（电力电子与电力传动专业论文）高压断路器在线监测与故障诊断系统的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生论文第1 i 页 。_ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ - _ _ - _ - _ _ _ _ - _ ，_ - _ _ _ - _ - - _ _ - _ - - i _ - _ - - _ - _ - - _ _ - - 一二一二一 a b s t r a c t h i g hv o l t a g ec i r c u i tb r e a k e ri so n eo ft h em o s ti m p o r t a n ta n dt h e m o s t c o m p l e x e l e c t r i c a l d e v i c e ，a n di t p l a y a n i m p o r t a n t r o l et o g u a r a n t e e e l e c t r i c a l p o w e rs y s t e m o n - l i n e w o r k i n g c o n d i t i o n m o n i t o r i n gr e s e a r c hf o rh i g h - v o l t a g ec i r c u i tb r e a k e r t h er e a l t i m ea n d p r e c i s em o n i t o r i n go ft h ec i r c u i tb r e a k e rw i l lp r o v i d eal o to fd a t ao f t h eb r e a k e rf o rw ed i a g n o s ew h e t h e rt h e r ei sf a u l t s i nb r e a k e r s t h i s t h e s i sb u i l tas y s t e mo fm o n i t o r i n ga n df a u l t sd i a g n o s t i c s f i r s t l y ，i nt h i sp a p e r ，t h et h e o r ya b o u to n 1 i n ew o r k i n gc o n d i t i o n m o n i t o r i n gr e s e a r c hf o rh i g h v o l t a g ec i r c u i tb r e a k e ri sf i r s t l yd i s c u s s e d h o wt om e a s u r et h e t r a v e l c h a r a c t e r i s t i c ，c a l c u l a t ee x p e c t a n c yo f e l e c t r i c a le n d u r a n c e ，a n a l y s i sc o i lc u r r e n ta n dv i b r a t i o n t h u sc a nb e o b t a i n e do p e r a t i n gc o n d i t i o no fc i r c u i tb r e a k e r s s e c o n d l y ，t h eh a r d w a r ef o rm o n i t o r i n gh i g h v o l t a g ec i r c u i tb r e a k e r w o r k i n gc o n d i t i o ni sd e s i g n e d t h e h a r d w a r ei sm a d eu po ft o wp a r t s ， o n ei st h ed a t a a c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n ga n dc o m m u n i c a t ew i t ht