CN111458629A - 一种高压开关机械故障的反演方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高压设备监测领域，具体涉及一种高压开关机械故障的反演方法及装置。本发明通过建立高压开关的机械故障模拟系统，输入初始油压和初始气压，经过操动机构仿真模型、传动系统动力学模型和灭弧室气流场仿真模型的仿真计算，得到传动系统动力学模型输出的位移量随时间变化的理论行程曲线，并与实际行程曲线进行比较从而调整模拟系统中的相关系数，最终得到准确的模拟系统。本发明建立了准确的高压开关的机械故障模拟系统，能够实时监测高压开关机械状态参量，通过远程网络传输给后台仿真中心进行机械故障反演，预测故障发展趋势，实现故障的实时预警与快速精准检修，提高高压开关智能化水平。

Description

一种高压开关机械故障的反演方法及装置

技术领域

本发明涉及高压设备监测领域，具体涉及一种高压开关机械故障的反演方法及装置。

背景技术

高压开关现场运行经验表明，机械故障是其常见多发故障之一，以断路器为例，断路器作为电力系统重要的大电压和大电流开关电气设备，在系统内发挥着重要的作用，也因为其在系统中的重要角色，断路器作为重点维护对象，电力科技工作者一直致力于该断路器的机械状态监测，甚至是预警，减少或者断绝断路器非计划停运导致的各项停电，尽可能免除或者减轻对整体系统的影响范围。

高压开关的机械故障表现的外在状况多种多样，规律性不强，故障具体原因分析困难，故障发展趋势难以预知，故障检修方案盲目性较高。究其原因有两个：一是检测的量少，往往只有震动、声学、位移等信号，对故障信息的采集不全；二是故障分析系统往往基于经验进行判断，信号与故障之间对应关系说不清楚，故障的发展趋势预测缺乏依据，故障预测准确率低。

发明内容

本发明的目的是提供一种高压开关机械故障的反演方法及装置，用以解决现有技术无法准确预测并评估高压开关机械故障的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种高压开关机械故障的反演方法，包括以下步骤：

1)建立高压开关的机械故障模拟系统，所述机械故障模拟系统包括高压开关的操动机构仿真模型、传动系统动力学模型和灭弧室气流场仿真模型；

给定所述操动机构仿真模型、传动系统动力学模型和灭弧室气流场仿真模型中的各系数设定值，在一个时间步长内，由操动机构仿真模型根据油压、灭弧室气流场仿真模型计算的气压阻力和传动系统阻力计算驱动力，传动系统动力学模型根据所述驱动力和灭弧室气流场仿真模型计算的气压阻力计算位移量，灭弧室气流场仿真模型根据所述位移量和气压计算灭弧室的气压阻力；将各时间步长的位移量叠加得到理论行程曲线，将理论行程曲线与实际行程曲线进行比较，根据比较结果迭代的调整所述系数设定值、计算理论行程曲线，直到理论行程曲线与实际行程曲线相符合，从而得到操动机构仿真模型、传动系统动力学模型和灭弧室气流场仿真模型；

2)检测或者设定高压开关非动作时的初始油压和初始气压，结合所述高压开关的机械故障模拟系统仿真计算，得到高压开关动作时的仿真行程曲线、仿真气压和仿真油压；判断所述仿真行程曲线、仿真气压和仿真油压是否满足相应要求，如果不满足，则判定高压开关无法正常动作。

进一步的，采用CFD仿真技术并结合质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程以及理想气体方程建立所述灭弧室气流场仿真模型。

进一步的，结合多极阀、液压缸、管道、蓄能器的机械特性建立所述操动机构仿真模型。

本发明还提供了一种高压开关机械故障的反演装置，包括处理器和存储器，所述存储器存储有所述处理器实现如下方法的指令：

1)建立高压开关的机械故障模拟系统，所述机械故障模拟系统包括高压开关的操动机构仿真模型、传动系统动力学模型和灭弧室气流场仿真模型；

给定所述操动机构仿真模型、传动系统动力学模型和灭弧室气流场仿真模型中的各系数设定值，在一个时间步长内，由操动机构仿真模型根据油压、灭弧室气流场仿真模型计算的气压阻力和传动系统阻力计算驱动力，传动系统动力学模型根据所述驱动力和灭弧室气流场仿真模型计算的气压阻力计算位移量，灭弧室气流场仿真模型根据所述位移量和气压计算灭弧室的气压阻力；将各时间步长的位移量叠加得到理论行程曲线，将理论行程曲线与实际行程曲线进行比较，根据比较结果迭代的调整所述系数设定值、计算理论行程曲线，直到理论行程曲线与实际行程曲线相符合，从而得到操动机构仿真模型、传动系统动力学模型和灭弧室气流场仿真模型；

