白 麗，胡曉光

（1.中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林 長(zhǎng)春 130021；2.北京航空航天大學(xué)，北京 100191）

斷路器作為電力系統(tǒng)中重要的設(shè)備，它擔(dān)負(fù)著開斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)安排各種負(fù)載網(wǎng)絡(luò)配置的任務(wù)；同時(shí)，斷路器還用于隔離系統(tǒng)故障部分，減小部分故障對(duì)電網(wǎng)帶來的影響。如此重要的作用就要求斷路器實(shí)時(shí)準(zhǔn)備操作，任何操作失誤都可能帶來嚴(yán)重的后果。為了避免斷路器的誤操作，對(duì)斷路器進(jìn)行檢修和維護(hù)必不可少。

1 斷路器運(yùn)行分析

斷路器的操作是通過其本身的2個(gè)部分的控制電路來完成的，即合閘控制電路和分閘控制電路，其簡(jiǎn)化電路如圖1所示。

圖1 斷路器控制電路簡(jiǎn)化圖

斷路器分閘控制電路主要包括：分閘線圈TC和輔助觸點(diǎn)c，圖中其余的部分即為合閘控制電路。

當(dāng)斷路器處于“合”狀態(tài)時(shí)，所有的c觸點(diǎn)處于“合”位。控制室給控制電路發(fā)分閘動(dòng)作信號(hào)，分閘線圈TC上電，產(chǎn)生分閘線圈電流，分閘電磁鐵蓄能。當(dāng)能量到達(dá)一定程度時(shí)鐵芯被推出線圈，使維持蓄能的掣子動(dòng)作，壓縮彈簧釋放能量以驅(qū)動(dòng)其它機(jī)構(gòu)分開主觸頭；斷路器主觸頭一旦打開，輔助觸點(diǎn)c，d隨之改變狀態(tài)，分閘線圈去電，分閘操作完成，斷路器準(zhǔn)備合閘操作。因而在分閘狀態(tài)，輔助接點(diǎn)c處于“分”位，d處于“合”位。當(dāng)控制室發(fā)出合閘信號(hào)時(shí)，由于Yb觸點(diǎn)處于“合”位，X線圈上電，Xa觸點(diǎn)閉合，從而給合閘線圈CC上電，產(chǎn)生合閘線圈電流；當(dāng)合閘電磁鐵能量達(dá)到一定程度時(shí)鐵芯被推出線圈，使壓縮彈簧釋放能量，閉合主觸頭；主觸頭一旦閉合，機(jī)構(gòu)就會(huì)同時(shí)閉合輔助觸點(diǎn)c、打開輔助觸點(diǎn)d，這樣就使線圈Y上電，其所有的觸點(diǎn)狀態(tài)發(fā)生改變；Y上電一直維持到合閘觸發(fā)信號(hào)消失，合閘過程結(jié)束。這里線圈Y的作用就是防止合閘線圈二次上電，使在一次合閘信號(hào)內(nèi)合閘線圈上電一次，這就是所謂的“反泵”。

在斷路器的每次分合過程中，鐵心的任何運(yùn)動(dòng)細(xì)節(jié)都會(huì)引起操作線圈電流的變化；同時(shí)，鐵芯、線圈及其它相關(guān)機(jī)構(gòu)如鎖勾、連桿等的運(yùn)行狀態(tài)也可由操作線圈電流信號(hào)反映出來，這也是多年來利用操作線圈電流信號(hào)診斷斷路器故障的原因。

2 電流信號(hào)及故障分析

一般情況下，線圈電流波形可以反映的狀態(tài)有鐵芯行程，鐵芯卡滯，線圈狀態(tài)（如是否有短路匝），與鐵芯頂桿連接的鐵閂和閥門的狀態(tài)，合分線圈的輔助接點(diǎn)狀況與轉(zhuǎn)換時(shí)間。通過對(duì)分合操作線圈動(dòng)作電流的監(jiān)測(cè)，運(yùn)行人員可以大致了解斷路器二次控制回路的工作情況及鐵芯的運(yùn)動(dòng)有無卡滯等，為檢修提供一個(gè)輔助判據(jù)。下面以一標(biāo)準(zhǔn)的分閘線圈電流信號(hào)為例，如圖2，分析一般情況下從電流信號(hào)中所提取的信息。

