邰慧明

（遼寧省朝陽工程技術(shù)學(xué)校，遼寧朝陽 122000）

0 引言

隨著現(xiàn)代化社會的飛速發(fā)展，機電設(shè)備安全檢測備受關(guān)注。通過對機電設(shè)備的故障診斷和及時維護使得機電設(shè)備能夠正常運行[1]。在人們生活和物質(zhì)水平不斷提升的今日，在機電設(shè)備的維修過程中，電氣行業(yè)引入故障診斷技術(shù)。使得設(shè)備能夠保持正確運行模式，及時發(fā)現(xiàn)故障點，做出有效診斷。機電設(shè)備運行時，運行溫度要求保持在一定的范圍內(nèi)，為避免機電運行免受環(huán)境因素困擾，在運行時進行定期檢查與維修。

在狀態(tài)檢修的過程中，結(jié)合多種檢測手段，通過傳感器和光學(xué)信息來感受機電設(shè)備的溫度變化，獲得溫度感應(yīng)圖像，使得工作人員能夠及時根據(jù)變化情況分析機電設(shè)備內(nèi)部溫度，及時尋找故障位置。同時還能遠(yuǎn)程追蹤機電設(shè)備的實時變化情況，不必實地尋找故障位置，提升檢測過程中的安全性，使得機電設(shè)備能夠自主運行。在檢測過程中完成對于機電設(shè)備的高質(zhì)量維護。通過檢測技術(shù)的應(yīng)用，更加快速實施檢測，獲得良好檢測質(zhì)量，擴大檢測范圍，得到優(yōu)質(zhì)檢測結(jié)果，相比于人工識別技術(shù)能夠更加智能化，多樣化[2]。

在確認(rèn)故障類別及發(fā)生故障位置的過程中，由于現(xiàn)有條件中，檢測傳遞的圖像顯示出現(xiàn)故障的機電設(shè)備的結(jié)果不明顯，溫度變化的部分無法使得工作人員分清安全系數(shù)優(yōu)先級，并針對于低級圖像無法做到實時告警，不利于工作人員及時對機電設(shè)備故障點進行維修。這樣就會導(dǎo)致機電設(shè)備的人工成本提升，故障發(fā)現(xiàn)遲緩，增加電力系統(tǒng)損壞程度，提升系統(tǒng)崩潰的嚴(yán)重指標(biāo)，使得結(jié)果不能符合預(yù)期。因此，現(xiàn)階段為提升故障診斷的檢測效率與檢測精度，以機電設(shè)備故障診斷為實驗對象，運用超聲波技術(shù)，結(jié)合實際情況進行實驗與分析。

1 機電設(shè)備故障診斷

1.1 故障信號采集與預(yù)處理

在實際的電力系統(tǒng)信號采集、量化及傳輸過程中，電流中會存在故障信號，還有隨之而來的信號干擾噪聲。干擾信號會對故障信號產(chǎn)生滋擾，造成對于機電設(shè)備故障診斷過程中產(chǎn)生誤差，影響最后的分析結(jié)果[3]。在故障診斷檢測過程中，設(shè)定熱電區(qū)域的平均溫度為T1，絕對溫度差為ΔT，相對溫度差為ΔT2。將檢測結(jié)果作為故障的優(yōu)先級，選取其中優(yōu)先級最大的為檢測結(jié)果，優(yōu)先級為檢測結(jié)果的計算公式為：

當(dāng)診斷結(jié)果出現(xiàn)故障時產(chǎn)生影響，優(yōu)先級判定為1 時產(chǎn)生的影響最大。故障檢測的輸出公式為：

得到輸出結(jié)果可以根據(jù)輸出的信息及時進行檢測與維護。若實際上設(shè)備發(fā)生了故障，優(yōu)先級為0，如果這時沒有工作人員進行檢測和維修，設(shè)備就會在故障中持續(xù)運行。在達到了一定的程度后，機電設(shè)備遭到破壞。同時，需要對故障診斷中的干擾信息信號進行濾除，選取小波閾值去噪。利用信號與噪聲的小波系數(shù)的傳播方式，將故障和噪聲信號的分離。電力系統(tǒng)中的故障信號模型表示為：

公式中：s（e）為含有干擾信號的機電設(shè)備故障信號；f（e）為初始機電設(shè)備的信號；n（t）為噪聲干擾。對于離散小波變化，將s（e）進行處理得到：

