CN105067997B - 一种开关设备弹簧操动机构故障诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种开关设备弹簧操动机构故障诊断方法，首先采集弹簧操动机构在运动过程中电磁铁中的感应电流；然后根据采集到的感应电流得到线圈充电时间、铁芯运动时间和在线圈充电完成时刻的电流特征值；最后实际得到的参数与正常情况下的对应的参数进行比较，进行断路器弹簧操动机构的故障诊断。该方法不但过程简单，只需采集电磁铁的感应电流即可进行故障的诊断，而且，该方法的判断依据是与弹簧操动机构之间有着密切关联的线圈感应电流，所以该方法能够准确有效地对断路器故障进行诊断。

Description

一种开关设备弹簧操动机构故障诊断方法

技术领域

本发明涉及一种开关设备弹簧操动机构故障诊断方法，属于开关设备故障诊断技术领域。

背景技术

国内外对弹簧操动机构的在线监测与机械故障诊断这个课题都作过许多研究，一些高等院校等科研单位和开关设备厂家对弹簧操动机构机械特性监测和故障诊断方面进行了有益的探索。目前大多数探索和研究还都仅限于理论分析层面上，仅有个别实现了对电磁铁中感应电流在弹簧机构运动过程中变化的监测，但并未研制出较为可靠的弹簧操动机构机械故障分析及诊断方法，也未能研发出稳定实用的机械故障分析诊断仪器或装置。

目前市面上可用的电磁铁感应电流在线监测产品所采用的方式基本都是在弹簧操动机构电磁铁感应线圈回路上挂载小电流传感器来实现的，通过小电流传感器测量线圈中感应电流的变化来替代性地表征当前弹簧操动机构的运动特征。仅通过电流大小或者电流变化率的方式仅能实现某些故障的监测，但是实际上，故障的类型很多，现有方法无法全部检测出来，这就会导致保护的误动或者拒动。

发明内容

本发明的目的是提供一种开关设备弹簧操动机构故障诊断方法，用以解决现有技术中无法检测所有的故障类型的问题。

为实现上述目的，本发明的方案包括一种开关设备弹簧操动机构故障诊断方法，所述故障诊断方法的步骤为：

1)、采集弹簧操动机构在运动过程中电磁铁中的感应电流；

2)、根据采集到的感应电流得到若干特征值，所述特征值包括：线圈充电时间、铁芯运动时间和线圈充电完成时刻的电流值；

3)、将实际得到的特征值与弹簧操动机构在正常情况下的对应的特征值进行比较，并且依据已知的各种故障状态下的特征值，判断开关设备弹簧操动机构的故障类型。

所述步骤3)具体为：如果实际得到的线圈充电时间比正常情况下的线圈充电时间长、实际得到的铁芯运动时间比正常情况下的铁芯运动时间长、且实际得到的线圈充电完成时刻的电流值比正常情况下的线圈充电完成时刻的电流值大，则开关设备弹簧操动机构的故障为：电磁铁铁芯卡涩。

如果实际得到的线圈充电时间比正常情况下的线圈充电时间长、实际得到的铁芯运动时间等于正常情况下的铁芯运动时间、且实际得到的线圈充电完成时刻的电流值比正常情况下的线圈充电完成时刻的电流值大，则说明铁芯启动时的阻力增加。

所述步骤3)具体为：如果实际得到的线圈充电时间比正常情况下的线圈充电时间短、实际得到的铁芯运动时间比正常情况下的铁芯运动时间短、且实际得到的线圈充电完成时刻的电流值比正常情况下的线圈充电完成时刻的电流值小，则开关设备弹簧操动机构的故障为：开关设备电磁铁铁芯不复位。

所述特征值还包括触头碰撞完成时刻的电流值，所述步骤3)具体为：如果实际得到的线圈充电时间比正常情况下的线圈充电时间短、实际得到的铁芯运动时间比正常情况下的铁芯运动时间短、实际得到的线圈充电完成时刻的电流值超出正常情况下的线圈充电完成时刻的电流值第一设定值、且实际得到的触头碰撞完成时刻的电流值超出正常情况下的触头碰撞完成时刻的电流值第二设定值时，则开关设备弹簧操动机构的故障为：电磁铁线圈匝间短路。

