CN103954910A - 一种永磁操作机构电流信号的故障诊断装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于断路器故障诊断技术领域，尤其涉及一种永磁操作机构电流信号的故障诊断装置及方法，具体说是一种永磁操作机构电流信号的断路器故障诊断装置及方法。本发明包括断路器，还包括永磁操作机构电流传感器、电压调理元件、AD转换元件、时钟元件、电源元件、电平转换电路、中央处理单元和数据滤波模块和故障诊断方法。本发明基于断路器动作过程中的永磁操作机构电流信号，利用霍尔电流传感器、电压调理元件、AD转换元件、时钟元件、电源元件、中央处理单元和信号滤波方法实现断路器机械特性的故障诊断。该故障诊断方法可有效地诊断出断路器永磁操作机构发生的电气特性故障和机械特性故障，并可为断路器的状态检修提供依据。

Description

一种永磁操作机构电流信号的故障诊断装置及方法

技术领域

本发明属于断路器故障诊断技术领域，尤其涉及一种永磁操作机构电流信号的故障诊断装置及方法，具体说是一种永磁操作机构电流信号的断路器故障诊断装置及方法。

背景技术

高压永磁断路器操动机构为电磁铁，以直流电源控制。电磁线圈的波形包含着重要的信息，可作为故障诊断评判依据。断路器在每次分、合闸过程中，操作线圈的电流是随时间变化，变化的电流波形中含有很多信息，反映电磁铁本身以及所控制的锁门或阀门以及连锁触头在操动过程中的工作情况，如铁芯运动机构有无片滞、脱扣、释能机械负载变动的情况、线圈的状态是否正常、铁芯顶杆连接的锁门和阀门的状态。通过对分、合闸操作线圈动作电流的监测，可以大致了解断路器二次控制回路的工作情况及机械操动机构状况等。目前，针对该信号的诊断方法主要采用电流曲线轮廓法，该方法的关键在于提取分合闸线圈电流波形轮廓的特征，通过对电流波形中的时间和幅值参数特征的分析可得出铁芯的运动事件，通过与正常状态对比可得出故障的类型和原因，进而得出断路器工作状态。但该方法无法对断路器是否发生机械故障还是电气故障进行区分，也无法诊断出电气故障中具体的原因，因此，对基于永磁操作机构电流信号的高压断路故障诊断方法需要进行深入的研究。

发明内容

针对现有技术中存在的不足之外，本发明提供了一种永磁操作机构电流信号的故障诊断装置及方法。其目的是为了可有效地诊断出断路器永磁操作机构发生的电气特性故障和机械特性故障，并可为断路器的状态检修提供依据。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种永磁操作机构电流信号的故障诊断装置，包括断路器，还包括永磁操作机构电流传感器、电压调理元件、AD转换元件、时钟元件、电源元件、电平转换电路、中央处理单元和数据滤波模块和故障诊断方法；具体结构如下：断路器与永磁操作机构电流传感器相连接，永磁操作机构电流传感器的供电回路和电压调理元件相连接，电压调理元件和AD转换元件相连接，AD采集元件通过电平转换电路与中央处理单元相连接；永磁操作机构电流传感器的信号回路与AD转换元件连接；时钟元件与中央处理单元相连接，电源元件通过中央处理单元与各元件相连接；采集到的永磁操作机构电流数据，通过中央处理单元中的数据滤波模块进行数据处理，然后通过故障诊断方法进行诊断。

所述的永磁操作机构电流传感器，采用宇波模块CHB-100SF闭环霍尔电流传感器；该传感器的供电回路是和电压调理元件连接，其工作电压值为±12V，永磁操作机构电流传感器的信号回路与AD转换元件连接，输出的电压范围为0～5V。

所述的电压调理元件，为永磁操作机构电流传感器供电，还可以将AD转换元件输出的5V电压转换成中央处理单元能接受的3.3V电压，并将上述两个元件相连接。

所述的AD转换元件主要由ADS8364芯片及其外围电路组成；所述的中央处理单元主要由TMS320F28335芯片及其外围电路组成；所述的断路器采用真空10kv的ZW45型单稳态永磁机构断路器。

