史春玲，巫世晶，孟凡剛，李巧全，肖楊，黎小峰

(武漢大學(xué) 動力與機(jī)械學(xué)院，湖北 武漢 430072)

基于時頻變換的斷路器凸輪偏中故障診斷

史春玲，巫世晶，孟凡剛，李巧全，肖楊，黎小峰

(武漢大學(xué) 動力與機(jī)械學(xué)院，湖北 武漢 430072)

為從真空斷路器振動信號中獲取凸輪是否對中的狀態(tài)信息，提出了一種基于時頻分析提取特征值的方法。首先，對振動信號進(jìn)行時域分析，得到信號的能量分布；再通過對斷路器合閘的振動信號進(jìn)行短時傅里葉變換，并采用平滑偽魏格納-維爾分布對其解析信號進(jìn)行分析，對比2種時頻分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，后者的時頻聚集度更高，且便于提取Renyi信息量特征值。研究表明，對比凸輪對中狀態(tài)，凸輪偏中狀態(tài)的時頻分布Renyi信息量增加1位左右，或者更多。這種量化的特征值方法為真空斷路器振動診斷的可行性提供了新的論據(jù)。

斷路器；凸輪；時頻變換；Renyi信息量；故障診斷

斷路器是電力系統(tǒng)中主要的電氣設(shè)備之一[1]。斷路器的操動機(jī)構(gòu)運(yùn)動過程復(fù)雜，具有高速、重載等特點(diǎn)。凸輪與之相配的滾子是彈簧操動機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵部件[2]，直接決定機(jī)構(gòu)的機(jī)械性能。由于制造、裝配誤差及零件滑移等原因，凸輪與滾子可能在接觸過程中沒有完全接觸，導(dǎo)致應(yīng)力逐漸積累，機(jī)械壽命降低，甚至造成嚴(yán)重電網(wǎng)事故[3]。斷路器彈簧操動機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且精密，拆卸檢查也會影響凸輪與滾子的裝配精度[4-5]。

斷路器在合閘過程中產(chǎn)生的振動信號是斷路器機(jī)械狀態(tài)信息的重要載體[6-7]。利用振動探測設(shè)備故障是傳統(tǒng)的方法，也是最適用的方法之一[8]。通常采用頻域診斷、數(shù)理統(tǒng)計、時域分析等實(shí)現(xiàn)工況狀態(tài)監(jiān)視與故障診斷[9-10]。而斷路器的故障振動信號包含非線性、非平穩(wěn)成分[11]，是時變信號，必須采用時頻分析等局部變換的方法。為判斷凸輪與滾子的對中性，以某型真空斷路器彈簧操動機(jī)構(gòu)為研究對象，采集振動信號[12]，通過短時傅里葉變換(short time Fourier transform，STFT)、平滑偽魏格納-維爾分布(smoothed pseudo Wigner-Ville distribution，SPWVD)進(jìn)行分析，提取Renyi信息量作為判斷凸輪對中性的特征值，達(dá)到無需拆卸斷路器可診斷故障的目的。

1 斷路器合閘過程中的振動信號

針對斷路器本體機(jī)構(gòu)振動信號的測量，采用型號為350C23的加速度傳感器，其性能參數(shù)靈敏度為51 μV/(m·s-2)，測量范圍為9.8×104m/s2。該型傳感器結(jié)構(gòu)輕巧，使用方便，具有很高的精度和抗干擾性。在試驗(yàn)的振動測試中，將振動加速度傳感器安裝在斷路器側(cè)壁上(如圖1所示)，并設(shè)置采樣頻率為12.8 kHz，取40 ms的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

圖1 傳感器的安裝

斷路器的彈簧操動機(jī)構(gòu)如圖2所示。分別以凸輪對中、凸輪偏左2 mm和偏右2 mm狀態(tài)合閘時的振動信號為示例，其時域波形和功率譜分別如圖3和圖4所示。由斷路器說明書可知，4 ms左右凸輪和滾子發(fā)生彈性碰撞，30 ms合閘結(jié)束，最后動觸頭反復(fù)跳動使機(jī)架產(chǎn)生余震現(xiàn)象。這是由真空滅弧室中動、靜觸頭采用平面對接方式接觸引起的。

圖2 彈簧操動機(jī)構(gòu)簡圖

圖3 振動信號時域波形

由圖3可知，在凸輪對中與凸輪偏左2 mm狀態(tài)下，30 ms以后斷路器合閘振動信號振幅最大；凸輪偏右2 mm狀態(tài)下，4～20 ms的信號振幅也很大。合閘時凸輪偏右與滾子發(fā)生碰撞，相比之下其余震不是十分激烈。原因如圖2所示，凸輪連桿機(jī)構(gòu)在斷路器左邊，3個滅弧室則均勻地分布在斷路器上，機(jī)構(gòu)的重心都在凸輪右邊。