公式中：w（y，k）為不同信號對應(yīng)的小波；y 為最大分解程度；n 為信號長度。對機電設(shè)備中的故障信號進行小波分解，選取小波基函數(shù)和分層的數(shù)目進行拆分[4]。并對系數(shù)進行閾值處理，依據(jù)分解過后的小波系數(shù)，選擇對應(yīng)的閾值和閾值函數(shù)，計算公式如下所示：

其中α的取值范圍為0～1，閾值函數(shù)在±λ中連續(xù)。同時觀察閾值函數(shù)在±λ中的連續(xù)性，按照信號和信號在不同尺度中的特征要求，獲得最優(yōu)估計，得到新的閾值為：

公式中：y為分解程度；N為信號大?。沪覟樵肼暣笮?。去噪過程為。小波變換后計算得到信噪比和均方根誤差，信噪比大，去噪效果越明顯。與此同時，對各層的小波系數(shù)進行閾值對應(yīng)處理，進而實現(xiàn)去除噪聲。并完成小波重構(gòu)，獲得沒有干擾信號的故障信號。對光纜線路故障信號預(yù)處理，使得信號小波變換完成不同程度分解，通過公式運算得到g 的模量平方，同時設(shè)定閾值為η，使得閾值η的小波變換模極大值保持不變，如果存在小于閾值的數(shù)據(jù)則重新計算。最后得到的數(shù)值為測量故障信號的最大值點，從而找到故障發(fā)生的位置點。

1.2 超聲波技術(shù)故障檢測

超聲波頻率在20 kHz 以上。由于機電設(shè)備不同位置的電場強度不同，當(dāng)達到介質(zhì)擊穿場強時，某個位置會進行放電，根據(jù)電場分布情況和介質(zhì)特征，添加外加電壓，擊穿電壓低的氣體產(chǎn)生部分破壞。存在放電老化現(xiàn)象，由于沿面放電使得兩個電極之間所有線路被破壞。當(dāng)機電設(shè)備內(nèi)部高壓絕緣劣化時會發(fā)生局部放電，通過對超聲波的檢測感知發(fā)出超聲波的部位，從而判斷故障位置[5]。超聲傳感器通過壓電晶片的逆壓電效應(yīng)，由壓電晶片將其轉(zhuǎn)換成電信號，再經(jīng)信號處理電路，以其他形式表現(xiàn)出來。由于超聲波內(nèi)部放電的頻率高于20 kHz，設(shè)置電路中的通路濾波器進行濾波，并使用放大器做方法處理，對壓電晶片輸出的電信號進行放大，使得超聲傳感器的信噪比增加[6]。

在對機電設(shè)備進行帶電測試的工程中，需要對每個氣室進行測試，將超聲波傳感器放置在金屬外筒的不同部位，一旦發(fā)現(xiàn)在連續(xù)測量模式下數(shù)據(jù)偏大時，需要加大在這個部位的測量密度，以進一步確認(rèn)內(nèi)部是否有異常。在機電設(shè)備中經(jīng)由SF6傳播，采用縱波的形式在SF6中傳播，通過機電設(shè)備殼體傳播到觸頭接收。或者通過殼體金屬中傳播，在適當(dāng)?shù)木嚯x內(nèi)被觸頭接收。通過聲波與外殼的撞擊引起外殼的機械振動，再通過傳感器獲得檢測信號，通過幅值結(jié)合對超聲波聲源位置進行精準(zhǔn)定位，從而診斷出故障的位置。在沒有聲波干擾時，介質(zhì)所受到的壓強為p，聲波干擾后的壓強為p1，聲壓公式為：

