CN112345648A - 一种高压断路器凸轮裂纹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凸轮裂纹故障检测装置及方法，属于电力系统故障检测领域。该检测装置包括磁力座、振动加速度传感器、信号采集模块和信号处理模块。本发明通过采集断路器合闸过程中凸轮附近的振动信号，利用小波包频带能量分解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操动机构的凸轮结构是否发生裂纹缺陷。与现有技术相比，本发明提出的方法准确度高、运算速度快，可以实现凸轮裂纹故障的在线监测，不影响高压断路器系统结构，无运动干涉风险，安全可靠。

Description

一种高压断路器凸轮裂纹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凸轮裂纹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。

凸轮结构对弹簧操动机构的动作特性和使用寿命有重要的影响，断路器合闸过程中，凸轮通常由储能弹簧带动旋转，撞击滚轮后，连杆机构带动主轴旋转，从而完成合闸操作。凸轮出现裂纹故障，一方面会导致操动机构动作过程中振动冲击剧烈，剧烈的振动冲击会对其他零部件造成危害；另一方面会造成凸轮的快速磨损，进而对断路器分合闸特性产生影响。

由于凸轮位于高压断路器操动机构内部，当凸轮产生裂纹时很难察觉，普通的方法也难以测试诊断。实际运行中当凸轮裂纹故障被发现时，往往故障已发展至较为严重的程度。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种高压断路器凸轮裂纹故障检测装置及方法，该装置结构设计合理，使用简单，能够在凸轮产生轻微裂纹时有效检测出凸轮裂纹缺陷，保证设备可靠运行；该方法能够实现高压断路器凸轮状态的在线监测，省时省力，节约人力物力。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明公开了一种高压断路器凸轮裂纹故障检测装置，包括信号处理模块、信号采集模块、振动加速度传感器和磁力座；

所述振动加速度传感器用于测量待测凸轮机构的振动信号，其通过磁力座布设于高压断路器待测凸轮机构一侧；

所述振动加速度传感器、信号采集模块与信号处理模块通信互联。

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。

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无线传输方式互联。

优选地，信号采集模块选用NI的数据采集装置，该NI的数据采集装置内部集成有信号调理模块和AD采集模块，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，AD采集模块的输出端连接至信号处理模块。

进一步优选地，所述AD采集模块选用4通道的数据采集卡，采用ISA总线插槽形式，各通道并行采样。

优选地，振动加速度传感器采用压电式振动传感器，量程为500g。

优选地，磁力座与振动加速度传感器之间通过螺纹连接，磁力座依靠对磁铁的吸力固定于待测机构凸轮附近的测试位置。

本发明还公开了上述的高压断路器凸轮裂纹故障检测装置的故障检测方法，包括以下步骤：

1)将振动加速度传感器通过磁力座布设在高压断路器待测操动机构凸轮附近；

2)通过信号采集模块采集在断路器合闸过程中振动加速度传感器的振动信号；其中：

以右手空间直角坐标系为参考坐标系，垂直于地面的方向为z轴，垂直于手动分合闸按钮的方向为x轴，通过信号采集模块采集在断路器合闸过程中振动加速度传感器在y轴方向的振动信号；

3)将采集的振动信号输送到信号处理模块分析处理，进行高压断路器凸轮状态诊断。

优选地，步骤3)中，分析处理具体包括以下步骤：

3.1)对采集的振动信号进行小波软阈值降噪处理；

3.2)采用小波包频带能量分解算法对经步骤3.1)降噪处理后的振动信号进行分析，提取敏感频带的特征值；

3.3)计算敏感频带特征值的2范数，然后和预先设定的阈值进行比较，判断待测操动机构凸轮是否发生裂纹故障；其中：

所述预先设定的阈值，根据待监测型号的高压断路器正常凸轮投运后的n次有效振动信号与轻微裂纹故障凸轮投运后的n次有效振动信号所建立的检测数据库进行设定，即：

式中，R_th为凸轮裂纹故障诊断的特征量阈值，

为凸轮裂纹故障状态下振动信号故障诊断特征向量2范数的最小值；

为正常状态下振动信号故障诊断特征向量2范数的最大值。

10、根据权利要求9所述的故障检测方法，其特征在于，步骤3.2)中，采用小波包频带能量分解算法对降噪处理后的振动信号进行分析，提取敏感频带节点a和b的特征值，记为R_a和R_b，所述小波包频带能量分解算法，具体包括：

