基于分合闸线圈电流波形的断路器机械特性分析方法技术领域
本发明涉及断路器缺陷分析技术领域，是一种基于分合闸线圈电流波形的断路器
机械特性分析方法。
背景技术
据统计，60％至70％的断路器缺陷或故障是由操作机构引起的。目前对断路器机
械特性的检查还主要依靠人工进行定期或者不定期巡检，所使用的分析仪器功能单一，对
复杂信号或强干扰背景的处理无能为力，对断路器分合线圈波形整个运行的历史情况都没
有比较分析。
随着客户对电力系统可靠性要求的提高，目前都要求对断路器机构状态进行在线
监测，以能及时发现故障特征，并进一步预测可能存在的问题，以此保障电力系统的稳定运
行。由于断路器厂家型号众多，所对应的分合闸线圈电流波形也不尽相同，采用单一的数据
分析方法无法全面准确的涵盖所有断路器，必将影响到故障分析的准确性。目前线圈波形
分析都是在基于现有单一波形进行分析判断，无法预测到断路器未来可能的故障信息。
发明内容
本发明提供了一种基于分合闸线圈电流波形的断路器机械特性分析方法，克服了
上述现有技术之不足，其能有效解决现有技术不能精确分析出断路器机构存在的故障以及
无法预测断路器未来可能出现的故障信息的问题。
本发明的技术方案是通过以下措施来实现的：基于分合闸线圈电流波形的断路器
机械特性分析方法，包括以下步骤：
第一步，获取断路器分、合闸线圈的电流、电压波形数据，并对数据进行滤波，去除
噪声及其他干扰信息，得到最接近于真实值的数据，之后进入第二步；
第二步，对滤波后的数据求导，对一次求导后的数据进行分析，若第一次导数无法
求出所有电磁铁运动过程特征数据，再进行二次求导，之后进入第三步；
第三步，对二次导数的结果进行分析，判定是否得到电磁铁运动过程中的所有特
征数据，若没有，则进入第五步，若得到电磁铁运动过程中所有的特征数据，则进入下一步；
第四步，根据国标设定的数据误差范围，将所有的特征数据与标准波形数据进行
比较，之后进入第五步；
第五步，通过模糊诊断法得到当前断路器的特征状态，由于现场问题的多变性，采
用专家系统结合模糊诊断的分析方法；所述模糊诊断法由故障原因集及由故障原因集对应
的故障征兆集推断出故障模糊关系矩阵，采用最大隶属原则与阈值原则相结合的方法进行
故障判断：
故障原因集：Y＝[y1,y2...,yn]T (1)
故障征兆集：X＝[x1,x2...,xm]T (2)
其中0≤rij≤1，1≤i≤m，1≤j≤n，之后结束。
下面是对上述发明技术方案的进一步优化或/和改进：
上述在第一步中，对原始波形数据进行自适应数字滤波，通过该滤波算法去除噪
声干扰，得到最佳波形数据，滤波算法公式如下；
式中ai，bi为滤波器系数，x(n)为电流数据，y(n)为滤波后数据。
上述在第二步中，根据等效电路，推导出分合闸过程线圈中电流的变化，计算过程
如下公式所示：
其中，R为等效电阻，L为不同时刻的等效电感，i为不同时刻的等效电流，U为线圈
直接电压；再根据电流变化曲线可以分析计算出线圈的特征信息；
对滤波后的数据进行驻点、拐点分析，通过驻点、拐点的分析即可以得到线圈中电
磁铁各特征信息，公式如下所示：
其中，如果分f(x)为原始数据，利用上述公式可得f′(x)驻点数据；如果分f(x)为
驻点数据，利用上述公式可得f′(x)拐点数据。
上述在第四步中，对特征数据与标准波形数据进行比较，包括以下步骤：
(1)以波形数据点为原始值，计算每相邻两点之间的导数；
(2)根据步骤1的数据，从0点开始正推，取原始值大于等于0的点作为上电时刻点
T0，与标准T0时刻点比较判断误差是否在正常范围；
(3)根据步骤1的数据，从结束点倒推，取原始值大于等于0的点为主触点断开时刻
点T7，与标准T7时刻点比较判断误差是否在正常范围；
(4)根据步骤2和步骤3的T0，T7时刻点，以T0为起点，T7为终点，判断各导数值，当
出现值为0或值从正变为负时，即为铁芯始动时刻点T1，与标准T1时刻点比较判断误差是否
