電氣設(shè)備故障智能自診斷系統(tǒng)

史書衛(wèi) 申偉鵬

摘 要：為了降低人工排查電氣設(shè)備故障的難度，提升電氣設(shè)備故障診斷的智能化水平，設(shè)計(jì)了一種電氣設(shè)備故障智能自診斷系統(tǒng)，通過(guò)設(shè)置觸點(diǎn)檢測(cè)裝置、視覺(jué)檢測(cè)裝置、弧光檢測(cè)傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器實(shí)時(shí)采集和分析電氣設(shè)備各類信息，監(jiān)測(cè)電氣設(shè)備一次回路和二次回路運(yùn)行狀態(tài)，自動(dòng)提供電氣設(shè)備故障信息和預(yù)測(cè)故障發(fā)生的等級(jí)。運(yùn)行結(jié)果表明，該系統(tǒng)能準(zhǔn)確地判斷電氣設(shè)備發(fā)生故障的元器件，縮短排查故障時(shí)間，提高工作效率。

關(guān)鍵詞：故障自診斷;觸點(diǎn)檢測(cè);視覺(jué)檢測(cè)

中圖分類號(hào)：TP242.3 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? 文章編號(hào)：1003-5168（2022）6-0049-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.06.011

Intelligent Fault Diagnosis System for Electrical Equipment

SHI Shuwei1 ? ?SHEN Weipeng2

（1.Henan Xinzheng Coal Power Co.，Ltd.，Xinzheng 451100，China;

2.Zhengzhou Feier Fire Technology Co.， Ltd.， Zhengzhou 450000，China）

Abstract： In order to reduce the difficulty of manual troubleshooting of electrical equipment and improve the intelligent level of electrical equipment fault diagnosis， an intelligent self diagnosis system for electrical equipment fault is designed， which collects and analyzes all kinds of information of electrical equipment in real time by setting contact detection device， visual detection device， arc detection sensor， temperature sensor and humidity sensor， monitor the operation status of primary circuit and secondary circuit of electrical equipment， and automatically provide electrical equipment fault information and predict the level of fault occurrence. The operation results show that the system can accurately judge the faulty components of electrical equipment， shorten the troubleshooting time and improve work efficiency.

Keywords： fault self-diagnosis; contact detection; visual inspection

0 引言

電氣設(shè)備主要通過(guò)定期、不定期檢修來(lái)掌握設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)設(shè)備缺陷，預(yù)防事故的發(fā)生。電氣設(shè)備故障處理過(guò)程中的難點(diǎn)在于如何快速查明電氣設(shè)備故障的原因，目前主要依靠技術(shù)人員的直接檢測(cè)和多年的工作經(jīng)驗(yàn)。由于電氣設(shè)備的自動(dòng)化程度在不斷提高，控制回路結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，只依靠人工檢測(cè)和個(gè)人經(jīng)驗(yàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電氣設(shè)備故障的檢測(cè)和診斷，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)實(shí)需求。因此，采取更加智能的方式對(duì)電氣設(shè)備故障進(jìn)行診斷是故障診斷領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)和發(fā)展方向，對(duì)保證電力系統(tǒng)安全運(yùn)行非常重要[1-4]。

