HXD2-22CBDL高压真空断路器的故障诊断研究与系统实现
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摘 要
HXD2-22CBDL 型真空断路器就是 HXD2 型电力机车车顶的一台高压隔离开关，
它是电力机车与接触网之间电气连通、分断的总开关，也是机车上最重要的保护
设备，当机车发生各种严重故障时，能够迅速、可靠地、安全地切断机车总电源，
是保护机车最直接也是最重要的设备，因此，对 HXD2-22CBDL 型真空断路器进行
故障诊断，提前发现故障隐患，对于保证电力机车正常运行至关重要。
本文研究了 HXD2-22CBDL 型真空断路器的结构组成和工作原理，分析了断路
器常见的故障现象和故障机理。经过综合比较基于系统数学模型、基于系统信号
处理和基于现代人工智能技术的故障诊断，选取了基于现代人工智能技术的障诊
断方法实现 HXD2-22CBDL 型真空断路器机械特性测试平台的故障智能化诊断。
经过理论分析和仿真研究，构建了基于三层 BP 神经网络的 HXD2-22CBDL 型真
空断路器故障诊断模型，输入节点为 6个，隐层节点为 11 个和输出层节点为 4个。
经过 Matlab 仿真验证，该模型表现出良好的故障分辨能力。
最后，设计了一台 HXD2-22CBDL 型真空断路器机械特性测试平台，包括绝缘
电阻测试模块、接触电阻测试模块、工频耐压测试模块和时间测试模快，并通过
USB 通信、RS232 通信和 ZT-PCI8335A 数据采集卡实现了现场数据采集和上位机监
控。在硬件设计完成的基础上，以 Labview 软件为平台，开发了绝缘电阻测试模块、
接触电阻测试模块、工频耐压测试模块和时间测试模快的上位机监控界面，实现
了上位机现场数据采集数据的处理。在 Labview 中实现了基于 BP 神经网络的
HXD2-22CBDL 型真空断路器故障诊断模型。经过随机试验，证明了将基于 BP 神经
网络技术的故障诊断模型应用于 HXD2-22CBDL 型真空断路器机械特性测试平台
后，运行良好，实现了 HXD2-22CBDL 型真空断路器机械特性测试平台的智能化故
障诊断。
关键词：HXD2-22CBDL 型真空断路器，故障诊断，BP 神经网络，Labview
ABSTRACT
One of the most important devices of the HXD2 Power locomotive is a
HXD2-22CBDL vacuum circuit breaker, a high voltage isolating switch, which located at
the top of the HXD2 Power locomotive and work as the main switch between the
locomotives and the electrical grid. Its great importance not only can be found it
cutting off the general power of the locomotive immediately, when there is a serious
damage happened in the locomotives, but also its reliability and safe. So a fault
diagnosis of the HXD2-22CBDL vacuum circuit breaker, which may discover those
hidden trouble in advance, will contribute a lot to the normal work of the electrical
locomotives.
The paper first carry a careful study and research on the component in structure
and operation principle of the HXD2-22CBDL vacuum circuit breaker, common fault and
common fault principle are also included. Then the intelligent fault diagnosis of
HXD2-22CBDL circuit breaker mechanical characteristic platform base on modern
artificial intelligence is selected after a comprehensive compare among method based
on system mathematical model, method base on system signal processing and method
based on modern artificial intelligence.
A HXD2-22CBDL vacuum circuit breaker mechanical characteristic model based on
a 3 layer BP neural network, with 6 nodes in inputting layer, 11 nodes in hidden layer
and 4 nodes in outputting layer, is built after a closer theory analysis and simulation
research .Finally a validate in Matlab show the good resolve ability of the model.
A HXD2-22CBDL vacuum circuit breaker characteristic testing plat form is designed
after so many theory verify, including isolating resister testing model, contact resister
testing model, high voltage power frequency testing model and time testing model.
Supervisory monitor and control is carried out by the help of USB communication,
RS232 communication and ZT-PCI8335A data acquisition card. Supervisory monitor and
control interface of isolating resister testing model, contact resister testing model, high
voltage power frequency testing model and time testing model is designed in the plat
form of Labview, which realize the function of data processing acquired from field after
the hardware design of the system is conducted. The HXD2-22CBDL vacuum circuit
breaker fault diagnosis model, which can operate continuously without any accident
validate by a group of random data, is designed in the plat form of Labview
Key word: HXD2-22CBDL vacuum circuit breaker fault diagnosis Bp neural
network Labview
目 录
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论 ................................................................................................................. 1
§1.1 课题背景与意义 ............................................................................................ 1
§1.2 国内外发展状况 ........................................................................................... 1
§1.3 研究的目的与意义 ....................................................................................... 3
§1.4 本文所作主要工作 ....................................................................................... 4
第二章 HXD2-22CBDL 型真空断路器工作原理 ..................................................... 5
§2.1 HXD2-22CBDL 型真空断路器机构 .............................................................5
§2.1.1 HXD2-22CBDL 型真空断路器的机械结构 ..........................................5
§2.1.2 HXD2-22CBDL 型真空断路器工作原理 ..............................................6
§2.2 真空断路器的主要机械参数 ....................................................................... 8
§2.3 真空断路器的常见故障 ............................................................................... 9
§2.4 本章小结 ..................................................................................................... 10
第三章 故障诊断模型的选择与设计 ....................................................................... 11
§3.1 常见故障模型简介 ..................................................................................... 11
§3.1.1 基于数学模型的故障诊断技术...........................................................12
§3.1.2 基于系统信号处理的故障诊断技术...................................................12
§3.1.3 基于现代人工智能的故障诊断技术...................................................13
§3.2 故障诊断模型的选取 ................................................................................. 15
§3.3 本章小结 ..................................................................................................... 16
第四章 BP 神经网络的设计与仿真 ......................................................................... 17
