CN1595188A - 基于振动分析的真空断路器触头关合时刻的在线检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于振动分析的真空断路器触头关合时刻的在线检测方法，包括如下步骤：1)选择振动传感器的安装位置和安装方向，2)设定采样顺序、采样频率、采样长度和触发方式并对采样数据进行存储；3)对振动数据预处理；4)选取移动窗函数的类型和长度，采用短时能量算法进行分析；5)选择门限值，确定三相触头的关合时刻；6)根据三相触头的关合时刻计算合闸同期性和合闸时间。本发明通过选择振动传感器的安装位置以及短时能量分析时间窗函数的类型和长度，提高了振动信号分析的事件分辨能力和抗干扰能力，从而实现了在线状态下三相触头关合时刻的检测。

Description

基于振动分析的真空断路器触头关合时刻的在线检测方法

技术领域

本发明涉及电工技术领域，尤其涉及一种基于振动分析的真空断路器触头关合时刻的在线检测方法。

背景技术

真空断路器三相触头的关合时刻是描述其机械运行状态的一个重要参数。许多机械特性参量如合闸时间、合闸速度和合闸同期性的计算都依赖于触头关合时刻的确定。离线下该点的检测比较容易，一般都是通过在三相断口上加辅助电回路来实现，目前世界各国研制的大多断路器机械特性测试装置都能对空载下的触头关合时刻进行准确地检测。然而，当断路器工作于负载状态下时，三相触头处于高电位下，因此无法用离线下传统的电气方法进行检测。以往的断路器在线监测中都是利用动触头的行程特性大概估计触头的关合时刻，误差较大，对提高整个机械参量的计算精度非常不利。

振动分析是一种非侵入式的检测方法，由于振动传感器安装在断路器的接地部分，因此非常适合在线情况下的状态监测，近年来得到了较为广泛的应用。断路器在分合闸操作过程中，由于内部各零部件之间的相互摩擦和碰撞，会在机构表面产生由多个冲击衰减波组成的时间序列。通过提取这些衰减波的起始点可以确定不同振动事件的发生时刻。附图2是ZN12型真空断路器合闸过程中在机构表面采集到的振动信号，其中包含了6个典型的振动事件：事件1是合闸电磁铁撞击合闸擎子引起的；事件2是凸轮和杠杆机构碰撞引起的；事件3，4，5是合闸过程中三相触头碰撞引起的；事件6是分闸擎子运动到位时的碰撞引起的。现有的确定振动事件起始时间的方法包括中值滤波法、时域包络法、幅值法和自相关法。这些方法由于受事件时间分辨能力和抗干扰能力的限制，都局限于分析在时域内能够明显区分的单个振动事件，如附图2中的事件1，事件2和事件6。真空断路器的三相触头通常采用同一个操动机构，在合闸过程中，三相触头碰撞引起的振动事件在时间上非常接近，相互之间一般只差几个毫秒(即合闸同期性)。由此所产生的振动波传播到机构上时在时域内相互叠加，并且幅值相当(附图2中的事件3、事件4、和事件5)。对于这种由多个事件混和而成的振动信号，传统的分析方法只能得到一个起始时刻，但该时刻究竟代表哪相触头的振动却难以知道。当合闸同期性在正常状态时(即三相关合时刻的最大时间差在断路器正常工作的允许范围内)，用该时刻来近似代替断路器的关合时刻是可以的；但当合闸同期性因为机构状态的变化而发生较大变动时，就必须分别知道三相触头的关合时刻，才能对断路器的机械运行状态进行正确的评估。在国内外的参考文献中，至今还没有对真空断路器三相触头关合时刻进行在线测量的相关报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于振动分析的真空断路器触头关合时刻的在线检测方法，用以实现在线状态下真空断路器三相触头关合时刻的检测。

本发明的技术构思是：选取合适的振动传感器安装位置，突出测量相触头的振动信号，降低其他两相触头振动的影响。对采集的振动信号进行限幅滤波预处理，然后采用短时能量的算法提取各相触头的关合时刻。

断路器的状态检测是电器智能化的一项重要内容。为了提高真空断路器的使用寿命，降低其日常维护费用，就必须不断完善机械特性在线检测的内容。状态检测的正确性依赖于各个机械参量的测量精度，其中，三相触头关合时刻对于合闸参量的计算非常重要。从上述断路器振动检测的现有技术来看，寻找一种事件时间分辨能力高、抗干扰能力强的振动检测方法是实现三相触头关合时刻在线检测的关键。

