CN105510813A - 一种基于振动原理的换流变分接开关状态在线监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于振动原理的换流变分接开关状态在线监测系统，振动信号拾取模块监测换流变分接开关操作过程中的机械振动信号；数据采集与异常状态监测模块用于确定传感器频响范围和采集器的采集频率，提取分接开关正常和异常时的特征；常见故障诊断模块用于对常见故障的特征进行提取和诊断；放大滤波模块用于对拾取的振动信号进行滤波和放大。本发明将振动信号分析法引入到换流变分接开关的机械故障诊断中，利用振动加速度传感器，非介入性地监测换流变分接开关操作过程中的机械振动信号，获取传动机构的状态信息和工作模式，能够方便准确的在线监测换流变分接开关状态。

Description

一种基于振动原理的换流变分接开关状态在线监测系统

技术领域

本发明属于电气检测领域，尤其涉及一种基于振动原理的换流变分接开关状态在线监测系统。

背景技术

随着电力工业的迅速发展，电力设备容量和电力网络规模也在日益扩大，对供电质量提出了更高的要求和前所未有的挑战。因此，必须切实采取有效措施以提高电力系统的供电质量，保证电力设备与系统的安全、可靠、经济和稳定运行。基于在线监测与故障诊断技术的状态维修策略，具有良好的应用前景，是未来的主要发展趋势。

在直流输电工程中，换流变压器作为核心设备，是交直流输电系统中的换流、逆变两端接口的核心设备。它的投入和安全运行是工程取得发电效益的关键和重要保证，同时使工业供电和居民供电的系统电压保持稳定。分接开关作为换流变压器中唯一可进行机械动作的部件，依靠分接开关准确及时的动作，不仅可减少和避免电压的大幅度波动，而且可以强制分配负荷潮流，挖掘设备无功和有功出力，保证电力系统安全可靠运行，增加电网调度的灵活性。换流变分接开关的一次操作包含了一系列的动作事件，这些事件中，触头的碰撞，摩擦等都伴随有机械振动信号的产生。一般，这些振动信号可以使用体外传感的方式进行测试。当分接开关存在一些故障隐患时，由于触头动作而引起分接开关表面的振动信号与正常状态时相比会有所不同，因此测录这些动作过程的振动波形，并对其进行分析，与正常信号相比，就能有效地反映出换流变分接开关的运行工况。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于振动原理的换流变分接开关状态在线监测系统，旨在解决现有技术不能方便准确的在线监测换流变分接开关状态的问题。

本发明是这样实现的，一种基于振动原理的换流变分接开关状态在线监测系统包括振动信号拾取模块、数据采集与异常状态监测模块、常见故障诊断模块、放大滤波模块；

所述的基于振动原理的换流变分接开关状态在线监测系统包括：

振动信号拾取模块，采用振动加速度传感器，非介入性地监测换流变分接开关操作过程中的机械振动信号，获取传动机构的状态信息和工作模式；

放大滤波模块，与所述振动信号拾取模块连接，用于对所述振动信号拾取模块采集的振动信号进行滤波和放大；

数据采集与异常状态监测模块，与所述放大滤波模块连接，用于确定振动加速度传感器频响范围和采集器的采集频率，采用瞬态信号分析方法，分别提取分接开关正常和异常时的特征；

常见故障诊断模块，与所述数据采集与异常状态监测模块连接，用于对分接开关制动失效故障、异常电弧故障、紧固件松动故障、弹簧动能不足故障四种故障的特征进行提取提取和诊断。

进一步，所述振动加速度传感器设置有外壳，半导体激光器固定在封装外壳左下角，分光棱镜通过夹具置于封装外壳内左中部，分光棱镜的入射面与入射激光垂直，质量块通过上表面两侧的螺钉、预压弹簧与弹性材料块刚性连接，质量块上表面正中间用UV胶固定测量镜，参考镜通过上表面两侧的螺钉、预压弹簧与弹性材料块刚性连接，并置于封装外壳顶部正对测量镜位置，经分光棱镜产生的相互垂直的入射光分别入射到参考镜和测量镜，分节PSD1和分节PSD2置于封装外壳内右面壁中上位置，无振动时参考镜反射光斑入射到分节PSD2中点，测量镜反射光斑入射到PSD1中点，基座通过固定孔安装在设备外壳上。

