CN105651503A - 一种基于加速度变量监测的断路器机械故障诊断方法 - Google Patents

Abstract

一种基于加速度变量监测的断路器机械故障诊断方法，包括：步骤一：检测获取断路器动触头的运动加速度；步骤二：对加速度信号进行滤波消噪；步骤三：一级评估——急动度评估：对急动度即加速度变化的快慢进行监测，当急动度超过设定阈值时，启动加速度变化量评估；步骤四：二级评估——加速度变化量评估：以急动度超过设定阈值的时刻为起点，对一定时间内的加速度变化量与预先设定的阈值比较，决定是否诊断为机械故障。本发明通过测量断路器动触头的运动加速度，对断路器运动特性进行直接的瞬态监测；并通过急动度和加速度变化量进行二级递进评估对故障进行快速识别，提高对于机械故障诊断的快速性和瞬态识别效率的效果。

Description

一种基于加速度变量监测的断路器机械故障诊断方法

技术领域

本发明涉及一种电力系统断路器机械故障诊断方法，尤其是一种基于加速度变量监测的断路器机械故障诊断方法。

背景技术

断路器作为保护电力系统的重要设备，它的可靠性与稳定性对电网安全具有重要意义。因断路器机械部分零部件多，加之机械部位动作频繁，造成故障概率很大。

断路器运动特性主要包括操动机构、传动机构等机械部件和控制及电源回路等方面，掌握其运行状态是实现断路器故障诊断的基础，对断路器的运动特性状态评估方法的研究具有重要的理论和工程意义。

现有技术中，对于高压断路器机械故障的诊断中，监测的参数主要有：分合闸线圈电流、触头行程、整机振动等信号；相应的故障诊断方法有：行程-时间分析法、分合闸线圈电流分析法、振动信号分析法等。上述诊断方法至少存在以下技术问题：

(1)行程-时间分析法：通常通过计算分闸、合闸过程中间80％行程的平均速度来评估故障情况，应用简单，但由于采用了简单的算术平均，而不是对于断路器运动特性瞬态变化进行监测，对于某一行程点上出现的卡涩等故障表现不敏感，而且大行程范围的平均速度不能准确反映具体某段行程上机械故障的严重程度，容易漏判故障。

(2)分合闸线圈电流分析法：线圈电流波形分析法目前还存在分合闸线圈电流波形测量结果欠精确、只能在停电例行试验中同步进行而不能实时监测等问题，有待于后续进一步试验和研究。目前该方法只能作为判断断路器机械缺陷的一个参考，要准确判断断路器是否存在缺陷和其缺陷类型还需根据各种试验数据综合判断。

(3)振动信号分析法：断路器操作过程中由于零部件的碰撞或摩擦产生机械振动，这些机械振动经过断路器零部件组成的传播路径后传到振动传感器的位置，使得测到的信号与振源信号之间存在差别；此外振动信号在实际测量中存在反射，使测得的振动信号在时间上发生混叠，影响判断；还有就是振动信号为瞬变、非周期信号，实践证明振动信号特征事件起始时间点和幅值的分散性较大，可重复性较差；振动模式识别的经典算法如小波变换算法等耗时较多，影响机械故障诊断时效。

综上所述，现有技术方案对于断路器运动特性并没有进行直接的瞬态监测，存在难以实现对于机械故障的瞬态评估和快速诊断识别的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，就是提供一种基于加速度变量监测的断路器机械故障诊断方法，采用本发明的方法进行基于加速度变量监测的断路器机械故障诊断，可对断路器运动特性进行直接监测，大大提高断路器机械故障诊断的快速和瞬态识别效率。

解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种基于加速度变量监测的断路器机械故障诊断方法，其特征是包括如下步骤：