所述第一设定值和第二设定值相等。

所述第一设定值和第二设定值均为9％。

由于开关设备中的电磁铁中的感应电流与弹簧操动机构之间有着密切的关联，所以通过采集的感应电流即可进行相应的故障的诊断。本发明的方法中，对感应电流进行了特征值提取，提取的特征值至少包括线圈充电时间、铁芯运动时间和线圈充电完成时刻的电流值，将提取的特征值进行比较，并参照通过大量实验研究分析得出的各种故障状态下的对应特征值情况，通过比较结果即可进行弹簧操动机构的故障斩断。本发明根据电磁铁的运动特性的理论研究，并结合实际情况对关键参量进行提取，对预期可能产生的结果进行预判和分析，依据关键参量的变化关系判定开关设备机械故障以及机械故障尚未发生时的潜在缺陷识别。

该故障诊断方法不但适用于断路器，也可应用于其他装配有弹簧操动机构的开关设备，可移植性很高，应用广泛；测量精度高，而且能够避免高电压、强电磁、易燃易爆等危险环境对操作人员的安全问题，具有安全程度高、操作简单等诸多优点。

附图说明

图1是电流互感器的结构图；

图2是信号采集和处理终端的原理框图；

图3是上位机中的软件程序的工作流程图；

图4是实施例1中的故障诊断时的电流波形图一；

图5是实施例1中的故障诊断时的电流波形图二；

图6是实施例2中的故障诊断时的电流波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

实施例1

开关设备中断路器常见机械故障类型包括：偷跳、拒动等，从发生机械故障的部位来看，对于使用弹簧操动机构的断路器，引起机械故障的主要部位有：机构传动部分、脱扣器电磁铁相关故障。

断路器中的开关设备一般都是以电磁铁作为第一级控制元件，当线圈中通过电流时，在电磁铁内产生磁通，铁芯受电磁力作用吸合，使开关分闸或合闸。线圈的电流波形包含着不少信息，反映了电磁铁本身以及所控制的锁闩或阀门以及联锁触头在操作过程中的工作情况。所以，通过对弹簧操动机构运动过程中电磁铁中产生感应电流的特征参量进行分析与判断，能够识别断路器是否发生机械故障，并通过对感应电流特征参量变化趋势的分析，有效地判断出断路器本体的潜在缺陷，起到及时预警，避免机械故障的产生。

通过图1所示的电流互感器采集电磁铁中的感应电流，该电流互感器包括二次线圈1和霍尔元件2，Ix为电磁铁中流过的电流，通过互感器内部的一定变比的互感线圈输出电流Im，Im即为采集的感应电流。

如图2所示，为一种电流信息采集和处理终端的结构图，当然，本发明中的信息采集和处理装置并不局限于该结构，还可以采用其他形式的信息采集和处理装置。鉴于该实施例以图2所示的结构为具体实施方式，所以该终端包括信号调理模块、隔离放大模块、AD7606、STM32和电源模块，电流互感器采集到的电流信号通过信号调理模块的滤波、转换等作用变成电压信号，然后通过隔离放大模块将此电压信号放大到AD7606端口所需的电压，AD7606(ADC)模块将电压信号转换成数字信号并输入到STM32微处理器中。利用STM32的计数器实现编码器的脉冲计数，进而测量出开关触头行程。STM32将测到的电流数据和行程数据进过处理后再通过RS-422接口传给上位机。电源模块为其他各个模块提供工作电压。

上位机采用软件程序来对传输来的数据进行分析处理，并作出相应的故障诊断分析。

上位机中的故障诊断分析软件程序主要包含实时数据的采集、数据文件管理、录波处理及显示、通讯数据处理任务及对时任务五个功能模块，具体工作流程如图3所示。机构机械故障分析诊断软件***主要是将实时采集到的数据波形进行分析和处理，并保存原始数据。针对每次采集到的数据波形文件，软件都会进行全面的解析，并和正常状态下设备所采集到的曲线进行所有特征参量的对比，并根据不同的特征参量的值进行排列组合，找出可能存在的所有情况，针对每种情况进行逐个分析找出可能存在的异常或者机械故障，并通过软件***进行自动的识别和判断，将对应的结果进行输出，给用户提供辅助决策。

本实施例中，采用的参数/特征值是线圈充电时间tc，铁芯运动时间td和线圈充电完成时刻的电流特征值Ic，下面举例说明。

上位机通过传输来的电流信息进行处理：根据感应电流信息得到线圈充电时间tc’，铁芯运动时间td’和线圈充电完成时刻的电流特征值Ic’，如图4所示，图4中的两条曲线分别是实际检测时的感应电流的波形与正常情况下的波形，其中，tc’、td’和Ic’是实际检测波形中(即异常波形)的参数，tc、td和Ic是正常情况下的波形的参数。tc’和tc不是峰值时刻，为铁芯的重力等于电磁铁的吸力的时刻，一般情况下，该时刻应该在第一个峰值之前。