所述的AD采集元件和中央处理单元之间还连接有电平转换电路。

所述的时钟元件与中央处理单元相连接，可为AD转换元件提供采样频率。

所述的电源元件，通过中央处理单元与各元件相连接，可为整个装置提供电源；所述的数据滤波模块，采用等距五点三次算法平滑电流信号数据曲线。

一种永磁操作机构电流信号的故障诊断方法，包括以下步骤：

步骤1：断路器的机构电流信号通过机构电流传感器采集；

步骤2：机构电流传感器采集到的信号，通过电压调理元件传送给A/D转换元件；

步骤3：A/D转换元件将数据传送给中央处理单元，中央处理单元根据时钟元件确定采集频率；

步骤4：电源元件同时为中央处理单元、A/D转换元件、电压调理元件和机构电流传感器供电。

步骤5：中央处理单元通过滤波处理模块对采集到的电流数据进行滤波处理；

步骤6：中央处理单元通过故障诊断方法对处理后的数据进行故障诊断。

一种永磁操作机构电流信号的故障诊断方法，具体操作步骤如下：

步骤1：提取滤波后永磁操作机构电流曲线的特征值；

步骤2：根据提取的特征值绘出特征曲线，并根据该曲线上的两个钝角角度重新组成角度向量平面；

步骤3：在永磁机构操作回路电阻变化条件下，提取最少三点永磁操作机构电流信号的特征值，并根据步骤2计算出所有角度向量；步骤4：根据角度向量通过最小二乘法拟合成操作机构回路电阻变化函数；

步骤5：定义与操作机构回路电阻变化函数距离阈值；

步骤6：将新得到的角度向量代入该函数，计算结果与定义的阈值比较给出诊断结果。

根据步骤5所述的定义与操作机构回路电阻变化函数距离阈值，是为验证操作机构回路中电阻变化与断路器机械特性变化，所导致的操作机构电流变化的区别，通过分闸弹簧单根脱、机构卡涩、电阻增大0.3欧和0.5欧四种状态进行验证；

设d_tzj为特征值角度空间值与操作机构电流特征角度的拟合曲线的距离，可以得出两个机械故障的d_tzj要远大于两个操作机构电气特性故障，通过多次试验并考虑传感器等误差因素，最终得出当d_tzj≤1时为操作机构电气特性故障，否则为断路器机械特性故障。

本发明的优点及有益效果如下：

本发明提供了一种永磁操作机构电流信号的故障诊断装置及方法，基于断路器动作过程中的永磁操作机构电流信号，利用霍尔电流传感器、电压调理元件、AD转换元件、时钟元件、电源元件、中央处理单元和信号滤波方法实现断路器机械特性的故障诊断。故障诊断方法是提取高压断路器操作过程中永磁操作机构电流信号的特征值,根据特征值重新构成角度特征向量，并将操作机构回路中电阻变化的角度特征量拟合成函数，并根据函数的距离对高压断路器机械特性进行故障诊断。该方法可有效地诊断出断路器永磁操作机构发生的电气特性故障和机械特性故障，并可为断路器的状态检修提供依据。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

图1为本发明结构框图；

图2为本发明中加速度传感器采集电路图；

图3为本发明中±12V输入电压电平转换电路图；

图4为本发明中5V～3.3V电平转换电路原理图；

图5为本发明中AD转换元件的电路原理图；

图6为本发明中的中央处理单元接插件10管脚说明图；

图7为本发明中的中央处理单元接插件11管脚说明图；

图8为本发明中永磁机构分合闸电流信号处理前的信号曲线；

图9为本发明中永磁机构分合闸电流信号处理后的信号曲线；

图10为本发明中所述的永磁机构合闸电流特征值；

图11为本发明中所述的永磁机构分闸电流特征值；

图12为本发明中所述的永磁机构合闸电流操作机构电流特征值变化图；

图13为本发明中所述的永磁机构合闸电流操作机构电流特征角度向量平面图。

具体实施方式

本发明是一种永磁操作机构电流信号的故障诊断装置及方法。

如图1所示，一种永磁操作机构电流信号的故障诊断装置，包括断路器、永磁操作机构电流传感器、电压调理元件、AD转换元件、时钟元件、电源元件、电平转换电路、中央处理单元、数据滤波模块和故障诊断方法。

具体结构如下：断路器与永磁操作机构电流传感器相连接，永磁操作机构电流传感器的供电回路和电压调理元件相连接，电压调理元件和AD转换元件相连接，AD采集元件通过电平转换电路与中央处理单元相连接。

