基于振動(dòng)信號(hào)的斷路器機(jī)械零部件故障程度識(shí)別

楊秋玉 王 棟 阮江軍 翟鵬飛

（1. 福建工程學(xué)院電子電氣與物理學(xué)院 福州 350118 2. 國(guó)網(wǎng)河南省電力公司電力科學(xué)研究院 鄭州 450052 3. 武漢大學(xué)電氣與自動(dòng)化學(xué)院 武漢 430072 4. 中能電氣股份有限公司 福州 350002）

0 引言

隨著國(guó)家電網(wǎng)有限公司提出“三型兩網(wǎng)”（“三型”即樞紐型、平臺(tái)型和共享型，“兩網(wǎng)”即堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)和泛在電力物聯(lián)網(wǎng)）的戰(zhàn)略目標(biāo)以及南方電網(wǎng)公司提出的“透明電網(wǎng)”建設(shè)目標(biāo)，越來(lái)越多的研究者開始投入到建設(shè)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)/“透明電網(wǎng)”的相關(guān)工作中。然而，目前的電力基礎(chǔ)設(shè)施（如電力設(shè)備）最初并不是按照泛在電力物聯(lián)網(wǎng)/“透明電網(wǎng)”的要求進(jìn)行規(guī)劃的（或者說(shuō)不能滿足建設(shè)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)/“透明電網(wǎng)”的要求）：①所有相關(guān)設(shè)備與電力用戶、電網(wǎng)企業(yè)、發(fā)電企業(yè)、電工裝備企業(yè)等連接；②設(shè)備信息廣泛交互和充分共享；③以數(shù)字化管理大幅提高裝備制造的安全、質(zhì)量、先進(jìn)、效益效率水平；④通過(guò)智能傳感器，讓設(shè)備狀態(tài)透明、運(yùn)行狀態(tài)透明；⑤設(shè)備具有自我感知能力。

高壓斷路器是電網(wǎng)中具有保護(hù)和控制功能的重要電力設(shè)備，在上述大背景下，對(duì)高壓斷路器的智能化和運(yùn)行可靠性的要求越來(lái)越高，科學(xué)地評(píng)估高壓斷路器的運(yùn)行狀態(tài)，不僅能夠?yàn)殡娏\(yùn)維部門制定檢修策略提供依據(jù)，也可以為制造企業(yè)提供改進(jìn)方向。

對(duì)于高壓斷路器，常見的故障類型大致可以分為電氣故障和機(jī)械故障兩類[1-3]。其中，機(jī)械零部件故障是一種常見的機(jī)械故障，包括零部件異常磨損、異常變形、斷裂等故障。零部件故障可能是由于加工工藝、裝配等因素造成的，也可能是在其運(yùn)行過(guò)程中（受到內(nèi)外環(huán)境的綜合作用）性能不斷退化造成的。零部件故障會(huì)導(dǎo)致斷路器動(dòng)作性能不符合要求（如動(dòng)作速度、動(dòng)作時(shí)間不符合要求），嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐蓴嗦菲鏖_斷、關(guān)合失敗等事故。當(dāng)機(jī)械零部件發(fā)生早期故障時(shí)，斷路器仍可繼續(xù)運(yùn)行，但若不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)而導(dǎo)致故障程度不斷加劇，將會(huì)引起斷路器機(jī)械傳動(dòng)異常，影響機(jī)械特性，最終破壞動(dòng)觸頭的正常運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而引起開斷、關(guān)合失敗，甚至對(duì)電力系統(tǒng)造成影響。因此，有效判斷斷路器機(jī)械零部件的故障程度對(duì)提高斷路器的可靠性具有重要的意義。

采用斷路器分、合動(dòng)作過(guò)程中產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)信號(hào)對(duì)斷路器進(jìn)行故障診斷一直是國(guó)內(nèi)外研究的重 點(diǎn)與難點(diǎn)。自1988年M. L. Lai[4]等首次提出利用振動(dòng)信號(hào)診斷斷路器故障的優(yōu)點(diǎn)及有效性以來(lái)，已經(jīng)取得了一系列有價(jià)值的研究成果[5-13]。然而，目前的研究主要集中在對(duì)故障部位和故障類型的區(qū)分識(shí)別，而對(duì)故障嚴(yán)重程度的研究較少。實(shí)際上，斷路器機(jī)械零部件故障是一個(gè)從輕微到嚴(yán)重的演變過(guò)程，準(zhǔn)確識(shí)別故障演變過(guò)程對(duì)保證斷路器安全運(yùn)行有著重要的意義。文獻(xiàn)[14]提出根據(jù)高壓斷路器的行程信號(hào)進(jìn)行分閘彈簧故障程度診斷，通過(guò)從行程曲線中提取平均標(biāo)準(zhǔn)方差作為因變量、以彈簧預(yù)壓縮變化量作為自變量構(gòu)造擬合曲線函數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)分閘彈簧不同故障程度的判斷。由于引起斷路器行程信號(hào)變化的因素眾多（彈簧僅是其中一個(gè)因素），且實(shí)際彈簧故障并不能完全等效為壓縮量的改變，因此，這種擬合曲線方法的診斷精度有待進(jìn)一步深入研究。文獻(xiàn)[15]利用集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解方法處理分合閘線圈電流信號(hào)，并求取能量矩相對(duì)熵作為故障程度評(píng)估指標(biāo)，通過(guò)線性函數(shù)擬合不同故障程度下的熵值建立擬合曲線，從而對(duì)分閘銜鐵行程不足、分閘線圈匝間短路故障的嚴(yán)重程度進(jìn)行診斷。但該方法的不能較直觀地描述線圈的故障程度、對(duì)判斷線圈何時(shí)開始出現(xiàn)故障以及開始出現(xiàn)故障時(shí)的故障特征性質(zhì)等有待進(jìn)一步的研究。文獻(xiàn)[16]通過(guò)求取斷路器振動(dòng)信號(hào)多尺度排列熵偏均值作為故障程度特征量，并對(duì)不同故障程度的特征量進(jìn)行三次曲線擬合，通過(guò)擬合曲線的斜率判斷故障程度。這種通過(guò)建立擬合曲線數(shù)學(xué)模型進(jìn)行故障程度診斷的方法，對(duì)于不同型號(hào)斷路器的魯棒性有待進(jìn)一步的深入研究。