本发明的目的采用以下技术方案实现：基于振动分析的真空断路器触头关合时刻的在线检测方法包括如下步骤：

1)选择振动传感器的安装位置和安装方向，传感器安装位置为A、B、C三相绝缘拉杆和断路器接地部分相连接的端部P点，采用三个同型号的振动加速度传感器同时获取三相触头的振动信号，安装方向与绝缘拉杆平行；

2)设定采样顺序、采样频率、采样长度和触发方式并对采样数据进行存储；

3)对振动数据预处理，采用限幅滤波算法对振动信号中噪声引起的突变点进行平滑；

4)选取移动窗函数的类型和长度，采用短时能量算法进行分析；

5)选择门限值，确定三相触头的关合时刻；

6)根据三相触头的关合时刻计算合闸同期性和合闸时间。

上述设定采样的顺序为A相-B相-C相；采样频率为≥25kHz；以合闸线圈电流的上升沿启动采样，采样长度为断路器合闸时间的两倍。

所述的限幅滤波算法如下：先求取振动信号绝对值的包络线，通过比较相邻时刻两个采样点的包络线幅值y(n)和y(n-1)，如果他们的差值超过了所设定的限幅值，则认为发生了突变干扰，并视这次采样值x(n)为非法值，予以剔除，而用x(n-1)来代替x(n)；限幅值由包络线在振动信号起始处的最大变化速率V_max和采样周期T的乘积决定。

选取移动窗函数的类型和长度，采用短时能量算法分析为：

设振动序列为x(i)，i＝0，…，N-1，则短时能量函数S(n)定义为：

$S\left(n\right)=\underset{i=-\∞}{\overset{+\∞}{\mathrm{\Σ}}}{x}^2\left(i\right)w(n-i)=\underset{i=n-M+1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}^2\left(i\right)w(n-i)=x^2\left(n\right)*w\left(n\right)$

式中w(n)，n＝0，…，M-1为移动窗函数，M是窗函数的长度。S(n)代表了信号在时刻n的局部能量。在分析真空断路器合闸振动信号时选用海明窗，当采样频率确定时，窗长M取50～100。海明窗函数定义为：

$w\left(n\right)=0.54-0.46\cos \left(\frac{2\mathrm{\πn}}{M-1}\right)---0\≤n\≤M-1$

门限值选择范围为：0～振动信号短时能量分析波形中第一个峰值(E_s)的一半。从而得到三相触头振动事件的起始时间，分别对应断路器各相触头的关合时刻；设振动事件前外界噪声的短时能量分析最大值为N_max，则门限值T_h的选择为：

合闸同期性、合闸时间的计算如下：根据关合时刻的先后顺序判断首合相和最后关合相，它们之间的时间差即为合闸同期性；以线圈电流的起始点作为合闸指令到达的瞬间，它和最后关合相的关合时刻之间的时间差即为断路器的合闸时间。

本发明将短时能量的思想应用到真空断路器合闸振动信号的分析中，通过合理选择振动传感器的安装位置和短时能量分析的时间窗函数，提高了振动信号分析的事件时间分辨能力和抗干扰能力，从而实现了在线状态下三相触头关合时刻的检测。