进一步，所述弹性材料块由Co基形变强化型高弹性合金制成，为Co40NiCrMo合金；所述弹性材料块包括纵向波浪形弹性片材和横向波浪形弹性片材；

所述纵向波浪形弹性片材由至少1块纵向波浪形弹性片材分块码叠而成；横向波浪形弹性片材由至少1块横向波浪形弹性片材分块码叠而成；

所述预压弹簧在没有振动时维持弹性材料块的形变处于线性形变区域的中点。

进一步，所述放大滤波模块包括：输入端、放大电路、高通滤波电路、低通滤波电路和输出端；

所述输入端与所述振动信号拾取模块连接；

所述放大电路中设有三极管Q1，其基极连接输入端，集电极接直流电压端，发射极接地；

所述高通滤波电路中设有三极管Q2，其基极连接三极管Q1的集电极，集电极接直流电压端，发射极接地；

所述低通滤波电路中设有三极管Q3，其基极连接三极管Q2的发射极，集电极接直流电压，发射极接地，且发射极与所述输出端连接。

进一步，所述高通滤波电路中还包括：

串联的电容C4和电容C5，连接于三极管Q2的基极与三极管Q1的集电极之间；

电阻R8，连接于所述三极管Q2的基极和集电极之间；

电阻R7，一端连接三极管Q2的发射极，另一端通过电容C4连接三极管Q1的集电极；

所述低通滤波电路中还包括：

串联的电阻R10和电阻R11，连接于三极管Q2的发射极与三极管Q3的基极之间；

电容C7，一端接地，另一端连接三极管Q3的基极；

电容C6，一端连接三极管Q3的发射极，另一端通过电阻R10连接三极管Q2的发射极；

所述输入端还连接有直流偏置电路，所述直流偏置电路包括：

串联连接的电阻R2和电阻R3，连接于直流电压端与输入端之间；

电阻R1，一端接地，另一端通过电阻R2连接直流电压端；

电容C1，并联连接于所述电阻R1的两端；

所述放大电路中：

所述三极管Q1的基极与所述输入端之间连接有电容C2；

所述三极管Q1的基极与集电极之间连接有电阻R4；

所述三极管Q1的集电极通过并联连接的电阻R6和电容C3与所述直流电压端连接；

所述三极管Q1的发射极通过电阻R5接地；

所述三极管Q2的发射极通过电阻R9接地；

所述三极管Q3的发射极通过电阻R12接地，并且所述三极管Q3的发射极通过电容C8与所述输出端连接。

本发明将振动信号分析法引入到换流变分接开关的机械故障诊断中，利用振动加速度传感器，非介入性地监测换流变分接开关操作过程中的机械振动信号，获取传动机构的状态信息和工作模式，实现了换流变分接开关的状态监测技术以实现设备维修的合理化、规范化、科学化，能够方便准确的在线监测换流变分接开关状态；

本发明的放大滤波模块，通过放大电路将输入信号放大后，再通过高通滤波电路过滤掉高频噪声、低通滤波电路过滤掉低频噪声，在实现了放大滤波作用的同时，只使用了三个三极管Q1、Q2、Q3以及若干电阻、电容，在大规模生产时可以起到节省成本的作用；三极管Q2、Q3的信号输入连接基极，信号输出连接发射极，可以起到输入阻抗变化的作用，即输入阻抗高、输出阻抗低，从而克服低输入阻抗对信号的影响，增强电路对噪声的抑制。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于振动原理的换流变分接开关在线监测系统的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的震动声测试流程图；