基于上述情況，在文獻(xiàn)[17]的研究基礎(chǔ)上，本文提出了基于振動(dòng)信號(hào)混沌吸引子形態(tài)特性的斷路器機(jī)械零部件故障程度識(shí)別方法，能夠有效地判斷零部件的故障程度，克服了文獻(xiàn)[17]研究的不足，研究結(jié)果有助于更加合理地安排檢修計(jì)劃。首先，針對(duì)現(xiàn)有信號(hào)分解方法——變分模態(tài)分解方法存在的不足進(jìn)行了改進(jìn)，提出了一種譜形態(tài)變分模態(tài)分解（Variational Mode Decomposition, VMD）方法，以對(duì)斷路器振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行參數(shù)自適應(yīng)分解；其次，介紹了不同動(dòng)力系統(tǒng)的吸引子特點(diǎn)，從中得出吸引子對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)的變化較敏感，并將其應(yīng)用到斷路器機(jī)械零部件故障程度的識(shí)別中；最后，對(duì)所提出的故障程度識(shí)別方法進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。研究表明，所提出的故障程度識(shí)別方法能夠直觀有效地反映斷路器機(jī)械零部件故障嚴(yán)重程度。

1 譜形態(tài)變分模態(tài)分解（SSVMD）

經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解類的信號(hào)分析方法所產(chǎn)生的模態(tài)混疊[18-19]等問(wèn)題將導(dǎo)致所獲信息失真，而變分模態(tài)分解可改善這些缺陷[20-22]。

VMD方法將原始信號(hào)x(t)分解為K個(gè)有限帶寬的本征模態(tài)函數(shù)（Intrinsic Mode Function, IMF），IMF可表示為

式中，Ak(t)和φk(t)分別為瞬時(shí)幅值和瞬時(shí)相位。

每個(gè)IMF分量uk(t)在中心頻率ωk處集中，帶寬可用高斯平滑偏移信號(hào)來(lái)估算，分解時(shí)對(duì)應(yīng)的受約束變分模型為

式中，uk(t)滿足

引入增廣Lagrange求解上述最優(yōu)解為

式中，λ為L(zhǎng)agrange算子；α為懲罰因子。

λ使用梯度下降法進(jìn)行更新。

迭代停止條件為

在VMD過(guò)程中，分解層數(shù)K需要預(yù)先設(shè)定，分解結(jié)果隨K值的不同而不同，K值過(guò)大或過(guò)小均會(huì)影響分解結(jié)果的準(zhǔn)確性。以圖1a所示的由三種不同信號(hào)組成的信號(hào)為例，采用VMD將各個(gè)成分逐一分離出來(lái)，如果分解層數(shù)K設(shè)為3，那么分解結(jié)果是正確的，如圖1b所示；如果分解層數(shù)K設(shè)為2，由圖1c可知，分解誤差比較大。

圖1 分解層數(shù)K對(duì)VMD結(jié)果的影響 Fig.1 The influence of K on VMD results

目前對(duì)如何選取合理的K值的研究相對(duì)較少，沒(méi)有形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。特別是對(duì)于斷路器振動(dòng)信號(hào)，由于很難預(yù)知信號(hào)的組成成分（即多少個(gè)K值），加之?dāng)嗦菲鞑煌瑺顟B(tài)的振動(dòng)信號(hào)、不同型號(hào)斷路器的振動(dòng)信號(hào)具有一定的差異性，使得根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取合理的K值具有一定的難度和局限性。

鑒于此，本文提出一種基于IMF頻譜（傅里葉譜）形態(tài)特點(diǎn)的K值選取方法，本文將該方法稱為譜形態(tài)變分模態(tài)分解（Spectral Shape Based Variational Mode Decomposition, SSVMD）。

SSVMD方法通過(guò)分析IMF分量的頻譜特點(diǎn)以確定最優(yōu)K值，即如果IMF頻譜具有多個(gè)波峰N_f_peak，則說(shuō)明該IMF存在多個(gè)頻率成分，意味著信號(hào)分解不徹底或不是最優(yōu)的分解結(jié)果。SSVMD算法流程如圖2所示，使用時(shí)只需事先指定一個(gè)最大閾值，算法根據(jù)IMF頻譜形態(tài)特點(diǎn)自動(dòng)確定最優(yōu)K值，避免了人為選擇K值造成對(duì)分解精度的影響。