圖中時(shí)間軸上的t0，t1，t2，t3就是代表了電磁鐵動(dòng)鐵芯在觸頭脫扣或釋能過程中的動(dòng)作情況的幾個(gè)關(guān)鍵時(shí)間點(diǎn)，也是一般處理線圈電流信號(hào)所需要提取的幾個(gè)關(guān)鍵時(shí)間點(diǎn)。圖中時(shí)間坐標(biāo)零點(diǎn)代表分閘指令發(fā)出時(shí)刻，在t0時(shí)刻線圈開始通電；到t1時(shí)刻鐵芯開始運(yùn)動(dòng)，t1就是開關(guān)分閘計(jì)時(shí)的起點(diǎn)，即鐵芯開始移動(dòng)的時(shí)刻，t0和t1與控制電源及線圈電阻有密切的關(guān)系；t2是觸頭開始運(yùn)動(dòng)的時(shí)刻，從t2時(shí)刻鐵芯停止運(yùn)動(dòng)，開始由機(jī)構(gòu)通過傳動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)動(dòng)觸頭開始分閘，t2—t1這段時(shí)間曲線的變化反應(yīng)了電磁鐵鐵芯運(yùn)動(dòng)是否有卡制、脫扣、釋能機(jī)械負(fù)載變動(dòng)等的情況；t3時(shí)刻斷路器輔助接點(diǎn)切斷，t3—t4階段電流達(dá)到近似的穩(wěn)態(tài)；t4時(shí)刻輔助開關(guān)開斷，此時(shí)刻之后電流迅速減小。同時(shí)B點(diǎn)電流可以反映電源電壓，C點(diǎn)電流可以反映線圈電阻，D點(diǎn)電流可以反映電磁鐵動(dòng)鐵芯的速度信息，這三點(diǎn)電流量也可以作為分析動(dòng)作的參考。

圖2 典型斷路器分閘線圈電流信號(hào)

3 專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 推理機(jī)構(gòu)與診斷原理

針對(duì)目前斷路測(cè)試、檢修的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于規(guī)則的斷路器故障診斷專家系統(tǒng)，其中包括的規(guī)則主要來源于斷路器檢修人員經(jīng)驗(yàn)與IEEE所建議的斷路器故障診斷規(guī)則。專家系統(tǒng)的核心是推理機(jī)構(gòu)，它主要包括數(shù)據(jù)庫(kù)和推理引擎，數(shù)據(jù)庫(kù)主要用來保存用于斷路器故障診斷的各種規(guī)則信息和歷史數(shù)據(jù)。推理機(jī)構(gòu)根據(jù)診斷規(guī)則，找出輸入信息與故障信息間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。其中數(shù)據(jù)庫(kù)由三部分組成：原始知識(shí)庫(kù)主要用來存儲(chǔ)斷路器診斷基本信息，如斷路器安裝使用說明中所規(guī)定的限值信息等，這一部分在安裝后是不可更改；專家知識(shí)庫(kù)可以存儲(chǔ)斷路器故障診斷專家根據(jù)經(jīng)驗(yàn)所總結(jié)的診斷規(guī)則，它是可以通過人機(jī)接口人工添加的；自動(dòng)更新知識(shí)庫(kù)由系統(tǒng)根據(jù)一系列更新規(guī)則自動(dòng)添加或刪除的，主要存儲(chǔ)系統(tǒng)根據(jù)不同斷路器歷次的輸入信息所做出的趨勢(shì)分析等，可用作下次診斷的參考，它對(duì)于一些緩變故障的預(yù)測(cè)比較有效。

