基于振动信号的高压断路器分闸特性参数在线检测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于振动信号的高压断路器分闸特性参数在线检测方法,本发明专利技术涉及一种高压断路器的检测方法。目前电力系统多采用定期检修时进行预防性试验的方法来了解断路器的特性参数，这种做法不仅费时费力，而且频繁地操作和过度地拆卸检修会降低断路器的动作可靠性，带来一定的负面影响。本发明专利技术采用加速度传感器，将加速度传感器分别安装在弹簧操作机构和断路器横梁上以采集两路振动信号，利用多路振动信号提取断路器分闸过程中运动时间参数，在测量精度和稳定性方面均取得了较好的效果，对于断路器特性参数的在线提取提供了一种新的思路。本技术方案解决了传统测量方法需离线测试、传感器安装繁琐的问题。

【技术实现步骤摘要】
基于振动信号的高压断路器分闸特性参数在线检测方法
本专利技术涉及一种高压断路器的检测方法，尤其涉及基于振动信号的高压断路器分闸特性参数在线检测方法。
技术介绍
作为电力系统中重要的保护与控制电器，高压断路器性能的可靠性关系到整个电网运行的安全与稳定，断路器特性参数作为表征断路器性能的重要指标，是电力部门日常工作的重要监测内容，相关研究逐渐成为研究热点。目前电力系统多采用定期检修时进行预防性试验的方法来了解断路器的特性参数，这种做法不仅费时费力，而且频繁地操作和过度地拆卸检修会降低断路器的动作可靠性，带来一定的负面影响。因此，急需提出一种能够在线监测断路器特性参数的方法，通过该方法总结发生故障时特性参数的变化规律，提前发现潜在故障，对提髙高压断路器的可靠性以及增强电力系统的安全性、可靠性和经济性具有十分重要的意义。对断路器触头状态、线圈电流和行程曲线展开分析可以获得分合闸时间等时间参数，许多学者对此展开分析。例如，安涛利用ADAMS建立了断路器操作机构的模型，通过仿真得到了合闸时间和行程曲线等特性参数；部分学者在实验室环境下，通过传感器以实验的形式获取了分合闸时间等特性参数；此外，徐玉涛开发了一套基于图像处理的机械特性参数检测系统，通过合闸线圈电流触发高速摄像机和电信号的同步采集，之后对其分析获得合闸时间和行程曲线。近些年来，部分学者对断路器的同期性展开研究，利用短时能量法从三相振动信号中提取时间差，取得了一定的效果。但是该方法对大的冲击振动提取效果较好，对于较小的冲击并不明显，具有一定的局限性。与此同时，尽管上述学者对于断路器时间参数的提取做了大量的研究工作，所提出的方法仍然存在不足，例如实验方式安装繁琐，测量困难；理论仿真和图像处理无法推广到在线检测，断路器时间参数的在线检测尚未得到有效解决。断路器振动信号本质上是由一系列的振动冲击形成的，采集到的振动信号包含了丰富的振动事件信息，大部分学者没有对振动信号的本质特征引起足够重视，而是将精力聚焦于通过构建时域类、频谱类以及熵集类指标作为特征向量，同时结合近年发展起来的相关模式识别算法，对断路器故障进行分类与诊断。鲜有学者根据这些信息研究如何从振动信号中提取时间参数。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题和提出的技术任务是对现有技术方案进行完善与改进，提供基于振动信号的高压断路器分闸特性参数在线检测方法，以在振动信号中提取时间参数的目的。为此，本专利技术采取以下技术方案。基于振动信号的高压断路器分闸特性参数在线检测方法，其特征在于包括以下步骤：1)信号采集设置采集时间，采样频率；加速度传感器分别安装在弹簧操作机构和断路器横梁上，实验采集两路振动信号，以获取断路器弹簧操作机构和动静触头的振动响应；通过高压开关动特性测试仪测量断路器的三相同期性和行程曲线两个参数；2)采集信号波形分析根据断路器弹簧操作机构工作原理，对比试验获得的断路器各项参数；由于同一个冲击在两路传感器位置引起的振动具有较强的一致性和时序性，通过对比振动大小辅助判断冲击发生的位置，确定断路器重要特性参数，包括：动触头开始运动时间t1；分闸时间t2；拉杆撞击油缓冲器时间t3；触头反弹幅值最大时间t4；t1时刻：电磁铁铁芯撞击脱扣装置，在弹簧操作机构上产生一个较小的振动信号，进而传递到机架的过程中，由于能量损耗，所以在横梁处产生微弱的振动；与此同时，分闸弹簧驱动传动机构和动触头开始运动，此时刻为t1，为动触头开始运动时间；t2时刻：分闸过程中，缓冲弹簧从挤压状态到完全释放，横梁处传感器先感应到较大的冲击振动；然后动触头继续运动，到t2时刻，动静触头分离，惯性冲击导致横梁产生一个较小的振动；t3时刻：拉杆撞击油缓冲器，巨大的惯性力在弹簧操作机构上引起较大的振动，紧接着缓冲弹簧被彻底压缩，在横梁上引起较大的振动；t4时刻：由于油缓冲器、缓冲弹簧和分闸弹簧的共同作用，动触头运动到最低位置后会出现振荡，缓慢恢复到平衡位置；振荡能量通过连杆传递到弹簧操作机构上，产生较小的振动，此时为t4时刻，为触头反弹幅值最大的点；3)振动信号去噪处理利用变分模态分解方法对信号进行分解，得到一系列有限带宽的模态分量IMFs；提取与原始信号波形变化匹配方差小的信号分量进行重构，达到去噪效果；4)振动事件特征提取采用短时能熵比进行时域分析，提取振动事件特征，计算重构信号的短时能熵比，增强振动事件的冲击特征；5)时间参数检测结果利用双门限法检测变位点，通过预先设定阈值，与信号的短时能熵比函数值相比较，当信号的短时能熵比函数值超过设定阈值时，则判断此时刻为变位点，获得断路器时间参数。