圖2 SSVMD算法流程Fig.2 Flow chart of SSVMD algorithm

2 混沌吸引子

相空間（可理解為狀態(tài)空間）給出了一種將數(shù)字轉(zhuǎn)變成圖形的方法，它把系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)部分的每一實(shí)質(zhì)信息都提取出來(lái)并繪制。在相空間中，動(dòng)力系統(tǒng)在給定時(shí)刻的狀態(tài)歸結(jié)為一個(gè)點(diǎn)，這個(gè)點(diǎn)代表該時(shí)刻動(dòng)力系統(tǒng)的狀態(tài)。下一時(shí)刻，系統(tǒng)發(fā)生變化，這個(gè)點(diǎn)就做出相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。于是，系統(tǒng)的演化就可以用這個(gè)運(yùn)動(dòng)的點(diǎn)表示出來(lái)。

例如，圖3所示的無(wú)摩擦擺的相空間軌跡，擺的任一運(yùn)動(dòng)狀態(tài)都可以在相空間中找到與之對(duì)應(yīng)的點(diǎn)。擺系統(tǒng)兩個(gè)變量（即位置和速度）的連續(xù)變化在相空間中畫出相應(yīng)的軌線，相空間的每一個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)擺的一個(gè)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，擺的往復(fù)運(yùn)動(dòng)使得相空間的軌跡一遍一遍地重復(fù)轉(zhuǎn)下去。

圖3 在相空間中觀察擺的運(yùn)動(dòng)（左：擺的運(yùn)動(dòng)，右：相空間軌跡）Fig.3 Observe the motion of the pendulum in phase space （Left: pendulum motion, Right: phase space trajectory）

如果擺的能量不同或存在摩擦?xí)r，相空間軌跡的形狀亦不同。例如，一個(gè)弱阻尼單擺振動(dòng)的相空間軌跡如圖4所示（圖4中M為擺球質(zhì)量，L為擺 線長(zhǎng)度，C為阻尼系數(shù)），其相軌線為內(nèi)縮螺旋線，表示擺的振幅隨時(shí)間衰減到零的振蕩過(guò)程。顯然，相軌線的形狀與阻尼的大小、擺線的長(zhǎng)度、擺的質(zhì)量等因素有關(guān)（即相軌線是單擺系統(tǒng)狀態(tài)的反映）。圖4稱為點(diǎn)吸引子，表明吸引子的形狀與系統(tǒng)的特征、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等因素有關(guān)。

圖4 阻尼單擺吸引子Fig.4 Attractor of damped simple pendulum

簡(jiǎn)單吸引子（吸引子包括簡(jiǎn)單吸引子、混沌吸引子等）除了點(diǎn)吸引子外，還有極限環(huán)吸引子等。極限環(huán)吸引子具有一條吸引附近所有其他軌道的軌道，它表明系統(tǒng)從外界獲得能量的同時(shí)也在消耗能量。Van der pol振子和Duffing振子是具有極限環(huán)吸引子的典型系統(tǒng)，圖5所示為一Van der pol極限環(huán)吸引子（圖5a）和Duffing極限環(huán)吸引子（圖5b）。圖5中，Van der pol參數(shù)：ε=1.0（非線性阻尼）；Duffing參數(shù)：γ=0.25（控制阻尼度），α=0.1（控制韌度），β=1.0（控制動(dòng)力的非線性度），δ=0.92（驅(qū)動(dòng)力的振幅），ω=1.0（驅(qū)動(dòng)力的角頻率）?？梢钥闯?，這兩個(gè)系統(tǒng)的極限環(huán)吸引子表現(xiàn)出完全不同的形態(tài)特征，表明動(dòng)力學(xué)特性不同的系統(tǒng)的吸引子形態(tài)差異較大。

圖5 Van der pol極限環(huán)和Duffing極限環(huán)Fig.5 Van der pol limit cycle and Duffing limit cycle

隨著系統(tǒng)參數(shù)的不斷變化，耗散運(yùn)動(dòng)會(huì)出現(xiàn)混沌，簡(jiǎn)單吸引子就會(huì)變?yōu)榛煦缥??；煦缥拥南嘬壘€被收縮到狹小的相空間內(nèi)，在狹小的空間里隨著系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)“糾纏不已”。圖6a所示的混沌吸引子稱為L(zhǎng)orentz吸引子，反映了對(duì)流模型中流體的流動(dòng)狀態(tài)：當(dāng)流體在一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，軌道處于左側(cè)；當(dāng)流體反向滾動(dòng)時(shí)，軌道就進(jìn)入另一側(cè)。 又如圖6b所示的從Lorentz吸引子中提取一種非對(duì)稱結(jié)構(gòu)的混沌吸引子，稱為Rossler混沌吸引子。若Rossler系統(tǒng)的參數(shù)發(fā)生變化，則該系統(tǒng)的吸引子形狀亦會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變。

圖6 Lorentz吸引子和Rossler吸引子Fig.6 Lorentz attractor and Rossler attractor

由此得到啟發(fā)：既然吸引子形態(tài)的變化能夠反映動(dòng)力系統(tǒng)狀態(tài)的演變情況，那么能否通過(guò)分析斷路器振動(dòng)信號(hào)的吸引子形態(tài)去探究其機(jī)械狀態(tài)的變化情況？特別是，由于動(dòng)力系統(tǒng)的微小變化會(huì)導(dǎo)致吸引子形態(tài)發(fā)生顯著的改變，那么是否可以利用吸引子的這種敏感性去分析斷路器零部件早期故障階段的微弱故障特征？

