CN105403831A - 高压断路器机构故障在线监测装置及其监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压断路器机构故障在线监测装置及其监测方法，分闸霍尔电流互感器、合闸霍尔电流互感器和高压断路器辅助开关的常开触点与控制器导线连接，控制器与显示终端连接；监测方法包括：数据采集；对基础数据进行计算；对高压断路器机构直流接地故障和电磁铁线圈匝间短路故障进行判断；对高压断路器机构分闸脱扣器不能合闸保持引起的断路器“合后即分”故障进行判断；对高压断路器机构复位弹簧变形导致铁芯不能复位的故障进行判断；对高压断路器机构脱扣器卡涩故障进行判断；对电磁铁铁芯卡涩故障进行判断；具有结构简单，测量精度高，数据准确，校准方法简单方便，克服现有技术存在的技术问题。

Description

高压断路器机构故障在线监测装置及其监测方法

技术领域

本发明属于高压断路器故障检测技术，尤其涉及一种高压断路器机构故障在线监测装置及其监测方法。

背景技术

电力系统变电站每年都会发生10kV、35kV高压断路器机构故障引起的拒分或拒合现象导致故障越级，扩大停电范围，给单位和社会带来了大量经济损失和不良社会影响。由于该故障具有设备在运行中发展速度较快的特点，一般为1到2年就会出现，而现有技术中采用的断路器周期性预防试验，一般为3到6年进行，因此不能够完全控制该类故障的发生。另外，在各网区220kV断路器的BLK型弹簧操动机构频繁出现合后即分故障，在事件调查过程中因为由合到分的时间差相当短，一般只有十几毫秒，现有技术在调取测控报文时发现存在时差问题，导致保护及开关动作情况顺序颠倒，造成不能正确判断故障原因，进而引起故障的重复发生。由于各变电站的直流系统分布较广，时常出现因在断路器间隔中直流接地引起断路器拒动现象，可能引起电磁铁线圈通电时间过长，导致线圈匝间短路故障。而上述这些故障，在现有技术中没有得到解决。另外，现有的断路器在线监测装置只针对分、合闸速度、时间、同期性及真空度进行监测，且所用霍尔电流传感器抗干扰能力差，测量数据极不稳定，完全不能达到监测断路器故障的目的。

发明内容：

本发明要解决的技术问题：提供一种高压断路器机构故障在线监测装置及其监测方法，以解决现有技术的不足，不能有效监测高压断路器机构故障等技术问题。

本发明技术方案：

一种高压断路器机构故障在线监测装置，它包括控制器，分闸霍尔电流互感器、合闸霍尔电流互感器和高压断路器辅助开关的常开触点与控制器导线连接，控制器与显示终端连接。

所述控制器为STC12C5A60S2型采样计算单片机，所述显示终端为19264液晶显示屏。

所述分闸霍尔电流互感器和合闸霍尔电流互感器的穿心孔分别穿过分闸回路连接线和合闸回路连接线；所述分闸霍尔电流互感器和合闸霍尔电流互感器外部均采用金属屏蔽层覆盖。

所述的高压断路器机构故障在线监测装置的监测方法，它包括：

步骤1、数据采集，采样计算单片机通过分、合闸霍尔电流互感器分别对分、合闸线圈流过的电流信号以0.5ms的采样周期进行采样并存储电流数据；

步骤2、对基础数据进行计算；

步骤3、对高压断路器机构直流接地故障和电磁铁线圈匝间短路故障进行判断；

步骤4、对高压断路器机构分闸脱扣器不能合闸保持引起的断路器“合后即分”故障进行判断；

步骤5、对高压断路器机构复位弹簧变形导致铁芯不能复位的故障进行判断；

步骤6、对高压断路器机构脱扣器卡涩故障进行判断；

步骤7、对电磁铁铁芯卡涩故障进行判断。

步骤2所述基础数据进行计算，它包括：

铁芯动作时刻t_c的计算：

第一步、针对一次监测获得的电流数据计算出电磁铁线圈最大电流I_max；

第二步、在获得的电流数据中，搜寻出第一个大于等于0.1A的电流值，其序号记为n₀，

第三步、从n₀开始向后选取5个电流值，利用正比例形式的回归方程进行回归得到：

y＝β(n-n₀)

式中：y表示回归方程的预报值，对应于β表示回归系数；n表示电流数据的序号；

第四步、从储存器中提取电流值I₁,I₂,,,I_N(N表示电流值的总个数)，找出使|I_n-β(n-n₀)|≥0.3成立的最小n值，I_n表示储存器中的第n个电流值，记为n₁。那么

t_c＝(n₁-n₀)Δτ，

式中Δτ表示采样间隔时间；

电流归零时刻t_end的计算：从存储的电流数据中按I_N,I_N-1,...I₁的顺序找到最后一个小于0.1A的电流值所对应的序号n_end，根据公式t_end＝(n_end-n₀)Δτ得到电流归零时刻t_end的值；