对采集的振动信号进行小波包分解后，根据各个频带分解系数来对小波包进行重构，得到各个频带区间内的信号，设原始信号为x(t)，小波包分解层数为j，则其重构信号f(t)为：

式中，d_i(t)为第i个频带节点的重构信号；

定义小波包频带能量E_i为：

式中，E_i为第i个频带节点的能量；

对小波包频带能量进行归一化处理，以此作为高压断路器机械故障诊断的特征值，定义小波包频带归一化能量值R_i：

式中，j为小波包分解层数；

通常取j＝6，即对信号进行6层小波包分解，此时正常工况与裂纹故障工况下R_i差值最大的2个频带节点记为a和b，即为敏感频带节点，其对应的小波包频带归一化能量值R_a和R_b即为敏感频带节点的特征值。

步骤3.3)中，通过步骤3.2)提取的特征值R_a和R_b，计算R_a和R_b的2范数，记为

其计算公式为：

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开的高压断路器凸轮裂纹故障检测装置，通过将振动加速度传感器布设在断路器操动机构凸轮附近，能有效减小振动信号的衰减，使测量结果更能明显准确反映待测凸轮的状态；选择的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，可以实现凸轮裂纹故障的在线监测，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，能够有效检测出凸轮裂纹缺陷，保证设备可靠运行。

进一步地，磁力座的固定方式便于传感器测试的拆卸，使用方便、省时。

本发明公开的检测方法相较于其他检测手段，通过采集断路器合闸过程中凸轮y轴向的振动信号，采用小波包频带能量分解算法对振动信号进行特征值提取，计算两个敏感频带的2范数并与预先设定的阈值进行比较，从而判断出高压断路器凸轮是否发生裂纹缺陷。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凸轮裂纹故障检测装置结构示意图；

图2为本发明提出的高压断路器凸轮裂纹故障检测方法的流程框图。

图3为本发明检测方法中VD4M型号高压断路器合闸过程中加速度传感器采集到的凸轮附近操动机构y轴向的振动加速度曲线。

图4为本发明中提出的小波包频带能量分解算法对VD4M高压断路器正常工况与凸轮裂纹故障下提取的特征值结果比较图。

图5为本发明提出的凸轮裂纹故障检测方法对于VD4M型号高压断路器凸轮裂纹故障识别图。

其中，1为信号处理模块，2为信号采集模块，3为动加速度传感器，4为磁力座，5为屏蔽传输线。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1，为本发明公开的高压断路器凸轮裂纹故障检测装置，，包括磁力座4、振动加速度传感器3、信号采集模块2、信号处理模块1和屏蔽传输线5；振动加速度传感器3通过磁力座4固定于高压断路器待测凸轮机构附近，振动加速度传感器3、信号采集模块2与信号处理模块1通信互联。

优选地，振动加速度传感器3采用压电式振动传感器，量程500g。

优选地，振动加速度传感器3、信号采集模块2与信号处理模块1通过屏蔽传输线5依次相连，或者通过无线传输方式通信互联。

优选地，信号采集模块2通常选用NI的数据采集装置，该装置内部集成有信号调理模块和AD采集模块，信号调理模块的输入端与振动加速度传感器3的输出端相连，AD采集模块的输出端连接至信号处理模块1。

优选地，AD采集模块通常选用4通道的数据采集卡，采用ISA总线插槽形式，各通道并行采样。

优选地，磁力座4与振动加速度传感器3之间通过螺纹连接，磁力座4依靠对磁铁的吸力固定于待测机构凸轮附近的测试位置。

参见图2，为本发明公开的基于上述高压断路器凸轮裂纹故障检测装置的监测方法，包括以下步骤：

1)将振动加速度传感器3通过磁力座4布设在高压断路器操动机构待测凸轮附近；

2)以右手空间直角坐标系为参考坐标系，垂直于地面的方向为z轴，垂直于手动分合闸按钮的方向为x轴，通过信号采集模块2采集在断路器合闸过程中振动加速度传感器3在y轴方向的振动信号。