鑒于此，下面通過(guò)考察斷路器振動(dòng)信號(hào)的混沌吸引子形態(tài)特性來(lái)提取蘊(yùn)含在振動(dòng)信號(hào)中的斷路器動(dòng)力學(xué)信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)零部件故障程度診斷。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

文獻(xiàn)[17]已通過(guò)試驗(yàn)證實(shí)了振動(dòng)信號(hào)混沌吸引子對(duì)斷路器狀態(tài)變化的敏感性，不同故障類型的吸引子是不同的。

進(jìn)一步，本文將以斷路器零部件故障的不同嚴(yán)重程度（即從正常狀態(tài)、早期故障至完全失效故障）為例，探究振動(dòng)信號(hào)混沌吸引子對(duì)故障嚴(yán)重程度的敏感性及變化規(guī)律，據(jù)此希望能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)斷路器零部件故障程度的有效診斷。

斷路器零部件眾多，其中一些零部件由于在斷路器分、合閘過(guò)程中受到強(qiáng)烈的摩擦、沖擊碰撞，導(dǎo)致發(fā)生故障的概率較高。圖7所示為斷路器典型的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中虛線右側(cè)為斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)本體、左側(cè)為連接滅弧室的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，本文以操動(dòng)機(jī)構(gòu)中的分閘緩沖器和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中的傳動(dòng)連桿連接軸銷為研究對(duì)象（圖中虛線框標(biāo)記處），探究故障程度的診斷方法。選擇這兩個(gè)零部件作為研究對(duì)象的主要原因如下：

（1）分閘緩沖器直接影響斷路器動(dòng)觸頭反彈幅值的大小，繼而對(duì)斷路器電氣性能和滅弧室機(jī)械壽命造成影響，嚴(yán)重時(shí)將會(huì)造成斷路器開斷失敗[8]。目前一般通過(guò)測(cè)試斷路器機(jī)械特性參數(shù)，通過(guò)反彈幅值等機(jī)械特性參數(shù)間接判斷分閘緩沖器是否存在故障，這種方法效率較低且難于發(fā)現(xiàn)早期故障。鑒于此，本文對(duì)斷路器分閘緩沖器的故障程度識(shí)別方法進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

（2）斷路器零部件磨損，特別是零部件連接部位的磨損是不可避免的，對(duì)于某些受力復(fù)雜的連接部位，磨損更是嚴(yán)重。其中，斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)之間的連接是磨損較為嚴(yán)重的部位（該處是操動(dòng)機(jī)構(gòu)將儲(chǔ)能彈簧能量傳遞給動(dòng)觸頭的交匯點(diǎn)，如圖7所示），該部位一旦開始出現(xiàn)磨損，將會(huì)由于強(qiáng)烈的沖擊碰撞，磨損急劇增加，最終導(dǎo)致連接軸銷脫落，造成斷路器分、合失敗。因此，對(duì)斷路器零部件的磨損情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)識(shí)別尤為重要，特別是對(duì)某些關(guān)鍵零部件磨損狀況的及時(shí)判斷。鑒于此，本文以斷路器傳動(dòng)連桿孔軸磨損為例，探究其磨損程度的識(shí)別方法。

圖7 斷路器典型結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Typical structure of circuit breaker

下面通過(guò)兩個(gè)試驗(yàn)分別進(jìn)行說(shuō)明，其中試驗(yàn)一針對(duì)的是分閘緩沖器故障程度診斷，試驗(yàn)二分析了傳動(dòng)連桿孔軸磨損程度的識(shí)別方法。

3.1 試驗(yàn)一

以西門子型號(hào)為3AE8174—2的真空斷路器為研究對(duì)象，搭建試驗(yàn)平臺(tái)，如圖8所示。試驗(yàn)平臺(tái)主要由真空斷路器、振動(dòng)信號(hào)采集裝置及機(jī)械特性測(cè)試儀等組成。結(jié)合該斷路器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，一方面考慮到后續(xù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的方便，另一方面為了能夠較清晰地記錄斷路器的動(dòng)作信息，本文將加速度傳感器固定在操動(dòng)機(jī)構(gòu)頂部的側(cè)面，具體如圖8所示。加速度傳感器（IEPE型）靈敏度為0.5mV/g（±10%）、最大量程為10 000g、頻率響應(yīng)范圍為0.5～ 10 000Hz（±5%）。

圖8 斷路器零部件故障模擬試驗(yàn)平臺(tái)Fig.8 Test platform for circuit breaker component fault simulation

試驗(yàn)過(guò)程中采用外接控制電源的方式控制斷路器分、合閘動(dòng)作，外接控制電源為機(jī)械特性測(cè)試儀。采樣率為100 kHz，采樣時(shí)間為0.06 s。觸發(fā)方式為閾值觸發(fā)，即當(dāng)振動(dòng)幅值超過(guò)預(yù)先設(shè)定的觸發(fā)閾值時(shí)開始記錄并保存數(shù)據(jù)，觸發(fā)閾值設(shè)為0.01g。