铁芯碰着脱口板时刻t_d的计算：

第一步、按I_N,I_N-1,...I₁的顺序，搜寻使得|I_max-I_n|<0.1成立的第一个电流值，I_n表示储存器中的第n个电流值，其序号记为n₂；

第二步、搜寻序号从n₁+3，n₁为t_c时刻电流值对应的序号；到n₂之间的最小电流值，其序号记为n₃；

第三步、通过公式t_d＝(n₃-n₀)Δτ，计算出铁芯碰着脱口板时刻t_d的值。

步骤3所述对高压断路器机构直流接地故障和电磁铁线圈匝间短路故障进行判断，其判断方法包括：

第一步、计算电磁铁线圈最大电流I_max

$I_{max}=\frac{\underset{k=1}{\overset{5}{\&Sigma;}}I\left(k\right)}{5}$

式中：I(k)表示电流采样值中第k个最大值；

第二步、收集1000次以上无故障情况下的电流波形数据，得到电磁铁线圈最大电流I_max的统计特征：均值μ，、标准差σ和分布函数，然后通过概率公式

P(I_l≤I_max≤I_r)＝1-α，

得到：

I_l＝μ+z_α/2σ

，

I_r＝μ+z_1-α/2σ

式中：I_l表示最大电流I_max的下阈值；I_r表示最大电流I_max的上阈值；P(I_l≤I_max≤I_r)表示最大电流I_max的概率；α是置信水平；z_α/2表示正态分布的分位数；z_1-α/2表示正态分布的分位数；

第三步、监测一个完整的动作电流波形数据得到的电磁铁线圈最大电流I_max，当I_max<I_l则判定为直流接地故障；当I_max>I_r则判定为线圈匝间短路故障；

第四步、在直流接地故障下根据公式U_fact＝R₀I_max计算出电磁铁线圈两端实际输入电压，式中：R₀为线圈铭牌上的阻值；

第五步、当电磁铁线圈两端实际输入电压U_fact小于143V则为严重直流接地故障，发出紧急停电检修报警；当电磁铁线圈两端实际输入电压U_fact大于等于143V则为轻度直流接地故障，发出允许在运行状态下进行检修的报警信息；

第六步、在匝间短路故障下，根据公式R_fact＝U/I_max计算出电磁铁线圈实际电阻，式中：U＝DC220V表示通入线圈的直流电压；

第七步、当电磁铁线圈实际电阻R_fact小于0.8R₀，则发出电磁铁线圈严重短路报警，需要停电更换电磁铁线圈；当电磁铁线圈实际电阻R_fact大于等于0.8R₀，则发出电磁铁线圈异常报警，提示需要加强监视。

步骤4所述对高压断路器机构分闸脱扣器不能合闸保持引起的断路器“合后即分”故障进行判断，其判断方法为：在合闸线圈电流出现后的100ms以内未检测到分闸线圈电流；且在合闸线圈电流出现后的100ms以内检测到断路器辅助开关的开关量信号有合和分信号，且合信号在分信号之前出现，则判定为高压断路器机构分闸脱扣器不能合闸保持引起的断路器“合后即分”故障。步骤5所述对高压断路器机构复位弹簧变形导致铁芯不能复位的故障进行判断，其判断方法包括：

第一步、通过公式计算电能指标E，式中：Δτ是采样时间间隔，表示从t_c到t_d时刻中记录的电流值个数；I(k)表示采样器中储存的第k个电流值，t_c为铁芯动作时刻，t_d为铁芯碰着脱口板时刻；

第二步、通过收集1000次以上无故障情况下的电流波形数据，得到电能指标E的统计特征：均值μ₃，标准差σ₃和分布函数，通过概率公式

P(E_l≤E)＝1-α，

得到：

E_l＝μ₃+z_ασ₃，

式中：E_l表示电能指标E的下阈值；P(E_l≤E)表示电能指标E的概率；α是置信水平；z_α表示正态分布的α分位数；

第三步、收集1000次以上无故障情况下的电流波形数据，得到电流归零的时刻t_end的统计特征：均值μ₂，标准差σ₂和分布函数，然后通过概率公式

P(tl_end≤t_end≤tr_end)＝1-α，

得到：

tl_end＝μ₂+z_α/2σ₂

，

tr_end＝μ₂+z_1-α/2σ₂

式中：tl_end表示电流归零的时刻t_end的下阈值；tr_end表示电流归零的时刻t_end上阈值；P(tl_end≤t_end≤tr_end)表示电流归零的时刻t_end的概率；α是置信水平；z_α/2表示正态分布的分位数；z_1-α/2表示正态分布的分位数；

第四步、对于一次监测数据中得到的E和t_end，当E>E_l且t_end<tl_end则断路器具有复位弹簧不能复位的故障，并发出复位弹簧不能复位的报警。

步骤6所述对高压断路器机构脱扣器卡涩故障进行判断，其判断方法包括：

第一步、利用统计方法回归出电流归零时刻t_end和分、合闸最小动作电压U_min之间的回归方程：

U_min-U₀＝β₁(t_end-t_end0)+β₀

式中：β₀,β₁为回归系数；U₀为非故障情况下的分、合闸最小动作电压；t_end0为非故障情况下的电流归零时刻；

第二步、对于一次监测数据得到的电流归零时刻t_end，当tr_end<t_end时，则断路器未发生高压断路器机构脱扣器卡涩故障；

第三步、当脱扣器卡涩故障时，通过回归方程U_min＝β₁(t_end-t_end0)+β₀+U₀得到此时的分、合闸最低动作电压；第四步、合闸最低动作电压U_min大于176V则发出合闸最低动作电压超标报警，提示检修；当分闸最低动作电压U_min大于143V则发出分闸最低动作电压超标报警，提示检修。

