斷路器故障診斷專家系統研究

白 麗，胡曉光

（1.中水東北勘測設計研究有限責任公司，吉林 長春 130021；2.北京航空航天大學，北京 100191）

斷路器作為電力系統中重要的設備，它擔負著開斷系統結構，以實現安排各種負載網絡配置的任務；同時，斷路器還用于隔離系統故障部分，減小部分故障對電網帶來的影響。如此重要的作用就要求斷路器實時準備操作，任何操作失誤都可能帶來嚴重的后果。為了避免斷路器的誤操作，對斷路器進行檢修和維護必不可少。

1 斷路器運行分析

斷路器的操作是通過其本身的2個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，其簡化電路如圖1所示。

圖1 斷路器控制電路簡化圖

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

當斷路器處于“合”狀態時，所有的c觸點處于“合”位。控制室給控制電路發分閘動作信號，分閘線圈TC上電，產生分閘線圈電流，分閘電磁鐵蓄能。當能量到達一定程度時鐵芯被推出線圈，使維持蓄能的掣子動作，壓縮彈簧釋放能量以驅動其它機構分開主觸頭；斷路器主觸頭一旦打開，輔助觸點c，d隨之改變狀態，分閘線圈去電，分閘操作完成，斷路器準備合閘操作。因而在分閘狀態，輔助接點c處于“分”位，d處于“合”位。當控制室發出合閘信號時，由于Yb觸點處于“合”位，X線圈上電，Xa觸點閉合，從而給合閘線圈CC上電，產生合閘線圈電流；當合閘電磁鐵能量達到一定程度時鐵芯被推出線圈，使壓縮彈簧釋放能量，閉合主觸頭；主觸頭一旦閉合，機構就會同時閉合輔助觸點c、打開輔助觸點d，這樣就使線圈Y上電，其所有的觸點狀態發生改變；Y上電一直維持到合閘觸發信號消失，合閘過程結束。這里線圈Y的作用就是防止合閘線圈二次上電，使在一次合閘信號內合閘線圈上電一次，這就是所謂的“反泵”。

在斷路器的每次分合過程中，鐵心的任何運動細節都會引起操作線圈電流的變化；同時，鐵芯、線圈及其它相關機構如鎖勾、連桿等的運行狀態也可由操作線圈電流信號反映出來，這也是多年來利用操作線圈電流信號診斷斷路器故障的原因。

2 電流信號及故障分析

一般情況下，線圈電流波形可以反映的狀態有鐵芯行程，鐵芯卡滯，線圈狀態（如是否有短路匝），與鐵芯頂桿連接的鐵閂和閥門的狀態，合分線圈的輔助接點狀況與轉換時間。通過對分合操作線圈動作電流的監測，運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動有無卡滯等，為檢修提供一個輔助判據。下面以一標準的分閘線圈電流信號為例，如圖2，分析一般情況下從電流信號中所提取的信息。

圖中時間軸上的t0，t1，t2，t3就是代表了電磁鐵動鐵芯在觸頭脫扣或釋能過程中的動作情況的幾個關鍵時間點，也是一般處理線圈電流信號所需要提取的幾個關鍵時間點。圖中時間坐標零點代表分閘指令發出時刻，在t0時刻線圈開始通電；到t1時刻鐵芯開始運動，t1就是開關分閘計時的起點，即鐵芯開始移動的時刻，t0和t1與控制電源及線圈電阻有密切的關系；t2是觸頭開始運動的時刻，從t2時刻鐵芯停止運動，開始由機構通過傳動系統帶動動觸頭開始分閘，t2—t1這段時間曲線的變化反應了電磁鐵鐵芯運動是否有卡制、脫扣、釋能機械負載變動等的情況；t3時刻斷路器輔助接點切斷，t3—t4階段電流達到近似的穩態；t4時刻輔助開關開斷，此時刻之后電流迅速減小。同時B點電流可以反映電源電壓，C點電流可以反映線圈電阻，D點電流可以反映電磁鐵動鐵芯的速度信息，這三點電流量也可以作為分析動作的參考。

圖2 典型斷路器分閘線圈電流信號

3 專家系統設計

3.1 推理機構與診斷原理

針對目前斷路測試、檢修的現狀，設計了一個基于規則的斷路器故障診斷專家系統，其中包括的規則主要來源于斷路器檢修人員經驗與IEEE所建議的斷路器故障診斷規則。專家系統的核心是推理機構，它主要包括數據庫和推理引擎，數據庫主要用來保存用于斷路器故障診斷的各種規則信息和歷史數據。推理機構根據診斷規則，找出輸入信息與故障信息間的對應關系。其中數據庫由三部分組成：原始知識庫主要用來存儲斷路器診斷基本信息，如斷路器安裝使用說明中所規定的限值信息等，這一部分在安裝后是不可更改；專家知識庫可以存儲斷路器故障診斷專家根據經驗所總結的診斷規則，它是可以通過人機接口人工添加的；自動更新知識庫由系統根據一系列更新規則自動添加或刪除的，主要存儲系統根據不同斷路器歷次的輸入信息所做出的趨勢分析等，可用作下次診斷的參考，它對于一些緩變故障的預測比較有效。