斷路器實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，分閘緩沖器由于密封老化、緊固件松動(dòng)等原因?qū)е缕溆行Ь彌_行程不斷變小，直至緩沖性能完全失效。從功能上講，分閘緩沖器發(fā)生故障的根本原因是其有效緩沖行程不能滿足要求，使得斷路器分閘機(jī)械特性值偏離廠家規(guī)定范圍。因此，可以通過(guò)調(diào)節(jié)分閘緩沖器的有效緩沖行程來(lái)模擬分閘緩沖器故障的不同嚴(yán)重程度。

如前所述，由于分閘反彈幅值是斷路器分閘動(dòng)作的一個(gè)非常重要的機(jī)械特性指標(biāo)，其大小直接影響滅弧室的機(jī)械壽命及開斷的成敗。因此，試驗(yàn)以分閘反彈幅值為主要參考依據(jù)來(lái)評(píng)判分閘緩沖器的性能（即故障程度）。

分閘緩沖器位置及緩沖行程調(diào)節(jié)方法如圖9所示，通過(guò)調(diào)節(jié)x的大小改變分閘緩沖器的有效緩沖行程，將分閘緩沖器從正常狀態(tài)、早期故障至完全失效故障劃分為六個(gè)等級(jí)，對(duì)應(yīng)表1中的分閘緩沖器狀態(tài)編號(hào)1～6。表1中，分閘緩沖器狀態(tài)編號(hào)1、2表示斷路器分閘反彈幅值在規(guī)定的正常范圍內(nèi)（≤2mm），分閘緩沖器狀態(tài)正常；狀態(tài)編號(hào)3為分閘緩沖器開始出現(xiàn)異常的狀態(tài)，此時(shí)的分閘反彈幅值已超出規(guī)定的上限值；狀態(tài)編號(hào)4～6表示斷路器分閘反彈幅值逐漸超出上限值，表明分閘緩沖器故障程度越來(lái)越嚴(yán)重。

表1 分閘緩沖器狀態(tài)參數(shù)Tab.1 State parameters of the opening damper

圖9 分閘緩沖器位置及緩沖行程調(diào)節(jié)方法Fig.9 Position of the opening damper and its stroke adjusting method

圖10例舉了分閘緩沖器不同狀態(tài)下的分閘振動(dòng)信號(hào)，可以看到，從這些時(shí)域波形中很難辨別分閘緩沖器的狀態(tài)。

圖10 分閘緩沖器不同狀態(tài)下的分閘振動(dòng)信號(hào)Fig.10 Opening vibration signals in different states of the opening damper

為了減小其他因素的干擾，提高分閘緩沖器故障特征提取的準(zhǔn)確性，本文僅截取分閘緩沖器開始制動(dòng)至分閘動(dòng)作結(jié)束時(shí)段的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析。根據(jù)該型號(hào)斷路器的分閘時(shí)間參數(shù)、分閘緩沖器制動(dòng)時(shí)刻（在30～35ms之間開始制動(dòng)），截取30ms之后的振動(dòng)信號(hào)，然后對(duì)截取的主要包含緩沖制動(dòng)信息的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行SSVMD處理，再對(duì)SSVMD的結(jié)果進(jìn)行相空間重構(gòu)，得到相應(yīng)的混沌吸引子，最后根據(jù)混沌吸引子的形態(tài)特征判斷分閘緩沖器故障程度。

圖11為最后得到的結(jié)果，即分閘末期振動(dòng)信號(hào)的模態(tài)分量（最后一個(gè)模態(tài)分量，IMF 8）混沌吸引子隨分閘緩沖器狀態(tài)變化的演變過(guò)程。圖11a為分閘緩沖器正常狀態(tài)時(shí)的混沌吸引子、圖11b～圖11e為分閘緩沖器開始出現(xiàn)故障至完全失效故障情況下的混沌吸引子，可以明顯看出：

（1）緩沖器正常狀態(tài)下的吸引子軌跡緊緊收縮在一起，表明緩沖器起到了有效的緩沖作用。

（2）當(dāng)緩沖器開始出現(xiàn)異常時(shí)，如圖11b所示，部分相軌跡開始試圖逃離吸引域；隨著緩沖器故障的不斷加劇，逃離吸引域的相軌跡越來(lái)越多、吸引子形態(tài)不斷增大（見圖11c、圖11d）；最后，緩沖器完全失效，吸引子形態(tài)膨脹了起來(lái)，如圖11e所示。

（3）可以以吸引子軌道的突然開始逃離吸引域?yàn)榻缦蓿鐖D11b所示，作為緩沖器開始出現(xiàn)故障的判據(jù)，此后若吸引子繼續(xù)增大、膨脹，說(shuō)明緩沖器故障程度繼續(xù)加劇。

圖11 分閘緩沖器不同狀態(tài)下的模態(tài)分量混沌吸引子演化過(guò)程Fig.11 Evolution of chaotic attractor of IMF component in different states of the opening damper

3.2 試驗(yàn)二

上述試驗(yàn)以12kV真空斷路器為研究對(duì)象，探究并驗(yàn)證了利用振動(dòng)信號(hào)模態(tài)分量混沌吸引子形態(tài)特性對(duì)斷路器關(guān)鍵零部件——分閘緩沖器性能退化（即不同故障程度）進(jìn)行評(píng)估的可行性。為了進(jìn)一步驗(yàn)證該方法的有效性，本例以一252kV高壓 SF6斷路器為研究對(duì)象（型號(hào)為L(zhǎng)W59—252/T4000—50），探究所提方法用于診斷高壓斷路器其他零部件故障程度的效果——操動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)連桿孔軸磨損程度診斷。