1 電氣設(shè)備故障智能自診斷系統(tǒng)的構(gòu)成

電氣設(shè)備故障智能自診斷系統(tǒng)主要是通過(guò)電氣設(shè)備二次回路和一次回路的故障智能診斷來(lái)實(shí)現(xiàn)的，具體包括設(shè)置電氣設(shè)備內(nèi)部的觸點(diǎn)檢測(cè)裝置、視覺(jué)檢測(cè)裝置、弧光檢測(cè)傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器等。觸點(diǎn)檢測(cè)裝置用于獲取二次回路觸點(diǎn)的電平信號(hào)，以判斷觸點(diǎn)的工作狀況，維修人員能夠根據(jù)觸點(diǎn)檢測(cè)裝置的檢測(cè)結(jié)果獲取哪個(gè)觸點(diǎn)發(fā)生故障，并根據(jù)該觸點(diǎn)的位置快速對(duì)故障元器件進(jìn)行檢修。視覺(jué)檢測(cè)裝置采集真空接觸器動(dòng)導(dǎo)桿的圖片信息，對(duì)圖片信息進(jìn)行處理獲取每個(gè)動(dòng)導(dǎo)桿的位移量，并根據(jù)位移量診斷各個(gè)觸頭接觸的狀況，自動(dòng)預(yù)測(cè)真空接觸器發(fā)生故障的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。設(shè)置弧光檢測(cè)傳感器，一次回路發(fā)生故障產(chǎn)生弧光時(shí)，可以觸發(fā)弧光檢測(cè)傳感器報(bào)警。設(shè)置溫度傳感器和濕度傳感器可以實(shí)時(shí)檢測(cè)電氣設(shè)備內(nèi)的溫度及濕度，檢測(cè)電氣設(shè)備內(nèi)部環(huán)境信息，在溫度或濕度高于預(yù)設(shè)值時(shí)發(fā)生報(bào)警提示。以上裝置將采集的信號(hào)傳輸至分析模塊進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)電氣設(shè)備故障的自動(dòng)在線檢測(cè)和診斷分析[5]。

電氣設(shè)備故障智能自診斷系統(tǒng)如圖1所示。觸點(diǎn)檢測(cè)裝置用于配電柜的信號(hào)采集模塊，信號(hào)采集模塊用于獲取配電柜內(nèi)觸點(diǎn)電平信號(hào)，采集的信號(hào)通過(guò)高速A/D模塊將獲取的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)傳遞至第一分析模塊。第一分析模塊用于獲取信號(hào)采集模塊采集的信號(hào)并進(jìn)行分析，以判斷觸點(diǎn)的工作狀況。第一視覺(jué)檢測(cè)裝置用于檢測(cè)真空接觸器動(dòng)導(dǎo)桿位置的圖像信息。存儲(chǔ)模塊用于存儲(chǔ)所述第一視覺(jué)檢測(cè)裝置檢測(cè)的第一圖像信息，第一圖像信息包括真空接觸器初始安裝后合閘時(shí)的圖片信息。第二分析模塊用于獲取第一視覺(jué)檢測(cè)裝置實(shí)時(shí)檢測(cè)的第二圖像信息，第二圖像信息包括真空接觸器合閘時(shí)的實(shí)時(shí)圖片信息，并根據(jù)第一圖像信息和第二圖像信息計(jì)算真空接觸器的動(dòng)導(dǎo)桿在當(dāng)前狀態(tài)下處于合閘時(shí)相對(duì)于初始安裝時(shí)合閘狀態(tài)的位移量。數(shù)據(jù)獲取模塊用于獲取溫度檢測(cè)模塊、濕度檢測(cè)模塊的檢測(cè)信息及第二分析模塊的分析結(jié)果信息，遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊用于接收獲取模塊獲取的信息。

2 觸點(diǎn)檢測(cè)裝置

電氣設(shè)備二次回路的主要作用是對(duì)一次回路及其設(shè)備的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視、測(cè)量、控制和保護(hù)。因二次回路元器件多，故障率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電氣設(shè)備一次回路，在實(shí)際工作中，對(duì)二次回路的元器件故障處理是一項(xiàng)非常復(fù)雜且麻煩的工作，需要維修人員具有大量的專業(yè)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，常用的電氣設(shè)備二次故障處理方法有電位測(cè)定法、替代法、開路法、電流測(cè)定法，其中最常用的電位測(cè)定法能快速和準(zhǔn)確地查找出故障元器件和線路[6]。在常見(jiàn)的故障中，元器件損壞、線路接觸不良或斷路最為常見(jiàn)，這些故障都能通過(guò)電位測(cè)定法進(jìn)行檢查，該研究通過(guò)觸點(diǎn)檢測(cè)裝置（見(jiàn)圖2）實(shí)現(xiàn)觸點(diǎn)（包括連接點(diǎn)）電位測(cè)定法自動(dòng)測(cè)量電位信號(hào)來(lái)自動(dòng)分析觸點(diǎn)在二次回路中的工作狀態(tài)[7]。

