一種基于振動信號分析的高壓斷路器機械故障診斷方法
【專利摘要】本發明涉及一種基于振動信號分析的高壓斷路器機械故障診斷方法，包括如下步驟：在正常工況實驗下與典型故障實驗下測定斷路器分閘與合閘過程中各振動事件發生時刻的時間序列及時間差分序列，構造時間序列特征庫與時間差分序列特征庫；測定實際運行的斷路器各振動事件發生時刻的時間序列及時間差分序列；將實際運行的斷路器分閘與合閘過程中各振動事件發生時刻的時間差分序列同時間差分序列特征庫中的時間差分序列進行比對確定故障類型；將時間序列特征庫中所述故障類型的不同程度故障下的時間序列同測定的時間序列比對確定故障程度。該方法比較直觀的解決了現有基于振動的斷路器診斷方法判據過于簡單，精確度低的問題，并可確定故障的程度。
【專利說明】一種基于振動信號分析的高壓斷路器機械故障診斷方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種基于振動信號分析的高壓斷路器機械故障診斷方法。
【背景技術】
[0002]與其它電氣設備相比，高壓斷路器機械部分零件眾多，其操作過程是一個短時間內的能量釋放與傳遞過程，伴隨著一系列的機械運動與撞擊事件，以及由此產生的機械振動。這一過程具有瞬時、高速、大動能的特點，對機構和設備本身的機械沖擊也比較嚴重。當設備存在材料、工藝或設計等方面的缺陷時，在這種外力因素的作用下，高壓斷路器就存在零件變形移位、軸銷松斷、機構卡澀、鎖扣失靈、拉桿斷裂、緩沖異常、密封泄漏等機械故障風險。若能有效監控設備振動特征的變化情況，對實時運行的開關設備機械狀態做出正確評估，即可發現故障早期征兆。通過優化系統運行，提高電網對故障的響應速度，防止故障發展、蔓延。
[0003]對于基于彈簧機構的斷路器來說，機械振動信號的激勵源包括:分合閘電磁鐵、儲能機構、脫扣機構、連桿機構、觸頭等的碰撞、分離、摩擦、電動力等。現有研究表明，高壓斷路器操作時產生的機械振動信號是一個豐富的信息載體，包含著大量的設備狀態信息。因此，使用機械振動傳感器測得高壓斷路器振動信號的波形，通過一定的信號處理和狀態評估技術，判斷斷路器的特性參數與工作狀態并指導斷路器維護工作具有重要意義。
[0004]目前已知的由西安郵電學院申請的“201110260010.5基于振動特征的高壓斷路器在線監測系統”中的診斷方法存在以下問題:
[0005]將實測的振動波形與正常斷路器的操作瞬間的特征波形“指紋”進行對比，如果吻合度大于并等于90%，則判定高壓斷路器正常，如果吻合度小于90%，則判定高壓斷路器出現故障，這種診斷方法判據過于簡單，判斷結果模糊，難以指導斷路器維護工作。
【發明內容】
[0006]本發明的目的是提供一種基于振動信號分析的高壓斷路器機械故障診斷方法，用以解決由于判據過于簡單造成的斷路器故障判斷精度過低的問題。
[0007]為實現上述目的，本發明的方案是:一種基于振動信號分析的高壓斷路器機械故障診斷方法，包括如下步驟:
[0008]I)在正常工況實驗下測定斷路器分閘與合閘過程中各振動事件發生時刻的時間序列及時間差分序列，在典型故障實驗下測定斷路器分閘與合閘過程中各對應故障振動事件發生時刻的時間序列及時間差分序列，根據正常工況實驗與典型故障實驗得到的時間序列構造時間序列特征庫，根據正常工況實驗與典型故障實驗得到的時間差分序列構造時間差分序列特征庫；
[0009]2)測定實際運行的斷路器分閘與合閘過程中各振動事件發生時刻的時間序列，并由該步驟測得的時間序列確定時間差分序列；
[0010]3)將步驟2)確定的時間差分序列同時間差分序列特征庫進行比對確定故障類型；
[0011]4)將步驟2)中測定的時間序列同時間序列特征庫中所對應的典型故障實驗下的時間序列依次比對確定故障程度。
[0012]振動事件發生時刻按照突變信號起始點提取，提取方法為:
[0013]在一個預設的時間跨度a內計算最大值與最小值的差值，若差值大于預設的定值b，則記錄a內的最小值對應時刻；
