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

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。