本实用新型一种断路器触头状态故障诊断仪，用于对断路器的动静触头状态进行实时监
测，判断断路器触头是否出现烧蚀、接触不良等故障状况，为断路器故障监测及检修提供数据支撑。
背景技术：
断路器作为变电站中的关键设备之一，其性能决定着电力系统的安全稳定运行。因此对断路器工作状态进行实时监测非常重要。其中，对于断路器动静触头的监测有利于及时发现断路器触头的实时性能。由于断路器动触头经常动作，而其上承载的高压大电流使得动静触头分离时会产生拉弧现象。长期使用后会出现触头接触不良、触头烧损严重等情况，进而造成断路器合闸时接触电阻过大，甚至伸长断路器拒动或开断短路电流失败，产生较大的经济损失。触头故障在断路器开断故障中占有较大的比例，因此及时发现触头存在的故障并对其进行修复十分有必要。
断路器触头位于断路器内部，处于高压侧，且断路器内容空间狭小，对其进行监测较为困难。中国专利“CN103487749A”、“CN103616635A”和“CN103776622A”等公开了关于高压断路器的机械状态诊断系统，中国专利“CN103809115A”公开了一种基于振动信号检测的断路器在线监测与故障诊断系统。
以上几种专利主要根据断路器动作时的振动信号来判断断路器工作状态，然而对于断路器内部触头接触不良、触头烧损等电气故障，由于没有明显机械振动现象，无法进行故障诊断。中国专利“CN105242199A”和中国专利“CN105974304A”公开了断路器分合闸线圈的故障诊断方法，然而其仅仅是判断分合闸线圈的工作状态，确定断路器是否有效分闸或合闸，对触头故障等也无法进行有效的监测及判断。
技术实现要素：
目前断路器触头接触不良、烧损严重等情况监测困难，故障类别判断较难实现。针对这种情况，本实用新型提供了一种断路器触头状态故障诊断仪，包括供能CT、传感器、供能模块、信号变换发送模块、数据合并处理装置及工控机（IPC）等部分。采用两个弧形线圈实现断路器触头中实时电流的监测；利用供能CT配合可重复充电锂电池，实现信号变换发送模块的供能；信号变换发送模块通过无线通信发送给数据合并处理装置。数据合并处理装置接收三相断路器触头电流数据，进行数据合并处理后，通过光纤组网的方式发送给工控机进行分析处理。
本实用新型采取的技术方案为：
一种断路器触头状态故障诊断仪，包括供能CT、传感器、供能模块、信号变换发送模块、数据合并处理装置、工控机。所述供能CT用于从断路器导线中感应电流，供能CT连接供能模块，供能模块连接信号变换发送模块。所述传感器连接信号变换发送模块，信号变换发送模块用于将传感器输出的信号转变为数字量，并通过无线通信的方式发送给数据合并处理装置。所述数据合并处理装置用于接收信号变换发送模块发送过来的数据，数据合并处理装置将数据发送给工控机。所述工控机用于实现信号的分析处理、波形显示、数据保存。
所述传感器包括支撑板、两个弧形线圈、绕线、回线；支撑板采用环氧树脂构成，与弧形线圈对应，支撑板也分成两个弧形板，弧形线圈安装在弧形板上。每个弧形板上分布有回线；在同一个垂直于支撑板平面的磁场作用下，回线感应电压方向与弧形线圈感应电压方向相反，从而可以抵消垂直支撑板平面方向的磁场干扰，提高弧形线圈的测量准确度。
所述支撑板上分布有连接插头、过孔，大大方便了两个弧形线圈的安装及连接。
所述数据合并处理装置接收来自A、B、C三相传感器的信号，并按照IEC61850-9-2协议组帧处理后，通过光纤组网的方式发送给工控机。
