电气设备故障智能自诊断系统

史书卫 申伟鹏

摘 要：为了降低人工排查电气设备故障的难度，提升电气设备故障诊断的智能化水平，设计了一种电气设备故障智能自诊断系统，通过设置触点检测装置、视觉检测装置、弧光检测传感器、温度传感器、湿度传感器实时采集和分析电气设备各类信息，监测电气设备一次回路和二次回路运行状态，自动提供电气设备故障信息和预测故障发生的等级。运行结果表明，该系统能准确地判断电气设备发生故障的元器件，缩短排查故障时间，提高工作效率。

关键词：故障自诊断;触点检测;视觉检测

中图分类号：TP242.3   文献标志码：A   文章编号：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

电气设备主要通过定期、不定期检修来掌握设备运行状态，发现设备缺陷，预防事故的发生。电气设备故障处理过程中的难点在于如何快速查明电气设备故障的原因，目前主要依靠技术人员的直接检测和多年的工作经验。由于电气设备的自动化程度在不断提高，控制回路结构日益复杂，只依靠人工检测和个人经验来实现对电气设备故障的检测和诊断，已经不能满足现实需求。因此，采取更加智能的方式对电气设备故障进行诊断是故障诊断领域的发展趋势和发展方向，对保证电力系统安全运行非常重要[1-4]。

1 电气设备故障智能自诊断系统的构成

电气设备故障智能自诊断系统主要是通过电气设备二次回路和一次回路的故障智能诊断来实现的，具体包括设置电气设备内部的触点检测装置、视觉检测装置、弧光检测传感器、温度传感器、濕度传感器等。触点检测装置用于获取二次回路触点的电平信号，以判断触点的工作状况，维修人员能够根据触点检测装置的检测结果获取哪个触点发生故障，并根据该触点的位置快速对故障元器件进行检修。视觉检测装置采集真空接触器动导杆的图片信息，对图片信息进行处理获取每个动导杆的位移量，并根据位移量诊断各个触头接触的状况，自动预测真空接触器发生故障的风险等级。设置弧光检测传感器，一次回路发生故障产生弧光时，可以触发弧光检测传感器报警。设置温度传感器和湿度传感器可以实时检测电气设备内的温度及湿度，检测电气设备内部环境信息，在温度或湿度高于预设值时发生报警提示。以上装置将采集的信号传输至分析模块进行分析，实现电气设备故障的自动在线检测和诊断分析[5]。

电气设备故障智能自诊断系统如图1所示。触点检测装置用于配电柜的信号采集模块，信号采集模块用于获取配电柜内触点电平信号，采集的信号通过高速A/D模块将获取的模拟信号转化为数字信号传递至第一分析模块。第一分析模块用于获取信号采集模块采集的信号并进行分析，以判断触点的工作状况。第一视觉检测装置用于检测真空接触器动导杆位置的图像信息。存储模块用于存储所述第一视觉检测装置检测的第一图像信息，第一图像信息包括真空接触器初始安装后合闸时的图片信息。第二分析模块用于获取第一视觉检测装置实时检测的第二图像信息，第二图像信息包括真空接触器合闸时的实时图片信息，并根据第一图像信息和第二图像信息计算真空接触器的动导杆在当前状态下处于合闸时相对于初始安装时合闸状态的位移量。数据获取模块用于获取温度检测模块、湿度检测模块的检测信息及第二分析模块的分析结果信息，远程监控模块用于接收获取模块获取的信息。

2 触点检测装置

电气设备二次回路的主要作用是对一次回路及其设备的工作状态进行监视、测量、控制和保护。因二次回路元器件多，故障率远远大于电气设备一次回路，在实际工作中，对二次回路的元器件故障处理是一项非常复杂且麻烦的工作，需要维修人员具有大量的专业知识和经验，常用的电气设备二次故障处理方法有电位测定法、替代法、开路法、电流测定法，其中最常用的电位测定法能快速和准确地查找出故障元器件和线路[6]。在常见的故障中，元器件损坏、线路接触不良或断路最为常见，这些故障都能通过电位测定法进行检查，该研究通过触点检测装置（见图2）实现触点（包括连接点）电位测定法自动测量电位信号来自动分析触点在二次回路中的工作状态[7]。