图4中(同样针对以下的图5和图6)，0到第一个波峰区间代表：线圈电流由0逐渐增大，线圈中的电流以指数曲线上升，但不足以使铁心运动，由于铁芯未运动，线圈的电感不变；第一个波峰到第一个波谷(即td或td’时刻)代表：铁心的吸力超过反作用力(如铁心重力，加在铁心上的弹簧力等)，铁心开始运动，在td时刻完成脱扣；第一个波谷(即td或td’时刻)到第二个波峰区间代表：由于铁心运动到一定位置，改变了电感，在某个时刻，电流达到峰值，峰值电流约等于电压与电阻比值；第二个波峰到0区间代表：断路器辅助触点切断线圈回路的时刻，在辅助开关触头分离时产生电弧并被拉长，电弧电压快速升高，迫使电流迅速减小，直到熄灭。

一般情况下，铁芯卡涩时，由于摩擦力增加导致反力上升，始动点的电磁力上升。电磁力上升则需要的电流上升，同时线圈充电时间tc’增加，即线圈充电时间tc’与正常情况下的线圈充电时间tc相比要长。另外，由于铁芯运动的摩擦力增加，铁芯运动过程中的加速度下降，铁芯运动时间td’增加，即铁芯运动时间td’与正常情况下的铁芯运动时间td相比要长。

另外，铁芯在不复位时，由于铁芯部分***线圈中，所以线圈的初始电感变大，随之时间常数将增大。而且，铁芯不复位还会缩短铁芯运动的气隙，线圈通电后，电磁力上升速度加快，这将加快铁芯的启动时间，即线圈充电时间tc’降低，即线圈充电时间tc’与正常情况下的线圈充电时间tc’相比要短，如图6所示。而且，由于运动间隙减少，铁芯动作时间td’也随之降低，即铁芯运动时间td’与正常情况下的铁芯运动时间td相比要短。

图5中的两条曲线分别是实际检测时的感应电流的波形与正常情况下的波形，其中，tc’、td’和Ic’是实际检测波形中(即异常波形)的参数，tc、td和Ic是正常情况下的波形的参数。

实际得到的特征值正常情况下对应的特征值比较：如果线圈充电时间tc’与正常情况下的线圈充电时间tc相比要长、铁芯运动时间td’与正常情况下的铁芯运动时间td相比要长、且实际得到的线圈充电完成时刻的电流值Ic’比正常情况下的线圈充电完成时刻的电流值Ic大，依据上述已知的电磁铁铁芯卡涩故障状态下的特征值，则判断断路器弹簧操动机构的故障为：电磁铁铁芯卡涩。

如果线圈充电时间tc’与正常情况下的线圈充电时间tc相比要长，而且Ic’大于Ic，但是铁芯运动时间td’并没有增加，说明铁芯运动中并未卡涩，而仅是铁芯启动时的阻力增加了。

另外，如果实际得到的线圈充电时间tc’与正常情况下的线圈充电时间tc相比要短、实际得到的铁芯运动时间td’与正常情况下的铁芯运动时间td相比要短、且实际得到的线圈充电完成时刻的电流值Ic’比正常情况下的线圈充电完成时刻的电流值Ic小，则判断断路器弹簧操动机构的故障为：断路器电磁铁铁芯不复位。

实施例2

本实施例对断路器另一种故障进行诊断，在进行该故障诊断时，还需要得出触头碰撞完成时刻的电流值Iw，具体如下：

当线圈匝间短路时，由于线圈直阻下降，当操作电压没有变化时，线圈电流将整体增加。但是，当操作电压升高时，线圈电流也会整体上升，由于操作电压上限是240VDC，标准电压波形为220VDC，所以，电压变化引起的电流变化幅度有限。为了区分这两种情况，如果实际得到的线圈充电时间tc’与正常情况下的线圈充电时间tc相比要短、实际得到的铁芯运动时间td’与正常情况下的铁芯运动时间td相比要短、实际得到的线圈充电完成时刻的电流值Ic’超出正常情况下的线圈充电完成时刻的电流值Ic 9％、且实际得到的触头碰撞完成时刻的电流值Iw’超出正常情况下的触头碰撞完成时刻的电流值Iw 9％时，则判断断路器弹簧操动机构的故障为：电磁铁线圈匝间短路，如图6所示。