步骤7所述对电磁铁铁芯卡涩故障进行判断，其判断方法包括：第一步、计算电能指标E；

第二步、利用统计方法回归出分、合闸最小动作电压U_min和电能指标E之间的回归方程：

U_min-U₀＝β₂(E-E₀)+β₃，

式中：U₀是非故障情况下的最小分、合闸动作电压值，E₀是相对应的能值，β₂,β₃是回归系数；

第三步、通过收集1000次以上无故障情况下的电流波形数据，得到电能指标E的统计特征：均值μ₃，标准差σ₃和分布函数，通过概率公式

P(E_l≤E)＝1-α，

得到：

E_l＝μ₃+z_ασ₃，

式中：E_l表示电能指标E的下阈值；P(E_l≤E)表示电能指标E的概率；α是置信水平，z_α表示正态分布的α分位数；

第四步、通过收集1000次以上无故障情况下的电流波形数据，得到电流归零时刻t_end的统计特征：均值μ₂，标准差σ₂和分布函数，通过概率公式

P(tl_end≤t_end≤tr_end)＝1-α，

得到：

tl_end＝μ₂+z_α/2σ₂

tr_end＝μ₂+z_1-α/2σ₂，

式中：tl_end表示电流归零时刻t_end的下阈值；tr_end表示电流归零时刻t_end的上阈值；P(tl_end≤t_end≤tr_end)表示电流归零时刻t_end的概率；α是置信水平；z_α/2表示正态分布的分位数；z_1-α/2表示正态分布的分位数；

第五步、对于一次监测数据中得到的电能指标E和电流归零时刻t_end进行判断，当E>E_l且t_end>tr_end，则断路器具有电磁铁铁芯卡涩或摩擦力增大的故障，并发出铁芯卡涩故障的报警；

第六步、当铁芯卡涩故障时，通过回归方程得到此时的分、

合闸最低动作电压

U_min-U₀＝β₂(E-E₀)+β₃，

当合闸电磁铁最低动作电压U_min大于176V则发出合闸最低动作电压超标报警，提示检修；当分闸电磁铁最低动作电压U_min大于143V发出分闸最低动作电压超标报警，提示检修。

本发明的有益效果：

现行的断路器脱扣器最低动作电压测量方法是将断路器操作至检修位置后，使用特性测试仪进行测量，以分闸最低动作电压测量为例，由于规程规定小于额定电压的30％(即66V)，不允许动作。所以测试仪的输出直流电压从66V开始逐步往上增加，直到输出的电压值能够使分闸动作，则认定此时的输出电压为分闸的最低动作电压。但在前期未使断路器动作的输出电压也能使铁芯撞击脱扣器，造成脱扣器半圆轴微动，引起最终的测得最低动作电压值比实际最低动作电压小得多的情况。我们称之为测量的“累积效应”。会使测量误差较大，较易将有故障的断路器判断为合格。而本发明是在克服“累积效应”的基础上以正常断路器的动作电流为积分标准值，作差值计算出来的最低动作电压。测量电压全部为220V且全部为一次性动作，不存在“累积效应”的问题，所以测量精度更高，减少了误判断的可能性。

本发明可将机构的故障类别进行判断和显示，有利于提高检修效率，缩短停电检修时间。

本发明100％正确记录断路器分合闸电磁铁动作时间、主触头动作时间的先后顺序，作为断路器存在“合后即分”故障的重要依据。

本发明对断路器的电磁铁、脱扣器等机构进行实时监测，以达到发现故障初期立即停电处理的状态检修方式；本发明能将断路器的辅助开关切换情况按照时间顺序进行排序。为故障后的事故调查提供了第一手证据。也为后期故障的处理提供了依据；本发明可正确判断高压断路器在动作过程中是否出现直流接地故障引起的线圈输入电压过低以及分、合闸线圈短路等现象；本发明在断路器只要有操作时，电磁铁线圈就会有动作电流，只要检测到动作电流就能判断断路器是否存在机构故障并计算出脱扣器的最低动作电压和故障类型，因此具有结构简单，测量精度高，数据准确，校准方法简单方便，克服现有技术存在的技术问题。

附图说明：

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明监测到的电磁铁线圈电流波形图。

具体实施方式：

一种高压断路器机构故障在线监测装置，它包括控制器，分闸霍尔电流互感器、合闸霍尔电流互感器和高压断路器辅助开关的常开触点与控制器导线连接，控制器与显示终端连接。

所述控制器为STC12C5A60S2型采样计算单片机，所述显示终端为19264液晶显示屏。

所述分闸霍尔电流互感器和合闸霍尔电流互感器的穿心孔分别穿过分闸回路连接线和合闸回路连接线；所述分闸霍尔电流互感器和合闸霍尔电流互感器外部均采用金属屏蔽层覆盖。

本发明采用抗干扰直流电源通过输入交流220V电源向液晶显示屏、采样、计算单片机、分闸霍尔电流互感器、合闸霍尔电流互感器供给直流电源。

分闸霍尔电流互感器、合闸霍尔电流互感器的穿心孔分别按所需方向穿过分闸回路连接线和合闸回路连接线。但本装置与高压断路器的一、二次回路之间完全无电气连接，不影响高压断路器的正常运行。