永磁操作机构电流传感器的信号回路与AD转换元件连接；时钟元件与中央处理单元相连接，电源元件通过中央处理单元与各元件相连接。

采集到的永磁操作机构电流数据，通过中央处理单元中的数据滤波模块进行数据处理，然后通过故障诊断方法进行诊断。

本实施方式中，断路器采用真空10kv的ZW45型单稳态永磁机构断路器。

本发明中所述的永磁操作机构电流传感器采用宇波模块CHB-100SF闭环霍尔电流传感器，并搭建采集电路对电流信号进行采集。该永磁操作机构电流传感器的供电回路是和电压调理元件连接，其工作电压值为±12V，该永磁操作机构电流传感器的信号回路与AD转换元件连接，输出的电压范围为0～5V。机构电流采集电路如图2所示。实施中机构电流的信号线需要从电流传感器的中间穿过，可采集±100A以内的电流。

本发明中所述的电压调理元件为电流传感器供电，还可以将AD转换元件输出的5V电压转换成中央处理单元能接受的3.3V电压，并将上述两个元件相连接。

所述的时钟元件与中央处理单元相连接，可为AD转换元件提供采样频率。

所述的电源元件，通过中央处理单元与各元件相连接，可为整个装置提供电源。

永磁机构电流信号采集时需要向传感器提供±12V的电压，输出信号通过降压电路降至0到5V之间，如图3所示。电路中，使用OP07运算放大器搭建跟随器，其输入阻抗高，而输出阻抗低，起到缓冲级及隔离级的作用，满足电路两端阻抗匹配的特性。

由于AD转换元件有差分输入的特点，所以可通过运算放大器设计电平转换电路，使其接受双极性输入，将AD转换元件的采集范围从0V到5V扩大到-5V到+5V。

AD采集元件输出信号在0～5V之间，而中央处理单元供给电源为3.3V，所以在两者之间需要加入一个电平转换电路。该芯片可通过控制第1管脚和第24管脚DIR功能控制芯片管脚的输入输出方向，输入端可接3.3V或5V电源，输出可接3.3V电路。电路原理图如图4所示。

AD转换元件主要由ADS8364芯片及其外围电路组成。其优点为可进行同时采集六路模拟信号量，有效精度十六位，频率高达250kHz。AD转换元件的电路原理图如图5所示。永磁机构电流信号的采集频率设置成10kHz，满足信号的采样要求。

中央处理单元主要由TMS320F28335芯片及其外围电路组成，主要特点：(1)处理速度快，主频150MHz；(2)片内自带SRAM、Flash，；(3)外部存储器接口；(4)众多外部设备，如SCI、SPI、CAN、EV、ADC等；(5)大量可控制的GPIO口。数字信号处理器支持C等语言的编程。其存储器的存储空间大，能够用作大数据量的采集、运算、传输操作；图6为本发明中的中央处理单元接插件10管脚说明图，其中AD0为断路器机构电流信号的AD输入引脚；图7为本发明中的中央处理单元接插件11管脚说明图。

本发明中所述的数据滤处理方法采用等距五点三次算法，该方法可消除电流信号数据的趋势和随机误差的影响，提高采集数据的质量，算法如下：

设2n+1个等距节点X_-n,X_-n+1,…,X_-1,X₀,X₁,…,X_n-1,X_n上的实验数据分别为Y_-n,Y_-n+1,…,Y_-1,Y₀,Y₁,…,Y_n-1,Y_n。再设两节点间的等距为h，作交换则原节点变为t_-n＝-n,t_-n+1＝-n+1,…,t_-1＝-1,t₀＝1,…t_-n-1＝n-1,t_n＝n用m次多项式来拟合得到的实验数据，设拟合多项式为：

Y(t)＝a₀+a₁t+a₂t²+…+a_mt^m   (1)

用最小二乘法来确定方程t中的待定系数，令：

$\underset{i=-n}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{R}_i^2=\underset{i=-n}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{[\underset{j=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{a}_1{t}_i^j-Y^i]}^2=\mathrm{\φ}(a_0,a_1,...a_m)---\left(2\right)$

为使φ(a₀,a₁,…a_m)达到最小，将它分为对a_k(k＝0,1,…m)求编导数，并令其为0，可得方程组：

$\underset{i=-n}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{Y}^i{t}_i^k=\underset{j=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{a}_j\underset{i=-n}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{t}_i^{k+1}(k=\mathrm{0,1},...,m)---\left(3\right)$

该方程组称为正规方程组。

当n＝2(5个节点)，m＝3时，得到一个具体得正规方程组，由此解出，a₀,a₁,a_i,a_it代入(1)式，并令t＝0,+1,-1,+2,-2得到五点三次平滑公式：

$\stackrel{\‾}{y_{-2}}=\frac{1}{70}(69Y_{-2}+{4Y}_{-1}-{6Y}_0+{4Y}_1-Y_2)---\left(4\right)$