图中：1、振动信号拾取模块；2、放大滤波模块；3、数据采集与异常状态监测模块；4、常见故障诊断模块；

图3是本发明实施例提供的放大滤波模块结构示意图。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。

结合图1和图2对本发明的结构和原理做说明：

下面结合图1对本发明的结构做详细的描述：

本发明的基于振动原理的换流变分接开关状态在线监测系统包括振动信号拾取模块1、数据采集与异常状态监测模块3、常见故障诊断模块4、放大滤波模块2；

所述的振动信号拾取模块1采用振动加速度传感器，非介入性地监测换流变分接开关操作过程中的机械振动信号，获取传动机构的状态信息和工作模式；

所述的数据采集与异常状态监测模块3用于确定振动加速度传感器频响范围和采集器的采集频率，采用瞬态信号分析方法，分别提取分接开关正常和异常时的特征；

所述的常见故障诊断模块4用于对分接开关制动失效故障、异常电弧故障、紧固件松动故障、弹簧动能不足故障四种故障的特征进行提取提取和诊断；

所述的放大滤波模块1用于对振动信号拾取模块采集的振动信号进行滤波和放大。

结合图2对本发明对换流变分接开关进行振动声测试的过程做说明：

首先设定需维护装置的参数、通过前后对比测试对维护或修理工作进行控制、确定故障起因、检测早期故障信号等。

在本发明的实施例中，所述振动加速度传感器设置有外壳，半导体激光器固定在封装外壳左下角，分光棱镜通过夹具置于封装外壳内左中部，分光棱镜的入射面与入射激光垂直，质量块通过上表面两侧的螺钉、预压弹簧与弹性材料块刚性连接，质量块上表面正中间用UV胶固定测量镜，参考镜通过上表面两侧的螺钉、预压弹簧与弹性材料块刚性连接，并置于封装外壳顶部正对测量镜位置，经分光棱镜产生的相互垂直的入射光分别入射到参考镜和测量镜，分节PSD1和分节PSD2置于封装外壳内右面壁中上位置，无振动时参考镜反射光斑入射到分节PSD2中点，测量镜反射光斑入射到PSD1中点，基座通过固定孔安装在设备外壳上。

进一步，所述弹性材料块由Co基形变强化型高弹性合金制成，为Co40NiCrMo合金；所述弹性材料块包括纵向波浪形弹性片材和横向波浪形弹性片材；

所述纵向波浪形弹性片材由至少1块纵向波浪形弹性片材分块码叠而成；横向波浪形弹性片材由至少1块横向波浪形弹性片材分块码叠而成；

所述预压弹簧在没有振动时维持弹性材料块的形变处于线性形变区域的中点。

如图3所示，本发明实施例的放大滤波模块主要包括：，包括：输入端Vin、放大电路104、高通滤波电路101、低通滤波电路102、直流电压端和输出端Vout。本实施例中，声音采集器件V1设置为驻极体话筒，该振动信号拾取模块1连接输入端Vin，以作为输入信号源。直流电压端设置为12V直流电压。

下面分别就放大电路104、高通滤波电路101、低通滤波电路102进行介绍。

输入端Vin，与所述振动信号拾取模块1连接；三极管Q1，其基极连接输入端，集电极接12V直流电压端，发射极接地(即图3中的GND_0端)。

本实施例中，为了实现三极管Q1的放大作用，放大电路104包括：

所述三极管Q1的基极与所述输入端Vin之间连接有电容C2；

所述三极管Q1的基极与集电极之间连接有电阻R4；

所述三极管Q1的集电极通过并联连接的电阻R6和电容C3与所述12V直流电压端连接；

所述三极管Q1的发射极通过电阻R5接地。

本实施例中，三极管Q1选择型号为Q2SC1815，电阻R4为4.7MΩ，电阻R5为33Ω，电阻R6为20kΩ，电容C3为2.2nF，电容C4为10nF。

其中，三极管Q1完成对振动信号拾取模块1采集到的振动信号放大120-150倍的作用。电容C2能初步滤除一些低频噪声。电容C3对高频部分信号放大倍数进行衰减。电阻R4可以提供负反馈和直流偏置作用。小电阻R5的加入，在牺牲一些放大倍数的情况下能提高电路的稳定性，稳定放大倍数和直流偏置点，电路的输入阻抗也得到提高。

振动信号拾取模块1作为一个信号源，其本身需要一个稳定的直流偏置电压。该电压一般为5V。该电压可以为单独提供，但是在本电路中已经存在12V直流电压的基础上，再增加5V直流电压，会造成电路元件的增加，进而增加成本。所以，在输入端还连接有直流偏置电路103，所述直流偏置电路103包括：

串联连接的电阻R2和电阻R3，连接于12V直流电压端与输入端之间；

电阻R1，其一端接地，另一端通过电阻R2连接12V直流电压端；

电容C1，并联连接于所述电阻R1的两端。

本实施例中，选择电阻R1为4.7kΩ、电阻R2为10kΩ、电阻R3为2.2kΩ、电容C1为10μF。其中，电阻R1、R2对12V的电源进行分压后的直流电压作为偏置电压。较大的电解电容C1为振动信号拾取模块1提供对地低阻抗的交流信号通路。电阻R3能在一定范围内调节音频灵敏度。电阻R1、R2取值适中，可使得通过电流不会太大，同时振动信号拾取模块1能有一个稳定的直流偏置点，使得直流偏置电压不会随偏置电流的差异波动而波动。