步骤一：检测获取断路器动触头的运动加速度；

步骤二：对加速度信号进行滤波消噪；

步骤三：一级评估——急动度评估：对急动度即加速度变化的快慢进行监测，当急动度超过设定阈值时，启动加速度变化量评估；

步骤四：二级评估——加速度变化量评估：以急动度超过设定阈值的时刻为起点，对一定时间内的加速度变化量与预先设定的阈值比较，决定是否诊断为机械故障。

所述的步骤一的加速度传感器具有动态响应能力并安装在断路器动触头的绝缘拉杆上。

所述的步骤二通过抗混叠滤波器对进行滤波消噪。

所述的步骤三具体为：设加速度信号采样周期为Δt，取前n个加速度信号采样周期(譬如n＝5)内的加速度变化量平均值为基准值，急动度的高低限阈值设为基准值的双向偏差

所述的步骤四具体为：以急动度超过设定阈值后的n个加速度信号采样周期(譬如n＝5)内的加速度变化量平均值进行计算，与预先设定的阈值比较；

优选的，可以取急动度超限前n个加速度信号采样周期(譬如n＝5)内的加速度变化量平均值为基准值，设定加速度变化量的阈值为基准值的±20％偏差；当加速度变化量超限时，可判定为出现了较为严重的机械故障。

有益效果：与现有技术相比，本发明有如下优点：

本发明通过测量断路器动触头的运动加速度，对断路器运动特性进行直接的瞬态监测；并通过急动度和加速度变化量进行二级递进评估对故障进行快速识别，提高对于机械故障诊断的快速性和瞬态识别效率的效果。

附图说明

图1为本发明实施例的流程图；

图2a为断路器的合闸和分闸过程的运动参数示意图之一(行程-时间曲线)；

图2b为断路器的合闸和分闸过程的运动参数示意图之一(速度-时间曲线)；

图2c为断路器的合闸和分闸过程的运动参数示意图之一(加速度-时间曲线)；

图2d为断路器的合闸和分闸过程的运动参数示意图之一(急动度-时间曲线)；

图3a为断路器合闸过程中间行程机械卡涩故障的诊断评估分析示意图之一(加速度)；

图3b为断路器合闸过程中间行程机械卡涩故障的诊断评估分析示意图之一(急动度)；

图4a为断路器分闸过程中间行程绝缘拉杆断裂故障的诊断评估分析示意图之一(加速度)；

图4b为断路器分闸过程中间行程绝缘拉杆断裂故障的诊断评估分析示意图之二(急动度)。

具体实施方式

下面结合附图用实施例对本发明作进一步说明。

本发明的基于加速度变量监测的断路器机械故障诊断方法的实施例，参考图1，包括如下步骤：

步骤S101：检测获取断路器动触头的运动加速度

优选地，可以通过在断路器动触头的绝缘拉杆上加装具有动态响应能力的加速度传感器来测取断路器动触头的运动加速度。

步骤S102：对加速度信号进行滤波消噪

优选地，为了消除断路器工作现场的电磁干扰等杂波对于加速度信号的影响，可以通过抗混叠滤波器对进行信号处理。

步骤S103：一级评估——急动度评估：对急动度即加速度变化的快慢进行监测，当急动度超过设定阈值时，启动步骤S104加速度变化量评估。

从动力学理论分析可知，由于断路器动触头及其绝缘拉杆等部件的运动形式为基本无附加转动的刚体平行移动，在进行动力学分析中可简化为集中质点的直线运动来进行分析。

如图2a、图2b、图2c和图2d所示，断路器的合闸和分闸过程，均为先加速后减速的变加速运动。

根据牛顿第二定律，当物体受到不为零的恒定合外力时，其受力与运动的关系为：

F＝F_驱-F_阻＝ma

式中，F是断路器运动质量所受的合外力，m是断路器运动质量，a是运动加速度，F_驱是驱动力，F_阻是阻尼力。

根据经典动力学分析，断路器的运动加速度与驱动力、和阻尼力的合力大小成正比，与运动质量成反比，其受力状态和运动质量的瞬态变化会直接反映到加速度的变化上面。

对于断路器而言，合闸和分闸过程中驱动力一般不会发生突变，若合力发生突变则主要反映的是阻尼力或运动质量的突变，这可以通过加速度变化的快慢进行监测。

急动度又称加加速度，是描述加速度变化快慢的物理量。

瞬时急动度的定义为:

$J\left(t\right)=\frac{da}{dt}\≈\frac{a\left(t\right)-a(t-\mathrm{\Δ}t)}{\mathrm{\Δ}t};$

式中，a(t)为时刻t时刻的瞬时加速度，△t为加速度信号采样周期，

急动度指标反映了受力变化的平滑程度，急动度的值越接近零，表明受力变化越平滑，受力状态的稳定性越好。因此，通过监测急动度的变化，可掌握断路器动触头运动过程瞬态合外力变化的快慢，可更清楚的识别它的运动特性。