$\stackrel{\‾}{y_{-1}}=\frac{1}{30}(2Y_{-2}+{27Y}_{-1}+{12Y}_0-{8Y}_1+2Y_2)---\left(5\right)$

$\stackrel{\‾}{y_0}=\frac{1}{35}(-3Y_{-2}+{12Y}_{-1}+{17Y}_0+{12Y}_1-{3Y}_2)---\left(6\right)$

$\stackrel{\‾}{y_{-1}}=\frac{1}{35}(2Y_{-2}-{8Y}_{-1}+{12Y}_0+{27Y}_1+2Y_2)---\left(7\right)$

$\stackrel{\‾}{y_2}=\frac{1}{70}(-Y_{-2}+{4Y}_{-1}-{6Y}_0+{4Y}_1+69Y_2)---\left(8\right)$

其中为Y_i得改进值。该公式要求节点个数为k≥5，当节点个数多于5时，为对称其见，除在两端分别用公式(4)、(5)、(7)和(8)外，其余都用公式(6)进行平滑，这就相当在每个子区间上用不同得三次最小二乘多项式进行平滑。

图8为本发明中永磁机构分合闸电流信号处理前的信号曲线，图9本发明中永磁机构分合闸电流信号处理后的信号曲线。通过对比可看出处理后的曲线明显比未处理的曲线平滑，处理后的曲线可满足信号特征值提取的需求。

本发明中所述的永磁操作机构电流信号的故障诊断装置的方法，实施步骤如下：

步骤1：断路器的机构电流信号通过机构电流传感器采集；

步骤2：机构电流传感器采集到的信号，通过电压调理元件传送给A/D转换元件；

步骤3：A/D转换元件将数据传送给中央处理单元，中央处理单元根据时钟元件确定采集频率；

步骤4：电源元件同时为中央处理单元、A/D转换元件、电压调理元件和机构电流传感器供电。

步骤5：中央处理单元通过滤波处理模块对采集到的电流数据进行滤波处理；

步骤6：中央处理单元通过故障诊断方法对处理后的数据进行故障诊断；

本发明中所述的永磁操作机构电流信号的故障诊断方法，实施步骤如下：

步骤1：提取滤波后永磁操作机构电流曲线的特征值；

图10为本发明中所述的永磁机构合闸电流特征值，图11为本发明中所述的永磁机构分闸电流特征值，其提取特征的提取过程是提取两图中的特征参数i₀、i₁、t₀、t₁、t₂和t₃。

步骤2：根据提取的特征值绘出特征曲线，并根据该曲线上的两个钝角角度重新组成角度向量平面；

步骤3：在永磁机构操作回路电阻变化条件下，提取最少三点永磁操作机构电流信号的特征值，并根据步骤2计算出所有角度向量；

图12为本发明中所述的在永磁机构操作回路电阻变化条件下，永磁机构合闸电流操作机构电流特征值变化图，当回路电阻逐渐增大时，在图中角度a与角度b组成的特征向量平面上，计算得到回路电阻从“正常”到“电阻加0.6欧”之间的四组特征向量为：[128.35,156.45]、[124.83,155.32]、[121.37,154.54]和[117.96,154.08]

步骤4：根据角度向量通过最小二乘法拟合成操作机构回路电阻变化函数；

基于上述特征向量通过最小二乘法进行拟合，拟合后的函数如式(9)所示，拟合后的曲线如图13所示。

$f\left(x\right)=6.374e-005*x^{^}3-0.01004*x^{^}2-0.2004*x+212.8---\left(9\right)$

式中，x为图12中的角度a，f(x)为图12中的角度b。

步骤5：定义与操作机构回路电阻变化函数距离阈值；

为验证操作机构回路中电阻变化与断路器机械特性变化，所导致的操作机构电流变化的区别，通过分闸弹簧单根脱、机构卡涩、电阻增大0.3欧和0.5欧四种状态进行验证，结果图如图13所示。设d_tzj为特征值角度空间值与操作机构电流特征角度的拟合曲线的距离，从图中可以得出两个机械故障的d_tzj要远大于两个操作机构电气特性故障。通过多次试验并考虑传感器等误差因素，最终得出当d_tzj≤1时为操作机构电气特性故障，否则为断路器机械特性故障。

步骤6：将新得到的角度向量代入该函数，计算结果与定义的阈值比较给出诊断结果。

Claims (10)

1.一种永磁操作机构电流信号的故障诊断装置，包括断路器，其特征在于：还包括永磁操作机构电流传感器、电压调理元件、AD转换元件、时钟元件、电源元件、电平转换电路、中央处理单元和数据滤波模块和故障诊断方法；具体结构如下：

