基于振動信號的高壓斷路器狀態(tài)監(jiān)測與診斷

基于振動信號的高壓斷路器狀態(tài)監(jiān)測與診斷

0械狀態(tài)的監(jiān)測由于機械故障是故障的主要原因，監(jiān)測儀器機械狀態(tài)的方法主要包括行程和速度的監(jiān)測、切斷閘圈電流的監(jiān)測、在操作過程中振動信號的監(jiān)測等?；跈C械振動信號的斷路器狀態(tài)監(jiān)測與診斷尚在研究。1hs-ct/b.濾波器機械振動檢測a.振動傳感器的尺寸小、重量輕、工作可靠、價格低;b.斷路器機械振動的檢測信噪比高,但只能在操作過程中獲取信號,除頻繁操作的斷路器外,信號量明顯不足;c.信號不夠穩(wěn)定、重復性有時較差。22機械振動監(jiān)測的范圍a.在線監(jiān)測;b.臨時性監(jiān)測,如SF6等不宜在現(xiàn)場進行拆卸的斷路器,在離線條件下采用外附傳感器進行內(nèi)部狀態(tài)檢測。3振動信號比較a.按處理的方式分為多個振動事件分別處理以及總體處理兩類。b.按故障的判斷方式分為與正常振動信號相比較以及和已知故障類型的振動信號相比較兩類。后者由于開關種類繁多、結構差別很大,造成工業(yè)應用上工作量過大。c.按判斷所用的信息可分為只根據(jù)振動信號進行判斷以及與其他信號(如控制線圈電流波形、斷路器行程、速度等)聯(lián)合進行判斷兩類。1振動信號的時序高壓斷路器操作過程中,機構零部件之間的碰撞或摩擦會引起機械振動。通常稱機構零部件的一次碰撞或摩擦為一個振動事件。不同振動事件產(chǎn)生的機械振動信號在時域上形成一個振動信號的時間序列。當各振動事件的信號易于區(qū)分時,可以根據(jù)每個子振動信號出現(xiàn)時間的變化來判斷斷路器的機械狀態(tài)。并可以求出各子振動信號的幅值或能量。機械振動事件時間的確定方法主要有中值濾波器法、微分法、時域包絡法、幅值法和互相關法等。2信號特征量的確定鑒于斷路器機械操作振動信號是瞬變的非平穩(wěn)信號,在信號處理方法上可用時頻結合的方法來處理。Wigner-Ville分布是信號能量在時頻兩維空間上的分布,與短時付立葉變換相比,能夠更加合理的描述非平穩(wěn)信號的時頻特性。實際處理時要利用Hilbert變換以及FFT等,其優(yōu)點是直觀,所得到的結果為三維的圖形數(shù)據(jù);其缺點是計算量大,在特征量的確定上有一定的困難。圖1是文中給出的一種“時頻幅值譜”圖,其中b)、c)中信號幅值為經(jīng)過歸一化處理得出的相對值。3狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷文從振動信號的均值、方差、距、過零次數(shù)、翻轉(zhuǎn)次數(shù)等為特征量中最終篩選出四個特征量,利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡對斷路器進行狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷。信號數(shù)據(jù)處理的結果“狀態(tài)圖”是一個四維的圖形,每個坐標表示一個特征量。文中指出,當微小缺陷發(fā)生時,其特征量對應的“簇”可能會與正常時的“簇”發(fā)生重疊,而導致分辨困難。這種方法在特征量的提取和主特征量的確定時需要大量的原始數(shù)據(jù)和計算時間。4信號信號的時間戰(zhàn)時比較圖2是對配彈簧機構的145kVSF6斷路器進行檢測的結果,在信號處理方法上采取了語音信號處理中經(jīng)常使用的動態(tài)時間規(guī)整(DTW)法,計算出檢測狀態(tài)與基準狀態(tài)之間信號的動態(tài)時間距離,通過與其對應的時間短時譜相比較,對斷路器的工作狀態(tài)進行判斷。在正常情況下,對信號進行DTW的結果近似為一條45°的直線,斷路器出現(xiàn)異常時其規(guī)整結果將出現(xiàn)明顯的彎曲。