h e c o m p u t e r ，t h eo t h e ri st h ec o m p u t e r ，w h i c hi su s e dt od i s p l a yr e s u l t ，a n d s oo n d a t aa c q u i s i t i o nu n i ta n dt h ec o m p u t e ra r el i n k e db yr s 4 8 5 l a s t l y ，u n d e rt h en e c e s s i t yo fm o n i t o r i n gs y s t e m ，t h i s p a p e r d e s i g n e dd a t ea c q u i s i t i o np r o g r a m m e ，d a t ep r o c e s s i n gp r o g r a m m e ，u p l o d p r o g r a m m ea n dg i v ea na l a mp r o g r a m m e t h e p a r t o ft h e t h e o r y a b o u to n 1 i n e w o r k i n g r e s e a r c hf o r h i g h v o l t a g e c i r c u i tb r e a k e ra r e r e s e a r c h e d ，t h eh a r d w a r ea n dt h e s o f t w a r ea r ec o m p l e t e d k e y w o r d ：h i g h - v o l t a g e c i r c u i tb r e a k e r ；o n l i n e m o n i t o r i n g ； m e c h a n i c a lf a u l t ：e l e c t r i c a le n d u r a n c e 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将 本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密囱，使用本授权书。、 ( 请在以上方框内打“ ) 学位论文作者签名：主1 1 健珲 日期：如d 7 i i 指导老师签名：弓够带 日期：上口口罗f 二 7 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行 研究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包 含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研 究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全 意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 关于高压断路器在线监测与故障诊断的研究已经数年的经历， 但是所用的随着科学技术进步和研究方法的改进，特别是随着单片 机的发展，人们对高压断路器的研究也随着有了一定的突破。本文 采用t i 公司的t m s 3 2 0 f 2 8 12 芯片，设计了一套自己的关于高压断 路器在线监测与诊断系统，该芯片是综合8 0 c 51 、t m s 3 2 0 f 2 0 6 和嵌 入式系统的优缺点而选择的。整体来讲具有较好的经济性和实用性， 所以整体来讲，具有较高的性价比。同时本文在电路设计方面也有 所创新，在电路设计时也是兼顾经济性和实用性。 在软件方面，本文设计了与他人不同的人际交流界面，更加简 洁实用，更加方便易懂且容易操作，有利于工作人员操作。 函礁年 西南交通大学硕士研究生论文第1 页 1 1 课题背景 第1 章绪论 随着电力系统快速发展，人们对供电质量的要求也越来越高，因此保证 电力设备的安全运行越来越重要。高压电力设备是组成电力系统的基本元 件，是保证电力系统运行可靠性的基础。高压断路器是电力系统中最重要的 开关设备，在电网中起到控制和保护作用，即根据电网运行的需要用它来可 靠的投入或切除相应的线路或电气设备。