CN108414075A - 一种高压断路器紧固螺栓松动检测装置及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种高压断路器紧固螺栓松动检测装置及检测方法，属于电力系统故障检测领域。包括布设在高压断路器上待监测的紧固螺栓上的振动加速度传感器，还包括与所述振动加速度传感器的输出端相连的信号采集模块，信号采集模块的输出端连接至信号处理模块。由于传感器体积小、重量轻，相较于其他智能检测手段，可以不受断路器内部空间狭小缺陷的限制，保证设备的安全可靠运行。该方法利用断路器分合闸过程中剧烈振动激励，使用振动加速度传感器采集目标螺栓附近的振动信号，通过对振动信号进行敏感振动波形提取、小波降噪处理、盲源分离及小波包能量熵分析，对照建立的螺栓松动检测数据库，从而判断出高压断路器紧固螺栓是否发生松动缺陷。
Description
技术领域
本发明属于电力系统故障检测领域，具体涉及一种高压断路器紧固螺栓松动检测装置及检测方法。
背景技术
高压断路器是电力系统中重要的组成部分，具有控制和保护的作用。当电力系统发生故障时，要求高压断路器能够迅速而准确地切断故障电流，防止事故进一步扩大，从而保证系统的安全运行。因此，目前对高压断路器运行的可靠性要求越来越高，而相关统计表明，机械故障是高压断路器的主要故障形式。
螺栓连接由于具有结构简单、装配方便等优点，在工程实践中被广泛应用于各个领域。在振动的条件下，螺栓连接的自松动现象时有发生，轻则影响连接结构的稳定，重则会引发严重的安全事故。高压断路器中广泛使用螺栓紧固件，而断路器在分合闸过程中会产生剧烈的振动。因此，在安全检修中经常发现断路器紧固螺栓松动的缺陷，甚至对高压断路器的正常操作产生影响。
从高压断路器分合闸过程产生的振动加速度波形可以看出，分合闸过程包括多个振源。对于某一确定型号的高压断路器而言，其各个振动事件发生的先后顺序基本不变，因此基于振动信号的紧固螺栓状态检测方法对同一类型的高压断路器具有通用性。然而，加速度传感器采集到的振动信号可能是多个振源的振动波的叠加，这时采集到的振动波形为多个振源的共同作用，不利于对振动信号的分析与处理。
目前，人工巡检是紧固件检测的常规方法。然而，在高压断路器中螺栓使用众多，并且很多螺栓连接所处位置不便于手工检测，因此，人工巡检费时费力。高压断路器内部结构紧凑，空间狭小，使得一些智能检测手段(如图像分析技术)无法使用。因此，亟需发展一种新的方法来实现对高压断路器紧固螺栓松动缺陷的检测。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种高压断路器紧固螺栓松动检测装置及检测方法，该装置结构设计合理，使用简单，能够有效检测出螺栓松动缺陷，保证设备可靠运行；该方法能够实现高压断路器紧固螺栓状态的在线监测，省时省力，节约人工。
本发明是通过以下技术方案来实现：
本发明公开了一种高压断路器紧固螺栓松动检测装置，包括布设在高压断路器上待监测的紧固螺栓上的振动加速度传感器，还包括与所述振动加速度传感器的输出端相连的信号采集模块，信号采集模块的输出端连接至信号处理模块。
优选地，振动加速度传感器采用压电式振动加速度传感器。
优选地，振动加速度传感器根据待监测的紧固螺栓附近的振源数目设计，若目标紧固螺栓附近仅存在一个振源，则在靠近目标紧固螺栓布置一个振动加速度传感器；若目标紧固螺栓附近存在多个振源，则在靠近目标紧固螺栓布置多个传感器，且要求振动加速度传感器的数目不少于振源数目。
进一步优选地，当布置多个振动加速度传感器时，数目至少为3个。
优选地，信号采集模块包括信号调理模块和AD采集卡，信号调理模块的输入端与振动加速度传感器的输出端相连，输出端与AD采集卡的输入端相连，AD采集卡的输出端连接至信号处理模块。
进一步优选地，AD采集卡为多通道数据采集卡，采用ISA总线插槽形式，各通道并行采样。
优选地，振动加速度传感器、信号采集模块及信号处理模块通过屏蔽传输线依次相连。