附图说明

图1为本发明的软件处理流程图；

图2为真空断路器合闸时的振动信号图；

图3为真空断路器的正视图；

图4为振动传感器的安装位置P点示意图；

图5为窗函数长度M对短时能量分析结果的影响图；

图6为真空断路器三相触头的合闸换位信号和合闸振动信号图；

图7为对图6的合闸振动信号进行短时能量分析的结果图。

图8为本发明振动信号分析得到的合闸同期性和真实值的比较曲线图；

具体实施方式

以下结合附图对本发明作更详细的说明。

振动信号处理软件的流程如附图1所示：

1)设定采样顺序、采样频率、采样长度和触发方式；

2)采集振动信号并存储；

3)对振动信号的绝对值求取包络线；

4)通过限幅滤波算法找出噪声突变点的位置并在原始信号中作平滑处理；

5)选取窗函数的类型和长度；

6)采用短时能量算法进行分析；

7)选择合适的门限值，确定真空断路器的关合时刻；

8)计算合闸同期性、合闸时间和合闸速度等机械状态参量。

为了能分别得到三相触头的关合时刻，首先必须合理地选择振动传感器的安装位置。参见图3的真空断路器正视图和图4的振动传感器安装位置P点示意图，针对目前真空断路器普遍采用的四连杆机构，采用三个同型号的振动加速度传感器(内部集成电荷放大器)同时检测三相触头的振动信号。本发明选定绝缘拉杆和断路器接地部分相连的端部作为测量位置(附图4中P点所示)，安装方向和绝缘拉杆平行。为了不破坏绝缘拉杆本身的绝缘性能，安装方式采用环氧树脂粘贴的方式，由此获得各相触头的振动信号。选择P点时考虑了三个因素：其一，该点处于断路器的接地部分，符合在线检测的要求；其二，由于在合闸过程中绝缘拉杆即要作平动又要作转动，因此该点的外围自由空间较大，便于振动传感器的安装。其三，该点离测量相触头的振源最近，而离其余两相触头的振源较远，因此可以最大程度突出测量相触头的振动信号。大量对比试验表明，在经过操动机构的缓冲和衰减后，其余两相触头振动信号的频率和幅值在该点都大大降低，因而对提取测量相的触头振动事件非常有利。

从振动传感器获取的信号，经过传感器信号调理器的变换后，由数据采集卡采集到计算机内进行处理。振动数据的采集采用外部中断触发的方式，中断信号由合闸线圈电流产生。从合闸电流的上升沿处，顺序采集A相、B相和C相的触头振动信号。频谱分析表明，真空断路器合闸振动信号主要频率分量集中在10kHz以内，根据采样定理，并考虑一定的裕度，采样频率可设为25kHz。采样长度为两倍的断路器合闸时间。

在试验数据的测量、传输和记录过程中，有时会突然受严重的外界干扰，使记录的信号中引入一些异常的突变点。这些突变点较集中时，相当于提高了总的噪声水平，从而干扰数据的分析，因此需要对所采集的原始数据进行预处理。软件中采用限幅滤波的算法找出突变点所在的位置，然后在原始数据中加以平滑。限幅滤波的算法如下：通过比较相邻两个采样点的包络线幅值y(n)和y(n-1)，如果他们的差值超过了所设定的限幅值，则认为发生了突变干扰，并视这次采样值x(n)为非法值，予以剔除，而用x(n-1)来代替x(n)。限幅值由包络线在振动信号起始处的最大变化速率V_max和采样周期T的乘积决定。

预处理后的信号采用短时能量的算法进行分析，设振动序列为x(i)，i＝0，…，N-1，则短时能量函数S(n)定义为：

$S\left(n\right)=\underset{i=-\∞}{\overset{+\∞}{\mathrm{\Σ}}}{x}^2\left(i\right)w(n-i)=\underset{i=n-M+1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}^2\left(i\right)w(n-i)=x^2\left(n\right)*w\left(n\right)$

式中w(n)，n＝0，…，M-1为移动窗函数，M是窗函数的长度。S(n)代表了信号在时刻n的局部能量。可以看到，短时能量分析对信号先进行指数变换，然后用分段或分帧叠加的方法加以处理。分帧可以连续，也可以交叠，用可移动的有限长度窗口进行加权来实现。

现场检测时，由于断路器工作在复杂的电磁环境中，因此从振动传感器获取的信号中免不了存在大量的随机噪声。其中包括机构零部件运动和摩擦所产生的低频干扰信号，也有局部放电和电弧放电引起的高频噪声信号。这些干扰信号具有很大的随机性，对触头振动事件起始时刻的提取非常不利。原始采样信号经过短时能量分析后，信号的平方处理突出了能量较大的有用信号，取值较小的噪声信号则可以忽略不计。另外，由于冲击信号具有局部连续性，在开始处连续几点的取值都较大，而噪声具有随机性，连续几点取到较大值的概率很低，所以经过窗函数的能量累积可以进一步削弱噪声的影响，从而有效地提高了信噪比。