当线路或电气设备发生故障时：将 故障部分从电网中快速切除，保证电网无故障部分正常运行。如果断路器不 能在电力系统发生故障时开断线路、消除故障，就会使事故扩大造成大面积 的停电。因此高压断路器性能的好坏、工作的可靠程度是决定电力系统安全 运行的重要因素【i 】。 1 2 高压断路器的概述 3 k v 及以上电力系统中使用的断路器称为高压断路器，它是电力系统中 最重要的控制和保护设备。无论电力线路处在什么状态，都要求断路器动作 及时，它都应能可靠的动作，或是关合，或是开断电路。概括地讲，高压电 路器在电网中起着两方面的作用：第一，控制作用。根据电网运行需要，用 高压断路器把一部分电力设备或线路投入或退出运行。第二，保护作用。高 压断路器还可以在电力线路或设备发生故障时将故障部分从电网快速切断， 保证电网中的无故障部分正常运行。总之，高压断路器能够开断、关合及承 载运行线路的正常电流，也能在规定时间内承载、关合及开断规定的异常电 流，如过载电流或短路电流。断路器的典型结构如图i - i 所示 1 】 2 】【3 1 。 西南交通大学硕士研究生论文第2 页 ( 量) 访电霸壳 卜一开嘶元释2 绝缘直匿 4 秃 图1 1 断路器经典结构图 图中开断元件是断路器用来进行关合、承载和开断正常工作电流和故障 电流的执行元件，它包括触头、导电部分和灭弧室等。触头的分合动作是靠 操动机构来带动的，常用的操动机构有电磁操动机构、弹簧操动机构、压缩 空气气动操作机构和液压操动机构等。 开断元件放在绝缘支柱上图卜l ( a ) ，是处于高电平的触头、导电部分 及灭弧室与地电位绝缘，绝缘支柱则安装在接地的基座上。这类结构称为外 壳带电断路器，或者称之为绝缘支柱式断路器。 另一类结构的断路器称之为外壳接地断路器( 又称落地罐式) ，如图 卜1 ( b ) 所示。开断元件放在接地的箱壳中，其间的绝缘依靠气体( 压缩空气 或六氟化硫) 或液体( 高压器油) 来承担，导电部分经套管引入，结构比较稳 定，常在额定电压高的电压和超高压断路器中使用，抗地震性能好【l 】。 高压断路器于其他电力设备如电机，电容器相比，有以下几个特点：结 构的多样性、试验的重要性、要求高度的可靠性。电力系统的运行状态和负 载性质是多种多样的，作为控制、保护元件的高压断路器，要保证电力系统 的安全运行，对它的要求也是多方面的，如对电气性能、机械性能、开合能 力以及断路器所处自然环境的要求，但是高度的可靠性是对高压断路器最基 本的要求。与高压断路器所保护的设备，如发电机等，单台断路器的价格要 低得多。但是因断路器故障造成的损失，如引起其他电力设备的损坏和电力 系统的停电，则远远超过断路器本身的价值。因此要十分重视断路器工作的 西南交通大学硕士研究生论文第3 页 可靠性，认真对待设计、加工、生产、检验、安装、运行、维修等各个方面， 以最大限度地保证断路器的可靠性。对高压断路器实施预测性维修和科学化 管理是断路器运行环节中提高可靠性的最有效途径。 1 3 高压断路器在线监测的意义 目前，我国变电站电气设备的检修工作主要是定期进行预防性试验，根 据实验的结果来判断设备的运行状态，从而确定是否可以继续运行。长期以 来，坚持预防性试验对我国电力系统的安全运行起到了很大的作用。但随着 电力系统的大容量化、高电压化和结构复杂化和当今科学的发展，对电力系 统安全可靠性指标的要求也越来越高。这种传统的试验与诊断方法已越来越 不适应需要。 基于以上原因，单靠传统的预防性试验和定期检修已不能满足电力系统 飞速发展的要求。为了确保电力系统的安全运行，最大限度地降低事故率， 迫切需要实行电气设备的状态检修。电气设备的状态检修是根据先进的状态 监测和诊断技术提供的设备状态信息，辨别设备的异常，预知设备的运行趋 势，在故障发生之前进行检修的一种检修方式。近年来，人们己经发现，依 靠设备的在线监测与诊断技术，实现设备的状态检修，可以达到电力系统的 要求。 1 4 高压断路器在线监测的现状与不足 对断路器实行的定期检修制度盲目性大，也需要拆卸断路器，并且在拆 卸和安装过程中会带来新的问题，降低设备的可靠性。因此必须对高压断路 器状态实行在线监测，实时监测断路器的运行状态，并为设备的状态检修提 供依据。 一些发达国家对断路器的状态诊断技术已日趋成熟。