本发明安装到高压断路器上后，通过运行人员正常的分、合闸操作或遇短路故障时的保护动作、重合闸动作等动作发生时产生的线圈电流波形数据可查出高压断路器机构经常发生的6大故障，分别为：①断路器脱扣器受潮、生锈、变形、黄油老化引起的卡涩或摩擦力增大造成的拒动故障；②断路器电磁铁铁芯受潮、氧化、变形引起的铁芯卡涩或摩擦力增大造成的拒动故障；③铁芯复位弹簧弹力系数改变、弹簧缩短等引起的断路器拒动故障；④本断路器间隔直流接地故障；⑤电磁铁线圈匝间短路故障；⑥分闸脱扣器不能合闸保持引起的断路器“合后即分”故障。

所述的高压断路器机构故障在线监测装置的监测方法，它包括：

步骤1、数据采集，采样计算单片机通过分、合闸霍尔电流互感器分别对分、合闸线圈流过的电流信号以0.5ms的采样周期进行采样并存储电流数据；

步骤2、对基础数据进行计算；

步骤3、对高压断路器机构直流接地故障和电磁铁线圈匝间短路故障进行判断；

步骤4、对高压断路器机构分闸脱扣器不能合闸保持引起的断路器“合后即分”故障进行判断；

步骤5、对高压断路器机构复位弹簧变形导致铁芯不能复位的故障进行判断；

步骤6、对高压断路器机构脱扣器卡涩故障进行判断；

步骤7、对电磁铁铁芯卡涩故障进行判断。

其分、合闸霍尔电流互感器量程采用3A以上，反应时间小于30μs，采样电流误差小于0.06A。

采样计算单片机对电磁铁线圈的分、合闸采样时间控制在100毫秒以内。

下面通过实施例对本发明进行进一步的解释和说明。

其具体监测方法包括：

(1)数据采集：采样计算单片机通过分、合闸霍尔电流互感器分别对分、合闸线圈流过的电流信号以0.5ms的采样周期进行采样并存储电流数据；

(2)基础数据的计算

一.铁芯动作时刻t_c的计算方法

①理论基础。

根据相关文献知，无负载情况下电磁铁线圈电流I与时间t满足：

$I=I_{\max }(1-e^{-\frac{t}{L_{\mathrm{\&delta;}}/R}})$

变形可得：

$ln(1-\frac{I}{I_{max}})=-\frac{R}{L_{\mathrm{\&delta;}}}t.$

其中：

I_max表示电磁铁线圈最大电流；

R表示电磁铁线圈的电阻；

L_δ表示电磁铁线圈的线圈电感。

观察此式，可以发现与t成正比例关系。也就是说如果电磁铁铁芯未运动时，这样的成比例关系就会保持，如果铁芯运动了那么这样的正比例关系就会打破。

②针对一次监测获得的电流数据，进行如下步骤：

第一步：先计算出电磁铁线圈最大电流I_max；

第二步；在获得的电流数据中，搜寻出第一个大于等于0.1A的电流值，其序号记为n₀；

第三步：从n₀开始向后选取5个电流值，利用正比例形式的回归方程进行回归得到：

y＝β(n-n₀)

其中：

y表示回归方程的预报值，对应于

β表示回归系数；

n表示电流数据的序号。因为电流采样是等距的，因此可用序号替代时间。

第四步：从储存器中提取电流值I₁,I₂,,,I_N(N表示电流值的总个数)，找出使|I_n-β(n-n₀)|≥0.3成立的最小n值，I_n表示储存器中的第n个电流值。记为n₁。那么

