一种开关设备弹簧操动机构故障诊断方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 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】
[0004] 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。
[0005] 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：
[0006] 1)、采集弹簧操动机构在运动过程中电磁铁中的感应电流；
[0007] 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；
[0008] 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。
[0009] 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：电磁铁铁芯卡湿。
[0010] 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。
[0011] 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。
[0012] 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。
[0013] 所述第一设定值和第二设定值相等。
[0014] 所述第一设定值和第二设定值均为9%。
[0015] 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。
[0016] 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】
[0017] 图1是电流互感器的结构图；
[0018] 图2是信号采集和处理终端的原理框图；
[0019] 图3是上位机中的软件程序的工作流程图；
[0020] 图4是实施例1中的故障诊断时的电流波形图一；
[0021] 图5是实施例1中的故障诊断时的电流波形图二；
[0022] 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】
[0023] 下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
[0024] 实施例1
[0025] 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。
[0026] 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。
[0027] 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。
[0028] 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。
[0029] 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。
[0030] 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系统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， 并通过软件系统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。
[0031] 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。
[0032] 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。
[0033] 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