CN109900469A - 一种高压断路器螺旋弹簧应力松弛故障检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种高压断路器螺旋弹簧应力松弛故障检测装置及方法，属于电力系统故障检测领域。该检测装置包括弹簧固定端挂钩板、振动加速度传感器、信号采集模块、信号处理模块和屏蔽传输线。本发明通过采集断路器分合闸过程中弹簧的振动信号，利用短时能量算法对振动信号进行截取，提出采用平均能量算法对有效振动信号进行特征值提取，并与预先设定的阈值进行比较，从而判断出高压断路器螺旋弹簧是否发生应力松弛缺陷。与其他方法相比，本发明提出的方法准确度高、运算速度快，可以实现弹簧应力松弛故障的在线监测，不影响高压断路器系统结构，无运动干涉风险，安全可靠。

Description

一种高压断路器螺旋弹簧应力松弛故障检测装置及方法

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螺旋弹簧应力松弛故障检测装置及方法。

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。

螺旋弹簧作为储能装置在高压断路器中被广泛应用，是断路器分闸、合闸过程中不可或缺的组成部分。但是，螺旋弹簧在多次承受拉压载荷之后，可能会发生变形，即应力松弛故障。应力松弛故障会导致处于储能位置的弹簧的拉力不足，严重情况下会导致高压断路器分闸或合闸过程失败，引发严重的安全事故。在安全检修中时常发现高压断路器无法完成正常分合闸操作的现象，其中弹簧拉力不足是导致该情况的原因之一。

使用力传感器测量弹簧特性曲线是一种能够有效判断弹簧是否发生应力松弛故障的方法之一。但是由于力传感器在测量时必须承受弹簧载荷，而将力传感器直接布置在弹簧一侧则会降低高压断路器运行的可靠性，因此该方法只能在断路器处于停电检修位置时使用，且费时费力。

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螺旋弹簧应力松弛故障检测装置及方法，该装置结构设计合理，使用简单，能够有效检测出弹簧应力松弛缺陷，保证设备可靠运行；该方法能够实现高压断路器螺旋弹簧状态的在线监测，省时省力，节约人力物力。

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案来实现：

本发明公开了一种高压断路器螺旋弹簧应力松弛故障检测装置，其特征在于，包括弹簧固定端挂钩板、振动加速度传感器、信号采集模块和信号处理模块；振动加速度传感器通过弹簧固定端的挂钩板与高压断路器上的待监测螺旋弹簧连接，振动加速度传感器、信号采集模块与信号处理模块依次通信互联。

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、信号采集模块与信号处理模块通过屏蔽传输线依次相连，又或者通过无线传输方式通信互联。

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，信号调理模块的输出端与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。

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。

本发明还公开了基于上述的高压断路器螺旋弹簧应力松弛故障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设在螺旋弹簧固定端的挂钩板上，以防止弹簧振动波形的大阻尼衰减和机构干涉；

2)通过信号采集模块采集在断路器分合闸过程中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，进行高压断路器螺旋弹簧状态诊断。

优选地，步骤3)具体包括以下步骤：

3.1)对步骤2)采集到的振动信号进行小波软阈值降噪处理；

3.2)采用短时能量分析算法对步骤3.1)处理后的振动信号进行截取，提取弹簧有效振动信号，并确定弹簧有效振动时长；

3.3)采用平均能量算法对步骤3.2)中弹簧有效振动信号进行分析，提取特征值；

3.4)通过对照步骤3.3)提取的特征值和预先设定的阈值，根据波形截取的起始和终止时刻，判断该螺旋弹簧是否发生应力松弛故障。

进一步优选地，所述步骤3.2)的短时能量分析算法截取信号，其特征在于：

整体信号的短时能量计算公式为：

式中，S(i)为i时刻信号的短时能量；x(t),t＝0,1,2,…,M-1，为去噪后的振动信号序列，信号长度为M；ω(n)为窗函数，窗长为N；

设置幅值阈值A_m和时间阈值T_m对短时能量信号S(i)进行截取，确定弹簧有效振动起始时刻T_start和终止时刻T_end，弹簧有效振动信号的判断公式为：

S₁(i)＝Max(S(i:(i+T_m)))>A_m

式中，Max(S(i:(i+T_m)))表示在i时刻到i+T_m时刻内短时能量信号S(i)的最大值。

优选地，所述步骤3.3)的平均能量算法，其计算公式为：

式中，E为弹簧有效振动信号的平均能量；x(t)为去噪后的振动信号；T_start和T_end分别为弹簧有效振动起始时刻和终止时刻。

优选地，所述步骤3.4)的预先设定的阈值，其特征在于，依托待监测高压断路器螺旋弹簧正常投运后的前n次有效振动信号进行设定，即：

式中，E_th为设定的阈值；X_i(t)为截取后的第i次弹簧有效振动信号；k为安全系数，通常取值为0.4-0.8，其取值与高压断路器螺旋弹簧在完成正常操作下的力值要求和安全等级要求程度有关。