也即实际检测的电流特征值超出正常情况下的电流特征值9％时，判定为电磁铁线圈匝间短路；当不超出9％时，电磁铁线圈正常。

该实施例中，实际得到的线圈充电完成时刻的电流值超出正常情况下9％、且实际得到的触头碰撞完成时刻的电流值超出正常情况下9％时，判定为电磁铁线圈匝间短路；当然，超出的设定值不一定全是9％，也可能全不是9％，作为其他的实施例，两个设定值可以设置为其他值，比如说，接近9％的其他取值。

图4、5和6中，除去异常曲线和正常曲线外，电流值逐渐增大的虚线为线圈中的电流以指数曲线上升的趋势线，根据上述铁心运动过程，经过列微分方程并求解，可以得出一个关系式：此时L为固定值。电流呈指数上升，这个阶段的时间与控制电源电压以及线圈电阻有关。

以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于：根据采集到的感应电流得到若干特征值，然后根据实际得到的特征值与弹簧操动机构在正常情况下的对应的特征值的比较，判断开关设备弹簧操动机构的故障类型。根据上述基本思路可以判断很多种故障类型，并不局限于上述两个实施例中的故障类型，它还可以判断其他故障，这里不再做赘述。另外，说明书中没有详细说明的部分属于本领域技术人员公知的现有技术。

Claims (6)

1.一种开关设备弹簧操动机构故障诊断方法，其特征在于，所述故障诊断方法的步骤为：

1)、采集弹簧操动机构在运动过程中电磁铁中的感应电流；

2)、根据采集到的感应电流得到若干特征值，所述特征值包括：线圈充电时间、铁芯运动时间和线圈充电完成时刻的电流值；

3)、将实际得到的特征值与弹簧操动机构在正常情况下的对应的特征值进行比较，并且依据已知的各种故障状态下的特征值，判断开关设备弹簧操动机构的故障类型；

所述步骤3)具体为：如果实际得到的线圈充电时间比正常情况下的线圈充电时间长、实际得到的铁芯运动时间比正常情况下的铁芯运动时间长、且实际得到的线圈充电完成时刻的电流值比正常情况下的线圈充电完成时刻的电流值大，则开关设备弹簧操动机构的故障为：电磁铁铁芯卡涩。

2.根据权利要求1所述的开关设备弹簧操动机构故障诊断方法，其特征在于，如果实际得到的线圈充电时间比正常情况下的线圈充电时间长、实际得到的铁芯运动时间等于正常情况下的铁芯运动时间、且实际得到的线圈充电完成时刻的电流值比正常情况下的线圈充电完成时刻的电流值大，则说明铁芯启动时的阻力增加。

3.根据权利要求1所述的开关设备弹簧操动机构故障诊断方法，其特征在于，所述步骤3)具体为：如果实际得到的线圈充电时间比正常情况下的线圈充电时间短、实际得到的铁芯运动时间比正常情况下的铁芯运动时间短、且实际得到的线圈充电完成时刻的电流值比正常情况下的线圈充电完成时刻的电流值小，则开关设备弹簧操动机构的故障为：开关设备电磁铁铁芯不复位。

4.根据权利要求1所述的开关设备弹簧操动机构故障诊断方法，其特征在于，所述特征值还包括触头碰撞完成时刻的电流值，所述步骤3)具体为：如果实际得到的线圈充电时间比正常情况下的线圈充电时间短、实际得到的铁芯运动时间比正常情况下的铁芯运动时间短、实际得到的线圈充电完成时刻的电流值超出正常情况下的线圈充电完成时刻的电流值第一设定值、且实际得到的触头碰撞完成时刻的电流值超出正常情况下的触头碰撞完成时刻的电流值第二设定值时，则开关设备弹簧操动机构的故障为：电磁铁线圈匝间短路。

5.根据权利要求4所述的开关设备弹簧操动机构故障诊断方法，其特征在于，所述第一设定值和第二设定值相等。

6.根据权利要求5所述的开关设备弹簧操动机构故障诊断方法，其特征在于，所述第一设定值为正常情况下的线圈充电完成时刻的电流值的9％，所述第二设定值为正常情况下的触头碰撞完成时刻的电流值的9％。