[0014]將所述最小值對應時刻與已確定的前一振動事件的發生時刻作差，若大于預設定值C，則將所述的最小值對應時刻確定為一次振動事件的發生時刻。
[0015]振動事件發生時刻按照突變信號起始點提取，提取流程為:
[0016](I)根據斷路器振動信號情況設定參數a、b、c，其中a為單次計算振動的時間跨度點數，b為每次比較閾值，c為兩次計算間隔振動的時間跨度點數；
[0017](2)以參數a為計算范圍，計算i?i+a時刻內振動最大值與最小值之間的差值，其中i為計算時刻起點；
[0018](3)將差值與參數b比較，當差值大于b轉至第(4)步，當差值小于b則令i=i+l，轉至第(2)步；
[0019](4)計算范圍a內最小值對應時刻與上一個已確定的振動事件的發生時刻差值，當差值大于C，則將最小值對應時刻確定為一次振動事件的發生時刻，當差值小于C，令i=i+l，轉至第(2)步。
[0020]典型故障實驗包括電磁鐵動靜芯氣隙偏離正常值、電磁鐵動鐵芯與鎖閂間距偏離正常值、凸輪和主拐臂上磙子間距偏離正常值、電磁鐵卡塞、拐臂轉軸或鎖扣零部件軸銷摩擦過大、緩沖器頂端與緩沖拐臂之間的間隙縮短、合分閘彈簧裝配不當造成的合分閘不到位實驗。
[0021]本發明介紹的方法以正常工況實驗、典型故障實驗下各振動事件發生的時間序列的集合組成時間序列特征庫，并由時間序列特征庫組成時間差分序列特征庫，將實際運行的斷路器分閘與合閘過程中的各振動事件的時間差分序列與時間差分序列特征庫進行比對確定故障類型，在確定了故障類型后，將實測的時間序列同時間序列特征庫中該故障類型的各個不同故障程度的時間序列比對確定故障程度。這種判斷方法比較直觀，解決了現有基于振動的斷路器診斷方法判據過于簡單，精確度低的問題，能夠對實時運行的斷路器機械狀態做出正確評估，發現故障早期征兆，防止故障發展，根據故障的發展程度在時間序列上呈現的規律性變化可以進一步推定斷路器實際運行中發生故障的程度，方便指導斷路器的維護工作。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022]圖1是彈簧機構和傳感器安裝位置圖；
[0023]圖2是軟件處理流程圖；
[0024]圖3是合閘振動事件的波形圖；
[0025]圖4是分閘振動事件的波形圖；
[0026]圖5是電極法原理圖；
[0027]圖6是電極安裝位置圖；[0028]圖7是電極法測量結果圖；
[0029]圖8是突變信號起始點提取算法提取起始點辦法流程圖；
[0030]圖9是實施例凸輪與主拐臂磙子間隙配合問題對比階梯圖；
[0031]圖10是實施例凸輪與主拐臂磙子間隙配合問題的差分序列圖；
[0032]圖11是故障定位與程度判別的流程圖。
【具體實施方式】
[0033]下面結合附圖對本發明做進一步詳細的說明。
[0034]如圖1所示，I為棘輪，2為合閘保持掣子，3為分閘鎖閂，4為電磁鐵，5為脫口件，6為支座，7為振動傳感器，8為主拐臂，9為凸輪，10為分閘保持掣子，11為電磁鐵，12為分閘鎖閂。按照圖1所示安裝振動傳感器，采集振動信號，對原振動信號進行小波去噪處理，處理掉實驗現場噪聲，然后對去噪后的波形進行希爾伯特變換、低通濾波等處理得到清晰的包絡譜線。合閘、分閘過程振動波形如圖3、4所示。
[0035]利用電極法確定分閘與合閘過程中的振動事件，電極法原理如圖5所示，I為同軸電纜輸出，2為金屬撞擊點，3為同軸電纜輸出。當金屬撞擊點接觸以后，電路導通，同軸電纜輸出電信號；電極安裝位置如圖6所示，I為棘輪，2為合閘保持掣子，3為電極。將電極按照圖6中所示的位置安裝，按照圖6中所示的位置安裝的電極測試結果如圖7所示，I為振動信號，2為電極信號。則按照圖6中電極的安裝位置可以確定:圖7中電極信號箭頭所指的振動事件代表合閘保持掣子與棘輪碰撞事件。按照這個方法更改電極的安裝位置重復進行試驗可以確定高壓斷路器的各個振動事件，如圖3、4所示:合閘過程，事件1-電磁鐵動鐵芯碰撞靜鐵芯，事件2-脫口件撞支座，事件3-合閘保持掣子撞擊合閘鎖閂，事件4、5、6_合閘保持掣子撞擊棘輪，事件7-分閘掣子與分閘止位銷相撞，事件8未知事件,9-分閘掣子與分閘止位銷歸位相撞。分閘過程，事件1-分閘電磁鐵動鐵芯撞擊靜鐵芯，事件2-合閘保持摯子撞擊分閘鎖R和防跳掣子與止位銷相撞。