所述信号变换发送模块耗电由供能模块提供。供能模块利用供能CT从断路器导线中获取能量。利用供能CT和可重复充电锂电池配合的方式，保证线路无论有无电流，信号变换发送模块仍能正常工作，准确记录断路器断开及合闸瞬间的波形。供能模块采用双CT供能的方式，从断路器导线中感应电流，而后通过整流电路整流为直流电压，给信号变换发送模块供电，供电电压为5V。同时，整流后的电流给供能模块中的可重复充电锂电池进行充电。双CT供能有效降低了启动电流，启动电流可低至10A，此时输出功率30mW，满足信号变换发送模块要求。当电流较小时，切换至锂电池供电。
所述传感器的输出传给信号变换发送模块，信号变换发送模块用于将传感器输出的信号转变为数字量，并通过无线通信的方式发送给数据合并处理装置。数据合并处理装置用于接收信号变换发送模块发送过来的数据，并按照IEC61850-9-2协议组帧处理后，通过光纤组网的方式发送给工控机（IPC）。工控机用于实现信号的分析处理、波形显示、数据保存等。
所述的信号变换发送模块采用低功耗芯片设计，其耗电由供能模块提供。供能模块利用供能CT从断路器导线中获取能量。当断路器合上时，断路器中有电流通过，此时供能CT从断路器导线中感应电流，而后通过整流电路整流为直流电压，给信号变换发送模块供电，供电电压为5V。同时，整流后的电流给供能模块中的可重复充电锂电池进行充电。当断路器断开时，通过锂电池给信号变换发送模块供电，从而保证在线路没有电流的情况下，信号变换发送模块仍能正常工作，准确记录断路器断开及合闸瞬间的波形。
为了实现在较低电流下供能CT能正常工作，采用双CT供能方式。采用纳米晶作为供能CT的铁心。通过设计之后，CT启动电流可低至10A，此时输出功率30mW，满足信号变换发送模块要求。当电流较小时，切换至锂电池供电。
所述的工控机采用基于LabVIEW的软件平台实现数据的分析处理。为了准确识别断路器触头故障特征，本实用新型提供了一种基于分部滤波和EMD-HHT变换的信号频谱分析方法，可有效识别信号频谱，进行故障特征判别。由于故障特征信号特征频谱很宽，仅采用EMD-HHT很难有效分析出故障频谱。本实用新型采取对故障信号进行分部滤波的方法，首先将得到的信号分成几个频谱段，0~100Hz为一个频谱段，100~1kHz为一个频谱段，1kHz以上为一个频谱段。针对每个频谱段采用不同的滤波方式，0~100Hz采用低通滤波，100~1kHz采用带通滤波，1kHz以上采用高通滤波的方式。信号通过以上三种滤波后，得到了三个分支信号，针对每个分支信号分别进行EMD-HHT变换，得到的结果进行综合后，从而得到完整的故障信号特征频谱图。经过本实用新型中的分部滤波后，可更加清晰的识别故障特征的频谱分量。测试结果也表明了这一点。
本实用新型一种断路器触头状态故障诊断仪，技术效果如下：
1）、利用弧形线圈构成的传感器实现故障信号捕获。弧形线圈尺寸及弧度可根据安装环境设计，制作和安装简单方便。
2）、弧形线圈及回线的设计，可以有效抵消垂直支撑板平面方向的磁场干扰，提高弧形线圈的测量准确度。
3）、支撑板上分布有连接插头及过孔，大大方便了两个弧形线圈的安装及连接。
4）利用供能CT和可重复充电锂电池实现系统的供电。双CT供能的设计有效降低了启动电流。
5）、利用基于分部滤波和EMD-HHT变换的信号频谱分析方法提取故障特征量，以诊断出故障来源。结果表明，该方法能够准确捕捉故障信号高频分量，鉴别断路器触头故障，从而有效地进行故障诊断。
6）、测试结果表明本实用新型提供的一种断路器触头状态故障诊断仪，可有效实现触头状态的判断，为断路器状态检修提供数据支撑。
附图说明
图1为本实用新型的系统整体结构示意图；
图1中：K1-静触头，K2-动触头，L0-断路器导线。