需要指出的是，本例故障，即傳動(dòng)連桿孔軸磨損致使連接軸銷變形脫落，導(dǎo)致斷路器合閘失?。ú賱?dòng)機(jī)構(gòu)與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)之間的連接軸銷脫落導(dǎo)致操動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作而傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及以上部分未動(dòng)作），非人為設(shè)置，而是在對(duì)該斷路器開展其他試驗(yàn)時(shí)，如探究?jī)?chǔ)能電機(jī)振動(dòng)特征隨負(fù)載（即合閘彈簧）變化情況多次分、合所致（傳動(dòng)連桿軸銷脫落時(shí)計(jì)數(shù)器顯示：398），具體將在下述討論。

試驗(yàn)系統(tǒng)原理、斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及加速度傳感器固定位置如圖12所示。試驗(yàn)過(guò)程中采用斷路器機(jī)械特性測(cè)試儀給儲(chǔ)能電機(jī)提供直流電源，并控制斷路器分、合閘。采樣率同實(shí)驗(yàn)一為100kHz，采樣時(shí)間設(shè)為0.1s，信號(hào)觸發(fā)方式為閾值觸發(fā)，即當(dāng)振動(dòng)幅值超過(guò)預(yù)先設(shè)定的觸發(fā)閾值（0.01g）時(shí)開始記錄并保存數(shù)據(jù)。

圖12 試驗(yàn)系統(tǒng)及加速度傳感器固定位置Fig.12 Test system and position of the accelerometer

在試驗(yàn)過(guò)程中，隨著斷路器動(dòng)作次數(shù)的增多，連接操動(dòng)機(jī)構(gòu)輸出拐臂與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)拐臂（傳動(dòng)關(guān)系如圖13所示）的傳動(dòng)連桿軸孔、連接軸銷不斷被磨損（為方便描述，下面將軸孔和軸銷統(tǒng)稱為孔軸），隨著磨損程度的不斷加劇，軸孔逐漸擴(kuò)大、軸銷不斷變形，最終，在斷路器動(dòng)作了398次分合動(dòng)作后軸銷突然脫落，導(dǎo)致斷路器合閘失敗，如圖14所示。

圖13 操動(dòng)機(jī)構(gòu)與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)關(guān)系Fig.13 Transmission relations between operating mechanism and transmission mechanism

圖14 傳動(dòng)連桿及傳動(dòng)拐臂孔、連接軸銷磨損導(dǎo)致軸銷脫落故障Fig.14 The shaft pin falls off due to severe wear of the connection

本例仍以分閘振動(dòng)信號(hào)為例進(jìn)行說(shuō)明，圖15給出了該斷路器正常狀態(tài)和傳動(dòng)連桿孔軸磨損不同程度的分閘振動(dòng)信號(hào)，其中，圖15a為斷路器正常狀態(tài)時(shí)的振動(dòng)信號(hào)（開展本試驗(yàn)初次測(cè)試的振動(dòng)信號(hào)）；隨著斷路器操作次數(shù)的增多，孔軸磨損不斷加劇，相應(yīng)的振動(dòng)信號(hào)如圖15b所示；圖15c為連接軸銷突然脫落時(shí)的振動(dòng)信號(hào)；圖15d為軸銷脫落后的振動(dòng)信號(hào)，軸銷脫落后，由于傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與操動(dòng)機(jī)構(gòu)脫離連接，導(dǎo)致操動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作而傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及以上部分（包括滅弧室動(dòng)觸頭等零部件）未動(dòng)作，斷路器合閘失敗?？梢钥吹?，各信號(hào)之間差異并不明顯，很難直接判斷孔軸是否出現(xiàn)磨損、磨損程度及軸銷是否存在脫落的風(fēng)險(xiǎn)。

圖15 正常狀態(tài)和傳動(dòng)連桿孔軸磨損不同程度下的分閘振動(dòng)信號(hào)Fig.15 Opening vibration signals in normal state and different wear severity of the connection

在上述試驗(yàn)一中，由于分閘緩沖器僅在斷路器動(dòng)作末期起作用，因此截取了斷路器動(dòng)作末期的振動(dòng)信號(hào)（即緩沖制動(dòng)階段的振動(dòng)信號(hào)）進(jìn)行分析。本例由于傳動(dòng)連桿孔軸磨損對(duì)斷路器動(dòng)作過(guò)程中的哪個(gè)階段產(chǎn)生影響暫時(shí)未知，因此需要對(duì)斷路器動(dòng)作過(guò)程中各個(gè)階段的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析。