設(shè)計(jì)中的推理引擎是由一系列規(guī)則處理程序組成的，如圖3。信號(hào)經(jīng)過預(yù)處理所提取的參數(shù)被輸入到推理引擎，在這里主要是從線圈電流信號(hào)和觸點(diǎn)狀態(tài)信號(hào)中提取的時(shí)間參數(shù)、電流參數(shù)。推理的第一步是用一系列基本規(guī)則檢測(cè)所提取的參數(shù)是否在其所容許的范圍之內(nèi)。如果一個(gè)參數(shù)超出了推理的設(shè)定范圍，該參數(shù)所對(duì)應(yīng)的所有推理規(guī)則將被激活，這些規(guī)則主要保存在原始知識(shí)庫(kù)和專家知識(shí)庫(kù)。激活規(guī)則的處理可以提供斷路器故障的初步診斷結(jié)果，而與其并列的趨勢(shì)分析則是根據(jù)各個(gè)參量的歷史數(shù)據(jù)分析它的變化趨勢(shì)，并對(duì)其可能出現(xiàn)的故障做出預(yù)測(cè)，使緩變故障在其發(fā)展階段就能被檢測(cè)出來，避免故障的發(fā)生。綜合決策則是根據(jù)規(guī)則處理和趨勢(shì)分析的結(jié)果綜合分析，找出深層的、可能誘發(fā)的故障，同時(shí)對(duì)故障的原因作出分析，形成最終的診斷報(bào)告，以供斷路其維護(hù)人員參考。

圖3 推理引擎

3.2 一般推理規(guī)則

數(shù)據(jù)庫(kù)中的每條診斷規(guī)則解釋一個(gè)用于決策過程的知識(shí)框架。規(guī)則都使用IF-THEN表達(dá)，其中IF部分叫做前提，THEN叫推理。前提部分指定一系列的標(biāo)準(zhǔn)，只有滿足了標(biāo)準(zhǔn)，該條規(guī)則才能被激活。規(guī)則激活后，推理中的處理程序才能被執(zhí)行。一條推理可能給出斷路器狀態(tài)的最終診斷結(jié)果，也可能只是得出一個(gè)中間結(jié)果，以被其他規(guī)則或更復(fù)雜的推理使用。處于推理過程中間的規(guī)則一般只輸出中間結(jié)果，但對(duì)于某故障敏感規(guī)則的輸出也可以反映到最終的決策報(bào)告與檢修建議中。

根據(jù)IEEE建議報(bào)告及斷路器維護(hù)人員經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)斷路器故障/檢測(cè)信號(hào)對(duì)應(yīng)關(guān)系，部分對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖4。圖中中間一層為檢測(cè)信號(hào)，上、下兩層為各種故障，連線關(guān)系表明該信號(hào)可以從某一方面反映故障，不同故障可能對(duì)應(yīng)不同的特征參數(shù)。

圖4 斷路器故障/檢測(cè)信號(hào)對(duì)應(yīng)關(guān)系圖

推理過程使用C++builder實(shí)現(xiàn)，并設(shè)計(jì)較好的人機(jī)界面。推理規(guī)則做成模塊，供推理過程調(diào)用。專家系統(tǒng)有參數(shù)輸入和信號(hào)輸入兩種輸入方式，前者輸入已經(jīng)提取出來的參數(shù)；后者直接以文本文件方式輸入信號(hào)。下面以兩種典型的故障：分閘鎖勾潤(rùn)滑不足、分閘線圈故障，來解釋專家系統(tǒng)的推理過程。

4 實(shí)際應(yīng)用分析

4.1 分閘鎖勾潤(rùn)滑不足故障

斷路器分閘鎖勾潤(rùn)滑不足是斷路器運(yùn)行中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)的一種故障，它是一種緩變故障，但如果不能在其發(fā)展過程中及時(shí)的檢測(cè)出來并做出相應(yīng)的處理，其結(jié)果會(huì)導(dǎo)致斷路器出現(xiàn)拒分的惡性故障。這種故障可以通過對(duì)分閘線圈電流信號(hào)與觸點(diǎn)轉(zhuǎn)換時(shí)間的分析檢測(cè)出來。首先信號(hào)預(yù)處理部分從此次操作的線圈電流信號(hào)中提取5點(diǎn)時(shí)間參數(shù)、3點(diǎn)電流參數(shù)，并由觸點(diǎn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號(hào)計(jì)算分閘操作時(shí)間。圖5為連續(xù)3次分閘操作的電流信號(hào)和觸點(diǎn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號(hào)，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，斷路器操作時(shí)間逐漸增長(zhǎng)，尤其是t4時(shí)刻后移。利用信號(hào)方式依次將3次操作信號(hào)輸入專家系統(tǒng)。對(duì)第一次操作信號(hào)，系統(tǒng)輸出表示正常；對(duì)第二次操作信號(hào)，經(jīng)過規(guī)則判斷發(fā)現(xiàn)：t4時(shí)刻后移超過設(shè)定閾值。與t4相關(guān)規(guī)則被激活，經(jīng)規(guī)則判斷與趨勢(shì)分析，結(jié)果是不能導(dǎo)致故障。在輸入第三次操作信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)輸出結(jié)果。與t4相關(guān)的規(guī)則再次被激活，繼續(xù)處理后發(fā)現(xiàn)線圈耗能增加超過設(shè)定閾值2.1%，紋波系數(shù)低于上次操作；同時(shí)發(fā)現(xiàn)分閘操作時(shí)間比上次操作增加2.5 ms。趨勢(shì)分析單元得出結(jié)論：最近連續(xù)兩次線圈耗能增加，分別為1.5%、1.4%，t4時(shí)刻后移分別為1.9，3.3 ms。綜合決策部分據(jù)此判斷機(jī)構(gòu)潤(rùn)滑不充分，并給出報(bào)警信息：再經(jīng)2次操作后可能有拒分故障出現(xiàn)。