不同的窗函数(形状、长度)将决定短时能量分析的结果。因此必须针对振动信号的特点，选择合适的窗函数的类型和长度。程序中有两种常用的窗口类型可供选择：矩形窗和海明窗。相对矩形窗而言，海明窗具有较大的带宽和较快的带外衰减速度，对输入信号的失真较小，因此在处理真空断路器合闸振动信号的过程中选用了海明窗。提取图2中事件1附近2ms范围内的信号作短时能量分析，参见图5的窗函数长度M对短时能量分析结果的影响图，图中横坐标为时间轴，纵坐标为短时能量，4条曲线分别对应海明窗函数长度为10、50、100和150时的短时能量分析结果，可以看到当采样频率一定时，窗长越短则短时能量分析的时间滞后T_di(i＝1，2，3，4，)越小，得到的事件时间也越接近真实值；但同时又不利于发挥短时能量分析信噪比高的特点，应用中必须权衡两者加以选择。在25kHz的采样率下，经反复比较窗长取50～100较为合适。具体的窗长取决于不同现场环境下获取的断路器振动信号的形态。当所含噪声较弱时，选较短的窗长，以降低短时能量分析的时滞；当所含噪声较强时，选较长的窗长以提高信噪比。

根据振动信号短时能量分析结果的幅值以及噪声的强弱选择合适的门限值(0～振动信号短时能量分析波形中第一个峰值(E_s)的一半)。从而得到三相触头振动事件的起始时间，分别对应断路器各相触头的关合时刻。设振动事件前外界噪声的短时能量分析最大值为N_max，则门限值T_h为：

根据关合时刻的先后顺序判断首合相和最后关合相，它们之间的时间差即为合闸同期性。结合线圈电流曲线，以线圈电流的起始点作为合闸指令到达的瞬间，它和最后关合相的关合时刻之间的时间差即为断路器的合闸时间。

实施例

在试验室中采用三个型号为M353B18的加速度传感器检测ZN12型真空断路器的合闸振动信号。在此之前先用离线下的方法测量三相触头的换位信号，用以验证振动检测的效果。参见图6所示的ZN12型真空断路器三相触头的合闸换位信号和合闸振动信号波形，图中横坐标为时间轴，X_a、X_b、X_c分别是对应A、B、C三相触头关合的振动信号，C_a、C_b、C_c分别是合闸过程中A相、B相、C相触头的换位信号。可以看出C相是首合相，然后依次是A相和B相。B、C两相之间的时间差dt代表了真空断路器的合闸同期性。

对图6中的振动信号进行短时能量分析，参见图7所示的ZN12型真空断路器合闸振动信号短时能量分析的波形图，图中横坐标为时间轴，S_a、S_b、S_c分别是A、B、C三相触头振动信号的短时能量分析结果，并以合闸线圈电流i的起点为基准在时间轴上对齐。和原始振动信号相比，短时能量分析大大提高了信噪比，使得三相触头振动事件的起始点明显地突现出来。选择合适的门限值，从而得到三相触头振动事件的起始时间t₁、t₂和t₃，分别对应各相触头的关合时刻。t₂-t₃代表了断路器的合闸同期性。合闸线圈电流的起始点近似于合闸指令到达的瞬间，B相是最后关合相，因此t₂就代表了断路器的合闸时间。得到了断路器的关合时刻后，结合动触头的行程曲线，同样可以求得合闸速度。为了验证该方法的稳定性，在相同的机构状态下作了五次重复试验，分析结果如表1所示。

表1中括号内的数据表示分析结果和离线下测量的触头换位信号之间的绝对误差，可以看到最大误差为0.2ms。此误差对于真空断路器的机械状态检测而言，已经足以区分由于机构状态变化而引起的触头关合时刻的改变。当用于其他机械参量如合闸时间、合闸速度和合闸同期性的计算时，同样可以达到较高的检测精度。

参见图8，对于ZN12型真空断路器，通过调节绝缘拉杆的长度可以调整三相触头的开距和超程，三相同期性也会随之发生变化，因此可以用来模拟断路器合闸同期性的变化。试验中调节C相绝缘拉杆的长度，在原始长度的基础上每增加2mm测量一次三相触头的振动信号。用本发明所述的振动分析方法计算每种状态下的合闸同期性，同时以离线下的触头换位信号得到的合闸同期性为真实值进行比较，得到图8所示的振动分析得到的合闸同期性和真实值比较曲线图，图中横坐标为ZN12型真空断路器绝缘拉杆的长度，纵坐标代表合闸同期性。

