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        基于小波變換的高壓斷路器機(jī)械故障監(jiān)測裝置的研究

        2021-04-08 02:08:14程江洲
        東北電力技術(shù) 2021年3期
        關(guān)鍵詞:振動(dòng)故障信號(hào)

        劉 文,程江洲

        (1.三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院,湖北 宜昌 443002;2.國網(wǎng)宜昌供電公司,湖北 宜昌 443002)

        高壓斷路器在電網(wǎng)中主要起到隔斷電流的作用,相當(dāng)于控制開關(guān),當(dāng)保護(hù)裝置正常動(dòng)作時(shí),斷開高壓斷路器對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行保護(hù),降低電網(wǎng)設(shè)備損壞風(fēng)險(xiǎn)。一旦高壓斷路器出現(xiàn)故障,不僅會(huì)造成非正常停電,而且會(huì)嚴(yán)重?zé)龤щ娏υO(shè)備,不僅對(duì)我國電力經(jīng)濟(jì)造成重大影響,嚴(yán)重還會(huì)導(dǎo)致人身安全事故,對(duì)人們的正常生活造成很大的影響[1]。

        目前,國家電網(wǎng)及南方電網(wǎng)對(duì)高壓斷路器的日常檢修都是按照電網(wǎng)安全規(guī)程進(jìn)行,并定期人為檢測斷路器的安全狀況[2-4]。隨著電網(wǎng)事業(yè)的不斷發(fā)展,電網(wǎng)結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜,用電客戶對(duì)用電質(zhì)量的要求不斷提升,常規(guī)的斷路器檢修方案已經(jīng)不能滿足電網(wǎng)現(xiàn)狀,人為的預(yù)防性檢修已不能適應(yīng)電網(wǎng)的快速發(fā)展,嚴(yán)重影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[5-8]。高壓斷路器在分合過程伴隨機(jī)構(gòu)振動(dòng),根據(jù)振動(dòng)信號(hào)可以判斷機(jī)構(gòu)的分合狀態(tài)信息,還可根據(jù)振動(dòng)信號(hào)對(duì)機(jī)構(gòu)的故障進(jìn)行有效監(jiān)測和診斷,對(duì)于提前發(fā)現(xiàn)機(jī)構(gòu)故障效果明顯[9-10]。因此,對(duì)高壓斷路器機(jī)構(gòu)故障的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行有效分析,對(duì)機(jī)構(gòu)的安全運(yùn)行狀態(tài)及時(shí)判斷,對(duì)提高電網(wǎng)安全運(yùn)行具有重要意義。

        1 斷路器故障監(jiān)測裝置結(jié)構(gòu)

        1.1 裝置原理

        高壓斷路器機(jī)械故障振動(dòng)監(jiān)測裝置通過前端振動(dòng)傳感器采集機(jī)構(gòu)的振動(dòng)信號(hào),然后通過振動(dòng)信號(hào)處理模塊進(jìn)行放大濾波處理,再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后傳輸給控制芯片。通過小波變換實(shí)現(xiàn)振動(dòng)信號(hào)的處理,根據(jù)處理的結(jié)果與設(shè)定的振動(dòng)閾值相比較,從而判斷機(jī)構(gòu)是否故障。當(dāng)判斷出斷路器出現(xiàn)故障時(shí),通過本裝置可以實(shí)現(xiàn)快速報(bào)警,以便工作人員能夠及時(shí)快速處理故障,從而有效調(diào)整高壓斷路器的安全狀態(tài)。

        1.2 裝置組成

        整個(gè)斷路器機(jī)械故障監(jiān)測裝置主要分為振動(dòng)信號(hào)采集模塊、信號(hào)處理模塊以及報(bào)警模塊3個(gè)模塊。振動(dòng)信號(hào)采集模塊主要是對(duì)斷路器的機(jī)構(gòu)振動(dòng)進(jìn)行檢測,通過無接觸式檢測,降低電網(wǎng)安全干擾系數(shù)。信號(hào)處理模塊主要對(duì)前端采集的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行快速濾波放大處理。信號(hào)處理模塊主要包含信號(hào)放大電路、信號(hào)濾波電路以及模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊,將微弱帶有雜余信號(hào)的振動(dòng)信號(hào)過濾放大后傳輸給控制芯片再進(jìn)行處理。根據(jù)處理結(jié)果給出斷路器是否出現(xiàn)故障的準(zhǔn)確判斷,同時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)給工作人員進(jìn)行故障處理,整個(gè)裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