触点检测装置通过信息采集模块采集触点电平信号，通过对每个触点工作时产生的电平信号进行分析处理，来分析判断元器件的工作状态，提取特征送入神经网络模型进行处理，对采集的电平信号进行分类处理，从而获取与之对应的元器件的工作状态，并且可以通过存储介质对触点的状态数据进行存储。在电气设备发生故障时，可以查阅触点的历史数据，当触点的历史数据出现损坏状态时，根据触点的监测数据可以快速定位故障元器件，达到对电气设备实时检测的目的，提高检测效率[8]。

3 视觉检测装置

电气设备一次回路的主要作用是用于传输、变换和分配电力电能的主回路，其中作为主要控制设备的真空接触器故障也是电气设备经常出现的故障。在现有技术中对真空接触器的故障检测多对机械故障进行检测，可以检测传动杆卡涩故障、驱动弹簧疲劳、外部连接螺丝松动等故障，但是对于真空管内部的触点是否正常接触不能够有效诊断，在真空接触器内部触点发生故障时不易发现，是故障检测的难点。针对该问题，笔者设计一种新的视觉检测装置，主要用于检测真空接触器动导杆位置的图像信息[9-10]。

图3为真空接触器分闸状态下的结构示意图，真空接触器包括驱动件20、合闸电磁铁21及分闸弹簧22，驱动件20的一端与动导杆的端部驱动连接，合闸电磁铁21及分闸弹簧22设置在驱动件20的另一端，驱动件20包括与多个动导杆对应设置的驱动臂201，合闸电磁铁21及分闸弹簧22能够驱动驱动件20绕第一销轴202转动，以驱动动导杆运动合闸后分闸，第一销轴202垂直于动导杆。真空接触器还包括分设于多个动导杆的多个光线反射板31、与多个光线反射板31一一对应设置的多个光源32，设置于光线反射板31远离光源32一侧的投射板33，光源32发射的光线经过光线反射板31投射于朝向投射板33，第一视觉检测装置用于检测投射于投射板33上光环的图片信息。图4为真空接触器合闸状态下的结构示意图。

通过第一视觉检测装置10获取真空接触器2三个真空管2a内动导杆25在第一次安装使用合闸时的图片信息，即第一图像信息，根据第一图像信息获取各动导杆25的初始位置信息，然后在使用过程中实时检测每个动导杆25处于合闸状态时的实时图片信息，即第二图像信息，根据实时图片信息获取每个动导杆25的实时位置信息，然后计算每个动导杆25相对于初始位置的位移量，根据位移量获取每个动导杆相对的静触头和动触头的损耗量，当动导杆的位移量不一致时，即确定当前真空接触器2具有故障风险，并可以根据各动导杆变化量差值的大小确定风险等级，即根据位移量诊断各个触头接触的状况，自动预测真空接触器发生故障的风险等级[11-12]。

4 电气设备故障智能自诊断系统的应用

电气设备故障智能自诊断系统设置数据获取模块，获取触点检测装置和视觉分析装置采集的故障信息，同时该系统在电气设备内部设置温度传感器、湿度传感器、弧光检测传感器。在实际应用中，电气设备一次回路发生故障产生弧光时，触发弧光检测传感器，同时温度传感器、湿度传感器实时检测电气设备内部环境信息。另外，设置报警值，当温度信号和湿度信号超过报警值时，对维修人员发出警报信息，维修人员可以通过报警信息快速定位发生故障的电气设备，提高检测效率。系统数据获取模块将全部数据信息通过无线传输或有线传输的方式传输至远程监控模块，远程监控模块包括云端大数据监控平台和手机监控平台，从而可以将处于工作现场的电气设备的实时信息上传至云端。通过云端可以实时获取电气设备内部各个触点的工作状态、真空接触器的风险等级及电气设备内部的温度、湿度等内部环境信息，并可对真空接触器的闭合次数、当前闭合状态等实时监测，实现对现场的电气设备随时随地的监控，及时提供电气设备内部的各种信息、维修建议和报警信息[13-15]。

5 结语

电气设备故障智能自诊断系统是在采集监控数据的基础上，采用先进的数据挖掘技术、机器学习技术，对数据样本特征提取和故障分析，并对设备智能系统的故障诊断形成故障树，进一步对故障定位，实现快速故障诊断。通过智能故障诊断及数据挖掘，实现电器故障分析及快速定位，在故障信息检测的技术上对电器设备运行状态进行全周期监测，对设备运行趋势进行动态智能预测，并对设备运行状态进行预警、分析，提出控制故障再次发生的措施和建议，提高电气设备智能化水平，降低人工处理电气设备故障的难度。

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