2)检测或者设定高压开关非动作时的初始油压和初始气压，结合所述高压开关的机械故障模拟系统仿真计算，得到高压开关动作时的仿真行程曲线、仿真气压和仿真油压；判断所述仿真行程曲线、仿真气压和仿真油压是否满足相应要求，如果不满足，则判定高压开关无法正常动作。

进一步的，采用CFD仿真技术并结合质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程以及理想气体方程建立所述灭弧室气流场仿真模型。

进一步的，结合多极阀、液压缸、管道、蓄能器的机械特性建立所述操动机构仿真模型。

本发明通过建立高压开关的机械故障模拟系统，输入油压和气压，经过操动机构仿真模型、传动系统动力学模型和灭弧室气流场仿真模型的仿真计算，得到传动系统动力学模型输出的位移量随时间变化的理论行程曲线，并与实际行程曲线进行比较从而调整模拟系统中的相关系数，最终得到准确的模拟系统。然后将检测或设定的初始油压以及初始气压输入到建立的模型中，判断得到的仿真行程曲线是否符合要求从而判断开关是否能够可靠动作。

本发明建立了准确的高压开关的机械故障模拟系统，能够实时监测高压开关机械状态参量，通过远程网络传输给后台仿真中心进行机械故障反演，预测故障发展趋势，实现故障的实时预警与快速精准检修，提高高压开关智能化水平。

附图说明

图1是本发明中建立机械故障模拟系统的示意图。

具体实施方式

断路器的机械故障会导致断路器操动机构、传动机构以及灭弧室的相关特征参数发生变化，因此，深入理解和研究断路器机构状态变化对于断路器及附件的机械状态监测具有重要意义。

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

目前对于高压开关机械特性的状态检测研究在国内外相关文献均有报道，但是现有技术中对于采集到的关于高压开关的相关机械状态参数的处理没有有效的手段，现有技术中一些处理模型的建立过于简单，只考虑了状态参数的一部分，不能精确的反映高压开关装置的机械状态以及预测机械能力，容易导致故障判断错误。

本发明的方案适用于多种类型的高压开关，例如气体绝缘断路器。在高压开关上，还需要安装多种类型的传感器，以采集高压开关的位移、气压/油压、应力/应变、速度、加速度等信号。然后由传感器传输到信号采集及处理装置，通过IEC61850协议进行信号统一处理，然后通过无线高速网络(例如商用工业物联网平台)进行传输，远端的仿真中心通过信号接收装置接收信号，然后输入到仿真平台。传感器采集的现场信号通过无线传输到后台仿真中心，不受地域地形限制。

综上，基于本发明的系统，核心为仿真平台，仿真平台通过无线通讯方式获取传感器实时采集的信息(当然，作为其他实施方式，也可以采用光纤传输等类型的通讯方式传输传感器采集到的信息)。而仿真平台，即云计算平台，运行相关的软件程序，基于系统仿真技术、有限元技术、CFD等技术建立高压开关的机械故障模拟系统，以监测数据作为输入信号，评判机械故障情况，提出改进方案。

方法实施例

本实施例是以一个高压开关为例进行说明，在仿真平台上对高压开关的监测数量可以根据现场情况进行设计，可以对多个高压开关的机械情况同时进行监测，其方法与本实施例给出的监测一个高压开关时的方法一样，这里不再重复叙述。同时本实施例中的机械故障模拟系统一旦建立完成，仿真平台能够直接应用，在仿真平台对高压开关进行监测的过程中不用重复建立模型。

下面对仿真平台中运行程序所实现的方法进行详细介绍。

本实施例建立了高压开关的机械故障模拟系统，该模拟系统的输入是操动系统中液压装置的油压信号、气压(灭弧室的气压)，输出包括行程曲线(触头)、油压(操动机构的油压)、气压等，将该模拟系统的输出量与高压开关动作时所要求的数值进行比较，从而判定高压开关是否可靠动作。

在建立模型时，考虑到整体建模的复杂性问题，本实施例建立的机械故障模拟系统包括操动机构仿真模型、传动系统动力学模型和灭弧室气流场仿真模型三部分，三部分分别建模并共同构成了上述模拟系统。