在正常范围；
(5)以T1为起点，T7为终点，判断各点导数值，当出现为0或值从负变为正时，即为
铁芯撞击弯板时刻点T2，与标准T2时刻点比较判断误差是否在正常范围；
(6)以T7为起点，T2为终点，判断各点导数值，当出现为0时，即为辅助触点断开时
刻点T6，与标准T6时刻点比较判断误差是否在正常范围；
(7)以T6为起点，T2为终点，判断各点导数值，当出现由0转正时，即为线圈电流稳
态时刻点T5，于标准T5时刻点比较判断误差是否在正常范围；
(8)以T2为起点，T5为终点，判断各点导数值，当出现0或值从正变为负时，即为弯
板始动时刻点T3，与标准T3时刻点比较判断误差是否在正常范围；
(9)以T3为起点，T5为终点，判断各点导数值，当出现0或值从负变为正时，即为铁
芯运行最大位移时刻点T4，与标准T4时刻点比较判断误差是否在正常范围；
(10)根据断路器T0至T7运行时刻点，通过专家系统与模糊诊断分析，即可得到当
前断路器的运行状态。
上述在第五步中，所述专家系统包括知识库、数据源、推理机、咨询说明、知识学习
和人机界面。
本发明利用线圈分合闸的电流波形进行分析该线圈电磁铁运行的特征点及特征
信息，能快速、准确地从断路器线圈电流中分析出电磁铁各阶段的动作时间、线圈电流大
小、动作速度等特征信息，为后期断路器机械故障分析提供有效的数据支撑。通过与历史波
形数据的多维度比对，增强当前断路器机构故障定位的准确性，预测断路器机构可能存在
的故障风险，以提醒工作人员加强防范，保障断路器的安全可靠运行。通过对原始数据的滤
波处理，减少了背景噪声等干扰信息，提高波形数据的质量。在数据分析过程中，采用拐点、
驻点等相结合的分析方法，同时结合断路器运行的整个历史数据进行全面分析，可以提高
分析的精确度及准确度。通过使用专家系统和模糊矩阵分析诊断方法，为断路器的运行状
况提供指导，达到提前预判的目的。
附图说明
附图1为本发明的方法流程。
附图2为本发明断路器铁芯及分合闸线圈的示意图。
附图3为附图2的等效电路图。
附图4为本发明断路器铁芯运行过程时刻点的示意图。
具体实施方式
本发明不受下述实施例的限制，可根据本发明的技术方案与实际情况来确定具体
的实施方式。
下面结合实施例及附图对本发明作进一步描述：
如附图1所示，基于分合闸线圈电流波形的断路器机械特性分析方法包括以下步
骤：
第一步，获取断路器分、合闸线圈的电流、电压波形数据，并对数据进行滤波，去除
噪声及其他干扰信息，得到最接近于真实值的数据，之后进入第二步；
第二步，对滤波后的数据求导，对一次求导后的数据进行分析，若第一次导数无法
求出所有电磁铁运动过程特征数据，再进行二次求导，之后进入第三步；
第三步，对二次导数的结果进行分析，判定是否得到电磁铁运动过程中的所有特
征数据，若没有，则进入第五步，若得到电磁铁运动过程中所有的特征数据，则进入下一步；
第四步，根据国标设定的数据误差范围，将所有的特征数据与标准波形数据进行
比较，之后进入第五步；
第五步，通过模糊诊断法得到当前断路器的特征状态，由于现场问题的多变性，采
用专家系统结合模糊诊断的分析方法；所述模糊诊断法由故障原因集及由故障原因集对应
的故障征兆集推断出故障模糊关系矩阵，采用最大隶属原则与阈值原则相结合的方法进行
故障判断：
故障原因集：Y＝[y1,y2...,yn]T (1)
故障征兆集：X＝[x1,x2...,xm]T (2)
其中0≤rij≤1，1≤i≤m，1≤j≤n，之后结束。
经专家系统和模糊矩阵分析诊断，可以自动得出目前断路器分合闸线圈运行状
态，并提供该断路器分合闸线圈未来可能的故障信息。这里的专家系统为现有公知技术，结
合专家系统对断路器特征状态进行分析更精确。本发明利用线圈分合闸的电流波形进行分
析该线圈电磁铁运行的特征点及特征信息，能快速、准确地从断路器线圈电流中分析出电