比如美国德克萨斯 电力公司采用便携式断路器分析仪、美国h a t h w a y 公司开发的b c m 2 0 0 断 路器状态监测系统、a b b 公司开发的配断路器状态监测系统、日本东京电 力公司和东芝公司联合开发的g i s 在线监测和诊断系统以及法国a l s t o m 研究中心研制的c b w a t c h 系列断路器状态监测系统。实践证明，这些断路 西南交通大学硕士研究生论文第4 页 器状态监测系统为实现整个电网的安全运行提供了有力的工具。 在我国，虽然还没有很成熟的断路器状态监测产品，但有关单位在这方 面也做出了有益的探索，并开发出相应的状态监测系统。例如，由清华大学 开发的高压断路器状态监测系统，华中理工大学和湖南省电力局联合研制的 高压断路器机械特性在线监测系统。香港中华电力公司项目组开发了断路器 状态监测在线分布式信息系统，通过独立的微处理器实现对每台断路器状态 的连续监测。武汉市大洋新技术有限公司研制的d b 8 0 0 1 动特性分析仪也已 在相关部门得以应用。 从各种文献和资料的报导【4 】 5 】【6 】 7 】 8 1 来看，目前针对断路器的在线监测和 诊断技术存在几个问题： 1 ) 在线监测系统不完善，多数都是针对单一或几个参数的在线监测， 这不利于故障的诊断； 2 ) 在线监测参数提取用的传感器不够精确，诊断精度不高； 3 ) 数据的保存、处理等不系统，缺乏科学的管理，无法根据利用断路 器运行的历史对故障做出合理的判断，也无法实现在线监测的数据的区域性 电网运行系统甚至全世界电网系统的共享，浪费资源； 4 ) 与其他相关技术和管理措施及其信息系统的相互配合性较差，不易 实现从定期检修向状态检修的完全过渡。 1 5 课题主要研究的内容 针对当前高压断路器的研究的现状和不足，综合已有监测技术的，结合 前人研究的结果【4 】【9 】【l 们，本课题设计开发了一套高压断路器在线监测与诊断 装置。 课题研究的主要的内容有： ( 1 ) 、技术手段的实施部分：给出了高压断路器在线监测的原理，分析以 往对相关信号监测的优缺点；针对监测信号的特点，选取了相应的传感器， 以便方便、迅速、准确、可靠地完成检测任务 i l l 1 2 】。 ( 2 ) 、下位机功能电路设计部分：选用了t i 公司的3 2 位高性能数字处理 器t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为微处理器进行外围硬件电路设计，主要包括信号调理电 路、存储器的扩展电路、复位电路设计、键盘和显示屏电路设计、时钟电路、 开关量的输出输入、通讯电路和j t a g 电路设计；制作硬件电路板，分别对 西南交通大学硕士研究生论文第5 页 相关的硬件功能电路用c 语言编制相应的软件程序【1 3 】【 1 4 】 ”】 1 6 】【1 7 】 1 引。 ( 3 ) 、数据通讯部分：针对断路器的实际运行情况，监测单元的下位机与 上位机的数据传输采用r s 4 8 5 异步串行通讯接口协议，采用汇编语言编制 下位机通讯程序。采用c 语言编制上位机通讯程序，将采集的数据实时准 确地传送到上位机处理 1 9 】【2 0 】【2 1 1 ； ( 4 ) 、人际交流界面：采用d e l p h i 语言在上位机建立良好的人机交流界 面，方便工作人员管理和操作，同时能够实现报警功能 2 2 】【2 3 1 。 ( 5 ) 、数据的保存、处理等更加系统，科学的管理，并且根据利用断路器 运行的历史对故障做出合理的判断，通过总线通讯实现在线监测的数据的区 域性电网运行系统的共享。 西南交通大学硕士研究生论文第6 页 第2 章高压断路器在线监测的原理 2 1 高压断路器参数监测 本系统主要对高压断路器的监测项目有机械寿命的监测和电气寿命，其 中所要监测各个参数已在上一章做出了说明，以下将各个参数监测的原理作 进一步论述。 2 2 高压断路器机械寿命的监测 2 2 1 分( 合) 闸线圈电流监测与判别方法 电磁铁是高压断路器操动机构的重要原件之一，高压断路器一般都是以 电磁铁作为第一级控制原件。当线圈中通过电流时，在电磁铁内产生磁通， 铁心受到电磁力作用吸合，使断路器分闸或合闸。线圈的电流包含很多信息， 反映了电磁铁本身以及所控制的锁闩或阀门以及连锁触头在操作过程中的 工作情况。