斷路器正常狀態(tài)下的分閘振動(dòng)信號(hào)分時(shí)分割處理如圖16所示，小機(jī)械波1出現(xiàn)的時(shí)刻對(duì)應(yīng)線圈鐵心開始運(yùn)動(dòng)的時(shí)刻；機(jī)械波2是由于線圈鐵心觸發(fā)鎖扣裝置使得機(jī)構(gòu)被解列而引起的；機(jī)構(gòu)解列后，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將能量傳遞給動(dòng)觸頭快速向分閘位運(yùn)動(dòng)，這個(gè)階段的設(shè)計(jì)理念是機(jī)構(gòu)不存在阻礙，運(yùn)動(dòng)相對(duì)較順暢、平穩(wěn)，由于該階段與機(jī)構(gòu)解列階段的界線不太明顯，因此本文以機(jī)構(gòu)解列后的第一個(gè)較明顯的波谷作為機(jī)構(gòu)解列階段與傳動(dòng)階段的分界線；機(jī)械波4是緩沖限位裝置對(duì)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)鏈進(jìn)行緩沖制動(dòng)而引起的。由此，參考各振動(dòng)事件的起始與結(jié)束時(shí)刻，將該斷路器正常狀態(tài)下的分閘振動(dòng)信號(hào)分割成如圖16所示的不同時(shí)段，即時(shí)段①為脫扣階段、②為機(jī)構(gòu)解列階段、③為傳動(dòng)階段、④為制動(dòng)階段。傳動(dòng)連桿孔軸磨損不同程度的分閘振動(dòng)信號(hào)均以此為參考依據(jù)進(jìn)行分時(shí)分割處理。

圖16 斷路器正常狀態(tài)下的分閘振動(dòng)信號(hào)分時(shí)分割處理Fig.16 Division of opening vibration signal in normal state of circuit breaker

分別提取各階段的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行SSVMD處理，然后進(jìn)行吸引子重構(gòu)，發(fā)現(xiàn)其中傳動(dòng)階段振動(dòng)信號(hào)（即階段②）的模態(tài)分量（最后一個(gè)模態(tài)分量，IMF 6）混沌吸引子隨孔軸的磨損程度表現(xiàn)出一定的規(guī)律性，如圖17所示。可以明顯看出：

（1）正常狀態(tài)（孔軸不存在磨損）的混沌吸引子形態(tài)較規(guī)則，且軌跡收縮在一起，如圖17a所示。

（2）當(dāng)孔軸磨損時(shí)，吸引子形態(tài)明顯伸展開來(lái)，形態(tài)變得不規(guī)則，如圖17b所示。

（3）隨著磨損的加劇，吸引子形態(tài)越來(lái)越復(fù)雜，這與磨損狀態(tài)下機(jī)構(gòu)連桿運(yùn)動(dòng)的不穩(wěn)定性相一致，如圖17c和圖17d所示。

圖17 傳動(dòng)連桿孔軸磨損不同程度的振動(dòng)信號(hào)（傳動(dòng)階段）模態(tài)分量混沌吸引子演化過(guò)程Fig.17 Evolution of chaotic attractor of IMF component in different wear severity of the connection

（4）圖17d是連接軸銷脫落前一次的混沌吸引子，可以明顯看出，該吸引子明顯異于正常時(shí)的吸引子及其他磨損狀態(tài)的吸引子，因此，可以以該吸引子的形態(tài)為界限，作為軸銷脫落的預(yù)警判據(jù)。

（5）圖17e是軸銷脫落時(shí)的混沌吸引子，其形態(tài)達(dá)到最大、軌跡最為復(fù)雜。

（6）當(dāng)軸銷脫落后，如圖17f所示，吸引子形態(tài)大小反而變小，形狀復(fù)雜度降低，原因是傳動(dòng)拐臂及以上傳動(dòng)機(jī)構(gòu)部分（包括絕緣拉桿、滅弧室動(dòng)觸頭等）脫離了操動(dòng)機(jī)構(gòu)，操動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作而傳動(dòng)拐臂及以上部分未動(dòng)作，使得機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)復(fù)雜度降低。

綜合上述試驗(yàn)一與試驗(yàn)二，斷路器振動(dòng)信號(hào)經(jīng)過(guò)本文所提方法進(jìn)行處理后（主要流程為：振動(dòng)信號(hào)分時(shí)分割→SSVMD提取模態(tài)分量→重構(gòu)模態(tài)分量混沌吸引子），能夠?qū)⑻N(yùn)含在振動(dòng)信號(hào)中的故障信息凸顯出來(lái)，特別是對(duì)于零部件早期故障的微弱信息，能夠以比較直觀的方式呈現(xiàn)出來(lái)（即能直觀反映故障程度的演變），有利于準(zhǔn)確判斷斷路器零部件故障的嚴(yán)重程度，可為維修計(jì)劃的合理安排提供一定的參考依據(jù)。

4 對(duì)比分析

針對(duì)斷路器（機(jī)械零部件）故障程度識(shí)別的研究，國(guó)內(nèi)外已有一些文獻(xiàn)報(bào)道[5,14-16,23]，這些方法與本文方法的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如下。

文獻(xiàn)[5]提出了利用振動(dòng)信號(hào)的幅值和時(shí)間偏差來(lái)檢測(cè)高壓斷路器是否出現(xiàn)異常，該文例舉了一個(gè)實(shí)驗(yàn)室模擬合閘油緩沖器漏油故障的試驗(yàn)，通過(guò)改變油緩沖器油量的大小，獲取相應(yīng)的振動(dòng)信號(hào)，并計(jì)算振動(dòng)信號(hào)的幅值和時(shí)間偏差作為油緩沖器故障的預(yù)警指標(biāo)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算相對(duì)簡(jiǎn)單、對(duì)于發(fā)生較嚴(yán)重故障的預(yù)判可靠性較高，不足之處是需要根據(jù)具體型號(hào)斷路器設(shè)定合理的預(yù)警閾值，以及由于斷路器振動(dòng)信號(hào)存在一定的分散性等原因，導(dǎo)致振動(dòng)信號(hào)幅值和時(shí)間偏差并不一定隨故障程度的加劇而嚴(yán)格線性變化（如表2中虛線方框所示），使得對(duì)故障程度的判斷存在一定的誤差。