這種方法對事件出現(xiàn)時間上的變化有較高的靈敏度,能反映觸頭運動過程的信息,并能對機構零部件工作狀態(tài)的一些小的變化在檢測結果中能得到明顯的反映(如潤滑不良、曲柄卡滯、觸頭位置不正常等)。但是,這種方法偏重于對振動事件出現(xiàn)時間變化的分析,對信號強度變化的反映較差。此外其運算過程中需要的存儲量近似與信號長度的平方成正比,而振動信號長度通常為幾千個數(shù)據(jù)點甚至更長,要求DTW有較大的存儲量和較高的計算速度。另外,目前尚未完全建立起各種故障相應的特征圖形。5正常狀態(tài)下振動信號的平均包絡式(1)為通過對油斷路器和SF6斷路器操作過程中機械振動信號分析提出的χ2偏差測試法(VCS法):VCS=χ2[A(t)?S(t)]/χ2[A(t)?d(t)](1)VCS=χ2[A(t)?S(t)]/χ2[A(t)?d(t)](1)其中,A(t)=1m∑i=1mei(t)A(t)=1m∑i=1mei(t),是正常狀態(tài)下振動信號的平均包絡,兩個信號間的差異。實際監(jiān)測時對離散能量統(tǒng)計(DES)和短時譜(STS)進行包絡信號處理,由VCS的值是否超過閾值來判斷斷路器的機械狀態(tài)是否正常。這種方法在確定正常狀態(tài)下振動信號的平均包絡A(t)之前需要積累大量的運行或?qū)嶒灁?shù)據(jù),而且因其分散性而難以制定統(tǒng)一的A(t)是其主要缺陷。另外,對故障類型的分辨上存在一定的困難,需進一步研究和完善。6振動信號的特征參數(shù)一種考慮有時延的指數(shù)衰減振蕩參數(shù)估計方法的基本思想是把原始信號s(t)用一組(n個)有時延的指數(shù)衰減振蕩子波描述,如式(2):s(t)=∑i=1nAisin[ωi(t?ti)+θi]eαi(t?ti)?(t?ti)(2)s(t)=∑i=1nAisin[ωi(t-ti)+θi]eαi(t-ti)?(t-ti)(2)其中Ai為振蕩子波i的振蕩幅度;αi為振蕩子波i的衰減指數(shù);ωi為振蕩子波的角頻率(ωi=2πfi);ti為振蕩子波的起始時刻;θi為初始相角,考慮各振蕩子波都是由零值開始,θi=0。根據(jù)原始信號和給定的數(shù)學模型,通過積分和曲線擬合的方法提取一組以Ai、αi、ωi、ti為特征值的振動信號的特征參數(shù)。但采用積分法提取信號特征參數(shù)使用的是近似公式,適用于ωi和αi都比較大的情況。當ωi和αi比較小時,誤差較大。利用特征參數(shù)對在斷路器外殼上測得振動信號進行重構的結果見圖3。當把信號分解為250組特征參數(shù)時,利用特征參數(shù)對信號進行重構后可得到與原始振動信號十分接近的結果。振動波的幾何彌散現(xiàn)象會使信號波形發(fā)生畸變,即因不同頻率振動信號的傳播速度不同,隨著傳播距離的增加,不同頻率成分波形的相位將發(fā)生不同程度的變化。當只選取10組主要的特征參數(shù)進行信號重構時,波形上存在很大的差別。而在實際對斷路器狀態(tài)進行檢測和診斷中,很難通過250組特征參數(shù)對機構狀態(tài)進行識別和判斷。文改進了積分法,可以在理論上消除其產(chǎn)生的誤差。另外,在積分方法基礎上引入了帶有奇異值分解(SVD)的互相關Prony方法,這種方法直接從原始信號中求出頻率fi和衰減系數(shù)αi,不存在頻率分辨率的問題。同時,從原始數(shù)據(jù)中除去了奇異值較低的噪聲信號,提高了信噪比和抑制噪聲的能力。7控制線圈電流等特征參數(shù)應用人工神經(jīng)網(wǎng)絡對彈簧機構的工作狀態(tài)進行估計和檢測,由振動信號和控制線圈電流等提取特征參數(shù),在估計和檢測合閘電磁鐵頂桿的空行距離、鎖鉤與拐臂鎖閂扣結距離、拐臂轉(zhuǎn)軸摩擦等狀態(tài)時,取得了較好的效果。其不足之處在于