本技方案采用变分模态分解方法对信号进行分解，选取与原始信号波形变化相一致的信号分量进行重构，降低了信号中噪声干扰的影响；运用双门限法检测变位点，通过阈值与信号的短时能熵比进行对比，对信号时域内关键时刻点的参数进行检测，得到断路器分闸过程中时间参数。作为优选技术手段：在步骤1)中，设置采集时间为250ms，采样频率设置为100K。作为优选技术手段：在步骤4)振动事件特征提取中，对横梁振动信号处理时，先对重构信号进行加窗分帧处理，分成若干个相等的帧，窗函数采用汉明窗，窗长为90个点。作为优选技术手段：在步骤5)中，提取弹簧操作机构振动信号的3个变位点与横梁振动信号的1个变位点，利用弹簧操作机构振动信号和横梁振动信号的四个变位点换算成对应的时间，完成断路器分闸过程中的特性参数检测。作为优选技术手段：还包括：步骤5)将检测出的时间参数与传统的基于动触头行程曲线提取的时间参数进行对比，判断相对误差是否大于设定值，若是，则认为前序操作准确。作为优选技术手段：在步骤3)中，变分模态的分解过程即变分问题的求解过程，包括变分问题的构造和求解，其中变分问题构造包括步骤:301)通过Hilbert变换，得到每个模态函数uk(t)的解析信号，目的是得到其单边频谱；302)对各模态解析信号混合一预估中心频率将每个模态的频谱调制到相应的基频带；303)计算以上解调信号梯度的平方L2范数，估计出各模态信号带宽，受约束的变分问题如下:式中{uk}＝{u1,...,uk}为分解得到的K个模态分量，{ωk}＝{ω1,...,ωk}为各模态分量的中心频率。为求取上述变分问题，引入二次惩罚因子α和拉格朗日乘法算子λ(t)，将约束性变分问题变为非约束性变分问题，其中二次惩罚因子可在高斯噪声存在的情况下保证信号的重构精度，拉格朗日算子使得约束条件保持严格性，扩展的拉格朗日表达式如下：VMD中采用了乘法算子交替方向法ADMM(alternatedirectionmethodofmultipliers)解决以上变分问题，通过交替更新和λn+1寻求扩展拉格朗日表达式的‘鞍点’，即式(1)中约束变分模型的最优解，其中解得模态分量uk及中心频率ωk分别为变分问题求解包括步骤:304)初始化305)根据式(3)和式(4)更新uk和ωk；306)更新λ:307)对于给定的判别精度e≥0，若满足则停止迭代，否则返回步骤305)。作为优选技术手段：在步骤3)中，采用波形变化匹配方差S2为评价指标，利用波形的变化规律是否一致表示各阶成分分量与原始信号的匹配程度，波形变化匹配方差越小代表各阶成分分量与原始信号波形本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于振动信号的高压断路器分闸特性参数在线检测方法，其特征在于包括以下步骤：1)信号采集设置采集时间，采样频率；加速度传感器分别安装在弹簧操作机构和断路器横梁上，加速度传感器采集两路振动信号，以获取断路器弹簧操作机构和动静触头的振动响应；通过高压开关动特性测试仪测量断路器的三相同期性和行程曲线两个参数；2)采集信号波形分析根据断路器弹簧操作机构工作原理，对比试验获得的断路器各项参数；由于同一个冲击在两路传感器位置引起的振动具有较强的一致性和时序性，通过对比振动大小辅助判断冲击发生的位置，确定断路器重要特性参数，包括：动触头开始运动时间t1；分闸时间t2；拉杆撞击油缓冲器时间t3；触头反弹幅值最大时间t4；t1时刻：电磁铁铁芯撞击脱扣装置，在弹簧操作机构上产生一个较小的振动信号，进而传递到机架的过程中，由于能量损耗，所以在横梁处产生微弱的振动；与此同时，分闸弹簧驱动传动机构和动触头开始运动，此时刻为t1，为动触头开始运动时间；t2时刻：分闸过程中，缓冲弹簧从挤压状态到完全释放，横梁处传感器先感应到较大的冲击振动；然后动触头继续运动，到t2时刻，动静触头分离，惯性冲击导致横梁产生一个较小的振动；t3时刻：拉杆撞击油缓冲器，巨大的惯性力在弹簧操作机构上引起较大的振动，紧接着缓冲弹簧被彻底压缩，在横梁上引起较大的振动；t4时刻：由于油缓冲器、缓冲弹簧和分闸弹簧的共同作用，动触头运动到最低位置后会出现振荡，缓慢恢复到平衡位置；振荡能量通过连杆传递到弹簧操作机构上，产生较小的振动，此时为t4时刻，为触头反弹幅值最大的点；3)振动信号去噪处理利用变分模态分解方法对信号进行分解，得到一系列有限带宽的模态分量IMFs；提取与原始信号波形变化匹配方差小的信号分量进行重构，实现去噪；4)振动事件特征提取采用短时能熵比进行时域分析，提取振动事件特征，通过计算重构信号的短时能熵比，增强振动事件的冲击特征；5)时间参数检测结果利用双门限法检测变位点，通过预先设定阈值，与信号的短时能熵比函数值相比较，当信号的短时能熵比函数值超过设定阈值时，则判断此时刻为变位点；获得断路器时间参数。...