本发明还公开了基于上述的高压断路器紧固螺栓松动检测装置的检测方法，包括以下步骤：
1)将振动加速度传感器布置在高压断路器待监测的目标紧固螺栓附近；
2)通过信号采集模块采集在断路器分合闸过程中各个振动加速度传感器的振动信号；
3)将振动信号输送到信号处理模块分析处理，经处理后对比螺栓松动检测数据库，进行螺栓松紧状态诊断；
4)显示高压断路器紧固螺栓状态诊断结果。
优选地，步骤3)中，具体操作包括以下步骤：
步骤1：根据振动加速度传感器所处位置，提取振动信号中的敏感振动事件信号，即振动加速度传感器附近的振源所激励的振动波形；
步骤2：对敏感振动事件信号进行小波软阈值降噪处理；
步骤3：判断目标紧固螺栓附近是否为单振源，若是，直接跳至步骤4处理；若不是，则目标紧固螺栓对应的振动加速度传感器提取到的敏感振动事件信号是由多个振源共同激励产生，采用独立分量分析对多元信号进行盲源分离，提取出相互独立的单个振源信号；
步骤4：针对不同位置的振动加速度传感器，采用小波包能量熵法对提取到的敏感振动事件信号进行处理，得到敏感频段总能量；
步骤5：对照螺栓松动检测数据库，判断该振动加速度传感器采集到的信号的敏感频段总能量是否超过相应的阈值，从而确定螺栓松紧状态。
优选地，所述螺栓松动检测数据库按照以下步骤建立：
Step1：分别对目标紧固螺栓施加额定力矩、3/4额定力矩、1/2额定力矩、0力矩；
Step2：在高压断路器分合闸过程中，采集上述四种状态下目标紧固螺栓附近的振动加速度传感器得到的振动信号；
Step3：采用信号处理模块对得到的振动信号进行处理，确定该目标紧固螺栓振动信号的敏感频段，并记录四种不同状态下分别对应的总能量阈值；
Step4：针对同一型号的高压断路器，采集各个目标紧固螺栓振动信号的敏感频段和能量阈值，建立得到该型号高压断路器的螺栓松动检测数据库。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开的高压断路器紧固螺栓松动检测装置，包括布设在高压断路器待检测紧固螺栓附近的多个振动加速度传感器，以及信号采集模块和信号处理模块。由于加速度传感器体积小、重量轻，相较于其他智能检测手段，可以不受断路器内部空间狭小缺陷的限制，准确度高，能够有效地检测出螺栓松动缺陷，保证设备的安全可靠运行。
本发明公开的检测方法利用断路器分合闸过程中剧烈的振动激励，使用振动加速度传感器采集目标紧固螺栓附近的振动信号，通过对振动信号进行敏感振动波形提取、小波降噪处理、盲源分离及小波包能量熵分析，对照所建立的螺栓松动检测数据库，从而判断出高压断路器紧固螺栓是否发生了松动缺陷。本发明方法能够实现高压断路器紧固螺栓状态的在线监测，避免了人工检测的费时费力。
附图说明
图1为本发明提出的高压断路器紧固螺栓松动检测装置示意图；
图中：高压断路器1，振动加速度传感器2，信号采集模块3，信号处理模块4，信号调理模块5，AD采集卡6，屏蔽传输线7，绝缘筒紧固螺栓8。
图2为本发明提出的高压断路器紧固螺栓松动检测方法的流程框图；
图3为本发明中高压断路器合闸过程中加速度传感器采集到的振动加速度曲线；
图4为本发明中高压断路器合闸过程中两种典型的振动事件波形图；
图5为本发明提出的采用独立分量分析方法对断路器振动混合信号进行分解的波形图；其中，(a)为混合信号，(b)为解混信号；
图6为本发明中高压断路器紧固螺栓的小波包能量谱图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明提出的一种高压断路器紧固螺栓松动检测装置，其装置结构示意图如图1所示，包括高压断路器1、振动加速度传感器2、信号采集模块3和信号处理模块4。其中，信号采集模块3包括信号调理模块5和AD采集卡6，并通过屏蔽传输线7连接到信号处理模块4。
在高压断路器1的绝缘筒紧固螺栓8附近布设振动加速度传感器2。
优选地，所述的加速度传感器2为压电式振动加速度传感器，具有较宽的频响范围，并且数量不少于三个，以实现多振动传感器联合诊断，能够将采集到的振动加速度信号传输到AD采集卡6中。