分、合闸回路的电磁铁电路等值电路图如下图2 1 所示。 口 图2 1 分、合闸回路的电磁铁电路等值电路图 其微分方程可表示为： u ：r i + a _ z ， ( 2 1 ) d t 式中y 为磁链。为简化分析，假设电磁铁不饱和，则有y = l i ，电感三不 随i 变化，但随电磁铁的气隙万变化而变化，即： 西南交通大学硕士研究生论文第7 页 u = 尺f + 盟堕 d t d 6 d t = r i + 三堕+ f d l v d td 6 ( 2 2 ) 当电磁线圈刚接通电源时，由于线圈有一定电感，电流不能马上达到稳 定电流，而是逐步由0 逐渐增大。与此同时，铁心的吸引力也逐渐增大。在 电磁铁的吸引力不足以使铁心动作时，万= 氏缸为常数，即铁心的运动速度 为1 ，= 0 。式中( 3 - 2 ) 变为： u = r i + 厶万d i ( 2 - 3 ) 式中厶为万= 8 m 。时，电磁铁线圈的电感。微分方程( 3 3 ) 的通解是： z 氧气簧 ( 2 4 ) 式中c 为通解常数。由t = 0 ，i = 0 的初始条件得微分方程( 2 4 ) 的一个特解： z = 小1e 仁5 ，z = 一l 一 1 ii z - ) 因此，在铁心运动之前，线圈电流i 呈指数上升。在时间t ，电流增大 到动作电流，电磁铁的吸力超过反作用力( 如铁心重力，加在铁心上的弹 簧力等) ，铁心开始运动，v 0 。等值回路中增加一随时间增大的反电势 f i d lv ，一般情况下，线圈电流f 比铁心刚开始运动时的电流l 的数值要小， a d 一 因此，电流i 偏离指数上升曲线，不断下降。这一过程直到铁心吸合，铁心 停止运动， 1 ，= 0 。由式( 2 - 2 ) ，电流的微分方程变为： 以一班比一扮 -z z + 旃一衍西一出 乙 + zm 戤 西南交通大学硕士研究生论文第8 页 u ：r i + l 2 一d i ( 2 6 ) 一d f 式中乞为万= 氏。时，电磁铁线圈的电感。故电流以铁心停止t = t ：时的 电流厶为初值，按指数规律上升，最后达到稳定值，= 簧。 当电磁铁线圈刚通电时，分闸线圈电流波形图如下图2 2 ，反映了分闸 电流与分闸铁芯的运动关系。此过程可分五个阶段【1 1 。 ，d ( ) 1 3 i o 一 不一i 厂 八 ： | j l 。 |、 ； 岛f l，2 r j 1 5 图3 2 典型分闸线圈电流波形 ( 1 ) 阶段t = t o - t 。线圈在时刻通电到t i 时刻铁心开始运动。 ( 2 ) 阶段t = t 。一t 2 。铁心运动，电流下降。f 为控制电流的谷点，代表铁心已 经触动操作机械的负载因而显著减速或停止运动。 ( 3 ) 阶段t = t ，一。铁心停止运动电流又呈指数上升。 ( 4 ) 阶段t = t ，一t 4 。这一阶段是阶段3 的延续，电流达到近似的稳态。 ( 5 ) 阶段t = 乙一t 5 电流开断阶段。辅助开关k 分断在辅助开关触头间产生电 弧并被拉长，电弧电压快速升高迫使电流迅速减小直到熄灭【1 1 。 其中，t o t 与控制电源及线圈电阻有关；一t ，的变化表征电磁铁铁芯 运行机构有无卡涩、脱扣及机械负载变动情况；t 2 一厶可以反映操作传动系 统运动的情况。通过以上几个不同特征时间的分析即可诊断断路器部分机械 故障趋势，包括拒分、拒合等故障。 西南交通大学硕士研究生论文第9 页 2 2 2 动触头行程的监测 高压断路器的行程一一时间特性是表征高压断路器机械特性的重要参 数，也是计算高压断路器分、合闸速度的依据。高压断路器分、合闸速度， 尤其是断路器合闸前、分闸后的动触头速度，对断路器的开断性能有至关重 要的影响。高压断路器动触头速度的测量，主要是通过测量动触头的行程一 一时间关系，然后经过计算得到动触头的速度等参数。因此，高压断路器的 行程一一时间特性监测，是高压断路器在线监测的重要内容。 1 、监测原理 目前测量高压断路器的行程一一时间特性，多采用光电式位移传感器与 相应的测量电路配合进行，常用的有增量式旋转光电编码器或直线光电编码 器。直线光电编码器安装在断路器直线运动部件上，或者把旋转光电编码器 安装在断路器操动机构的主轴上，通过传感器测量分( 合) 闸操作时动触头的 运动信号波形。旋转光电编码器是输入轴角位移传感器，采用圆光栅，通过 光电转换，将轴旋转角位移转换成电脉冲信号。