当急动度超过设定阈值时，可初步预判为存在疑似故障，启动步骤S104加速度变化量评估。优选的，可以取前n个加速度信号采样周期(譬如n＝5)内的加速度变化量平均值为基准值，急动度的高低限阈值设为基准值的双向偏差

步骤S104：二级评估——加速度变化量评估：以急动度超过设定阈值的时刻为起点，对一定时间内的加速度变化量与预先设定的阈值比较，决定是否诊断为机械故障。

为避免加速度信号的杂波干扰造成误判，同时为了评估故障的严重程度，进行二级评估——加速度变化量评估：以急动度超过设定阈值后的n个加速度信号采样周期(譬如n＝5)内的加速度变化量平均值进行计算，与预先设定的阈值比较。优选的，可以取急动度超限前n个加速度信号采样周期(譬如n＝5)内的加速度变化量平均值为基准值，设定加速度变化量的阈值为基准值的±20％偏差。当加速度变化量超限时，可判定为出现了较为严重的机械故障。

参考图3a和图3b，以典型机械故障之一的机械卡涩对步骤S103和S104的实施过程进一步说明：在断路器合闸过程中间行程的某一时刻t，瞬时驱动力和惯性力基本不变，此时由于突然遭受到机械卡涩阻力，加速度发生衰减突变，瞬时急动度的数值为负值，在步骤S103中，当急动度的数值超过低限阈值，则可初步判定存在动力衰减，进入步骤S104。步骤S104中，当一定时间内的加速度变化量的超过加速度变化量的低限阈值时，可判断为出现了较为严重的动力异常衰减机械故障。

参考图4a和图4b，以典型机械故障之一的绝缘拉杆断裂对步骤S103和S104的实施过程进一步说明：在断路器分闸过程中间行程的某一时刻t，瞬时驱动力和阻尼力基本不变，断路器受到的瞬时合力也基本不变，此时由于绝缘拉杆突发断裂，运动质量突然减少，加速度发生激励突变，瞬时急动度的数值为正值，在步骤S103中，当急动度的数值超过高限阈值，则可初步判定存在质量异常，进入步骤S104。步骤S104中，当一定时间内的加速度变化量的超过加速度变化量的高限阈值时，可判断为出现了较为严重的质量异常机械故障。

本发明至少具有以下有益效果：

本发明通过对断路器运动加速度进行测量，并通过急动度和加速度变化量进行二级递进评估，能够实现对断路器运动特性进行直接监测，提高对于机械故障诊断的快速性和瞬态识别效率。

Claims (5)

1.一种基于加速度变量监测的断路器机械故障诊断方法，其特征是包括如下步骤：

步骤一：检测获取断路器动触头的运动加速度；

步骤二：对加速度信号进行滤波消噪；

步骤三：一级评估——急动度评估：对急动度即加速度变化的快慢进行监测，当急动度高低超过设定高低限阈值时，启动加速度变化量评估；

步骤四：二级评估——加速度变化量评估：以急动度超过设定阈值的时刻为起点，对一定时间内的加速度变化量与预先设定的加速度变化量阈值比较，决定是否诊断为机械故障。

2.根据权利要求1所述的基于加速度变量监测的断路器机械故障诊断方法，其特征是：所述的步骤三具体为：设加速度信号采样周期为Δt，取前n个加速度信号采样周期内的加速度变化量平均值为基准值，急动度的高低限阈值设为基准值的双向偏差

3.根据权利要求1所述的基于加速度变量监测的断路器机械故障诊断方法，其特征是：所述的步骤四具体为：以急动度超过设定阈值后的n个加速度信号采样周期内的平均值作为加速度变化量；

取急动度超限前n个加速度信号采样周期内的加速度变化量平均值为基准值，设定加速度变化量阈值为基准值的±20％偏差；

当加速度变化量超限时，判定为出现了较为严重的机械故障。

4.根据权利要求1所述的基于加速度变量监测的断路器机械故障诊断方法，其特征是：所述的步骤一的加速度传感器为具有动态响应能力的传感器并安装在断路器动触头的绝缘拉杆上。

5.根据权利要求1所述的基于加速度变量监测的断路器机械故障诊断方法，其特征是：所述的步骤二通过抗混叠滤波器对进行滤波消噪。