t_c＝(n₁-n₀)Δτ，

其中：Δτ表示采样间隔

二、电流归零时刻t_end的计算法方法

从存储的电路数据中按I_N,I_N-1,...I₁的顺序找到最后一个小于0.1A的电流值所对应的序号n_end，那么t_end＝(n_end-n₀)Δτ。

t_end0表示非故障情况下的电流归零时刻。

三、铁芯碰着脱口板时刻t_d的计算方法

第一步：按I_N,I_N-1,...I₁的顺序，搜寻使得|I_max-I_n|<0.1，成立的第一个电流值，I_n表示储存器中的第n个电流值，其序号记为n₂；

第二步：搜寻序号从n₁+3，n₁为t_c时刻电流值对应的序号，到n₂之间的最小电流值，其序号记为n₃；

第三步：计算t_d＝(n₃-n₀)Δτ。

(3)故障类型判断及计算：

步骤1、所述直流接地故障和电磁铁线圈匝间短路故障的判断方法为：

①对于电磁铁线圈最大电流I_max的计算可根据公式

$I_{max}=\frac{\underset{k=1}{\overset{5}{\&Sigma;}}I\left(k\right)}{5},$

其中：I(k)表示电流采样值中第k个最大值；

②通过收集1000次以上无故障情况下的电流波形数据，得到电磁铁线圈最大电流I_max的统计特征：均值μ，标准差σ和分布函数，然后通过概率公式

P(I_l≤I_max≤I_r)＝1-α，

得到：

I_l＝μ+z_α/2σ

I_r＝μ+z_1-α/2σ，

其中：

I_l表示最大电流I_max的下阈值；

I_r表示最大电流I_max的上阈值；

P(I_l≤I_max≤I_r)表示最大电流I_max的概率；

α是置信水平；

z_α/2表示正态分布的分位数；

z_1-α/2表示正态分布的分位数。

③监测一个完整的动作电流波形数据得到的电磁铁线圈最大电流I_max，如果：I_max<I_l认为是直流接地故障；I_max>I_r认为是线圈匝间短路故障；I_l≤I_max≤I_r认为均没有以上两种故障。

④在直流接地故障下，根据欧姆定律计算出电磁铁线圈两端实际输入电压U_fact＝R₀I_max，这里R₀表示线圈铭牌上的阻值；

当电磁铁线圈两端实际输入电压U_fact小于143V为严重直流接地故障，发出紧急停电检修报警；当电磁铁线圈两端实际输入电压U_fact大于等于143V为轻度直流接地故障，发出允许在运行状态下进行检修的报警信息。

在匝间短路故障下，根据欧姆定律计算出电磁铁线圈实际电阻R_fact＝U/I_max，U＝DC220V表示通入线圈的直流电压。

当电磁铁线圈实际电阻R_fact小于0.8R₀，发出电磁铁线圈严重短路报警，需要停电更换电磁铁线圈；当电磁铁线圈实际电阻R_fact大于等于0.8R₀，发出电磁铁线圈异常报警，提示需要加强监视；

步骤2、分闸脱扣器不能合闸保持引起的断路器“合后即分”

故障判断方法：

“合后即分”现象是合闸线圈有正常电流使断路器合上，在之后的30ms以内断路器又分开，不是因为分闸电磁铁动作，而是由于分闸脱扣器故障，不能保持住合闸凸轮的位置。因此在采样信号中主要表现为：

特征一：在合闸线圈电流出现后的100ms以内未检测到分闸线圈电流。

特征二：在合闸线圈电流出现后的100ms以内检测到断路器辅助开关的开关量信号有合(1),有分(0)，且1在0的时间之前出现。同时满足以上两个特征，则判定为分闸脱扣器不能合闸保持引起的断路器“合后即分”故障。

步骤3、复位弹簧变形导致铁芯不能复位的故障判断方法：

①利用铁芯动作时刻t_c到铁芯碰着脱口板时刻t_d的电流值通过下式可以得到电能指标E，

$E=\mathrm{\&Delta;}\mathrm{\&tau;}\underset{k=1}{\overset{M}{\&Sigma;}}\frac{I\left(k\right)+I(k+1)}{2},$

其中：

Δτ是采样器的时间间隔，这里Δτ＝0.5ms；

表示从t_c到t_d时刻中记录的电流值个数；

I(k)表示采样器中储存的第k个电流值。

②通过收集1000次以上无故障情况下的电流波形数据，得到E的统计特征：均值μ₃，标准差σ₃和分布函数，然后通过概率公式

P(E_l≤E)＝1-α，

得到：

E_l＝μ₃+z_ασ₃，

其中：

E_l表示电能指标E的下阈值；

P(E_l≤E)表示电能指标E的概率；

α是置信水平；

z_α表示正态分布的α分位数。

3，通过收集1000次以上无故障情况下的电流波形数据，得到电流归零的时刻t_end的统计特征：均值μ₂，标准差σ₂和分布函数，实验结果表明E服从正态分布，然后通过概率公式

P(tl_end≤t_end≤tr_end)＝1-α，

得到：

tl_end＝μ₂+z_α/2σ₂

tr_end＝μ₂+z_1-α/2σ₂，

其中：

tl_end表示电流归零的时刻t_end的下阈值；

tr_end表示电流归零的时刻t_end的上阈值；

P(tl_end≤t_end≤tr_end)表示电流归零的时刻t_end的概率；

α是置信水平；

z_α/2表示正态分布的分位数；

z_1-α/2表示正态分布的分位数。

4，对于一次监测数据中得到的E和t_end判断是否满足以下两个判据：

判据1、E>E_l是否成立；

判据2、t_end<tl_end是否成立；

如果上述两条判据都满足则认为断路器具有复位弹簧不能复位的故障，并发出复位弹簧不能复位的报警。

步骤4、脱扣器卡涩故障判断方法：

1，通过收集1000次以上无故障情况下的电流波形数据，得到电流归零的时刻t_end的统计特征：均值μ₂，标准差σ₂和分布函数，实验结果表明E服从正态分布，然后通过概率公式