图3所示为本发明中VD4M型号高压断路器合闸过程中加速度传感器采集到的凸轮附近操动机构y轴向的振动加速度曲线。

3)将采集的振动信号输送到信号处理模块1分析处理，进行高压断路器凸轮状态诊断。

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)采用小波包频带能量分解算法对步骤3.1)处理后的振动信号进行分析，提取敏感频带节点a和b的特征值，记为R_a和R_b；

小波包频带能量分解算法，其计算过程为：

对振动信号进行小波包分解后，根据各个频带分解系数来对小波包进行重构，进而得到各个频带区间内的信号。设原始信号为x(t)，小波包分解层数为j，则其重构信号f(t)为：

式中，d_i(t)——第i个节点的重构信号。

定义小波包频带能量E_i为：

E_i＝∑|d_i(t)|²

式中，E_i——第i个节点的能量。

对小波包频带能量进行归一化处理，以此作为高压断路器机械故障诊断的特征值。定义小波包频带归一化能量值R_i：

式中，j——小波包分解层数。

通常取j＝6，即对信号进行6层小波包分解，此时正常工况与裂纹故障工况下Ri差值最大的2个频带节点记为a和b，即为敏感频带节点，其对应的小波包频带归一化能量值Ra和Rb即为敏感频带节点的特征值。

图4所示为本发明提出的小波包频带能量分解算法对VD4M高压断路器正常工况与轻微凸轮裂纹故障下提取的特征值结果比较图，信号采样频率为25.6kHz，由奈奎斯特采样定理，信号最高可识别频率为12.8kHz。6层小波包分解后频带宽度为200Hz，从图中可知第1频带节点和第19频带节点为敏感频带节点，即1～200Hz频段和3601～3800Hz频段为敏感频段，提取敏感频段的归一化能量值作为其特征值，分别记为R₁和R₁₉。

3.3)通过步骤3.2)提取的特征值R_a和R_b，计算R_a和R_b的2范数，记为，其计算公式为：

3.4)通过对照步骤3.3)提取的特征值和预先设定的阈值，判断该凸轮是否发生裂纹故障。

预先设定的阈值，依托待监测型号的高压断路器正常凸轮投运后的n次有效振动信号与裂纹故障凸轮投运后的n次有效振动信号所建立的检测数据库进行设定，即：

式中，R_th为凸轮裂纹故障诊断的特征量阈值，

为凸轮裂纹故障状态下振动信号故障诊断特征向量2范数的最小值；

为正常状态下振动信号故障诊断特征向量2范数的最大值。

图5所示为本发明提出的凸轮裂纹故障检测方法对于VD4M型号高压断路器凸轮裂纹故障识别图。从图中可以看出，前5组数据为提取的VD4M型高压断路器正常工况下合闸过程凸轮附近y轴向振动的特征值，后5组数据为提取的VD4M型高压断路器轻微凸轮裂纹故障下合闸过程凸轮附近y轴向振动的特征值，R_th＝12.9653。由图可得本发明提出的故障检测方法能够有效识别高压断路器凸轮裂纹故障。

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)

1.一种高压断路器凸轮裂纹故障检测装置，其特征在于，包括信号处理模块(1)、信号采集模块(2)、振动加速度传感器(3)和磁力座(4)；

所述振动加速度传感器(3)用于测量待测凸轮机构的振动信号，其通过磁力座(4)布设于高压断路器待测凸轮机构一侧；

所述振动加速度传感器(3)、信号采集模块(2)与信号处理模块(1)通信互联。

2.根据权利要求1所述的高压断路器凸轮裂纹故障检测装置，其特征在于，振动加速度传感器(3)、信号采集模块(2)与信号处理模块(1)通过屏蔽传输线(5)依次相连。

3.根据权利要求1所述的高压断路器凸轮裂纹故障检测装置，其特征在于，振动加速度传感器(3)、信号采集模块(2)与信号处理模块(1)通过无线传输方式互联。

4.根据权利要求1所述的高压断路器凸轮裂纹故障检测装置，其特征在于，信号采集模块(2)选用NI的数据采集装置，该NI的数据采集装置内部集成有信号调理模块和AD采集模块，信号调理模块的输入端与振动加速度传感器(3)的输出端相连，AD采集模块的输出端连接至信号处理模块(1)。

