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
HXD2-22CBDL 高压真空断路器的故障诊断研究与系统实现
2
方便携带的集箱式断路器机械特性测试仪.随着 计算机技术和大规模集成电路的
迅速发展，计算机的体积越来越小，并出现了集成在一块芯片中的计算机系统单
片机，在 90 年代初出现了功能强大、抗干扰性能强的微机型高压开关机械特性测
试仪，如瑞典的 Breaker Analyzer System TMl600/MA31 和美国 DOBLE 公司研发
生产的 TR-3000 型数字式断路器试验系统。
我国在真空断路器上的研究也后来居上，并研发出了自己的产品，主要是针
对单个机械参数研发的设备，如专门正对接触电阻研发的接触电阻测试仪，针对
合分闸时间的时间测试仪等，这些设备功能单一，且没有数据储存分析，测试完
毕后就删除消失，不能对系统地对断路器进行综合的测试。随着计算机和数字化
产品在中国的普及，我国也逐渐出现了将单片机运用于真空断路器测试系统的产
品，先是以 Z-80 单片机为主要数据处理器的设备，后来主要采用 51 系列单片机
为处理器，由于 Z-80 系列的测试系统的速度测试、位移测试精度低，后逐渐被以
MCS51 单片机为处理器的测试产品取代。到 90 年代中期，出现了以 MCS8031 单
片机为核心的测试产品，合分闸时间测试可以精确到 100μS，位移测试精度可以精
确到 1毫米，合分闸速度测试可以精确到 10mm/s，但是由于其连线和操作任比较
复杂，仪器的操作仍需要对工人进行较多的培训，需要工人具有较熟练的操作技
能，否则可能损坏设备或仪器，针对以上种种不足，清华大学电机系通过采用光
电传感器去测试合分闸时间和触头位移等参数，但这种方法同样存在精度低、测
试量单一和故障诊断的功能并不理想等问题，而且还要增加额外的电路来消除累
计误差。
近年来，随着更高级的微处理器和更高精度传感器的发展，国内出现了以单
片机、 DSP 等控制芯片运用于真空断路器测试系统的产品，如 PICl6F877 单片机，
TMS320F2812DSP。这些产品主要是用单片机、DSP 等芯片作为现场数据采集和
处理设备，把所采集的数据经过处理反馈到上位机，可以进行储存并进行数据分
析和处理，有的设备已经具备了故障诊断的功能。近年来更有学者研究，将更将
一些先进的算法运用到系统中进行数据分析和处理例如通过利用小波变换来分析
合闸断路器动作时的振动信号来确定真空断路器的某些机械特征，并取得了一定
成就。
综上所述，国内在对真空断路器特性测试方面已经做出了大量研究工作，并
取得了一定的成绩。但是还存在如下几个问题：
1、由于真空断路器体积小、结构紧凑，且系统封闭，这就给传感器的安装造
成一定的困难，如位移测试传感器的安装，这就导致某些参数难以获得或者精确
获得。
第一章 绪论
3
2、测试功能单一。生产中目前采用的测试仪器多为功能单一的测试仪器，不
同的参数要用不同的测试仪器，这就增加了检测的工作量和难度，且利于工作效
率的提高。因此，对多功能的综合特性测试仪器的研究就显得尤为迫切。
3、智能化程度低。市场上常见的测试仪器多数只能进行参数测量，并没有对
测试数据进行更进一步的分析和处理，做出故障诊断，以提高测试仪器的智能化
程度。因此这类仪器多依靠工人的操作经验，来根据测试数据对真空断路器的故
障状态做出诊断。所以，研究智能化程度高的测试兼故障诊断系统是未来的发展
方向。
§1.3 研究的目的与意义[4~9]
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，
是保护机车和供电系统最直接也是最重要的设备，保证 22CBDL 高压真空断路器
正常工作对保证电力机车正常运行至关重要。
国内在对真空断路器机械特性检测方面的的研究也经历了一个从无到有，从
少到多的发展过程，目前国内也涌现出一批对真空断路器机械特性参数进行综合
测试实验仪器，这些实验仪器有以 MCU 单片机为数据采集单元的，有以 DSP 控
制器为数据采集单元的，并有上位机监控系统，对所测得的参数进行了储存分析，
处理方法有小波变换、专家系统等。这些设备已经具备了一定的智能功能，可以
对真空断路器的机械特性数据进行采集、分析和处理，并给出分析结果，得出断
路器所处的性能状态。
具有故障诊断功能的智能型的真空断路器机械特性测试仪器的出现，大大提
高了检测仪器的能力和检测的工作效率，同时也变得更加人性化。这类具有故障
诊断功能的智能仪器主要是运用各种各样的传感器，如位移传感器，振动传感器、
电压电流隔离传感器等，采集真空断路器的机械特性的测试数据，将采集到的信
号理运用数学分析来得到测试结果。这就较传统的测试仪器有了较大的进步，传
统的仪器要测试开闭时间，只能设计开闭时间测试电路，而对所测得数据的处理
也仅限于时间层面，而没有进行更深入的分析，功能单一。但是这类具备故障诊
断的智能综合测试仪也有不足之处，由于这类智能综合测试仪对真空断路器的故
障诊断是建立在通过运用多种传感器来获取测试参数的基础上的，所以对传感器
的测试的信号量的类型、精度依赖性就很大，一旦有常规传感器不易获取或者不
HXD2-22CBDL 高压真空断路器的故障诊断研究与系统实现
4
易准确方便获取的测试量，这类仪器的测试就变得困难起来。本文研发了一台针
对HXD2-22CBDL 高压真空断路器的机械特性测试台，在采用有限传感器的基础
上，通过建立 BP 神经网络模型，学习分析历史测试数据与故障现象，来进行故障
诊断，减少了传感器的数量，得到了比较理想的诊断效果。
§1.4 本文所作主要工作
1、确定故障诊断的采用 BP 神经网络模型，输入量选择为合闸时间、电磁阀
线圈电压、电磁阀线圈电流、气压值。输出量采用 8421 码对 8种常见故障进行编
码，其逻辑组合作为输出量。
2、用 Matlab 建立 BP 神经网络模型，对输出数据数据进行学习，并检验学习
结果。求出各层的权值矩阵和偏移量矩阵。
3、以 Matlab 仿真所得到的模型为基础，利用所求的权值矩阵和偏移量矩阵在
Labview 环境下实现故障诊断模型的编程。
4、HXD2-22CBDL 高压真空断路器故障诊断系统硬件设计与实现。系统以
ZT-PCI8335A 数据采集卡为主要数据交换设备，来实现现场数据与上位机的数据
交换，采集来自传感器的数字量和模拟量，并输出上位机发送的控制命令，完成
上位机对测试过程的监视和控制。控制板作为上位机控制命令的放大和执行机构，
采用自制的 8路开关板。信号处理板用于处理来自现场的测试信号，进行滤波隔
离后送入 ZT-PCI8335A，采用自制的 10 路光耦隔离电路。数据通信采用 RS232 通
信用来传输来自接触电阻模块的和 USB 通信用于传输来自绝缘电阻测试模块的电
阻。
5、HXD2-22CBDL 高压真空断路器故障诊断系统软件设计与实现。在已有硬
件平台的基础上，以 LABVIEW 为软件平台，实现实验数据和实验过程的整体监
控。软件功能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
合分闸时间模块、报表生成模块和故障诊断模
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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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