断路器与永磁操作机构电流传感器相连接，永磁操作机构电流传感器的供电回路和电压调理元件相连接，电压调理元件和AD转换元件相连接，AD采集元件通过电平转换电路与中央处理单元相连接；

永磁操作机构电流传感器的信号回路与AD转换元件连接；时钟元件与中央处理单元相连接，电源元件通过中央处理单元与各元件相连接；

采集到的永磁操作机构电流数据，通过中央处理单元中的数据滤波模块进行数据处理，然后通过故障诊断方法进行诊断。

2.根据权利要求1所述的一种永磁操作机构电流信号的故障诊断装置，其特征在于，所述的永磁操作机构电流传感器，采用宇波模块CHB-100SF闭环霍尔电流传感器；该传感器的供电回路是和电压调理元件连接，其工作电压值为±12V，永磁操作机构电流传感器的信号回路与AD转换元件连接，输出的电压范围为0～5V。

3.根据权利要求1所述的一种永磁操作机构电流信号的故障诊断装置，其特征在于，所述的电压调理元件，为永磁操作机构电流传感器供电，还可以将AD转换元件输出的5V电压转换成中央处理单元能接受的3.3V电压，并将上述两个元件相连接。

4.根据权利要求1所述的一种永磁操作机构电流信号的故障诊断装置，其特征在于：所述的AD转换元件主要由ADS8364芯片及其外围电路组成；所述的中央处理单元主要由TMS320F28335芯片及其外围电路组成；所述的断路器采用真空10kv的ZW45型单稳态永磁机构断路器。

5.根据权利要求1所述的一种永磁操作机构电流信号的故障诊断装置，其特征在于：所述的AD采集元件和中央处理单元之间还连接有电平转换电路。

6.根据权利要求1所述的一种永磁操作机构电流信号的故障诊断装置，其特征在于，所述的时钟元件与中央处理单元相连接，可为AD转换元件提供采样频率。

7.根据权利要求1所述的一种永磁操作机构电流信号的故障诊断装置，其特征在于，所述的电源元件，通过中央处理单元与各元件相连接，可为整个装置提供电源；所述的数据滤波模块，采用等距五点三次算法平滑电流信号数据曲线。

8.根据权利要求1所述的一种永磁操作机构电流信号的故障诊断方法，其特征是：包括以下步骤：

步骤1：断路器的机构电流信号通过机构电流传感器采集；

步骤2：机构电流传感器采集到的信号，通过电压调理元件传送给A/D转换元件；

步骤3：A/D转换元件将数据传送给中央处理单元，中央处理单元根据时钟元件确定采集频率；

步骤4：电源元件同时为中央处理单元、A/D转换元件、电压调理元件和机构电流传感器供电。

步骤5：中央处理单元通过滤波处理模块对采集到的电流数据进行滤波处理；

步骤6：中央处理单元通过故障诊断方法对处理后的数据进行故障诊断。

9.根据权利要求8所述的一种永磁操作机构电流信号的故障诊断方法，其特征在于，具体操作步骤如下：

步骤1：提取滤波后永磁操作机构电流曲线的特征值；

步骤2：根据提取的特征值绘出特征曲线，并根据该曲线上的两个钝角角度重新组成角度向量平面；

步骤3：在永磁机构操作回路电阻变化条件下，提取最少三点永磁操作机构电流信号的特征值，并根据步骤2计算出所有角度向量；步骤4：根据角度向量通过最小二乘法拟合成操作机构回路电阻变化函数；

步骤5：定义与操作机构回路电阻变化函数距离阈值；

步骤6：将新得到的角度向量代入该函数，计算结果与定义的阈值比较给出诊断结果。

10.根据权利要求9所述的一种永磁操作机构电流信号的故障诊断方法，其特征在于：根据步骤5所述的定义与操作机构回路电阻变化函数距离阈值，是为验证操作机构回路中电阻变化与断路器机械特性变化，所导致的操作机构电流变化的区别，通过分闸弹簧单根脱、机构卡涩、电阻增大0.3欧和0.5欧四种状态进行验证；

设d_tzj为特征值角度空间值与操作机构电流特征角度的拟合曲线的距离，可以得出两个机械故障的d_tzj要远大于两个操作机构电气特性故障，通过多次试验并考虑传感器等误差因素，最终得出当d_tzj≤1时为操作机构电气特性故障，否则为断路器机械特性故障。