所述高通滤波电路101包括：

三极管Q2，其基极通过串联的电容C4和电容C5连接三极管Q1的集电极，其集电极接12V直流电压端，发射极接地，且三极管Q2的发射极通过电阻R9接地；

电阻R8，连接于所述三极管Q2的基极和集电极；

电阻R7，其一端连接三极管Q2的发射极，另一端通过电容C4连接三极管Q1的集电极。

其中，三极管Q2的信号输入连接基极，信号输出连接发射极，其可以起到射极跟随器的作用，即输入阻抗高、输出阻抗低。

在这里需要说明的是，高的输入阻抗，可以保证振动信号拾取模块1采集到的信号有效地传递；但是如果输入阻抗和输出阻抗均为高，则会使电路中无谓的能量消耗掉。所以，高的输入阻抗和低的输出阻抗是最有利于放大滤波电路的。

电容C4、C5，电阻R7、R8可以完成一个二阶高通滤波器的作用，能对300Hz以下噪声进行滤除。另外，电阻R8接到12V直流电压端，同时还能为三极管提供直流偏置电压，精简电路结构。电阻R7并非传统的接地，而是改接到Q2的发射极，从而可以使过渡带更为陡峭，实现更好的滤波效果。

本实施例中，选择二极管Q2的型号为Q2SC1815，电容C4为10nF、电容C5为820pF，电阻R7为33kΩ、电阻R8为2MΩ。

所述低通滤波电路102包括：

三极管Q3，其基极通过串联的电阻R10和电阻R11连接三极管Q2的发射极，集电极接12V直流电压，发射极接地，且发射极与所述输出端连接；

电容C7，其一端接地，另一端连接三极管Q3的基极；

电容C6，其一端连接三极管Q3的发射极，另一端通过电阻R10连接三极管Q2的发射极。

另外，所述三极管Q3的发射极通过电阻R12接地，且所述三极管Q3的发射极通过电容C8与所述输出端连接。输出端Vout通过电阻R13接地。

三极管Q3也是一个射极跟随器的接法，即输入阻抗高、输出阻抗低。关于射极跟随器的优点，上文已经介绍，此处便不再赘述。

该低通滤波电路102中，直流偏置电压直接由前级三极管Q2提供。

此处，电容C6、C7，电阻R10、R11主要完成一个二阶低通滤波的功能，能对3400Hz以上的信号进行滤除。电容C6连接到Q3的发射极，可以使低通滤波电路的过渡带较为陡峭，提供更好的低通滤波效果。

最后的输出级电容C8对直流电压进行滤除后，直接输入到音频输出端Vout。

本实施例中，选择二极管Q3的型号为Q2SC1815，电容C6为18nF、电容C7为680pF，电容C8为1μF，电阻R10为4.7kΩ、电阻R11为47kΩ、电阻R12为1kΩ，电阻R13为1kΩ。

由上可见，本发明的放大滤波电路，通过三极管Q1将输入信号放大后，再通过高通滤波电路过滤掉高频噪声、低通滤波电路过滤掉低频噪声，只使用了三个三极管Q1、Q2、Q3以及若干电阻、电容，便实现了对300-3400Hz之间的语音信号放大120倍左右的作用，并滤除该频段之外的干扰信号，在大规模生成时可以起到节省成本的作用；

不仅如此，三极管Q2、Q3的信号输入连接基极，信号输出连接发射极，可以起到输入阻抗变化的作用，即输入阻抗高、输出阻抗低，从而克服低输入阻抗对信号的影响，增强电路对噪声的抑制。

本实施例的电路，主要针对车载语音音频放大滤波电路，克服了一般的拾音器电路频谱响应较宽，容易受到低频噪声干扰。经试验，本放大滤波电路在-3db的通频带为293Hz-3.37kHz，100Hz阻带抑制比为-30db，10kHz时的阻带抑制比为-28db。

本发明将振动信号分析法引入到换流变分接开关的机械故障诊断中，利用振动加速度传感器，非介入性地监测换流变分接开关操作过程中的机械振动信号，获取传动机构的状态信息和工作模式，实现了换流变分接开关的状态监测技术以实现设备维修的合理化、规范化、科学化，能够方便准确的在线监测换流变分接开关状态。

以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (5)