5.根据权利要求4所述的高压断路器凸轮裂纹故障检测装置，其特征在于，所述AD采集模块选用4通道的数据采集卡，采用ISA总线插槽形式，各通道并行采样。

6.根据权利要求1～5中任意一项所述的高压断路器凸轮裂纹故障检测装置，其特征在于，振动加速度传感器(3)采用压电式振动传感器，量程为500g。

7.根据权利要求1～5中任意一项所述的高压断路器凸轮裂纹故障检测装置，其特征在于，磁力座(4)与振动加速度传感器(3)之间通过螺纹连接，磁力座(4)依靠对磁铁的吸力固定于待测机构凸轮附近的测试位置。

8.基于权利要求1～7中任意一项所述的高压断路器凸轮裂纹故障检测装置的故障检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将振动加速度传感器(3)通过磁力座(4)布设在高压断路器待测操动机构凸轮附近；

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

以右手空间直角坐标系为参考坐标系，垂直于地面的方向为z轴，垂直于手动分合闸按钮的方向为x轴，通过信号采集模块(2)采集在断路器合闸过程中振动加速度传感器(3)在y轴方向的振动信号；

3)将采集的振动信号输送到信号处理模块(1)分析处理，进行高压断路器凸轮状态诊断。

9.根据权利要求8所述的故障检测方法，其特征在于，步骤3)中，分析处理具体包括以下步骤：

3.1)对采集的振动信号进行小波软阈值降噪处理；

3.2)采用小波包频带能量分解算法对经步骤3.1)降噪处理后的振动信号进行分析，提取敏感频带的特征值；

3.3)计算敏感频带特征值的2范数，然后和预先设定的阈值进行比较，判断待测操动机构凸轮是否发生裂纹故障；其中：

所述预先设定的阈值，根据待监测型号的高压断路器正常凸轮投运后的n次有效振动信号与轻微裂纹故障凸轮投运后的n次有效振动信号所建立的检测数据库进行设定，即：

式中，R_th为凸轮裂纹故障诊断的特征量阈值，

为凸轮裂纹故障状态下振动信号故障诊断特征向量2范数的最小值；

为正常状态下振动信号故障诊断特征向量2范数的最大值。

10.根据权利要求9所述的故障检测方法，其特征在于，步骤3.2)中，采用小波包频带能量分解算法对降噪处理后的振动信号进行分析，提取敏感频带节点a和b的特征值，记为R_a和R_b，所述小波包频带能量分解算法，具体包括：

对采集的振动信号进行小波包分解后，根据各个频带分解系数来对小波包进行重构，得到各个频带区间内的信号，设原始信号为x(t)，小波包分解层数为j，则其重构信号f(t)为：

式中，d_i(t)为第i个频带节点的重构信号；

定义小波包频带能量E_i为：

E_i＝∑|d_i(t)|²

式中，E_i为第i个频带节点的能量；

对小波包频带能量进行归一化处理，以此作为高压断路器机械故障诊断的特征值，定义小波包频带归一化能量值R_i：

式中，j为小波包分解层数；

通常取j＝6，即对信号进行6层小波包分解，此时正常工况与裂纹故障工况下R_i差值最大的2个频带节点记为a和b，即为敏感频带节点，其对应的小波包频带归一化能量值R_a和R_b即为敏感频带节点的特征值；

步骤3.3)中，通过步骤3.2)提取的特征值R_a和R_b，计算R_a和R_b的2范数，记为

其计算公式为：

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