楊秋玉 阮江軍 黃道春 莊志堅(jiān)

摘 要關(guān)鍵詞：高壓斷路器;觸頭超程;振動(dòng)信號(hào);經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解; Hilbert邊際譜能量

DOI：10.15938/j.emc.2019.06.000

中圖分類號(hào)文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1007 -449X（2019）06 -0000 -00

Abstract：This paper presents a new method for identifying the state of electrical contacts overtravel in highvoltage circuit breaker （HVCB） using vibration signature. The vibration signal generated during the process of HVCB opening/closing operation contains the information of electrical contacts overtravel， which can be extracted by appropriate feature extraction method. The vibration signals of different overtravels are obtained by experimental investigation. The empirical mode decomposition （EMD） is used to decompose the vibration signal， and the marginal spectral energy of the decomposed intrinsic mode function （IMF） is calculated as the feature for identifying overtravel state. Furthermore， the variation rule between the feature and the overtravel is analyzed in detail. The experimental results show that the proposed method can effectively extract the overtravel state information from HVCBs vibration signal， which can realize the accurate identification of the overtravels state. This method provides a feasible approach for online monitoring and diagnosis of HVCBs electrical contact overtravel.

Keywords：highvoltage circuit breaker; overtravel of electrical contact; vibration signal; empirical mode decomposition; Hilbert marginal spectrum energy

0 引 言

高壓斷路器是保證電網(wǎng)安全、可靠運(yùn)行的重要和關(guān)鍵設(shè)備。電網(wǎng)的安全、靈活和穩(wěn)定性主要依賴于斷路器的可靠工作[1-4]。因此，為了避免斷路器發(fā)生故障和延長(zhǎng)服役壽命，人們提出了各種維護(hù)策略。其中，通過檢測(cè)高壓斷路器機(jī)械特性來對(duì)其性能進(jìn)行評(píng)估是目前最常用的方法[5-8]。高壓斷路器的機(jī)械特性主要有：觸頭開距、觸頭超程、分/合閘時(shí)間、分/合閘速度、分閘反彈幅值、合閘彈跳時(shí)間、同期性等。其中，觸頭超程是非常關(guān)鍵的機(jī)械特性參數(shù)：1）觸頭超程影響著其它機(jī)械特性參數(shù);2）觸頭超程還影響著回路電阻、斷路器機(jī)械壽命及電壽命等。工程實(shí)踐和試驗(yàn)研究表明，觸頭超程隨著斷路器動(dòng)作次數(shù)（包括空載、額定負(fù)載和異常負(fù)載）的增加不斷減小，且動(dòng)作越頻繁（與機(jī)械壽命有關(guān)）、開斷電流越大（與電壽命有關(guān)），超程減小的越快。

目前，只能通過離線的方式對(duì)在運(yùn)高壓斷路器觸頭超程進(jìn)行檢測(cè)，即在停電檢修期間，通過檢測(cè)高壓斷路器觸頭行程曲線，并結(jié)合分/合閘脫扣器電流曲線、觸頭狀態(tài)曲線等，求取觸頭超程值[9-10]。這種方法不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，還受位移/角度傳感器安裝的影響，更不能實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)。為解決該現(xiàn)狀，本文提出利用高壓斷路器分/合閘動(dòng)作過程中產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)對(duì)觸頭超程狀態(tài)進(jìn)行識(shí)別，嘗試通過合適的信號(hào)處理與特征提取方法，提取反映高壓斷路器觸頭超程狀態(tài)變化的特征量，實(shí)現(xiàn)觸頭超程狀態(tài)的識(shí)別。

為了從振動(dòng)信號(hào)中提取觸頭超程特征，首先應(yīng)對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行加工，從中獲取盡可能多的信息。常用的振動(dòng)信號(hào)處理方法大致可分為兩類：1）基于Fourier變換的經(jīng)典譜分析方法及其改進(jìn)方法[11-14]，2）時(shí)頻分析方法[15-18]?；贔ourier變換的經(jīng)典譜分析方法要求被分析的信號(hào)是嚴(yán)格平穩(wěn)的（工程實(shí)際的信號(hào)多為非平穩(wěn)）;其改進(jìn)方法是將原非線性、非平穩(wěn)信號(hào)轉(zhuǎn)換為線性、平穩(wěn)信號(hào)（并非真實(shí)信號(hào)），或減小原信號(hào)的非線性、非平穩(wěn)特征（存在誤差）;因此，第一類方法存在著固有的缺陷，不適合用于分析（或分析效果不佳）高壓斷路器這種復(fù)雜的非線性、非平穩(wěn)振動(dòng)信號(hào)。時(shí)頻分析方法包括傳統(tǒng)的如短時(shí)Fourier變換（STFT）、小波變換（WT）等方法;以及新型的如HilbertHuang變換（HHT）、變分模態(tài)分解（VMD）等方法。時(shí)頻分析方法是處理振動(dòng)信號(hào)最常用、最有效的方法。本文采用HHT方法對(duì)高壓斷路器振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行處理。

在特征提取方面，綜合考慮1）Hilbert邊際譜（可對(duì)HHT結(jié)果積分得到）是反映信號(hào)單位頻率內(nèi)的幅值分布;2）能量能夠反映機(jī)械運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)：信號(hào)各頻段隨機(jī)械狀態(tài)的變化而變化，而頻帶能量的變化更加顯著[19-20]。因此，本文將HHT與頻帶能量相結(jié)合，從高壓斷路器分/合閘產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)中提取表征觸頭超程狀態(tài)的特征量。

4 結(jié) 論

1）通過對(duì)高壓斷路器進(jìn)行機(jī)械壽命試驗(yàn)，得到高壓斷路器機(jī)械壽命期內(nèi)觸頭超程變化規(guī)律（圖10所示）。

2）試驗(yàn)獲取高壓斷路器觸頭超程變化過程中的振動(dòng)信號(hào)，并采用EMD與IMF分量Hilbert邊際譜能量相結(jié)合的振動(dòng)信號(hào)特征提取方法，揭示了高壓斷路器振動(dòng)信號(hào)特征量隨觸頭超程變化的規(guī)律。

3）IMF1分量Hilbert邊際譜能量可很好地反映高壓斷路器觸頭超程狀態(tài)：合閘時(shí)，IMF1分量Hilbert邊際譜能量值與觸頭超程值成反比（即：觸頭超程越小，IMF1分量Hilbert邊際譜能量越大）;分閘則反之，即IMF1分量Hilbert邊際譜能量值與觸頭超程值成正比。

4）本文只采用單個(gè)加速度傳感器、測(cè)量單一位置的振動(dòng)信號(hào)，存在一定的局限性。后續(xù)可考慮分別在高壓斷路器三相本體（滅弧室）合適位置安裝加速度傳感器以分別實(shí)現(xiàn)三相觸頭超程狀態(tài)的識(shí)別。

5）后續(xù)工作，還可基于本文所提方法，采用人工智能算法，如支持向量機(jī)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，實(shí)現(xiàn)高壓斷路器觸頭超程狀態(tài)的智能識(shí)別。

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（編輯：賈志超）