图2为本实用新型中传感器结构示意图；
图2中：A-弧形线圈外侧，B-弧形线圈内侧。
图3为本实用新型中弧形线圈及回线示意图。
图4（a）为本实用新型中弧形线圈的结构示意图一（两个弧形线圈构成椭圆形）。
图4（b）为本实用新型中弧形线圈的结构示意图二（单独使用一个弧形线圈）。
图5为供能模块双CT供能示意图。
图6为某断路器故障情况下信号的故障频谱特征图。
具体实施方式
一种断路器触头状态故障诊断仪，包括供能CT、传感器2、供能模块3、信号变换发送模块4、数据合并处理装置5、工控机6，如图1所示。
所述传感器2包括支撑板7、两个弧形线圈1、绕线8、回线9；所述支撑板7上分布有连接插头10、过孔11，弧形线圈1端部、回线9端部接输出端子12。如图2、3所示。
绕线8 采用漆包线在骨架上均匀缠绕而成，通过漆包线和骨架的配合，构成了弧形线圈。
所述传感器2采用两个弧形线圈1实现断路器触头中实时电流的监测。支撑板7采用环氧树脂构成，与弧形线圈1对应，支撑板7也分成两个弧形板。弧形线圈安装在弧形板上。每个弧形板上分布有回线9。在同一个垂直于支撑板平面的磁场作用下，回线9感应电压方向与弧形线圈感应电压方向相反，如图3中箭头所示，从而可以抵消垂直支撑板平面方向的磁场干扰，提高弧形线圈的测量准确度。支撑板7上分布有连接插头10、过孔11，大大方便了两个弧形线圈的安装及连接。
所述弧形线圈1，其尺寸或弧度可根据安装环境而改变，当断路器静触头K1周围空间较大时，弧形线圈可以做成半圆形，此时两个弧形线圈构成标准的圆形。当静触头K1周围空间为椭圆柱体时，弧形线圈可以做成如果4（a）所示的形式，此时两个弧形线圈构成椭圆形。特殊情况下，可单独使用一个弧形线圈，如图4（b）所示。弧形线圈可方便的根据安装环境改变形状， 大大拓展了其应用范围。单个弧形线圈设计为半圆形时，半径20mm，匝数400匝，此时输出大小为1000A：100mV。
所述传感器2的输出传给信号变换发送模块4，信号变换发送模块4用于将传感器2输出的信号转变为数字量，并通过无线通信的方式发送给数据合并处理装置5。数据合并处理装置5用于接收信号变换发送模块4发送过来的数据，可接收至少6路数据，扩展后可接收更多数据。数据合并处理装置5 采用FPGA作为核心处理器，用于对多路数据进行分析处理，芯片采用EP2C5Q。
所述的数据合并处理装置5接收来自A、B、C三相传感器的信号，并按照IEC61850-9-2协议组帧处理后，通过光纤组网的方式发送给工控机（IPC）。工控机6用于实现信号的分析处理、波形显示、数据保存等。
所述信号变换发送模块4采用低功耗芯片MSP430F16系列芯片设计而成，其耗电由供能模块3提供。供能模块3利用供能CT从断路器导线L0中获取能量。当断路器合上时，断路器中有电流通过，此时供能CT从断路器导线L0中感应电流，而后通过整流电路整流为直流电压，给信号变换发送模块4供电，供电电压为5V。同时，整流后的电流给供能模块3中的可重复充电锂电池进行充电。
当断路器断开时，通过锂电池给信号变换发送模块4供电，从而保证在线路没有电流的情况下，信号变换发送模块4仍能正常工作，准确记录断路器断开及合闸瞬间的波形。
整流电路如图所示5所示。图中CT1和CT2为供能CT，Rs1、Rs2为线圈内阻，D1-D4和D5-D8构成整流桥，将整流后的信号并联，使CT1和CT2共同供能。Q1为晶闸管，D9为5.5V稳压管， D9、R1、C1构成触发电路，当电压u2高于Q1触发电压时，控制Q1触发导通，电流则从Q1流过以吸收多余的能量。C2为储能电容，Q2为三端稳压，输出5V给信号变换发送模块使用。