表2 合閘油緩沖器不同故障程度下的振動(dòng)信號(hào)幅值和時(shí)間偏差Tab.2 Amplitude and time deviations as a function of the oil volume reduction in the closing oil damper

文獻(xiàn)[23]采用樣本間的歐氏距離評(píng)估萬(wàn)能式斷路器的三相不同期程度。例如，以A相不同期為例，首先計(jì)算A相觸頭開距不同故障程度下的振動(dòng)信號(hào)樣本熵值（通過(guò)調(diào)節(jié)觸頭開距為2mm、3mm、4mm、5mm模擬不同期故障程度），如圖18所示，然后選取3mm的觸頭開距作為參照，計(jì)算其他開距與該參照開距之間的樣本間歐氏距離，通過(guò)歐氏距離的大 小判斷不同期故障程度，A相不同期故障程度判定方法見表3?？梢钥闯觯摲椒軌蜉^好地量化斷路器不同期故障程度，具有一定的實(shí)用性。該方法，對(duì)故障程度變化較大時(shí)較為有效[23]，但對(duì)微小變化靈敏度有待進(jìn)一步提高。

圖18 A相不同期故障程度的特征對(duì)比Fig.18 Feature contrast of A-phase non-synchronous fault degree

表3 A相不同期故障程度判定方法Tab.3 Determination method for A-phase nonsynchronous fault degree

文獻(xiàn)[16]則利用振動(dòng)信號(hào)的多尺度排列熵偏均值（Partial Mean of Multi-Scale Permutation Entropy, PMMPE）對(duì)低壓萬(wàn)能式斷路器分合閘故障程度進(jìn)行評(píng)估。圖19所示為斷路器分合閘不同故障類型、不 同故障程度下的振動(dòng)信號(hào)PMMPE擬合曲線[16]，可以看出，隨著故障程度的增大，PMMPE值呈現(xiàn)出較好的單調(diào)遞減的趨勢(shì)，因此參照該曲線，可以較方便地對(duì)分合閘故障程度進(jìn)行評(píng)估。然而，對(duì)于某些不同的故障，PMMPE的區(qū)分度不是很明顯，例如圖19中的A/B/C三相不同期故障，曲線之間較為接近，區(qū)分性有待進(jìn)一步的提高。

圖19 不同故障模式下的PMMPE與故障程度特性曲線Fig.19 Characteristic curves between PMMPE and fault degree in different working modes

除了上述利用振動(dòng)信號(hào)對(duì)斷路器（機(jī)械零部件）故障程度進(jìn)行診斷外，還有利用觸頭行程信號(hào)[14]、線圈電流信號(hào)[15]實(shí)現(xiàn)故障程度診斷。這些方法與本文方法的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比總結(jié)見表4。

表4 斷路器故障程度診斷方法對(duì)比Tab.4 Comparison of diagnosis methods for CB fault severity

5 結(jié)論

1）對(duì)斷路器振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分時(shí)分割、特征模態(tài)提取以及重構(gòu)混沌吸引子等處理后，可將斷路器零部件早期故障的微弱故障特征顯現(xiàn)出來(lái)。其中，①信號(hào)分時(shí)分割是以斷路器正常狀態(tài)時(shí)的振動(dòng)信號(hào)為參考依據(jù)，結(jié)合斷路器動(dòng)作特點(diǎn)，將振動(dòng)信號(hào)分割為脫扣、解列、傳動(dòng)及制動(dòng)階段，該方法有利于故障零部件的有效定位；②提出的SSVMD可以對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行參數(shù)自適應(yīng)分解，該算法能夠根據(jù)斷路器振動(dòng)信號(hào)自身特點(diǎn)，自動(dòng)選擇分解層數(shù)，避免目前VMD方法存在參數(shù)選擇困難等不足。

2）斷路器制動(dòng)階段的振動(dòng)信號(hào)混沌吸引子能夠有效反映分閘緩沖器的故障程度，可以以吸引子軌道突然開始逃離吸引域作為緩沖器開始出現(xiàn)故障的判據(jù)；而傳動(dòng)階段的振動(dòng)信號(hào)混沌吸引子能夠有效反映傳動(dòng)連桿孔軸的磨損程度，軸銷脫落前一次的混沌吸引子明顯異于正常狀態(tài)的吸引子，因此，可以以該吸引子的形態(tài)作為軸銷脫落的預(yù)警判據(jù)。

3）通過(guò)對(duì)一臺(tái)12kV真空斷路器開展零部件故障程度模擬試驗(yàn)，以及通過(guò)分析一臺(tái)252kV SF6高壓斷路器傳動(dòng)連桿孔軸磨損的演化過(guò)程，驗(yàn)證了所提方法的有效性和一定的普適性。所提方法能夠有效識(shí)別斷路器零部件的故障程度，特別是對(duì)于早期故障的微弱故障信息，能夠以比較直觀的方式呈現(xiàn)出來(lái)，有利于提高故障程度識(shí)別的準(zhǔn)確性。

4）后續(xù)工作可根據(jù)斷路器零部件不同故障程度的混沌吸引子形態(tài)特征，提出合適的量化形態(tài)特征的指標(biāo)，以實(shí)現(xiàn)故障程度的定量評(píng)估。