[0036]將振動傳感器采集到的振動信號經過小波去噪法和包絡分析法處理后得到振動信號包絡圖，為了提取振動事件發生時刻，編寫突變信號起始點提取算法，批量處理數據，提高數據處理的速度與準確性。算法程序流程圖如圖8所示，突變信號起始點提取算法首先需設定參數a、b、c，其中a為單次計算振動的時間跨度點數，b為每次比較閾值，c為兩次計算間隔振動的時間跨度點數。參數的設定根據不同斷路器的振動信號情況做出相應調整，對于同一型號斷路器可以設定一次之后不做修改。該算法具體為:以參數a為計算范圍，找到范圍內的最大值和最小值，然后做出兩者之間的差值與參數b進行比較，如果大于參數b，且范圍a內的最小值所對應的時刻與上一個已確定的振動事件的發生時刻差值大于參數C，則將最小值對應的時刻作為一次振動事件的起始點，以此確定各個振動的起始點。重復上述方法找出典型故障實驗(電磁鐵動靜芯氣隙偏離正常值、電磁鐵動鐵芯與鎖閂間距偏離正常值、凸輪和主拐臂上磙子間距偏離正常值、電磁鐵卡塞、拐臂轉軸或鎖扣零部件軸銷摩擦過大、緩沖器頂端與緩沖拐臂之間的間隙縮短、合分閘彈簧裝配不當造成的合分閘不到位實驗)各個振動事件的起始時刻，并以時間階梯圖的方式繪制構造正常工況下與典型故障實驗工況下的時間序列特征庫，根據時間序列特征庫構造時間差分序列特征庫，時間差分序列特征庫階梯圖如圖10所示，具體構造方法為將時間序列中兩個相鄰的振動事件的發生時刻的差值繪制構造階梯圖。分閘過程與合閘過程特征庫分別由上述兩個特征庫構成:1、時間序列特征庫；2、時間差分序列特征庫。
[0037]以凸輪和主拐臂磙子間隙配合問題為例，繪制的時間階梯圖如圖9所示:橫軸為振動事件時序，即振動發生的時間順序，縱軸為振動事件發生時刻平均值，由圖9可得，不同間隙下，合閘操作中前四個振動事件在四種狀態下基本一致，故合閘振動事件I?4 (合閘電磁鐵動靜鐵芯碰撞、合閘脫扣件與支座碰撞、合閘保持掣子與合閘鎖閂碰撞和合閘保持掣子與棘輪碰撞)與主拐臂輸出連桿長度無關。合閘振動事件5和事件6在傳動機構不同狀態下呈現不同的狀態，差異性較大。而合閘振動事件7、8、9則隨著凸輪與主拐臂間距的增大而提前，規律性較強。這就是該故障的典型特征，圖9所示階梯圖可作為時間序列特征庫中的一組時間序列，時間序列特征庫包含多種故障情況下的多組時間序列。
[0038]通過提取實際運行中斷路器的時間序列計算出時間差分序列，并將時間差分序列與實驗得到的相應序列對比，即可實現故障定位。具體的故障定位方法如下:如圖10所示，橫軸坐標I?2之間線段表示凸輪和主拐臂磙子間隙不同距離時第二個振動事件與第一個振動事件發生時刻的差值，每條線段定義為一個時間差分序列，其中，標準距離Imm時的時間差分序列稱為一個標準時間差分序列，其他不同距離時的差分序列稱為不同故障程度下的時間差分序列，其他的時間差分序列依次類推，圖10所示的階梯圖作為時間差分序列特征庫中的一組時間差分序列，時間差分序列特征庫中包含多種故障情況下的多組時間差分序列。可以看出在間距不同時，第五個振動事件與第四個振動事件發生時刻的差值、第六個振動事件與第五個振動事件發生時刻的差值呈現出很大的差異，因此可以判斷:當凸輪與拐臂之間距離出現偏離時，第五個振動事件與第四個振動事件的發生時刻的差值必然與這兩個振動事件的標準時間差分序列相差很大，實際測量時，如果發現這種偏差，則可以判斷凸輪與拐臂之間的間距出現偏差。故障程度的判斷方法如下:如圖9所示，在凸輪與拐臂間距不同時，可以看出不同故障程度下第7至第9個時間序列出現規律性變化，將斷路器在實際運行時的時間序列中第7至第9個時間序列與圖9中第7至第9個時間序列相比，查看實際運行得到的7?9時間序列落入圖9中7?9哪兩個故障程度的時間序列之間，推斷出實際的故障程度。