当输入轴转动时，编码器输 出a 相、b 相两路相位差9 0 。的正交脉冲，正转时，b 脉冲超前a 脉冲9 0 。， 反转时，a 脉冲超前b 脉冲9 0 。 1 1 ，如图2 3 所示： a uiul 刁 厂_厂厂 孑丁牿芒一 一b n 厂 n 厂 b 门 r nn ；_ l _ r l 业a u 世二兰兰 p 。 几n 门几j【ju u 【一 图2 3 正交逻辑处理波形 系统采集a 相、b 相两路脉冲，再对两相脉冲整形得到a ，彳，b ，b 四 。 路方波波形信号，这四路方波信号经过处理得到上升沿窄脉冲信号彳，彳， 西南交通大学硕士研究生论文第1 0 页 占，曰，对窄脉冲信号进行运算处理，输出两路加减脉冲和尸信号( 只表 示正转时的脉冲数，表示反转时的脉冲数) ，根据文献可得到和罡的 计算公式： - 一- _ 一_ 一一 尸= a 。b + a b + b a + b a( 2 8 ) 尸= a b + a 。b + b a + 召a( 2 - 9 ) 两路加减脉冲信号经加减计数器计数，输出1 2 位二进制编码，其值与 断路器操作过程中动触头的运动过程相对应。 由于断路器种类繁多，脉冲数与行程的关系也很复杂，有的是线性关系， 而有的又是非线性关系，这要根据具体断路器具体分析。 利用合( 分) 闸操作过程中动触头的行程一一时间波形，可算出动触头合 ( 分) 闸操作的运动时间、动触头行程、动触头运动的平均速度和最大速度与 时间一一速度曲线等参数，并且通过对两相信号的计数，能得到转轴转动的 角位移的正负，从而可以测得断路器触头运动的反弹情况。 如图2 4 所示，断路器在合闸过程中，动触头刚开始的行程为0 ，随着 厂 ，l ， ，- ， 图2 4 合闸过程行程一一时间特征曲线 时间的增加( 正向脉冲数) 也相应增加，根据脉冲的个数合行程的对应关 系，则知道断路器触头的行程也在增加。在某个时间只取得最大值。时间继 续增加，开始出现，说明触头开始出现反弹。这样只和交替出现，这 时就是表示合闸快结束时触头出现了反弹。时间继续增加，只和只不再变 化，说明合闸时间结束。所以，只和尸不再变化这段时间，是合闸时间。 西南交通大学硕士研究生论文第1 1 页 把两个相邻的时间值相减，则得到采样间隔，再根据脉冲数与行程的关 系，则得到采样间隔所对应的行程，用这段行程除以采样间隔，则得到该段 行程对应的触头运动速度。当反弹开始出现时，计算方法与没有反弹出现时 的情况一样。计算完所有采样间隔对应的触头运动速度，则得到触头运动的 时间一一速度曲线；取出最大值，则得到触头合闸过程中运动的最大速度。 用同样的方法，可以得到分闸过程触头运动的时间一一速度特性曲线， 分闸时间等参数。 2 、高压断路器行程信号的处理 由于高压断路器运行在强电磁环境中，高压断路器在线监测数据采集不 可避免的带有这样或那样的干扰。本文所提出的方法是建立在真实可靠的运 行行程的基础之上，因此有效剔除干扰，保真地还原信号是此算法实现的关 键。本文采用小波分析的方法，有效去除各种干扰的影响且保证波形不失真。 小波去噪算法，一般来说，定义式( 2 1 0 ) 为连续小波y ( f ) 的离散形式。 y 。( f ) = a o 刚2 y ( a o t n b o ) ，m n z ，a o 1 ，b o 0 ( 2 1 0 ) 式中：为小波变化的尺度；n b o 为小波变化的平移；a o ，b o ，m 和n 是为 离散化取值设置的系数。 因此，对于函数f r ( 尺) ，相应的离散小波变换形式为： c r ( 肌，z ) = lf ( t ) v ( o a t m ，l z ( 2 11 ) 通常为了计算方便构造的规范二进制正交基框架具有以下形式： 沙。( f ) = 2 州2 v ( 2 ”t n ) ，显然是由式( 1 ) 将a o = 0 ，b o = 0 得到的。