設計中的推理引擎是由一系列規則處理程序組成的，如圖3。信號經過預處理所提取的參數被輸入到推理引擎，在這里主要是從線圈電流信號和觸點狀態信號中提取的時間參數、電流參數。推理的第一步是用一系列基本規則檢測所提取的參數是否在其所容許的范圍之內。如果一個參數超出了推理的設定范圍，該參數所對應的所有推理規則將被激活，這些規則主要保存在原始知識庫和專家知識庫。激活規則的處理可以提供斷路器故障的初步診斷結果，而與其并列的趨勢分析則是根據各個參量的歷史數據分析它的變化趨勢，并對其可能出現的故障做出預測，使緩變故障在其發展階段就能被檢測出來，避免故障的發生。綜合決策則是根據規則處理和趨勢分析的結果綜合分析，找出深層的、可能誘發的故障，同時對故障的原因作出分析，形成最終的診斷報告，以供斷路其維護人員參考。

圖3 推理引擎

3.2 一般推理規則

數據庫中的每條診斷規則解釋一個用于決策過程的知識框架。規則都使用IF-THEN表達，其中IF部分叫做前提，THEN叫推理。前提部分指定一系列的標準，只有滿足了標準，該條規則才能被激活。規則激活后，推理中的處理程序才能被執行。一條推理可能給出斷路器狀態的最終診斷結果，也可能只是得出一個中間結果，以被其他規則或更復雜的推理使用。處于推理過程中間的規則一般只輸出中間結果，但對于某故障敏感規則的輸出也可以反映到最終的決策報告與檢修建議中。

根據IEEE建議報告及斷路器維護人員經驗，設計斷路器故障/檢測信號對應關系，部分對應關系如圖4。圖中中間一層為檢測信號，上、下兩層為各種故障，連線關系表明該信號可以從某一方面反映故障，不同故障可能對應不同的特征參數。

圖4 斷路器故障/檢測信號對應關系圖

推理過程使用C++builder實現，并設計較好的人機界面。推理規則做成模塊，供推理過程調用。專家系統有參數輸入和信號輸入兩種輸入方式，前者輸入已經提取出來的參數；后者直接以文本文件方式輸入信號。下面以兩種典型的故障：分閘鎖勾潤滑不足、分閘線圈故障，來解釋專家系統的推理過程。

4 實際應用分析

4.1 分閘鎖勾潤滑不足故障

斷路器分閘鎖勾潤滑不足是斷路器運行中經常會出現的一種故障，它是一種緩變故障，但如果不能在其發展過程中及時的檢測出來并做出相應的處理，其結果會導致斷路器出現拒分的惡性故障。這種故障可以通過對分閘線圈電流信號與觸點轉換時間的分析檢測出來。首先信號預處理部分從此次操作的線圈電流信號中提取5點時間參數、3點電流參數，并由觸點狀態轉換信號計算分閘操作時間。圖5為連續3次分閘操作的電流信號和觸點狀態轉換信號，從圖中可以發現，斷路器操作時間逐漸增長，尤其是t4時刻后移。利用信號方式依次將3次操作信號輸入專家系統。對第一次操作信號，系統輸出表示正常；對第二次操作信號，經過規則判斷發現：t4時刻后移超過設定閾值。與t4相關規則被激活，經規則判斷與趨勢分析，結果是不能導致故障。在輸入第三次操作信號時，系統輸出結果。與t4相關的規則再次被激活，繼續處理后發現線圈耗能增加超過設定閾值2.1%，紋波系數低于上次操作；同時發現分閘操作時間比上次操作增加2.5 ms。趨勢分析單元得出結論：最近連續兩次線圈耗能增加，分別為1.5%、1.4%，t4時刻后移分別為1.9，3.3 ms。綜合決策部分據此判斷機構潤滑不充分，并給出報警信息：再經2次操作后可能有拒分故障出現。

圖5 連續3次分閘操作信號（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（上曲線正常）

操作線圈故障也是斷路器運行過程中經常出現的另外一種故障。這種故障的發生時一般比較突然，看不出前期預兆，圖6就是以典型的分閘線圈故障時的操作電流與觸點狀態信號的對比圖。從圖6中可以看出，在發生線圈故障時，線圈電流低于正常值，同時器操作時間也較正常狀況加長。如上所述，以信號方式輸入專家系統診斷，此時與I1，I2，I3，t4相關的規則激活，同時發現電流AB段斜率低于正常，電流擾動有所增加；趨勢分析認為這是偶然狀況，不能預測。綜合分析后，系統得出結果：分閘線圈阻抗增加。

5 結語

該文在詳細介紹斷路器分、合閘操作過程的基礎上，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用，并專門就操作線圈電流信號和觸點狀態信號設計一實用的故障診斷專家系統。經試驗驗證，該專家系統可以準確地診斷出斷路器多種故障，并在目前斷路器維護現狀的基礎上給出合理的檢修建議。不過同時也可以發現，所設計的故障診斷專家系統由于推理過程復雜、用時較長，難以用于小型CPU如單片機、DSP等所設計的本體在線診斷系統，不過這可以通過變電所的所有斷路器監測組網、主控室集中深層診斷來解決。

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