优选地，所述的AD采集卡6为多通道数据采集卡，ISA总线插槽形式，各通道并行采样。
优选地，所述的信号处理模块4主要包括具有螺栓状态诊断功能的上位机，并输出状态诊断结果。
本发明公开的基于上述高压断路器紧固螺栓松动检测装置的检测方法，其流程框图如图2所示，具体包括以下步骤：
步骤1：将振动加速度传感器2布置在待监测的目标紧固螺栓附近；
步骤2：采集在高压断路器1分合闸过程中各个振动加速度传感器2的振动信号；图3所示为某次合闸过程加速度传感器采集到的振动加速度信号；
步骤3：将采集到的振动信号输送到信号处理模块4，对比螺栓松动检测数据库，进行螺栓松紧状态诊断；
步骤4：显示高压断路器1紧固螺栓状态诊断结果。
优选地，步骤1中的振动加速度传感器布置分为两种情况：
第一，若目标紧固螺栓附近仅存在一个振源，则在靠近目标紧固螺栓附近布置一个振动加速度传感器；
第二，若目标螺栓附近存在多个振源，则需要在螺栓附近分布式布置多个传感器，并且传感器数目不少于振源数目。
优选地，步骤1中的振动加速度传感器2需要布置在接地良好的位置，并且能够通过高压断路器耐压试验。
优选地，步骤3中的信号处理模块4的螺栓松动检测方法步骤如下：
(1)根据振动加速度传感器2所处位置，提取振动信号中的敏感振动事件信号，即振动加速度传感器2附近的振源所激励的振动波形，如合闸弹簧附近的螺栓则提取弹簧碰撞引起的振动衰减波形；
如图4所示，从整个合闸过程振动加速度波形图中提取两种典型的振动事件波形：触头碰撞波形和弹簧碰撞波形；对于同一型号的高压断路器，其各个振动事件发生先后顺利基本一致，并结合振动加速度传感器2布置在高压断路器中的位置，可以提取出对应的敏感振动事件波形。
(2)对振动信号进行小波软阈值降噪处理；
(3)判断目标紧固螺栓附近是否为单振源，若是，直接跳至(4)处理；若不是，则目标紧固螺栓附近存在多个振源，则目标螺栓对应的振动加速度传感器2提取到的敏感振动事件信号是由多个振源共同激励产生；采用独立分量分析对多元信号进行盲源分离，提取出相互独立的单个振源信号；
图5所示为采用独立分量分析方法对三个振源混合信号(碰撞振动信号、正弦信号和噪声信号)进行分解后的波形图，图5中(a)为混合信号，(b)为解混信号；可以看出，图5(a)中三个振源信号相互叠加混合，直接进行信号分析诊断误差较大，应用盲源分离算法对混合信号进行解混处理，提取出单一的振源原始信号，如图5(b)所示，有利于提高信号分析诊断的准确度。
(4)针对不同位置的振动加速度传感器2，采用小波包能量熵法对提取到的敏感振动事件信号进行处理，得到敏感频段的总能量；
图6所示为试验过程中多次测量信号的小波包能量谱图，前20次测量为螺栓拧紧状态下的敏感频段能量，后10次测量为施加3/4额定力矩状态下的敏感频段能量，通过比较能量值与阈值的相对大小能够准确地判断出当前紧固螺栓的松紧状态；
(5)对照螺栓松动检测数据库，判断该传感器采集到的信号的敏感频段总能量是否超过相应的阈值，从而确定螺栓松紧状态。
优选地，所述螺栓松动检测数据库，其建立过程如下：
(1)分别对目标螺栓施加额定力矩、3/4额定力矩、1/2额定力矩、0力矩(即完全松动)；
(2)在高压断路器分合闸过程中，采集上述四种状态下目标螺栓附近传感器得到振动信号；
(3)采用信号处理模块对振动信号进行处理，确定该目标螺栓振动信号的敏感频段，并记录四种不同状态下分别对应的总能量阈值；
(4)针对同一型号的高压断路器，采集各个目标螺栓振动信号的敏感频段和能量阈值，建立该型号断路器的螺栓松动检测数据库。
需要说明的是，本发明上述实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于示例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也涉及本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。