觸點(diǎn)檢測(cè)裝置通過(guò)信息采集模塊采集觸點(diǎn)電平信號(hào)，通過(guò)對(duì)每個(gè)觸點(diǎn)工作時(shí)產(chǎn)生的電平信號(hào)進(jìn)行分析處理，來(lái)分析判斷元器件的工作狀態(tài)，提取特征送入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行處理，對(duì)采集的電平信號(hào)進(jìn)行分類處理，從而獲取與之對(duì)應(yīng)的元器件的工作狀態(tài)，并且可以通過(guò)存儲(chǔ)介質(zhì)對(duì)觸點(diǎn)的狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。在電氣設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，可以查閱觸點(diǎn)的歷史數(shù)據(jù)，當(dāng)觸點(diǎn)的歷史數(shù)據(jù)出現(xiàn)損壞狀態(tài)時(shí)，根據(jù)觸點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以快速定位故障元器件，達(dá)到對(duì)電氣設(shè)備實(shí)時(shí)檢測(cè)的目的，提高檢測(cè)效率[8]。

3 視覺(jué)檢測(cè)裝置

電氣設(shè)備一次回路的主要作用是用于傳輸、變換和分配電力電能的主回路，其中作為主要控制設(shè)備的真空接觸器故障也是電氣設(shè)備經(jīng)常出現(xiàn)的故障。在現(xiàn)有技術(shù)中對(duì)真空接觸器的故障檢測(cè)多對(duì)機(jī)械故障進(jìn)行檢測(cè)，可以檢測(cè)傳動(dòng)桿卡澀故障、驅(qū)動(dòng)彈簧疲勞、外部連接螺絲松動(dòng)等故障，但是對(duì)于真空管內(nèi)部的觸點(diǎn)是否正常接觸不能夠有效診斷，在真空接觸器內(nèi)部觸點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)不易發(fā)現(xiàn)，是故障檢測(cè)的難點(diǎn)。針對(duì)該問(wèn)題，筆者設(shè)計(jì)一種新的視覺(jué)檢測(cè)裝置，主要用于檢測(cè)真空接觸器動(dòng)導(dǎo)桿位置的圖像信息[9-10]。

圖3為真空接觸器分閘狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)示意圖，真空接觸器包括驅(qū)動(dòng)件20、合閘電磁鐵21及分閘彈簧22，驅(qū)動(dòng)件20的一端與動(dòng)導(dǎo)桿的端部驅(qū)動(dòng)連接，合閘電磁鐵21及分閘彈簧22設(shè)置在驅(qū)動(dòng)件20的另一端，驅(qū)動(dòng)件20包括與多個(gè)動(dòng)導(dǎo)桿對(duì)應(yīng)設(shè)置的驅(qū)動(dòng)臂201，合閘電磁鐵21及分閘彈簧22能夠驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)件20繞第一銷軸202轉(zhuǎn)動(dòng)，以驅(qū)動(dòng)動(dòng)導(dǎo)桿運(yùn)動(dòng)合閘后分閘，第一銷軸202垂直于動(dòng)導(dǎo)桿。真空接觸器還包括分設(shè)于多個(gè)動(dòng)導(dǎo)桿的多個(gè)光線反射板31、與多個(gè)光線反射板31一一對(duì)應(yīng)設(shè)置的多個(gè)光源32，設(shè)置于光線反射板31遠(yuǎn)離光源32一側(cè)的投射板33，光源32發(fā)射的光線經(jīng)過(guò)光線反射板31投射于朝向投射板33，第一視覺(jué)檢測(cè)裝置用于檢測(cè)投射于投射板33上光環(huán)的圖片信息。圖4為真空接觸器合閘狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)示意圖。