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螺旋弹簧应力松弛故障检测装置，包括布设在高压断路器螺旋弹簧挂钩板上的振动加速度传感器，以及信号采集模块和信号处理模块。振动加速度传感器布设在弹簧挂钩位置，能有效减小振动信号的衰减；并且振动加速度传感器体积小、质量轻，对断路器系统侵入性较小，不影响设备的安全可靠运行。因此，相较于其他检测手段，本方法不需要高压断路器断电检测，可以实现弹簧应力松弛故障的在线监测，不影响高压断路器系统结构，无运动干涉风险，安全可靠。该装置结构设计合理，使用简单，能够有效检测出弹簧应力松弛缺陷，保证设备可靠运行。

本发明公开的检测方法相较于其他检测手段，通过采集断路器分合闸过程中弹簧的振动信号，采用短时能量分析算法对振动信号进行截取，能够准确地提取出弹簧振动的有效信号；采用平均能量算法对弹簧有效振动信号进行特征值提取，并与预先设定的阈值进行比较，从而判断出高压断路器螺旋弹簧是否发生应力松弛缺陷。相较于其他分析算法本方法的运算量低、准确度高、运算速度快，能够有效地提高分析处理效率。

附图说明

图1为本发明提出的高压断路器螺旋弹簧应力松弛故障检测装置示意图；

其中，1为待监测螺旋弹簧，2为弹簧固定端挂钩板，3为信号采集模块，4为信号处理模块，5为信号调理模块，6为AD采集卡，7为屏蔽传输线，8为振动加速度传感器。

图2为本发明提出的高压断路器螺旋弹簧应力松弛故障检测方法的流程框图。

图3为本发明检测方法中高压断路器合闸过程中加速度传感器采集到的合闸弹簧振动加速度曲线。

图4为本发明中提出的短时能量分析算法对振动信号进行截取的结果图。

图5为本发明提出的平均能量算法对弹簧有效振动信号进提取的特征值结果比较图。

具体实施方式

下面结合附图和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。

参见图1，为本发明公开的一种高压断路器螺旋弹簧应力松弛故障检测装置，包括待监测螺旋弹簧1、弹簧固定端挂钩板2、信号采集模块3、信号处理模块4、屏蔽传输线7和振动加速度传感器8。其中，信号采集模块3包括信号调理模块5和多通道数据采集卡6，并通过屏蔽传输线7连接到信号处理模块4。

优选地，振动加速度传感器8采用压电式振动加速度传感器。

优选地，振动加速度传感器8与信号采集模块3之间，以及信号采集模块3和信号处理模块4之间，还可以通过无线传输的方式传递信号。

进一步优选地，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。

参见图2，为本发明提出的高压断路器螺旋弹簧应力松弛故障检测方法的流程，包括以下步骤：

1)将振动加速度传感器8布设在待监测螺旋弹簧1固定端的挂钩板上，以防止弹簧振动波形的大阻尼衰减和机构干涉；

2)通过信号采集模块3采集在断路器分合闸过程中待监测螺旋弹簧1通过振动加速度传感器8传出的振动信号；

图3所示为本发明中高压断路器合闸过程中加速度传感器直接采集到的合闸弹簧振动加速度曲线；

3)将振动信号输送到信号处理模块4分析处理，进行高压断路器螺旋弹簧状态诊断，具体包括以下步骤：

3.1)对采集到的振动信号进行小波软阈值降噪处理；

3.2)采用短时能量分析算法对步骤3.1)处理后的振动信号进行截取，提取弹簧有效振动信号，并确定弹簧有效振动时长；

短时能量分析算法截取信号，整体信号的短时能量计算公式为：

式中，S(i)为i时刻信号的短时能量；x(t),t＝0,1,2,…,M-1，为去噪后的振动信号序列，信号长度为M；ω(n)为窗函数，窗长为N。

设置幅值阈值A_m和时间阈值T_m对短时能量信号S(i)进行截取，确定弹簧有效振动起始时刻T_start和终止时刻T_end，弹簧有效振动信号的判断公式为：

S₁(i)＝Max(S(i:(i+T_m)))>A_m

式中，Max(S(i:(i+T_m)))表示在i时刻到i+T_m时刻内短时能量信号S(i)的最大值。

图4所示为本方法提出的短时能量分析算法对振动信号进行截取的结果图，根据波形截取的起始和终止时刻，确定弹簧有效振动起始时刻和终止时刻(虚线框左侧和右侧分别为弹簧有效振动信号的起始时刻和终止时刻)。

结合图3和图4，可以看出，因为波形振动起始时刻具有随机性，因此直接采集无法对有效振动信号进行定位；而本发明采用短时能量算法对振动信号进行截取，能够对振动信号进行定位。