        圖1 斷路器故障監(jiān)測裝置結(jié)構(gòu)

        高壓斷路器在分合閘過程中伴隨著振動(dòng)信號(hào)的產(chǎn)生,通過對(duì)不同狀態(tài)的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析,可及時(shí)了解斷路器的分合狀態(tài),對(duì)斷路器的機(jī)構(gòu)是否發(fā)生故障作出指示。為保障所采集振動(dòng)信號(hào)的完整性,對(duì)振動(dòng)傳感器進(jìn)行了精準(zhǔn)的選擇。本裝置中選用的振動(dòng)傳感器采用低頻傳感器,內(nèi)置一級(jí)微型IC放大器,可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行一級(jí)放大??紤]到變電站現(xiàn)場環(huán)境的復(fù)雜性,振動(dòng)傳感器安裝在滅弧室和操動(dòng)機(jī)構(gòu)中間彈簧機(jī)構(gòu)的緩沖器附近,同時(shí)為避免環(huán)境噪聲的影響,振動(dòng)傳感器本身產(chǎn)生的干擾小、噪聲低。

        信號(hào)處理終端是本裝置的核心。前端振動(dòng)傳感器采集的振動(dòng)信號(hào)由于受到環(huán)境因素影響,信號(hào)比較復(fù)雜,可能存在雜波、信號(hào)弱等問題。因此,信號(hào)處理終端主要對(duì)前端采集的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行處理。本裝置中,信號(hào)處理終端包括二級(jí)放大電路、低通濾波電路以及模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。放大電路的主要作用是對(duì)一級(jí)放大信號(hào)進(jìn)行二次放大。低通濾波主要是過濾放大后振動(dòng)信號(hào)中的雜波。由于控制芯片只能接收數(shù)字信號(hào),而傳感器采集的是模擬信號(hào),因此需要通過A/D轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)換。本文中放大電路采用儀表放大器MAX4196芯片,信號(hào)濾波電路采用二階低通ButterWorth濾波電路。信號(hào)放大電路如圖2所示,信號(hào)濾波電路如圖3所示。

        圖2 信號(hào)放大電路

        圖3 信號(hào)濾波電路

        為實(shí)現(xiàn)故障提示預(yù)警,本文采用WT588D語音芯片作為故障報(bào)警模塊的主芯片,該芯片具有精確度高、傳輸速率快等優(yōu)點(diǎn),采用獨(dú)特的SPI模式,根據(jù)不同需求進(jìn)行設(shè)置,當(dāng)設(shè)置語音播放時(shí),BUSY輸出低電平;播放結(jié)束時(shí),輸出高電平,同時(shí)此時(shí)電壓接近模塊的供電電壓,通過功能模塊自帶的控制功能實(shí)現(xiàn)語音播放是否結(jié)束,起到自動(dòng)控制報(bào)警的功能。

        2 振動(dòng)信號(hào)分析

        將振動(dòng)傳感器安裝在滅弧室和操動(dòng)機(jī)構(gòu)中間彈簧機(jī)構(gòu)的緩沖器附近,根據(jù)振動(dòng)傳感器的檢測信號(hào)進(jìn)行高壓斷路器故障分析與預(yù)警。具體步驟如下。

        a.首先對(duì)振動(dòng)傳感器采集的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理,主要進(jìn)行濾波處理。

        b.對(duì)預(yù)處理后的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行離散小波變換,得到小波系數(shù),小波系數(shù)的獲取方式為

        (1)

        (2)

        (3)