从图8可以看到，随着C相绝缘拉杆的增长，三相合闸同期性随之增大。而且由振动分析方法计算出的合闸同期性与真实值保持了良好的一致性，最大相对误差为4.3％。

        表1  ZN12型真空断路器合闸试验的短时能量分析结果

试验次数    t₁/ms     t₂/ms     t₃/ms   (t₂-t₃)/ms (t₂-t₁)/ms

            66.04       67.08       65.34       1.74       1.04

1

            (-0.01)     (-0.09)     (-0.09)     (0.00)     (-0.08)

            66.08       67.24       65.70       1.54       1.16

2

            (-0.01)     (-0.09)     (0.11)      (-0.20)    (-0.08)

            66.02       67.18       65.60       1.58       1.16

3

            (-0.09)     (-0.09)     (0.11)      (-0.20)    (0.00)

            66.08       67.16       65.42       1.74       1.08

4

            (0.03)      (-0.05)     (-0.01)     (-0.04)     (-0.08)

            66.08       67.12       65.34       1.78        1.04

5

            (0.07)      (-0.05)     (-0.05)     (0.00)      (-0.12)

平均值      66.06       67.16       65.48       1.68        1.10

Claims (6)

1、一种基于振动分析的真空断路器触头关合时刻的在线检测方法，其特征在于包括如下步骤：

1)选择振动传感器的安装位置和安装方向，传感器安装位置为A、B、C三相绝缘拉杆和断路器接地部分相连接的端部(P点)，采用三个同型号的振动传感器同时获取三相触头的振动信号，安装方向与绝缘拉杆平行；

2)设定采样顺序、采样频率、采样长度和触发方式并对采样数据进行存储；

3)对振动数据预处理，采用限幅滤波算法对振动信号中噪声引起的突变点进行平滑；

4)选取移动窗函数的类型和长度，采用短时能量算法进行分析；

5)选择门限值，确定三相触头的关合时刻；

6)根据三相触头的关合时刻计算合闸同期性和合闸时间。

2、根据权利要求1所述的基于振动分析的真空断路器触头关合时刻的在线检测方法，其特征在于所述的设定采样顺序为A相-B相-C相；采样频率为≥25kHz；以合闸线圈电流的上升沿启动采样，采样长度为断路器合闸时间的两倍。

3、根据权利要求1所述的基于振动分析的真空断路器触头关合时刻的在线检测方法，其特征在于所述的限幅滤波算法如下：

先求取振动信号绝对值的包络线，通过比较相邻时刻两个采样点的包络线幅值y(n)和y(n-1)，如果他们的差值超过了所设定的限幅值，则认为发生了突变干扰，并视这次采样值x(n)为非法值，予以剔除，而用x(n-1)来代替x(n)；限幅值由包络线在振动信号起始处的最大变化速率V_max和采样周期T的乘积决定。

4、根据权利要求1所述的基于振动分析的真空断路器触头关合时刻的在线检测方法，其特征在于所述的选取移动窗函数的类型和长度，采用短时能量算法分析为：

设振动序列为x(i)，i＝0，…，N-1，则短时能量函数S(n)定义为：

$S\left(n\right)=\underset{l=-\∞}{\overset{+\∞}{\mathrm{\Σ}}}{x}^2\left(i\right)w(n-i)=\underset{l=n-M-1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}^2\left(i\right)w(n-i)=x^2\left(n\right)*w\left(n\right)$

式中w(n)，n＝0，…，M-1为移动窗函数，M是窗函数的长度；S(n)代表了信号在时刻n的局部能量；在分析真空断路器合闸振动信号时选用海明窗，当采样频率确定时，窗长M取50～100；海明窗函数定义为：

$w\left(n\right)=0.54-0.46\cos \left(\frac{2\mathrm{\πn}}{M-1}\right)0\≤n\≤M-1$

5、根据权利要求1所述的基于振动分析的真空断路器触头关合时刻的在线检测方法，其特征在于所述的门限值选择范围为：0～振动信号短时能量分析波形中第一个峰值(E_S)的一半；从而得到三相触头振动事件的起始时间，分别对应断路器各相触头的关合时刻；设振动事件前外界噪声的短时能量分析最大值为N_max，则门限值T_h的选择为：

6、根据权利要求1所述的基于振动分析的真空断路器触头关合时刻的在线检测方法，其特征在于所述的合闸同期性、合闸时间的计算如下：根据关合时刻的先后顺序判断首合相和最后关合相，它们之间的时间差即为合闸同期性；以线圈电流的起始点作为合闸指令到达的瞬间，它和最后关合相的关合时刻之间的时间差即为断路器的合闸时间。

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