P(tl_end≤t_end≤tr_end)＝1-α，

得到：

tl_end＝μ₂+z_α/2σ₂

tr_end＝μ₂+z_1-α/2σ₂，

其中：

tl_end表示电流归零的时刻t_end的下阈值；

tr_end表示电流归零的时刻t_end的上阈值；

P(tl_end≤t_end≤tr_end)表示电流归零的时刻t_end的概率；

α是置信水平；

z_α/2表示正态分布的分位数；

z_1-α/2表示正态分布的分位数。

②通过仿真故障的数据，利用统计方法回归出电流归零时刻t_end和分、合闸最小动作电压U_min之间的回归方程：

U_min-U₀＝β₁(t_end-t_end0)+β₀，

其中：

β₀,β₁为回归系数；

U₀为非故障情况下的最小动作电压；

t_end0为非故障情况下的电流归零时刻。

③对于一次监测数据得到t_end，当tr_end<t_end时，认为断路器没

有这项故障，否则认为断路器工作异常存在脱扣器卡涩故障。

④如果判断为脱扣器卡涩故障，通过回归方程得到此时的分、合闸最低动作电压

U_min＝β₁(t_end-t_end0)+β₀+U₀，

根据预防性试验规程可判定该脱扣器的最低动作电压是否超标以及安排停电检修。

当合闸电磁铁最低动作电压U_min大于176V发出合闸最低动作电压超标报警，提示检修。

当分闸电磁铁最低动作电压U_min大于143V发出分闸最低动作电压超标报警，提示检修。

步骤5：电磁铁铁芯卡涩故障判断方法：

铁芯在运动过程中所受的摩擦阻力增大导致铁芯平均速度变慢，再根据公式

$U=IR+L\frac{dI}{dt}+Iv\frac{dL}{d\mathrm{\&delta;}},$

可知因为反电动势的存在，当铁心速度变慢时线圈电流将比正常情况下的大，并且在电流波形中主要表现为：

①利用铁芯动作时刻t_c到铁芯碰着脱口板时刻t_d的电流值通过下式可以得到电能指标E，

$E=\mathrm{\&Delta;}\mathrm{\&tau;}\underset{k=1}{\overset{M}{\&Sigma;}}\frac{I\left(k\right)+I(k+1)}{2},$

其中：

Δτ是采样器的时间间隔，这里Δτ＝0.5ms；

表示从t_c到t_d时刻中记录的电流值个数；

I(k)表示采样器中储存的第k个电流值。

2，通过仿真故障的数据，利用统计方法回归出分、合最小动作电压U_min和电能指标E之间的回归方程：

U_min-U₀＝β₂(E-E₀)+β₃，

其中：U₀是正常情况下的最小分、合闸动作电压值，E₀是相对应的能值，这里主要是对公式的通用性进行矫正；

β₂,β₃是由大量数据训练出的回归系数。

3、通过收集1000次以上无故障情况下的电流波形数据，得到E的统计特征：均值μ₃，标准差σ₃和分布函数，然后通过概率公式

P(E_l≤E)＝1-α，

得到：

E_l＝μ₃+z_ασ₃，

其中：

E_l表示电能指标E的下阈值；

P(E_l≤E)表示电能指标E的概率；

α是置信水平；

z_α表示正态分布的α分位数。

4，通过收集1000次以上无故障情况下的电流波形数据，得到电流归零的时刻t_end的统计特征：均值μ₂，标准差σ₂和分布函数(实验结果表明E服从正态分布)，然后通过概率公式

P(tl_end≤t_end≤tr_end)＝1-α，

得到：

tl_end＝μ₂+z_α/2σ₂

tr_end＝μ₂+z_1-α/2σ₂，

其中：

tl_end表示电流归零的时刻t_end的下阈值；

tr_end表示电流归零的时刻t_end的上阈值；

P(tl_end≤t_end≤tr_end)表示电流归零的时刻t_end的概率；

α是置信水平；

z_α/2表示正态分布的分位数；

z_1-α/2表示正态分布的分位数。

5，对于一次监测数据中得到的E和t_end判断是否满足以下两个判据：

判据1、E>E_l是否成立；

判据2、t_end>tr_end是否成立；

如果上述两条判据都满足则认为断路器具有电磁铁铁芯卡涩或摩擦力增大的故障，并发出铁芯卡涩故障的报警。

6、如果判断为铁芯卡涩故障，通过回归方程得到此时的分、合闸最低动作电压

U_min-U₀＝β₂(E-E₀)+β₃，

根据预防性试验规程可判定该脱扣器的最低动作电压是否超标以及安排停电检修。

当合闸电磁铁最低动作电压U_min大于176V发出合闸最低动作电压超标报警，提示检修。

当分闸电磁铁最低动作电压U_min大于143V发出分闸最低动作电压超标报警，提示检修。

Claims (10)

1.一种高压断路器机构故障在线监测装置，它包括控制器，其特征在于：分闸霍尔电流互感器、合闸霍尔电流互感器和高压断路器辅助开关的常开触点与控制器导线连接，控制器与显示终端连接。

2.根据权利要求1所述的一种高压断路器机构故障在线监测装置，其特征在于：所述控制器为STC12C5A60S2型采样计算单片机，所述显示终端为19264液晶显示屏。

3.根据权利要求1所述的一种高压断路器机构故障在线监测装置，其特征在于：所述分闸霍尔电流互感器和合闸霍尔电流互感器的穿心孔分别穿过分闸回路连接线和合闸回路连接线；所述分闸霍尔电流互感器和合闸霍尔电流互感器外部均采用金属屏蔽层覆盖。