        式中:d0為第0層小波包;s(n)為采集的原始振動(dòng)信號(hào);dj為第j層小波包分解中的第i個(gè)小波包系數(shù);hk為離散低通濾波器的第k個(gè)系數(shù);gk為離散高通濾波器的第k個(gè)系數(shù);j為小波分解的層數(shù)。

        c.對(duì)小波系數(shù)進(jìn)行快速傅里葉變換,得出小波系數(shù)的頻譜以及各層小波系數(shù)的樣點(diǎn)數(shù)。小波系數(shù)的頻譜獲取方式為計(jì)算原始信號(hào)數(shù)據(jù)s(n)的采樣頻率Fs波及信號(hào)的頻率范圍F,對(duì)小波系數(shù)進(jìn)行FFT快速傅里葉變換,根據(jù)計(jì)算變換后的幅值,得到小波系數(shù)的頻譜。

        d.按照頻率的高低順序,將各層小波系數(shù)的樣點(diǎn)數(shù)合成完整頻譜。

        e.計(jì)算各層小波系數(shù)的能量。

        f.將振動(dòng)信號(hào)特征頻帶范圍量與設(shè)定閾值進(jìn)行比較,以確定高壓斷路器是否發(fā)生故障。

        g.對(duì)振動(dòng)信號(hào)分析得到的小波系數(shù)能量建立能量特征矩陣。

        h.計(jì)算能量特征矩陣的特征值,將非零特征值組成一個(gè)特征向量。

        i.選取特征向量中的最大值作為高壓斷路器潛在外力破壞的特征參數(shù),根據(jù)特征參數(shù)的變化幅度和絕對(duì)值與設(shè)定閾值的比較結(jié)果,發(fā)出預(yù)警信號(hào)。整個(gè)斷路器振動(dòng)信號(hào)分析的流程如圖4所示。

        圖4 振動(dòng)信號(hào)分析流程

        3 斷路器故障預(yù)警軟件設(shè)計(jì)

        為了能夠?qū)崿F(xiàn)故障自動(dòng)預(yù)警,在控制模塊中設(shè)置振動(dòng)的閾值,通過振動(dòng)傳感器檢測的信號(hào)值A(chǔ)與系統(tǒng)設(shè)置的閾值進(jìn)行比較,來決定是否報(bào)警。具體的軟件流程如圖5所示。

        圖5 斷路器故障預(yù)警軟件流程

        4 結(jié)論

        本文通過對(duì)高壓斷路器機(jī)械故障進(jìn)行在線監(jiān)測,采用振動(dòng)傳感器進(jìn)行前端信號(hào)采集,通過小波變換算法進(jìn)行信號(hào)處理,最終通過控制指令實(shí)現(xiàn)裝置報(bào)警。通過振動(dòng)傳感器對(duì)斷路器的故障進(jìn)行檢測,能夠帶來以下有益效果。

        a.獲取振動(dòng)信號(hào)方便,裝置供電采用低壓,與高壓完全隔離,后期維護(hù)方便,另外,不會(huì)對(duì)電力設(shè)備產(chǎn)生人為干擾,是一種智能化程度較高的非接觸測量方法。

        b.振動(dòng)監(jiān)測裝置的傳感器安裝不需要改變高壓斷路器原有機(jī)構(gòu),不會(huì)對(duì)主網(wǎng)設(shè)備造成干擾,不影響電網(wǎng)的安全運(yùn)行,具有高可靠性。

        c.振動(dòng)傳感器體積較小,安裝維護(hù)方便,同時(shí)安裝在斷路器緩沖器上,對(duì)信號(hào)的獲取也比較方便。

        本文通過軟件和硬件有效結(jié)合,采用小波變換對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行處理,以此判斷斷路器機(jī)械故障的可行性和有效性,通過分析判斷可以實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓斷路器進(jìn)行故障預(yù)警,能夠解決常規(guī)人為檢查難以發(fā)現(xiàn)的故障技術(shù)難題。在后期進(jìn)一步研究基礎(chǔ)上,可以將小波變換與多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)相結(jié)合,運(yùn)用在同時(shí)對(duì)多個(gè)高壓斷路器進(jìn)行故障預(yù)警上,全面保證斷路器的安全可靠運(yùn)行。

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