§4.1 神经网络的选型 ......................................................................................... 17
§4.2 BP 神经网络的原理 .................................................................................... 19
§4.2.1 BP 神经网络模型 ..................................................................................19
§4.2.2 多层感知器 BP 学习算法....................................................................21
§4.3 几种改进的 BP 神经网络学习算法 .......................................................... 23
§4.4 本章小结 ..................................................................................................... 26
第五章 基于 BP 神经网络故障诊断模型的设计 .................................................... 27
§5.1 选择输入量和输出量 ................................................................................. 27
§5.2 BP 神经网络结构的选取 ............................................................................ 31
§5.3 仿真结果 ..................................................................................................... 33
§5.3 仿真结果 ..................................................................................................... 36
第六章 真空断路器测试系统硬件设计 ................................................................... 37
§6.1 绝缘电阻测试子系统 ................................................................................. 37
§6.1.1 绝缘电阻测试仪 UT513 ...................................................................... 38
§6.1.2 UT513 的设置 ....................................................................................... 39
§6.2 接触电阻测试子系统 ................................................................................. 40
§6.3 工频耐压测试子系统 ................................................................................. 42
§6.3.1 高压试验变压器...................................................................................42
§6.3.2 工频耐压控制器...................................................................................43
§6.4 合分闸时间测试子系统 ............................................................................. 45
§6.4.1 控制板的设计.......................................................................................45
§6.4.2 82C54 的简介及设置 ............................................................................47
§6.4.3 ZT-PCI8335A 的简介 ............................................................................51
§6.4.4 信号反馈的设计....................................................................................54
§6.4.5 模拟量信号采集处理...........................................................................56
§6.5 本章小结 ..................................................................................................... 58
第七章 基于 Labview 的软件系统设计 ................................................................... 59
§7.1 接触电阻测软件系统 ................................................................................. 59
§7.2 接触电阻测试 ............................................................................................. 62
§7.3 耐压测试模块 ............................................................................................. 64
§7.4 时间测试 ..................................................................................................... 67
§7.4.1 合分闸时间的计算................................................................................68
§7.4 .2 震动波形的捕捉及弹跳时间的计算...................................................70
§7.5 BP 神经网络故障诊断 ................................................................................ 71
§7.6 本章小结 ..................................................................................................... 73
第八章 现场测试实验 ............................................................................................... 74
第九章 总结与展望 ................................................................................................... 78
参考文献.........................................................................................................................79
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果.............................................82
致谢.................................................................................................................................83
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 课题背景与意义[1~3]
我国的和谐型 HXDx 大功率交流传动机车是在 2006 年开始的大批量投入使
用，这标志着我国铁路机车行业成功实现了由直流传动向交流传动的转化。和谐
型大功率交流传动机车有 HXD1 型、HXD2 和HXD3 型等三种系列机车。和谐大
功率机车的重载货物运输，在既有繁忙干线上实现了单机牵引 5500 至6000 吨，
释放了巨大的运输能力，在保障国民经济的发展中，尤其是促进东西部城市经济
发展中，发挥着至关重要的作用。
由于和谐型电力机车在东西部能源运输中发挥着不可或缺的作用，保障机车
的正常运行，就是保障东西部能源运输的正常运行，因此保证电力机车的正常运
行就有着非同寻常的重要意义。而 22CBDL 型真空断路器就是 HXD2 型电力机车
车顶的一台高压隔离开关，它是整车与接触网之间电气连通、分断的总开关，也
是机车上最重要的保护设备，当机车发生各种严重故障时，能够迅速、可靠、安
全地切断机车总电源，是保护机车最直接也是最重要的设备，因此确保 22CBDL
型真空断路器的能够稳定可靠的工作就有着非常重要的意义。
国际大电网会议对高压断路器可靠性所做两次世界大范围的调查，以及中国
电力科学院对高压开关事故的统计分析均表明，高压断路器的大多数故障(主要故
障的 70％和次要故障的 86％发生在机械机构，主要涉及操动机构、监视装置和辅
助装置等，主要是由于机械特性不良造成的，例如拒分、拒合或误动作等。因此
要提高真空断路器的工作可靠性，降低故障发生的次数，就必须对其机械特性进
行研究和分析，并制定出相应的对策。
§1.2 国内外发展状况
传统的检测设备有电秒表、滚筒测试仪、同步灯、光线示波器、电磁振荡器
和转鼓测速仪等，检修人员使用这些设备检测时，不但要连接大量复杂的线路，
测量结果也要人工记录和读取，这样，不但检修工作量大、检修周期长，工作效
率低下，而且测量的精度和正确性也难以保证。发达国家在 70 年代初就开始运用
计算机技术来解决这一问题，运用数字模拟电路研制投产了多功能、操作简单和
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摘要HXD2-22CBDL型真空断路器就是HXD2型电力机车车顶的一台高压隔离开关，它是电力机车与接触网之间电气连通、分断的总开关，也是机车上最重要的保护设备，当机车发生各种严重故障时，能够迅速、可靠地、安全地切断机车总电源，是保护机车最直接也是最重要的设备，因此，对HXD2-22CBDL型真空断路器进行故障诊断，提前发现故障隐患，对于保证电力机车正常运行至关重要。本文研究了HXD2-22CBDL型真空断路器的结构组成和工作原理，分析了断路器常见的故障现象和故障机理。经过综合比较基于系统数学模型、基于系统信号处理和基于现代人工智能技术的故障诊断，选取了基于现代人工智能技术的障诊断方法实现HXD...
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