4.如权利要求1所述的高压断路器机构故障在线监测装置的监测方法，它包括：

步骤1、数据采集，采样计算单片机通过分、合闸霍尔电流互感器分别对分、合闸线圈流过的电流信号以0.5ms的采样周期进行采样并存储电流数据；

步骤2、对基础数据进行计算；

步骤3、对高压断路器机构直流接地故障和电磁铁线圈匝间短路故障进行判断；

步骤4、对高压断路器机构分闸脱扣器不能合闸保持引起的断路器“合后即分”故障进行判断；

步骤5、对高压断路器机构复位弹簧变形导致铁芯不能复位的故障进行判断；

步骤6、对高压断路器机构脱扣器卡涩故障进行判断；

步骤7、对电磁铁铁芯卡涩故障进行判断。

5.根据权利要求4所述的高压断路器机构故障在线监测装置的监测方法，其特征在于：步骤2所述基础数据进行计算，它包括：

铁芯动作时刻t_c的计算：

第一步、针对一次监测获得的电流数据计算出电磁铁线圈最大电流I_max；

第二步、在获得的电流数据中，搜寻出第一个大于等于0.1A的电流值，其序号记为n₀，

第三步、从n₀开始向后选取5个电流值，利用正比例形式的回归方程进行回归得到：

y＝β(n-n₀)

式中：y表示回归方程的预报值，对应于β表示回归系数；n表示电流数据的序号；

第四步、从储存器中提取电流值I₁,I₂,,,I_N(N表示电流值的总个数)，找出使|I_n-β(n-n₀)|≥0.3成立的最小n值，I_n表示储存器中的第n个电流值，记为n₁。那么

t_c＝(n₁-n₀)Δτ，

式中Δτ表示采样间隔时间；

电流归零时刻t_end的计算：从存储的电流数据中按I_N,I_N-1,...I₁的顺序找到最后一个小于0.1A的电流值所对应的序号n_end，根据公式t_end＝(n_end-n₀)Δτ得到电流归零时刻t_end的值；

铁芯碰着脱口板时刻t_d的计算：

第一步、按I_N,I_N-1,...I₁的顺序，搜寻使得|I_max-I_n|<0.1成立的第一个电流值，I_n表示储存器中的第n个电流值，其序号记为n₂；

第二步、搜寻序号从n₁+3，n₁为t_c时刻电流值对应的序号；到n₂之间的最小电流值，其序号记为n₃；

第三步、通过公式t_d＝(n₃-n₀)Δτ，计算出铁芯碰着脱口板时刻t_d的值。

6.根据权利要求4所述的高压断路器机构故障在线监测装置的监测方法，其特征在于：步骤3所述对高压断路器机构直流接地故障和电磁铁线圈匝间短路故障进行判断，其判断方法包括：

第一步、计算电磁铁线圈最大电流I_max

$I_{max}=\frac{\underset{k=1}{\overset{5}{\&Sigma;}}I\left(k\right)}{5}$

式中：I(k)表示电流采样值中第k个最大值；

第二步、收集1000次以上无故障情况下的电流波形数据，得到电磁铁线圈最大电流I_max的统计特征：均值μ，、标准差σ和分布函数，然后通过概率公式

P(I_l≤I_max≤I_r)＝1-α，

得到：

I_l＝μ+z_α/2σ

，

I_r＝μ+z_1-α/2σ

式中：I_l表示最大电流I_max的下阈值；I_r表示最大电流I_max的上阈值；P(I_l≤I_max≤I_r)表示最大电流I_max的概率；α是置信水平；z_α/2表示正态分布的分位数；z_1-α/2表示正态分布的分位数；

第三步、监测一个完整的动作电流波形数据得到的电磁铁线圈最大电流I_max，当I_max<I_l则判定为直流接地故障；当I_max>I_r则判定为线圈匝间短路故障；

第四步、在直流接地故障下根据公式U_fact＝R₀I_max计算出电磁铁线圈两端实际输入电压，式中：R₀为线圈铭牌上的阻值；

第五步、当电磁铁线圈两端实际输入电压U_fact小于143V则为严重直流接地故障，发出紧急停电检修报警；当电磁铁线圈两端实际输入电压U_fact大于等于143V则为轻度直流接地故障，发出允许在运行状态下进行检修的报警信息；

第六步、在匝间短路故障下，根据公式R_fact＝U/I_max计算出电磁铁线圈实际电阻，式中：U＝DC220V表示通入线圈的直流电压；

第七步、当电磁铁线圈实际电阻R_fact小于0.8R₀，则发出电磁铁线圈严重短路报警，需要停电更换电磁铁线圈；当电磁铁线圈实际电阻R_fact大于等于0.8R₀，则发出电磁铁线圈异常报警，提示需要加强监视。

7.根据权利要求4所述的高压断路器机构故障在线监测装置的监测方法，其特征在于：步骤4所述对高压断路器机构分闸脱扣器不能合闸保持引起的断路器“合后即分”故障进行判断，其判断方法为：在合闸线圈电流出现后的100ms以内未检测到分闸线圈电流；且在合闸线圈电流出现后的100ms以内检测到断路器辅助开关的开关量信号有合和分信号，且合信号在分信号之前出现，则判定为高压断路器机构分闸脱扣器不能合闸保持引起的断路器“合后即分”故障。