磁铁各阶段的动作时间、线圈电流大小、动作速度等特征信息，为后期断路器机械故障分析
提供有效的数据支撑。
可根据实际需要，对上述基于分合闸线圈电流波形的断路器机械特性分析方法作
进一步优化或/和改进：
如附图1、2、3、4所示，在第一步中，对原始波形数据进行自适应数字滤波，通过该
滤波算法去除噪声干扰，得到最佳波形数据，滤波算法公式如下；
式中ai，bi为滤波器系数，x(n)为电流数据，y(n)为滤波后数据。
如附图1、2、3、4所示，在第二步中，根据等效电路，推导出分合闸过程线圈中电流
的变化，计算过程如下公式所示：
其中，R为等效电阻，L为不同时刻的等效电感，i为不同时刻的等效电流，U为线圈
直接电压；再根据电流变化曲线可以分析计算出线圈的特征信息；
对滤波后的数据进行驻点、拐点分析，通过驻点、拐点的分析即可以得到线圈中电
磁铁各特征信息，公式如下所示：
其中，如果分f(x)为原始数据，利用上述公式可得f′(x)驻点数据；如果分f(x)为
驻点数据，利用上述公式可得f′(x)拐点数据。这里根据第二步可以完全分析出线圈电流的
波形轨迹，但由于现场背景噪声等干扰信号的影响，如果仅采用求一阶导无法完全准确分
析出线圈特征信息，特别是对于有故障的波形数据，为使分析更加准确、快速的判断线圈状
态，本发明结合了对滤波后的数据进行驻点、拐点分析方法，通过驻点、拐点的分析即可以
得到线圈中电磁铁各特征信息。
如附图1、2、3、4所示，在第四步中，对特征数据与标准波形数据进行比较，包括以
下步骤：
(1)以波形数据点为原始值，计算每相邻两点之间的导数；
(2)根据步骤1的数据，从0点开始正推，取原始值大于等于0的点作为上电时刻点
T0，与标准T0时刻点比较判断误差是否在正常范围；
(3)根据步骤1的数据，从结束点倒推，取原始值大于等于0的点为主触点断开时刻
点T7，与标准T7时刻点比较判断误差是否在正常范围；
(4)根据步骤2和步骤3的T0，T7时刻点，以T0为起点，T7为终点，判断各导数值，当
出现值为0或值从正变为负时，即为铁芯始动时刻点T1，与标准T1时刻点比较判断误差是否
在正常范围；
(5)以T1为起点，T7为终点，判断各点导数值，当出现为0或值从负变为正时，即为
铁芯撞击弯板时刻点T2，与标准T2时刻点比较判断误差是否在正常范围；
(6)以T7为起点，T2为终点，判断各点导数值，当出现为0时，即为辅助触点断开时
刻点T6，与标准T6时刻点比较判断误差是否在正常范围；
(7)以T6为起点，T2为终点，判断各点导数值，当出现由0转正时，即为线圈电流稳
态时刻点T5，于标准T5时刻点比较判断误差是否在正常范围；
(8)以T2为起点，T5为终点，判断各点导数值，当出现0或值从正变为负时，即为弯
板始动时刻点T3，与标准T3时刻点比较判断误差是否在正常范围；
(9)以T3为起点，T5为终点，判断各点导数值，当出现0或值从负变为正时，即为铁
芯运行最大位移时刻点T4，与标准T4时刻点比较判断误差是否在正常范围；
(10)根据断路器T0至T7运行时刻点，通过专家系统与模糊诊断分析，即可得到当
前断路器的运行状态。
本发明通过与历史波形数据的多维度比对，增强当前断路器机构故障定位，预测
断路器机构可能存在的故障风险，以提醒工作人员加强防范，保障断路器的安全可靠运行。
通过对原始数据的滤波处理，减少了背景噪声等干扰信息，提高波形数据的质量。在数据分
析过程中，采用拐点、驻点等相结合的分析方法，同时结合断路器运行的整个历史数据进行
全面分析，可以提高分析的精确度及准确度。
根据需要，专家系统包括知识库、数据源、推理机、咨询说明、知识学习和人机界
面。通过使用专家系统和模糊矩阵分析诊断方法，为断路器的运行状况提供指导，达到提前
预判的目的。
以上技术特征构成了本发明的实施例，其具有较强的适应性和实施效果，可根据
实际需要增减非必要的技术特征，来满足不同情况的需求。