圖4 振動信號功率譜

進(jìn)一步分析信號的功率譜，如圖4所示。凸輪對中與凸輪偏左2 mm狀態(tài)下，機(jī)架振動信號的能量主要分布在0～2 kHz區(qū)間；凸輪偏右2 mm狀態(tài)下能量分布較散。從時域波形上不能判斷凸輪偏中故障，而功率譜分析基于傅里葉變換，是對信號的全局積分，不能反映振動信號頻率的時間特征，也不能直接診斷斷路器故障。因此，需用時頻分析等局部變換的方法，用時間和頻率的聯(lián)合函數(shù)來表示信號。

2 時頻分析

2.1 短時傅里葉變換分析

時頻分析的研究對象主要是非平穩(wěn)和時變信號，分為線性時頻分析和雙線性時頻分析。而STFT是典型的線性時頻表示之一。

對于非平穩(wěn)信號x(t)，其STFT為

(1)

式中：h(t)為窗函數(shù)；t為平移參數(shù)；v是頻率；x(τ)h(τ-t)是原信號x(t)在t時刻附近τ時段的信號。

對離散時間信號x(n)和窗函數(shù)h(n)，x(n)的STFT為

(2)

式中m是整數(shù)。對于固定的采樣點(diǎn)n，F(xiàn)(n,v)是序列x(m)h(n-m)的傅里葉變換，其中h(n-m)是滑動窗。

采用STFT分析圖2所示凸輪對中、偏左 2 mm 和偏右2 mm狀態(tài)下的振動信號，結(jié)果如圖5(a)、(b)、(c)所示。由圖5可得，凸輪與滾子碰撞頻率主要為2 kHz左右，余震頻率在1～2 kHz之間；但是，3個STFT時頻圖均有許多能量低的頻率成分，并不直觀。實(shí)際上，STFT選定窗函數(shù)后，時頻窗口固定，不能隨信號的低頻、高頻做相應(yīng)變化，所以STFT對非平穩(wěn)信號的分析有限。

(a) 凸輪對中

(b) 凸輪偏左2 mm

(c) 凸輪偏右2 mm圖5 振動信號的STFT時頻圖

2.2 雙線性時頻分析

與受不確定性原理限制的STFT相比，雙線性時頻分布具有更多的時頻分析性質(zhì)。魏格納-維爾分布(Wigner-Ville distribution，WVD)是一個非常有用的非平穩(wěn)性信號分析工具，但多信號的WVD存在交叉項(xiàng)。所以，將取得的實(shí)振動信號轉(zhuǎn)換為解析信號，以及在時域和頻域上作平滑處理使得WVD中的交叉項(xiàng)得以衰減。

2.2.1 解析信號

試驗(yàn)取得的信號是實(shí)信號，x(t)=x*(t)，其頻譜滿足對稱性，對所有時間的頻率v的平均等于零。由于負(fù)頻率的出現(xiàn)，使實(shí)信號x(t)的WVD在v=0附近出現(xiàn)交叉項(xiàng)。為了抑制交叉項(xiàng)的干擾，采用解析信號方法，將x(t)轉(zhuǎn)換為解析信號

(3)

式中H表示希爾伯特變換。由于解析信號是半頻帶信號，因此，解析信號的WVD能有效地避免由負(fù)頻率成分引起的交叉項(xiàng)的干擾。

2.2.2SPWVD

Cohen類時頻分布是為了消除WVD的交叉項(xiàng)而產(chǎn)生和發(fā)展起來的一類雙線性時頻分布，已經(jīng)在許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。所有滿足時移不變性和頻移不變性的時頻能量分部類可寫成以下統(tǒng)一形式：

(4)

這種分布類就是Cohen類。式中：s是自變量；η(ξ,τ)是二維函數(shù)，稱為參函數(shù)；在η(ξ,τ)中，ξ是決定時頻分布的具體種類、形式和性質(zhì)的參數(shù)；Π(t,v)是η(ξ,τ)的二維傅里葉變換；Wx是信號的WVD。當(dāng)Π(t,v)為平滑函數(shù)時，上式對應(yīng)的Cx可以被解釋為WVD的平滑形式，這樣的分布會使WVD的相干項(xiàng)得以衰減。使平滑函數(shù)分離，即Π(t,v)=g(t)H(-v)，可以獲得獨(dú)立平滑控制

(5)

即SPWVD，式中g(shù)為時域上的平滑函數(shù)。將采到的實(shí)振動信號變換為解析信號，再采用SPWVD進(jìn)行雙線性時頻分析。

采用SPWVD對圖2中3個振動信號進(jìn)行分析，結(jié)果如圖6所示。凸輪對中狀態(tài)下，余震相對整個合閘過程而言較為強(qiáng)烈，凸輪與滾子的碰撞頻率約為2 kHz。與凸輪對中狀態(tài)相比，凸輪偏左2 mm狀態(tài)下凸輪與滾子碰撞頻率同為2 kHz左右，不同之處在于多出了2.3 kHz左右的頻率成分。這是因?yàn)橥馆喤c滾子接觸面積減小，碰撞力增大，而隨著碰撞的增強(qiáng)，余震愈加劇烈。凸輪偏右2 mm狀態(tài)下，由于機(jī)構(gòu)重心在凸輪右邊，余震相對整個合閘過程較不明顯，凸輪與滾子在4 ms時碰撞的頻率成分與凸輪偏左2 mm狀態(tài)的頻率成分相似。