圖5 連續(xù)3次分閘操作信號(hào)（3次依次為倒角由左至右）

4.2 操作線圈故障

圖6 斷路器分閘操作信號(hào)（上曲線正常）

操作線圈故障也是斷路器運(yùn)行過程中經(jīng)常出現(xiàn)的另外一種故障。這種故障的發(fā)生時(shí)一般比較突然，看不出前期預(yù)兆，圖6就是以典型的分閘線圈故障時(shí)的操作電流與觸點(diǎn)狀態(tài)信號(hào)的對(duì)比圖。從圖6中可以看出，在發(fā)生線圈故障時(shí)，線圈電流低于正常值，同時(shí)器操作時(shí)間也較正常狀況加長(zhǎng)。如上所述，以信號(hào)方式輸入專家系統(tǒng)診斷，此時(shí)與I1，I2，I3，t4相關(guān)的規(guī)則激活，同時(shí)發(fā)現(xiàn)電流AB段斜率低于正常，電流擾動(dòng)有所增加；趨勢(shì)分析認(rèn)為這是偶然狀況，不能預(yù)測(cè)。綜合分析后，系統(tǒng)得出結(jié)果：分閘線圈阻抗增加。

5 結(jié)語

該文在詳細(xì)介紹斷路器分、合閘操作過程的基礎(chǔ)上，分析了斷路器操作線圈電流的特性及其在斷路器故障診斷中的應(yīng)用，并專門就操作線圈電流信號(hào)和觸點(diǎn)狀態(tài)信號(hào)設(shè)計(jì)一實(shí)用的故障診斷專家系統(tǒng)。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，該專家系統(tǒng)可以準(zhǔn)確地診斷出斷路器多種故障，并在目前斷路器維護(hù)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上給出合理的檢修建議。不過同時(shí)也可以發(fā)現(xiàn)，所設(shè)計(jì)的故障診斷專家系統(tǒng)由于推理過程復(fù)雜、用時(shí)較長(zhǎng)，難以用于小型CPU如單片機(jī)、DSP等所設(shè)計(jì)的本體在線診斷系統(tǒng)，不過這可以通過變電所的所有斷路器監(jiān)測(cè)組網(wǎng)、主控室集中深層診斷來解決。

[1] A.A.Polycarpou，A.Soom et al，Event timing and shape analysis of vibration bursts from power circuit breakers[J].IEEE Trans.Power Delivery，1996，11(2)：848-857.

[2] M.Runde，G.E.Ottesenetal，Vibrationanalysisfordiagnostic testing of circuit breakers[J].IEEE Trans.Power Delivery，1996，11(4)：1816-1823.

[3]董明，孟源源，徐長(zhǎng)響，嚴(yán)璋.基于支持向量基及油中溶解氣體分析的大型電力變壓器故障診斷模型的研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2003，23(7)：88-92.

[4]沈力，黃瑜瓏，錢家驪.高壓斷路器機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)的研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，1997,17(2)∶113-117.

[5]李凌均，張周鎖，何正嘉.支持向量機(jī)在機(jī)械故障診斷中的應(yīng)用研究[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2002，38(19)∶19-21.