本实施例通过系统仿真技术建立操动机构仿真模型，在建立该模型的过程中需要考虑涉及到的多极阀、液压缸、管道、蓄能器等器件的机械特性。液压系统的油压作为输入量决定操动机构动力的大小，操动机构输出驱动力，驱动传动系统运动。同时还要考虑传动系统动力学模型发送过来的传动阻力以及灭弧室气流场仿真模型发送过来的气压阻力，综合考虑并计算后输出驱动力至传动系统动力学模型。

本实施例通过有限元技术建立传动系统动力学模型；传动系统以操动机构输出的驱动力作为动力源，以灭弧室受到的气压反力作为阻力，通过传动系统动力学模型计算，能够获得高压开关中传动系统的位移量(也可以转化为触头的位移量)，从而得到开关的行程曲线，评价传动特性是否能满足要求。

本实施例通过CFD仿真技术建立灭弧室气流场仿真模型。灭弧室气流场仿真模型以传动系统动力学模型输出的运动特性(位移量)作为驱动输入，并将仿真获得的气压阻力传递给传动系统动力学模型以及操动机构仿真模型作为阻力。在利用CFD仿真技术建立灭弧室气流场仿真模型时，还需要考虑质量守恒原理、动量守恒原理、能量守恒原理、理想气体方程等内容。

上述建立各个模型的过程中涉及到的具体数学形式，本领域的技术人员结合现有技术便可以得到，因此模型的具体形式这里不再介绍。本实施例中建立模型的关键问题除了模型形式以外，还包括如何确定模型中的各种系数，本实施例给出的方法是采用微分的方式，将得到行程曲线的过程分解到多个时间步长中，每个时间步长中得到行程曲线的一部分，所有时间步长走完，即开关动作完成，获得完整的理论行程曲线，通过与实际行程曲线进行比较，调整相关参数，并再次求取理论行程曲线，直至仿真得到的理论行程曲线与实际行程曲线相符。具体的，如图1所示，建模过程如下：

在第一个时间周期(时间步长)内，首先将模型中各系数赋予设定值，然后将初始油压输入操动机构仿真模型，操动机构仿真模型结合接收到的传动阻力和灭弧室的气压阻力，将计算得到的驱动力输出至传动系统动力学模型；传动系统动力学模型同时接收灭弧室发送过来的气压阻力，然后输出计算得到的位移量，记录该位移量；然后将位移量输入灭弧室气流场仿真模型，灭弧室气流场仿真模型通过计算得到气压阻力；

在第二个时间周期内，将气压阻力传递到操动机构仿真模型和传动系统动力学模型，然后操动机构仿真模型结合接收到的传动阻力和灭弧室的气压阻力，将再次计算得到的驱动力输出至传动系统动力学模型；传动系统动力学模型同时接收灭弧室发送过来的气压阻力，然后输出再次计算得到的位移量，记录该位移量；然后将位移量输入灭弧室气流场仿真模型，灭弧室气流场仿真模型再次计算得到气压阻力；

第三个时间周期、第四个时间周期至第n个时间周期的运行过程与第二个时间周期中模型运行的过程相同，直至高压开关动作完成。

其中每个时间周期内得到的位移量不同，如果灭弧室气流场仿真模型输出的气压阻力相比上一次输出增大，则下一个时间步长内传动系统动力学模型输出的位移量应该减小；如果灭弧室气流场仿真模型输出的气压阻力相比上一次输出减小，则下一个时间步长内传动系统动力学模型输出的位移量应该增大。

如果理论行程曲线不符合实际行程曲线的要求，则调整操动机构仿真模型、传动系统动力学模型以及灭弧室气流场仿真模型中的系数值，重复上述所有时间周期，直至得到的理论行程曲线符合实际行程曲线的要求，从而得到系数准确的机械故障模拟系统。

得到的理论行程曲线符合实际行程曲线的要求包括：行程曲线反应高压开关机械动作的有效性，即从开始动作至动作结束，触头移动的位移量与时间的关系，如果根据模拟系统得到的理论行程曲线上某一时间点的位移量小于实际行程曲线上相同时间点对应的位移量，则说明开关动作不及时，模型系数需要调整；如果不小于则模型准确。这里的实际行程曲线可以是正常的高压开关工作时通过检测手段得到的历史数据。

检测或者设定高压开关未动作时的初始油压以及初始气压，然后输入高压开关的机械故障模拟系统，计算得到对应的仿真行程曲线、仿真油压和仿真气压，判断仿真行程曲线、仿真油压和仿真气压是否满足实际要求，如果不满足，则判定高压开关不能可靠动作。