Claims (10)
1.一种高压断路器紧固螺栓松动检测装置，其特征在于，包括布设在高压断路器(1)上待监测的紧固螺栓上的振动加速度传感器(2)，还包括与所述振动加速度传感器(2)的输出端相连的信号采集模块(3)，信号采集模块(3)的输出端连接至信号处理模块(4)。
2.根据权利要求1所述的高压断路器紧固螺栓松动检测装置，其特征在于，振动加速度传感器(2)采用压电式振动加速度传感器。
3.根据权利要求1所述的高压断路器紧固螺栓松动检测装置，其特征在于，振动加速度传感器(2)根据待监测的紧固螺栓附近的振源数目设计，若目标紧固螺栓附近仅存在一个振源，则在靠近目标紧固螺栓布置一个振动加速度传感器；若目标紧固螺栓附近存在多个振源，则在靠近目标紧固螺栓布置多个传感器，且要求振动加速度传感器的数目不少于振源数目。
4.根据权利要求3所述的高压断路器紧固螺栓松动检测装置，其特征在于，当布置多个振动加速度传感器(2)时，数目至少为3个。
5.根据权利要求1所述的高压断路器紧固螺栓松动检测装置，其特征在于，信号采集模块(3)包括信号调理模块(5)和AD采集卡(6)，信号调理模块(5)的输入端与振动加速度传感器(2)的输出端相连，信号调理模块(5)的输出端与AD采集卡(6)的输入端相连，AD采集卡(6)的输出端连接至信号处理模块(4)。
6.根据权利要求5所述的高压断路器紧固螺栓松动检测装置，其特征在于，AD采集卡(6)为多通道数据采集卡，采用ISA总线插槽形式，各通道并行采样。
7.根据权利要求1～6中任意一项所述的高压断路器紧固螺栓松动检测装置，其特征在于，振动加速度传感器(2)、信号采集模块(3)及信号处理模块(4)通过屏蔽传输线(7)依次相连。
8.基于权利要求1～7中任意一项所述的高压断路器紧固螺栓松动检测装置的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将振动加速度传感器(2)布置在高压断路器(1)待监测的目标紧固螺栓附近；
2)通过信号采集模块(3)采集在断路器分合闸过程中各个振动加速度传感器(2)的振动信号；
3)将振动信号输送到信号处理模块(4)分析处理，经处理后对比螺栓松动检测数据库，进行螺栓松紧状态诊断；
4)显示高压断路器(1)紧固螺栓状态诊断结果。
9.根据权利要求8所述的检测方法，其特征在于，步骤3)中，具体操作包括以下步骤：
步骤1：根据振动加速度传感器(2)所处位置，提取振动信号中的敏感振动事件信号，即振动加速度传感器(2)附近的振源所激励的振动波形；
步骤2：对敏感振动事件信号进行小波软阈值降噪处理；
步骤3：判断目标紧固螺栓附近是否为单振源，若是，直接跳至步骤4处理；若不是，则目标紧固螺栓对应的振动加速度传感器(2)提取到的敏感振动事件信号是由多个振源共同激励产生，采用独立分量分析对多元信号进行盲源分离，提取出相互独立的单个振源信号；
步骤4：针对不同位置的振动加速度传感器(2)，采用小波包能量熵法对提取到的敏感振动事件信号进行处理，得到敏感频段总能量；
步骤5：对照螺栓松动检测数据库，判断该振动加速度传感器(2)采集到的信号的敏感频段总能量是否超过相应的阈值，从而确定螺栓松紧状态。
10.根据权利要求8或9所述的检测方法，其特征在于，所述螺栓松动检测数据库按照以下步骤建立：
Step1：分别对目标紧固螺栓施加额定力矩、3/4额定力矩、1/2额定力矩、0力矩；
Step2：在高压断路器(1)分合闸过程中，采集上述四种状态下目标紧固螺栓附近的振动加速度传感器(2)得到的振动信号；
Step3：采用信号处理模块(4)对得到的振动信号进行处理，确定该目标紧固螺栓振动信号的敏感频段，并记录四种不同状态下分别对应的总能量阈值；
Step4：针对同一型号的高压断路器，采集各个目标紧固螺栓振动信号的敏感频段和能量阈值，建立得到该型号高压断路器的螺栓松动检测数据库。
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