通過(guò)第一視覺(jué)檢測(cè)裝置10獲取真空接觸器2三個(gè)真空管2a內(nèi)動(dòng)導(dǎo)桿25在第一次安裝使用合閘時(shí)的圖片信息，即第一圖像信息，根據(jù)第一圖像信息獲取各動(dòng)導(dǎo)桿25的初始位置信息，然后在使用過(guò)程中實(shí)時(shí)檢測(cè)每個(gè)動(dòng)導(dǎo)桿25處于合閘狀態(tài)時(shí)的實(shí)時(shí)圖片信息，即第二圖像信息，根據(jù)實(shí)時(shí)圖片信息獲取每個(gè)動(dòng)導(dǎo)桿25的實(shí)時(shí)位置信息，然后計(jì)算每個(gè)動(dòng)導(dǎo)桿25相對(duì)于初始位置的位移量，根據(jù)位移量獲取每個(gè)動(dòng)導(dǎo)桿相對(duì)的靜觸頭和動(dòng)觸頭的損耗量，當(dāng)動(dòng)導(dǎo)桿的位移量不一致時(shí)，即確定當(dāng)前真空接觸器2具有故障風(fēng)險(xiǎn)，并可以根據(jù)各動(dòng)導(dǎo)桿變化量差值的大小確定風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，即根據(jù)位移量診斷各個(gè)觸頭接觸的狀況，自動(dòng)預(yù)測(cè)真空接觸器發(fā)生故障的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)[11-12]。

4 電氣設(shè)備故障智能自診斷系統(tǒng)的應(yīng)用

電氣設(shè)備故障智能自診斷系統(tǒng)設(shè)置數(shù)據(jù)獲取模塊，獲取觸點(diǎn)檢測(cè)裝置和視覺(jué)分析裝置采集的故障信息，同時(shí)該系統(tǒng)在電氣設(shè)備內(nèi)部設(shè)置溫度傳感器、濕度傳感器、弧光檢測(cè)傳感器。在實(shí)際應(yīng)用中，電氣設(shè)備一次回路發(fā)生故障產(chǎn)生弧光時(shí)，觸發(fā)弧光檢測(cè)傳感器，同時(shí)溫度傳感器、濕度傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)電氣設(shè)備內(nèi)部環(huán)境信息。另外，設(shè)置報(bào)警值，當(dāng)溫度信號(hào)和濕度信號(hào)超過(guò)報(bào)警值時(shí)，對(duì)維修人員發(fā)出警報(bào)信息，維修人員可以通過(guò)報(bào)警信息快速定位發(fā)生故障的電氣設(shè)備，提高檢測(cè)效率。系統(tǒng)數(shù)據(jù)獲取模塊將全部數(shù)據(jù)信息通過(guò)無(wú)線傳輸或有線傳輸?shù)姆绞絺鬏斨吝h(yuǎn)程監(jiān)控模塊，遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊包括云端大數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺(tái)和手機(jī)監(jiān)控平臺(tái)，從而可以將處于工作現(xiàn)場(chǎng)的電氣設(shè)備的實(shí)時(shí)信息上傳至云端。通過(guò)云端可以實(shí)時(shí)獲取電氣設(shè)備內(nèi)部各個(gè)觸點(diǎn)的工作狀態(tài)、真空接觸器的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)及電氣設(shè)備內(nèi)部的溫度、濕度等內(nèi)部環(huán)境信息，并可對(duì)真空接觸器的閉合次數(shù)、當(dāng)前閉合狀態(tài)等實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的電氣設(shè)備隨時(shí)隨地的監(jiān)控，及時(shí)提供電氣設(shè)備內(nèi)部的各種信息、維修建議和報(bào)警信息[13-15]。

5 結(jié)語(yǔ)

電氣設(shè)備故障智能自診斷系統(tǒng)是在采集監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，采用先進(jìn)的數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)、機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，對(duì)數(shù)據(jù)樣本特征提取和故障分析，并對(duì)設(shè)備智能系統(tǒng)的故障診斷形成故障樹，進(jìn)一步對(duì)故障定位，實(shí)現(xiàn)快速故障診斷。通過(guò)智能故障診斷及數(shù)據(jù)挖掘，實(shí)現(xiàn)電器故障分析及快速定位，在故障信息檢測(cè)的技術(shù)上對(duì)電器設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行全周期監(jiān)測(cè)，對(duì)設(shè)備運(yùn)行趨勢(shì)進(jìn)行動(dòng)態(tài)智能預(yù)測(cè)，并對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行預(yù)警、分析，提出控制故障再次發(fā)生的措施和建議，提高電氣設(shè)備智能化水平，降低人工處理電氣設(shè)備故障的難度。

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