为了实现在较低电流下供能CT能正常工作，采用双CT供能方式。采用纳米晶作为供能CT的铁心，其初始磁导率可达80000 Gs/Oe，从而保证供能CT在小电流时能获取更多能量。当供能CT工作在线性工作区时，输出功率为，式中S为铁心截面积、B为工作磁通密度、一次电流为I1，叠片系数Kp取0.8，一次电流频率f为50Hz。通过设计之后，CT启动电流可低至10A，此时输出功率30mW，满足信号变换发送模块要求。当电流较小时，切换至锂电池供电。
所述工控机6采用研华IPC-6234系列工控机,采用基于LabVIEW的软件平台实现数据的分析处理。为了准确识别断路器触头故障特征，本专利提供了一种基于分部滤波和EMD-HHT变换的信号频谱分析方法，可有效识别信号频谱，进行故障特征判别。
正常情况下，EMD-HHT变换包括经验模式分解(Empirical mode decomposition, EMD)和Hilbert 变换两个环节。首先，EMD按照信号自身特性自适应地把信号正交地分解成一系列的本征模式分量(Intrinsic mode function, IMF)，提取出信号的本质特征。之后对每一 IMF 进行Hilbert 变换，得到表征时间、频率和幅值之间关系的 Hilbert-Huang谱。然而，由于故障特征信号特征频谱很宽，仅采用EMD-HHT很难有效分析出故障频谱。本专利采取对故障信号进行分部滤波的方法，首先将得到的信号分成几个频谱段，0~100Hz为一个频谱段，100~1kHz为一个频谱段，1kHz以上为一个频谱段。针对每个频谱段采用不同的滤波方式，0~100Hz采用低通滤波，100~1kHz采用带通滤波，1kHz以上采用高通滤波的方式。信号通过以上三种滤波后，得到了三个分支信号，针对每个分支信号分别进行EMD-HHT变换，得到的结果进行综合后，从而得到完整的故障信号特征频谱图。经过本专利中的分部滤波后，可更加清晰的识别故障特征的频谱分量。
断路器正常开关时的频谱其频率以50Hz为主，图6为某断路器某次开断时的频谱特征图。图中横坐标为时间（s），纵坐标为kHz。从图6中可以看出，波形中含有丰富的频率分量，高频信号最大幅值与基频信号最大幅值比大于5。根据故障特征量分析，很有可能是触头故障，在切换过程中产生拉弧，从而电流波形中含有丰富的频率分量。检查发现触头烧蚀，表面粗糙，表面进行处理后恢复正常。
本实用新型一种断路器触头状态故障诊断仪，利用弧形线圈构成的传感器实现故障信号捕获。弧形线圈尺寸及弧度可根据安装环境设计，制作和安装简单方便。利用供能CT和可重复充电锂电池实现系统的供电。双CT供能的设计有效降低了启动电流。利用基于分部滤波和EMD-HHT变换的信号频谱分析方法提取故障特征量，以诊断出故障来源。结果表明，该方法能够准确捕捉故障信号高频分量，鉴别断路器触头故障，从而有效的故障诊断。
本实用新型提供了一种基于分部滤波和EMD-HHT变换的信号频谱分析方法，可有效识别信号频谱，进行故障特征判别。采取对故障信号进行分部滤波的方法，首先将得到的信号分成几个频谱段，0~100Hz为一个频谱段，100~1kHz为一个频谱段，1kHz以上为一个频谱段。针对每个频谱段采用不同的滤波方式，0~100Hz采用低通滤波，100~1kHz采用带通滤波，1kHz以上采用高通滤波的方式。信号通过以上三种滤波后，得到了三个分支信号，针对每个分支信号分别进行EMD-HHT变换，得到的结果进行综合后，从而得到完整的故障信号特征频谱图。经过本实用新型中的分部滤波后，可更加清晰的识别故障特征的频谱分量。