其中判断仿真行程曲线是否符合要求的方法与判断理论行程开关是否符合要求的方法一样；不满足是指高压开关不能动作或者动作不及时。所谓的检测或者设定，其中，检测是指实时检测得到的高压开关中液压系统的油压值；而设定是指在检测数据的基础上，考虑开关在极限工况下的运行情况，对检测到的数据进行调整，例如，设定初始油压小于检测到的初始油压，设定初始气压大于检测到的初始气压，然后输入到模拟系统，观察得到的行程曲线、操动机构的油压和灭弧室的气压，判断开关是否可靠动作。

本发明能够实时监测评估高压开关的机械状态，分析故障情况，进行故障定位，从而提出故障检修方案，能够实现故障的实时预警与快速精准检修，具备广阔的市场前景。本发明可以预测下一油压状态时高压开关动作的行程曲线、油压、灭弧室的气压，从而作为评价下一次传动系统能否可靠动作的依据。

在其他实施例中，对记录的位移量进行简单的数学变换以及计算从而获得行程曲线，这样形成的技术方案是对上述实施例进行微调形成的，这种技术方案仍落入本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种高压开关机械故障的反演方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)建立高压开关的机械故障模拟系统，所述机械故障模拟系统包括高压开关的操动机构仿真模型、传动系统动力学模型和灭弧室气流场仿真模型；

给定所述操动机构仿真模型、传动系统动力学模型和灭弧室气流场仿真模型中的各系数设定值，在一个时间步长内，由操动机构仿真模型根据油压、灭弧室气流场仿真模型计算的气压阻力和传动系统阻力计算驱动力，传动系统动力学模型根据所述驱动力和灭弧室气流场仿真模型计算的气压阻力计算位移量，灭弧室气流场仿真模型根据所述位移量和气压计算灭弧室的气压阻力；将各时间步长的位移量叠加得到理论行程曲线，将理论行程曲线与实际行程曲线进行比较，根据比较结果迭代的调整所述系数设定值、计算理论行程曲线，直到理论行程曲线与实际行程曲线相符合，从而得到操动机构仿真模型、传动系统动力学模型和灭弧室气流场仿真模型；

2)检测或者设定高压开关非动作时的初始油压和初始气压，结合所述高压开关的机械故障模拟系统仿真计算，得到高压开关动作时的仿真行程曲线、仿真气压和仿真油压；判断所述仿真行程曲线、仿真气压和仿真油压是否满足相应要求，如果不满足，则判定高压开关无法正常动作。

2.根据权利要求1所述的高压开关机械故障的反演方法，其特征在于：采用CFD仿真技术并结合质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程以及理想气体方程建立所述灭弧室气流场仿真模型。

3.根据权利要求1或2所述的高压开关机械故障的反演方法，其特征在于：结合多极阀、液压缸、管道、蓄能器的机械特性建立所述操动机构仿真模型。

4.一种高压开关机械故障的反演装置，包括处理器和存储器，其特征在于：所述存储器存储有所述处理器实现如下方法的指令：

1)建立高压开关的机械故障模拟系统，所述机械故障模拟系统包括高压开关的操动机构仿真模型、传动系统动力学模型和灭弧室气流场仿真模型；

给定所述操动机构仿真模型、传动系统动力学模型和灭弧室气流场仿真模型中的各系数设定值，在一个时间步长内，由操动机构仿真模型根据油压、灭弧室气流场仿真模型计算的气压阻力和传动系统阻力计算驱动力，传动系统动力学模型根据所述驱动力和灭弧室气流场仿真模型计算的气压阻力计算位移量，灭弧室气流场仿真模型根据所述位移量和气压计算灭弧室的气压阻力；将各时间步长的位移量叠加得到理论行程曲线，将理论行程曲线与实际行程曲线进行比较，根据比较结果迭代的调整所述系数设定值、计算理论行程曲线，直到理论行程曲线与实际行程曲线相符合，从而得到操动机构仿真模型、传动系统动力学模型和灭弧室气流场仿真模型；

2)检测或者设定高压开关非动作时的初始油压和初始气压，结合所述高压开关的机械故障模拟系统仿真计算，得到高压开关动作时的仿真行程曲线、仿真气压和仿真油压；判断所述仿真行程曲线、仿真气压和仿真油压是否满足相应要求，如果不满足，则判定高压开关无法正常动作。

5.根据权利要求4所述的高压开关机械故障的反演装置，其特征在于：采用CFD仿真技术并结合质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程以及理想气体方程建立所述灭弧室气流场仿真模型。

6.根据权利要求4或5所述的高压开关机械故障的反演装置，其特征在于：结合多极阀、液压缸、管道、蓄能器的机械特性建立所述操动机构仿真模型。

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