對比圖6和圖5可知，SPWVD分析結(jié)果的時頻聚集性更好，不僅能夠定性描述碰撞過程，且更簡明扼要，另外可以提取Renyi信息量以定量描述合閘振動過程。

3 特征值提取

對于非平穩(wěn)信號，為得到基本信號分量的個數(shù)，在信號的時頻分布中引入信息量。對時頻分布Cx(t,v)，定義3階Renyi信息為

(6)

式中Cx3為3階Cx。計算結(jié)果以位為單位，即p位信息是由非平穩(wěn)信號的2p個基本分量信號產(chǎn)生的。

(a) 凸輪對中

(b) 凸輪偏左2 mm

(c) 凸輪偏右2 mm圖6 振動信號的SPWVD時頻圖

將凸輪對中狀態(tài)的合閘振動信號的信息量置為零，作為基準(zhǔn)。另外獲取14組凸輪偏中狀態(tài)的合閘振動信號：凸輪偏左及偏右分別為0.5 mm、1 mm、2 mm、3 mm、4 mm、5 mm、7 mm。對以上信號的解析信號采用SPWVD進(jìn)行分析，并對時頻圖像提取Renyi信息，可得對中狀態(tài)下數(shù)值為 3.103 4。將凸輪偏左及偏右狀態(tài)下由振動信號得到的Renyi信息值減去對中狀態(tài)下相應(yīng)的信息數(shù)值，得到以凸輪對中狀態(tài)為基準(zhǔn)的Renyi信息，見表1。由表1可得，凸輪偏左或偏右從0.5 mm逐步增加至7 mm時，與滾子碰撞時受力面積逐漸減小，接觸應(yīng)力逐漸增加，與凸輪對中狀態(tài)相比，其振動信號的SPWVD時頻圖的Renyi信息量多了1位左右。

表1 振動信號Renyi信息量

偏中距離/mmRenyi信息/位左偏右偏050971412040118563199642136181206030772517374410248121675129251251871596312896

4 結(jié)論

斷路器是高壓輸電線路的重要開關(guān)裝置，由彈簧操動機(jī)構(gòu)引起的故障居于首位。為研究其凸輪偏置問題，本文分析了斷路器的合閘振動信號，得到如下2個結(jié)論：

a)相對STFT時頻分析，SPWVD分析的頻聚集度更高，時頻分布更清晰，且易提取特征值。

b)通過對斷路器合閘時機(jī)架的振動信號采用時頻分析，發(fā)現(xiàn)隨著凸輪偏左及偏右距離的逐步加大，其時頻圖像的Renyi信息量也在增加，相比對中狀態(tài)多了1位左右。這個結(jié)論為真空斷路器彈簧操動機(jī)構(gòu)凸輪是否偏中的故障診斷的進(jìn)一步研究提供支持。

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(編輯 霍鵬)

Diagnosis for Misalignment Fault of Circuit Breaker Cam Based on Time-frequency Transform

SHI Chunling, WU Shijing, MENG Fangang, LI Qiaoquan, XIAO Yang, LI Xiaofeng

(School of Power and Mechanical Engineering, Wuhan University, Wuhan, Hubei 430072, China)

In order to acquire state information whether the cam is in alignment from vibration signals of vacuum circuit breaker, this paper presents a kind of method for extracting characteristic value based on time-frequency analysis. It firstly conducts time domain analysis for vibration signals so as to obtain energy distribution of signals, then carries on short-time Fourier transform on closing vibration signals of the breaker as well as employs smooth pseudo Wigner-Ville distribution to analyzing analytic signals. Comparing results of two time-frequency analysis methods, it discovers that time-frequency concentration of the latter one is higher and is easy to extract Renyi information characteristic value. Research indicates Renyi information of time-frequency distribution in alignment state has increasedone approximately or more. This kind of quantitative method for analyzing characteristic value can provide new evidence for feasibility of vibration diagnosis for the vacuum circuit breaker.

circuit breaker; cam; time-frequency transform; Renyi information; fault diagnosis

2016-07-01

2016-08-25

中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司科技項(xiàng)目(GDKJ00000031)

10.3969/j.issn.1007-290X.2016.12.015

TM561

A

1007-290X(2016)12-0080-05

史春玲(1991)，女，河南平頂山人。在讀碩士研究生，主要研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化。

巫世晶(1963)，男，江西尋烏人。教授，工學(xué)博士，研究方向?yàn)殡娏ㄔO(shè)及建設(shè)裝備新技術(shù)、機(jī)電液系統(tǒng)及其控制技術(shù)、機(jī)械設(shè)備故障診斷與狀態(tài)檢修、設(shè)備工程信息技術(shù)。

孟凡剛(1988)，男，河北清苑人。在讀博士研究生，研究方向?yàn)閺氖聶C(jī)械動力學(xué)。