8.根据权利要求4所述的高压断路器机构故障在线监测装置的监测方法，其特征在于：步骤5所述对高压断路器机构复位弹簧变形导致铁芯不能复位的故障进行判断，其判断方法包括：

第一步、通过公式计算电能指标E，式中：Δτ是采样时间间隔，表示从t_c到t_d时刻中记录的电流值个数；I(k)表示采样器中储存的第k个电流值，t_c为铁芯动作时刻，t_d为铁芯碰着脱口板时刻；

第二步、通过收集1000次以上无故障情况下的电流波形数据，得到电能指标E的统计特征：均值μ₃，标准差σ₃和分布函数，通过概率公式

P(E_l≤E)＝1-α，

得到：

E_l＝μ₃+z_ασ₃，

式中：E_l表示电能指标E的下阈值；P(E_l≤E)表示电能指标E的概率；α是置信水平；z_α表示正态分布的α分位数；

第三步、收集1000次以上无故障情况下的电流波形数据，得到电流归零的时刻t_end的统计特征：均值μ₂，标准差σ₂和分布函数，然后通过概率公式

P(tl_end≤t_end≤tr_end)＝1-α，

得到：

tl_end＝μ₂+z_α/2σ₂

，

tr_end＝μ₂+z_1-α/2σ₂

式中：tl_end表示电流归零的时刻t_end的下阈值；tr_end表示电流归零的时刻t_end上阈值；P(tl_end≤t_end≤tr_end)表示电流归零的时刻t_end的概率；α是置信水平；z_α/2表示正态分布的分位数；z_1-α/2表示正态分布的分位数；

第四步、对于一次监测数据中得到的E和t_end，当E>E_l且t_end<tl_end则断路器具有复位弹簧不能复位的故障，并发出复位弹簧不能复位的报警。

9.根据权利要求4所述的高压断路器机构故障在线监测装置的监测方法，其特征在于：步骤6所述对高压断路器机构脱扣器卡涩故障进行判断，其判断方法包括：

第一步、利用统计方法回归出电流归零时刻t_end和分、合闸最小动作电压U_min之间的回归方程：

U_min-U₀＝β₁(t_end-t_end0)+β₀

式中：β₀,β₁为回归系数；U₀为非故障情况下的分、合闸最小动作电压；t_end0为非故障情况下的电流归零时刻；

第二步、对于一次监测数据得到的电流归零时刻t_end，当tr_end<t_end时，则断路器未发生高压断路器机构脱扣器卡涩故障；

第三步、当脱扣器卡涩故障时，通过回归方程U_min＝β₁(t_end-t_end0)+β₀+U₀得到此时的分、合闸最低动作电压；第四步、合闸最低动作电压U_min大于176V则发出合闸最低动作电压超标报警，提示检修；当分闸最低动作电压U_min大于143V则发出分闸最低动作电压超标报警，提示检修。

10.根据权利要求4所述的高压断路器机构故障在线监测装置的监测方法，其特征在于：步骤7所述对电磁铁铁芯卡涩故障进行判断，其判断方法包括：

第一步、计算电能指标E；

第二步、利用统计方法回归出分、合闸最小动作电压U_min和电能指标E之间的回归方程：

U_min-U₀＝β₂(E-E₀)+β₃，

式中：U₀是非故障情况下的最小分、合闸动作电压值，E₀是相对应的能值，β₂,β₃是回归系数；

第三步、通过收集1000次以上无故障情况下的电流波形数据，得到电能指标E的统计特征：均值μ₃，标准差σ₃和分布函数，通过概率公式

P(E_l≤E)＝1-α，

得到：

E_l＝μ₃+z_ασ₃，

式中：E_l表示电能指标E的下阈值；P(E_l≤E)表示电能指标E的概率；α是置信水平，z_α表示正态分布的α分位数；

第四步、通过收集1000次以上无故障情况下的电流波形数据，得到电流归零时刻t_end的统计特征：均值μ₂，标准差σ₂和分布函数，通过概率公式

P(tl_end≤t_end≤tr_end)＝1-α，

得到：

tl_end＝μ₂+z_α/2σ₂

tr_end＝μ₂+z_1-α/2σ₂，

式中：tl_end表示电流归零时刻t_end的下阈值；tr_end表示电流归零时刻t_end的上阈值；P(tl_end≤t_end≤tr_end)表示电流归零时刻t_end的概率；α是置信水平；z_α/2表示正态分布的分位数；z_1-α/2表示正态分布的分位数；

第五步、对于一次监测数据中得到的电能指标E和电流归零时刻t_end进行判断，当E>E_l且t_end>tr_end，则断路器具有电磁铁铁芯卡涩或摩擦力增大的故障，并发出铁芯卡涩故障的报警；

第六步、当铁芯卡涩故障时，通过回归方程得到此时的分、

合闸最低动作电压

U_min-U₀＝β₂(E-E₀)+β₃，

当合闸电磁铁最低动作电压U_min大于176V则发出合闸最低动作电压超标报警，提示检修；当分闸电磁铁最低动作电压U_min大于143V发出分闸最低动作电压超标报警，提示检修。