公式中：pref為基準(zhǔn)聲壓，pref=1×10-5。

超聲波信號傳播路徑如圖1 所示。

圖1 超聲波信號傳播路徑

超聲波信號從B 到C 中的時間計算公式為：

其中：h為放電點與機電和設(shè)備金屬外殼之間的距離；x為檢測點到放電點A 的距離；φ為氣體傳播的角度；為超聲波在其中傳播的速度。超聲波檢測技術(shù)也可以檢驗在氣體介質(zhì)中使用的機電設(shè)備開關(guān)的密封性能，當(dāng)機電設(shè)備開關(guān)在關(guān)閉狀態(tài)時，如果存在密封失效結(jié)果時，就會出現(xiàn)故障[7]。此刻機電設(shè)備開關(guān)前方的高壓氣體會通過狹小的縫隙流到壓力較低的后方，并產(chǎn)生紊流現(xiàn)象，產(chǎn)生超聲波，利用超聲波檢測儀測量故障信號，并判斷機電設(shè)備是否出現(xiàn)故障。同時，選定機電設(shè)備故障測量點。B 點和C 點分別在待測機電設(shè)備的前方和后方，而A 與B 間的距離和C 間的距離通常由測量得知。用超聲波檢測儀分別測量不同測點的dB 值。比較測點的dB 值，如果B、C 點較大，A 點較小，說明該機電設(shè)備有故障[8]。dB 數(shù)值增大，表示故障更嚴(yán)重。如果A 點較大，B 與C 點較小，表明機電設(shè)備沒有故障，超聲波聲源可能存在其他地方。利用超聲波檢測機電設(shè)備的故障，適合用于介質(zhì)是氣體。檢測達到時間與角度之間的關(guān)系通過運算得到。超聲波定位方法具有較好的定位精度，得到最短達到時間與放電點和檢測點的位置，實現(xiàn)放電故障精準(zhǔn)定位與診斷。

2 實驗測試與分析

2.1 搭建實驗環(huán)境

搭建故障診斷測試實驗系統(tǒng)，其中操作系統(tǒng)選擇Windows11，編程語言為Visual C++，系統(tǒng)調(diào)用SQL 數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)采集板的驅(qū)動程序BH533 和MATLAB7.0 進行編程。系統(tǒng)測試環(huán)境見表1。

表1 系統(tǒng)測試環(huán)境

開發(fā)環(huán)境下，通過BH533 數(shù)據(jù)采集板SQL 數(shù)據(jù)庫完成對機電設(shè)備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)采集和存儲。在Visual C++中調(diào)用MATLAB7.0 程序?qū)κ占降臄?shù)據(jù)繪制成圖。提取機電設(shè)備運行時的狀態(tài)形式因數(shù)并傳輸，得到設(shè)備狀態(tài)診斷結(jié)果。為了提高數(shù)據(jù)真實性，需要實時對數(shù)據(jù)進行處理，在Windows 系統(tǒng)空間里設(shè)置固定長度64 K 且連續(xù)的內(nèi)存池。內(nèi)存池與機電設(shè)備數(shù)據(jù)緩沖區(qū)相獨立。并進行數(shù)據(jù)采集與更新，將數(shù)據(jù)完善并記錄在內(nèi)存池中。獲取最新數(shù)據(jù)的位置信息，并得到最終的數(shù)據(jù)樣本。

2.2 實驗測試與分析

為有效驗證機電設(shè)備故障檢測方法精度，在建立好電氣設(shè)備故障診斷系統(tǒng)后，選取實驗檢測的樣本數(shù)為500 個，并通過人工識別檢測的方法診斷出其中的故障樣本。設(shè)置8 個實驗小組對樣本進行檢測。將通過人工檢測得到的故障樣本導(dǎo)入到故障診斷系統(tǒng)中，再次進行樣本故障診斷檢測，并輸出檢測正確的樣本數(shù)，得到診斷精度。小組1～5 運用本文方法，小組6～7 組運用傳統(tǒng)方法進行故障診斷檢測，其診斷結(jié)果見表2。

表2 故障診斷結(jié)果

由實驗結(jié)果可知，在500 個實驗樣本中，小組6～8 的診斷精準(zhǔn)度差，均在90%以下。說明檢測出現(xiàn)錯誤的次數(shù)大，診斷不及時。而小組1～5 的診斷精度均在95%以上，說明運用本文方法在實際故障診斷過程中，達到較高的故障診斷標(biāo)準(zhǔn)?？梢詽M足實時對于機電故障診斷中的應(yīng)用。在出現(xiàn)故障時能較快的做出人工檢測和維護，使得機電設(shè)備狀態(tài)基本達到相對平衡，提高診斷結(jié)果的精度，在一定的程度上保障電力系統(tǒng)的安全，減少因故障問題而產(chǎn)生的嚴(yán)重后果，基本滿足機電設(shè)備的診斷要求。

3 結(jié)束語

從機電故障診斷方法入手，基于超聲波檢測技術(shù)，深入分析在機電設(shè)備故障診斷中存在的各種問題，研究其應(yīng)用效果并分析。但方法中還存在一些不足之處，如故障檢測中干擾信息消除問題、診斷數(shù)據(jù)異常問題、清除效果有待完善等。今后應(yīng)更加完善計算，通過多種方法對故障特征進行提取，對故障點精準(zhǔn)識別，節(jié)省了人工識別巡檢存在的資源，保障檢測過程中的安全性。通過對超聲波檢測技術(shù)的合理運用和改善，實現(xiàn)了其對于機電設(shè)備故障的有效診斷。