預判系统结构框架

系统的结构原理图如下图。系统采用具有高稳定性高可靠性的工业级微处理器PLC作为信号采集、处理与控制的核心，利用温度传感器与电流传感器测量跳闸线圈的温度与电流变化率并将信息传输至PLC处理器，同时，采用PLC微处理器获取断路器控制柜中的保护信号与接点信号作为辅助判断。预判系统将实时记录电流、温度、保护信号与节点信号，并利用PLC处理器中的专家知识数据库，根据特征量的变化做出相应的判断。

2 预判系统的设计

2.1 系统的硬件设计

系统装置的硬件主要包括电源模块、微处理器核心、温度传感器模块、电流传感器模块、LCD显示模块等五大模块。

2.1.1 电源模块

电源模块采用输入电压为交流220V以及输出为5V的常用电源模块，该电源模块集成在系统装置中，所占用体积较小，方便灵活。

2.1.2 微处理器模块

微处理器采用型号为SIMATIC S7-1200系列的工业级处理器PLC，具有可扩展性的突出优点，可在任何CPU的前方加入一个信号板，轻松扩展数字或模拟I/O。其次，支持以太网接口传输信号，具有高速运行的传输的功能， 具有用于进行计算和测量、闭环回路控制和运动控制的集成技术，是一个功能非常强大的系统，可以实现多种类型的自动化任务。另外，PLC是工业级微处理器，在运行环境较为复杂，强电磁场存在的情况下，具有较强的抗干扰能力。

2.1.3 温度传感器模块

温度传感器模块采用热电偶与AD8497芯片电路两者相结合的方式对跳闸线圈的温度进行采集。传感器的实物图与电路图如下所示。热电偶用于将现场温度转换成热电动势信号，可对0℃到1300℃范围的液体蒸汽和气体介质以及固体的表面温度进行测量。热电偶必须要结合二次仪表方能工作，因此使用AD8497芯片将温度测量值直接转换成二进制数字并输出。

2.1.4 电流传感器模块

通常跳闸线圈的通电电流不大于5A，因此可采用额定电流为10A或20A的闭环式霍尔电流传感器，选型为南京中霍传感科技公司生产的HCS-LTS系列电流传感器。将霍尔电流传感器直接穿芯嵌套在跳闸线圈中，并使其固定防止接触线圈。该系列电流传感器将电流量输出电压量，可通过外部模数采集模块进行采集。

2.1.5 LCD液晶显示模块

LCD液晶显示模块采用简单的12864显示屏，可以显示图形数字符号，主要用于显示断路器动作时的信号变化与预判结果。

保护信号与辅助节点信号已经集成在断路器保护控制柜中，利用PLC控制器的外围资源直接获取两者的信号变化。

2.2 系统的软件设计

系统装置的软件设计主要是完成对跳闸线圈的温度变化与电流变化的采集，同时获取保护信号与辅助节点信号。电流传感器与温度传感器分别测量跳闸线圈的电流变化与温度变化。

当预判系统上电开始工作，电流传感器、温度传感器、两个外围管脚分别对跳闸线圈的电流变化、温度变化以及保护信号与辅助接点信号进行实时采集记录。当任何一个特征参量发生改变时，处理器记录四个特征参量的数值，记录参量发生变化前一刻的四个参量值，保存在处理器中，并将前后变化的数值显示在液晶屏中。同时，将四个数值的变化所形成的逻辑在专家数据库中进行查询对比，找出相应的故障信息。

2.3 专家知识数据库

专家知识库是专家系统的核心之一，其主要功能是存储和管理专家系统中的知识，主要包括来自书本上的知识和各领域专家在长期的工作实践中所获得的经验知识。

处理器中的专家知识数据库集成了断路器出现动作时的多种原因或故障分析结果，这些原因通常是检修专家在平时对断路器进行故障缺陷处理与分析时得出，一般从断路器故障的外在表现，再深入分析或解剖断路器等方式得到。因此，专家知识数据库基本上涵盖了断路器可能出现的各种故障。下表1列出了断路器在温度变化量、电流变化量、保护出口信号以及辅助接点等四种特征参量的不同变化时，断路器可能出现的故障原因情况。

当断路器出现某种故障或动作时，根据预判装置中的传感器测量得到的四种特征参量变化情况，在专家知识数据库中查询相应的故障缺陷，从而对断路器动作的性质做出判断。

3、预判系统有效性试验验证

为了验证该断路器动作预判系统的有效性与判断的准确性，本文对系统进行了试验验证。

由于线圈是一种金属材料，其电阻值会随着温度的变化而发生改变（在线圈没有烧毁前，温度越高，电阻越大）。因此，通电线圈的电流与温度间的关系不是线性关系，需要先探究线圈的电流与温度间的关系。对线圈施加220V的稳定的直流电压，每隔一段时间采集线圈的电流幅值与温度幅值，直至线圈烧毁，结果如下表1所示：

从表1可以发现，线圈的温度随着通电时间的增加而呈现单一的上升趋势，而线圈的电流则随着通电时间的增加呈现单一下降趋势，最后在110秒的时刻，电流幅值发生突变，反弹增大，说明此刻线圈已经发生烧毁，温度也达到最大幅值，如下图1所示。

电流的变化呈现下降趋势，电流的变化呈现上升趋势，考虑到特征量前后变化差值的正负性，在判断时以差值的绝对值作为判断值。同时，考虑到直流稳压电源的波动，将电流变化值0.1A以及温度的变化值0.2℃作为变化阈值。