【技术特征摘要】
1.基于振动信号的高压断路器分闸特性参数在线检测方法，其特征在于包括以下步骤：1)信号采集设置采集时间，采样频率；加速度传感器分别安装在弹簧操作机构和断路器横梁上，加速度传感器采集两路振动信号，以获取断路器弹簧操作机构和动静触头的振动响应；通过高压开关动特性测试仪测量断路器的三相同期性和行程曲线两个参数；2)采集信号波形分析根据断路器弹簧操作机构工作原理，对比试验获得的断路器各项参数；由于同一个冲击在两路传感器位置引起的振动具有较强的一致性和时序性，通过对比振动大小辅助判断冲击发生的位置，确定断路器重要特性参数，包括：动触头开始运动时间t1；分闸时间t2；拉杆撞击油缓冲器时间t3；触头反弹幅值最大时间t4；t1时刻：电磁铁铁芯撞击脱扣装置，在弹簧操作机构上产生一个较小的振动信号，进而传递到机架的过程中，由于能量损耗，所以在横梁处产生微弱的振动；与此同时，分闸弹簧驱动传动机构和动触头开始运动，此时刻为t1，为动触头开始运动时间；t2时刻：分闸过程中，缓冲弹簧从挤压状态到完全释放，横梁处传感器先感应到较大的冲击振动；然后动触头继续运动，到t2时刻，动静触头分离，惯性冲击导致横梁产生一个较小的振动；t3时刻：拉杆撞击油缓冲器，巨大的惯性力在弹簧操作机构上引起较大的振动，紧接着缓冲弹簧被彻底压缩，在横梁上引起较大的振动；t4时刻：由于油缓冲器、缓冲弹簧和分闸弹簧的共同作用，动触头运动到最低位置后会出现振荡，缓慢恢复到平衡位置；振荡能量通过连杆传递到弹簧操作机构上，产生较小的振动，此时为t4时刻，为触头反弹幅值最大的点；3)振动信号去噪处理利用变分模态分解方法对信号进行分解，得到一系列有限带宽的模态分量IMFs；提取与原始信号波形变化匹配方差小的信号分量进行重构，实现去噪；4)振动事件特征提取采用短时能熵比进行时域分析，提取振动事件特征，通过计算重构信号的短时能熵比，增强振动事件的冲击特征；5)时间参数检测结果利用双门限法检测变位点，通过预先设定阈值，与信号的短时能熵比函数值相比较，当信号的短时能熵比函数值超过设定阈值时，则判断此时刻为变位点；获得断路器时间参数。2.根据权利要求1所述的基于振动信号的高压断路器分闸特性参数在线检测方法，其特征在于：在步骤1)中，设置采集时间为250ms，采样频率设置为100K。3.根据权利要求2所述的基于振动信号的高压断路器分闸特性参数在线检测方法，其特征在于：在步骤4)振动事件特征提取中，对横梁振动信号处理时，先对重构信号进行加窗分帧处理，分成若干个相等的帧...

【专利技术属性】
技术研发人员：周国伟，董建新，杨松伟，徐华，周建平，郦于杰，陈欣，刘江明，陈晓锦，汪全虎，刘德，邓华，戴鹏飞，李文燕，艾云飞，刘昌标，张翾哲，万书亭，豆龙江，张燕珂，
申请(专利权)人：国网浙江省电力有限公司检修分公司，国网浙江省电力有限公司，华北电力大学保定，
类型：发明
国别省市：浙江,33