1.一种基于振动原理的换流变分接开关状态在线监测系统，其特征在于，所述的基于振动原理的换流变分接开关状态在线监测系统包括：

振动信号拾取模块，采用振动加速度传感器，非介入性地监测换流变分接开关操作过程中的机械振动信号，获取传动机构的状态信息和工作模式；

放大滤波模块，与所述振动信号拾取模块连接，用于对所述振动信号拾取模块采集的振动信号进行滤波和放大；

数据采集与异常状态监测模块，与所述放大滤波模块连接，用于确定振动加速度传感器频响范围和采集器的采集频率，采用瞬态信号分析方法，分别提取分接开关正常和异常时的特征；

常见故障诊断模块，与所述数据采集与异常状态监测模块连接，用于对分接开关制动失效故障、异常电弧故障、紧固件松动故障、弹簧动能不足故障四种故障的特征进行提取提取和诊断。

2.如权利要求1所述的基于振动原理的换流变分接开关状态在线监测系统，其特征在于，所述振动加速度传感器设置有外壳，半导体激光器固定在封装外壳左下角，分光棱镜通过夹具置于封装外壳内左中部，分光棱镜的入射面与入射激光垂直，质量块通过上表面两侧的螺钉、预压弹簧与弹性材料块刚性连接，质量块上表面正中间用UV胶固定测量镜，参考镜通过上表面两侧的螺钉、预压弹簧与弹性材料块刚性连接，并置于封装外壳顶部正对测量镜位置，经分光棱镜产生的相互垂直的入射光分别入射到参考镜和测量镜，分节PSD1和分节PSD2置于封装外壳内右面壁中上位置，无振动时参考镜反射光斑入射到分节PSD2中点，测量镜反射光斑入射到PSD1中点，基座通过固定孔安装在设备外壳上。

3.如权利要求2所述的基于振动原理的换流变分接开关状态在线监测系统，其特征在于，所述弹性材料块由Co基形变强化型高弹性合金制成，为Co40NiCrMo合金；所述弹性材料块包括纵向波浪形弹性片材和横向波浪形弹性片材；

所述纵向波浪形弹性片材由至少1块纵向波浪形弹性片材分块码叠而成；横向波浪形弹性片材由至少1块横向波浪形弹性片材分块码叠而成；

所述预压弹簧在没有振动时维持弹性材料块的形变处于线性形变区域的中点。

4.如权利要求1所述的基于振动原理的换流变分接开关状态在线监测系统，其特征在于，所述放大滤波模块包括：输入端、放大电路、高通滤波电路、低通滤波电路和输出端；

所述输入端与所述振动信号拾取模块连接；

所述放大电路中设有三极管Q1，其基极连接输入端，集电极接直流电压端，发射极接地；

所述高通滤波电路中设有三极管Q2，其基极连接三极管Q1的集电极，集电极接直流电压端，发射极接地；

所述低通滤波电路中设有三极管Q3，其基极连接三极管Q2的发射极，集电极接直流电压，发射极接地，且发射极与所述输出端连接。

5.如权利要求4所述的基于振动原理的换流变分接开关状态在线监测系统，其特征在于，所述高通滤波电路中还包括：

串联的电容C4和电容C5，连接于三极管Q2的基极与三极管Q1的集电极之间；

电阻R8，连接于所述三极管Q2的基极和集电极之间；

电阻R7，一端连接三极管Q2的发射极，另一端通过电容C4连接三极管Q1的集电极；

所述低通滤波电路中还包括：

串联的电阻R10和电阻R11，连接于三极管Q2的发射极与三极管Q3的基极之间；

电容C7，一端接地，另一端连接三极管Q3的基极；

电容C6，一端连接三极管Q3的发射极，另一端通过电阻R10连接三极管Q2的发射极；

所述输入端还连接有直流偏置电路，所述直流偏置电路包括：

串联连接的电阻R2和电阻R3，连接于直流电压端与输入端之间；

电阻R1，一端接地，另一端通过电阻R2连接直流电压端；

电容C1，并联连接于所述电阻R1的两端；

所述放大电路中：

所述三极管Q1的基极与所述输入端之间连接有电容C2；

所述三极管Q1的基极与集电极之间连接有电阻R4；

所述三极管Q1的集电极通过并联连接的电阻R6和电容C3与所述直流电压端连接；

所述三极管Q1的发射极通过电阻R5接地；

所述三极管Q2的发射极通过电阻R9接地；

所述三极管Q3的发射极通过电阻R12接地，并且所述三极管Q3的发射极通过电容C8与所述输出端连接。