[0039]部分故障的故障定位與程度判別的流程如圖11所示，首先提取時間序列特征庫中的時間序列，對時間序列進行分析計算得到時間差分序列；從第二與第一個振動事件的時間差分開始依次將實際運行的斷路器振動事件的時間差分與正常狀態時間差分序列對比判斷該振動事件發生時刻是否超前或滯后超過了允許范圍；如果超過允許范圍則繼續比較后續振動事件的時間差分序列進而確定后續振動事件與前一次振動事件之間的時間差是否超過允許范圍；如果后續的時間差分序列沒有超過允許范圍，則可以判定該振動事件后續的振動事件正常而僅僅該振動事件發生異常；然后將該振動事件的發生時刻同時間序列特征庫中該振動事件在不同程度故障時測得的發生時刻進行對比確定故障程度。
[0040]以上過程實例僅為本發明的一個實施過程，其描述較為具體和詳細，但是本領域技術人員應該理解，詳盡的說明只是為了幫助讀者更好的理解本發明精神，而不是對本發明保護范圍的限制，相反，任何基于本發明精神所做的任何改進或變形，都屬于本發明的保護范圍。
【權利要求】
1.一種基于振動信號分析的高壓斷路器機械故障診斷方法，其特征在于，包括如下步驟: 1)在正常工況實驗下測定斷路器分閘與合閘過程中各振動事件發生時刻的時間序列及時間差分序列，在典型故障實驗下測定斷路器分閘與合閘過程中各對應故障振動事件發生時刻的時間序列及時間差分序列，根據正常工況實驗與典型故障實驗得到的時間序列構造時間序列特征庫，根據正常工況實驗與典型故障實驗得到的時間差分序列構造時間差分序列特征庫； 2)測定實際運行的斷路器分閘與合閘過程中各振動事件發生時刻的時間序列，并由該步驟測得的時間序列確定時間差分序列； 3)將步驟2)確定的時間差分序列同時間差分序列特征庫進行比對確定故障類型； 4)將步驟2)中測定的時間序列同時間序列特征庫中所對應的典型故障實驗下的時間序列依次比對確定故障程度。
2.根據權利要求1所述的一種基于振動信號分析的高壓斷路器機械故障診斷方法，其特征在于，所述振動事件發生時刻按照突變信號起始點提取，提取方法為: 在一個預設的時間跨度a內計算最大值與最小值的差值，若差值大于預設的定值b，則記錄a內的最小值對應時刻； 將所述最小值對應時刻與已確定的前一振動事件的發生時刻作差，若大于預設定值C，則將所述的最小值對應時刻確定為一次振動事件的發生時刻。
3.根據權利要求1所述的一種基于振動信號分析的高壓斷路器機械故障診斷方法，其特征在于，所述振動事件發生時刻按照突變信號起始點提取，提取流程為: (1)根據斷路器振動信號情況設定參數a、b、c，其中a為單次計算振動的時間跨度點數，b為每次比較閾值，c為兩次計算間隔振動的時間跨度點數； (2)以參數a為計算范圍，計算i?i+a時刻內振動最大值與最小值之間的差值，其中i為計算時刻起點； (3)將差值與參數b比較，當差值大于b轉至第(4)步，當差值小于b則令i=i+l，轉至第(2)步； (4)計算范圍a內最小值對應時刻與上一個已確定的振動事件的發生時刻差值，當差值大于c，則將最小值對應時刻確定為一次振動事件的發生時刻，當差值小于C，令i=i+l，轉至第(2)步。
4.根據權利要求1所述的一種基于振動信號分析的高壓斷路器機械故障診斷方法，其特征在于，所述的典型故障實驗包括電磁鐵動靜芯氣隙偏離正常值、電磁鐵動鐵芯與鎖閂間距偏離正常值、凸輪和主拐臂上磙子間距偏離正常值、電磁鐵卡塞、拐臂轉軸或鎖扣零部件軸銷摩擦過大、緩沖器頂端與緩沖拐臂之間的間隙縮短、合分閘彈簧裝配不當造成的合分閘不到位實驗。
【文檔編號】G01M13/00GK103743554SQ201310269283
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2013年6月28日 優先權日:2013年6月28日
【發明者】唐誠, 關永剛, 楊志勇, 張友鵬, 郭煜敬, 張文鵬, 金光耀, 張高潮 申請人:國家電網公司, 河南平高電氣股份有限公司, 平高集團有限公司
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