3.3)采用平均能量算法对步骤3.2)中弹簧有效振动信号进行分析，提取特征值；平均能量算法，其计算公式为：

式中，E为弹簧有效振动信号的平均能量；x(t)为去噪后的振动信号；T_start和T_end分别为弹簧有效振动起始时刻和终止时刻。

3.4)通过对照步骤3.3)提取的特征值和预先设定的阈值，判断该螺旋弹簧是否发生应力松弛故障。

预先设定的阈值，依托待监测高压断路器螺旋弹簧正常投运后的前n次有效振动信号进行设定，即：

式中，E_th为设定的阈值；X_i(t)为截取后的第i次弹簧有效振动信号；k为安全系数，通常取值为0.4-0.8，其取值与高压断路器螺旋弹簧在完成正常操作下的力值要求和安全等级要求程度有关。

图5所示为本发明提出的平均能量算法对弹簧有效振动信号进提取的特征值结果比较图。从图中可以看出，前10组数据为计算得到的发生应力松弛故障弹簧的平均能量数值，后10组数据为计算得到的正常弹簧的平均能量数值，安全系数k取值为0.7，可以看出，采用该算法能够准确区分出弹簧是否出现应力松弛故障。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高压断路器螺旋弹簧应力松弛故障检测装置，其特征在于，包括弹簧固定端挂钩板(2)、振动加速度传感器(8)、信号采集模块(3)和信号处理模块(4)；振动加速度传感器(8)通过弹簧固定端的挂钩板(2)与高压断路器上的待监测螺旋弹簧(1)连接，振动加速度传感器(8)、信号采集模块(3)与信号处理模块(4)通信互联。

2.根据权利要求1所述的一种高压断路器螺旋弹簧应力松弛故障检测装置，其特征在于，振动加速度传感器(8)采用压电式振动加速度传感器。

3.根据权利要求1所述的一种高压断路器螺旋弹簧应力松弛故障检测装置，其特征在于，振动加速度传感器(8)、信号采集模块(3)与信号处理模块(4)通过屏蔽传输线(7)依次相连。

4.根据权利要求1所述的一种高压断路器螺旋弹簧应力松弛故障检测装置，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(8)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)。

5.根据权利要求4所述的一种高压断路器螺旋弹簧应力松弛故障检测装置，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。

6.一种基于权利要求1～5中任意一项所述高压断路器螺旋弹簧应力松弛故障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(8)布设在弹簧固定端挂钩板(2)上；

2)通过信号采集模块(3)采集在断路器分合闸过程中振动加速度传感器(8)的振动信号；

3)采集的振动信号被输送到至信号处理模块(4)进行分析处理，完成高压断路器上的待监测螺旋弹簧(1)的应力松弛故障状态诊断。

7.根据权利要求6所述的一种高压断路器螺旋弹簧应力松弛故障检测装置的检测方法，其特征在于，步骤3)具体包括以下步骤：

3.1)对步骤2)采集到的振动信号进行小波软阈值降噪处理；

3.2)采用短时能量分析算法对步骤3.1)处理后的振动信号进行截取，提取弹簧有效振动信号，并确定弹簧有效振动时长；

3.3)采用平均能量算法对步骤3.2)中弹簧有效振动信号进行分析，提取特征值；

3.4)通过对照步骤3.3)提取的特征值和预先设定的阈值，根据波形截取的起始和终止时刻，判断该螺旋弹簧是否发生应力松弛故障。

8.根据权利要求7所述的一种高压断路器螺旋弹簧应力松弛故障检测装置的检测方法，其特征在于，步骤3.2)所述短时能量分析算法具体如下：

短时能量分析算法截取信号的计算公式为：

式中，S(i)为i时刻信号的短时能量；x(t),t＝0,1,2,…,M-1，为去噪后的振动信号序列，信号长度为M；ω(n)为窗函数，窗长为N；

设置幅值阈值A_m和时间阈值T_m对短时能量信号S(i)进行截取，确定螺旋弹簧有效振动起始时刻T_start和终止时刻T_end，螺旋弹簧有效振动信号的判断公式为：

S₁(i)＝Max(S(i:(i+T_m)))>A_m

式中，Max(S(i:(i+T_m)))表示在i时刻到i+T_m时刻内短时能量信号S(i)的最大值。

9.根据权利要求7所述的一种高压断路器螺旋弹簧应力松弛故障检测装置的检测方法，其特征在于，步骤3.3)所述的平均能量算法的计算公式为：

式中，E为螺旋弹簧有效振动信号的平均能量；x(t)为去噪后的振动信号；T_start和T_end分别为螺旋弹簧有效振动起始时刻和终止时刻。

10.根据权利要求7所述的一种高压断路器螺旋弹簧应力松弛故障检测装置的检测方法，其特征在于，步骤3.4)的预先设定的阈值依托待监测高压断路器螺旋弹簧正常投运后的前n次有效振动信号进行设定，即：

式中，E_th为设定的阈值；X_i(t)为截取后的第i次弹簧有效振动信号；k为安全系数。