这样利用正 交小波基构造的框架下，就可以实现信号的分析算法和重构算法，其中重构 的公式为： f ( t ) = ：c r ( m ，2 ) g ( t ) m ，z z ( 2 1 2 ) 小波理论在多分辨率分析中为了构造标准的正交基引入了尺度函数 缈，t ( x ) = 2 一2 y ( 2 一2 x 一七) ，k z( 2 - 1 4 ) 利用相关算法，基于小波的多分辨分析将信号f ( t ) 分解成( 小于2 ) 低频 成分和频率介于2 一和2 十之间的成分d y f ( t ) ，( ，一1 ) _ ，j ，i ( j 一1 ) 如式( 5 ) ： 西南交通大学硕士研究生论文第1 2 页 f ( t ) = 4 厂( f ) + q ( f ) ( 2 1 5 ) j - - l + l 式中：厂( f ) 是一维信号，a j f ( t ) = e ，。仍，。( f ) 是信号厂( f ) 介于2 - j 和2 - j - , 之间 七仨z 的成分，( i - 1 ) j j ，i ( 一1 ) 。然后，每一段频率成分4 厂( f ) 和d ，厂( f ) 又 分解成具有相同频率不同相位的成分。如果尺度函数缈和小波函数沙的能量 分别集中在x = 口和x = b 附近，则q 。纺t ( f ) 和d 肚吵m ( f ) 的能量就分别集中 在t = 2 j ( 后+ a ) 和t = 2 j ( 七+ 6 ) 附近。可见时域中的分辨率随频率的大小而调 节，高频精美，低频粗疏。根据算法将信号f ( t ) 作如上分解，则有具体问题 出发，能够有效区分有效信号和噪声信号，将于噪音对应的参数和q d 从， ( ( ，一1 ) j j ，i ( j 一1 ) ) 设置为零，或者更普遍的做法，将其调节而形成新 的序列q ，。和d 乒，再利用重构算法，即递归算法： c ，一l = h c ，+ g d ， ( 歹= j ，j 一1 ，+ 1 )( 2 1 6 ) 来构造去噪音后的信号： f ( t ) = 4 f ( t ) = c 耻仍，t ( f ) ( 2 1 7 ) 七e z 这样就能够实现对信号的去噪【6 1 1 。 在获得去噪的信号后还要对其进行平滑处理，本文采用f f t 滤波平滑 算法【1 3 】，该算法是通过f f t 计算数据平滑小窗内的数据的频率成分，然后 将频率大于1 ( n a t ) 的成分去除，达到平滑的目的。其中n 是所选窗口内数据 的点数，f 是相邻数据点的时间差。从根本上说，该方法是采用了一个局 部低通滤波器来对窗口内的数据进行处理，来实现对数据的平滑而不改变曲 线的形状。此方法是建立在数据去噪和平滑的基础上的，基于对行程曲线的 真实的体现，去噪不彻底，平滑不够，噪声会淹没真正的信号，去噪及平滑 过渡会导致曲线扭曲变形，会影响曲线实际的特征参数 4 3 1 。 2 2 3 振动信号的监测 对于高压断路器，在分、合闸操作过程中，振动信号中包含丰富的机械 西南交通大学硕士研究生论文第1 3 页 状态信息，甚至机械系统结构上某些细微变化也可以从振动信号上发现出 来。因此，以外部振动信号为特征信号，可以对高压断路器的机械状态进行 监测。具体做法是在断路器适当部位，采集振动信号经处理后作为诊断的根 据1 1 4 。 根据相似性原则，对于同一高压断路器，同种状态下的重复操作过程中， 外部振动信号在一定范围内是稳定的，即采集的振动信号波形是相似的。将 当前采集的振动信号与己知状态的振动信号进行比较，分析它们的相似程 度，据此可做出相应的判断。 首先本文根据前人研究，对振动的时域连续信号x ( f ) 经时域采样离散化 为时间序列x ( n ) ，在对x ( n ) 进行截取得到n 点有限长序列x n ( n ) ，在利用离 散傅里叶变换( d f t ) ，得到，x ( 七) 即； 掣一，竺硅 蜀( 尼) = h ( ，z 弦叫万“ k = 0 ，1 ，一1( 2 - 1 8 ) 然后通过直接法( 周期图法) ，即通过把随机信号x ( n ) 的n 点观察数据 h ) 视为一种能量有限信号直接取x , v ( n ) 的傅里叶变换，得“( p 弦) ，然后 再取其幅值的平方，并除以n ，作为对x ( n ) 真实的功率谱p ( e j ) 的估计。 尸脚( 缈) = 寺i ( ) 1 2 ( 2 - 1 9 ) 将w 在单位圆上等间隔取值，得： “ 1 尸胁( 尼) = 寺l “( 尼) r ( 2 - 2 0 ) 再对信号能量包络分析，离散包络统计( d e s ，d is c r e t ee n v e l o p s t a t i s t i c ) 是系统中采用的另一种信号处理的方法。d e s 用于从振动信号中 提取幅值( 包络) 信息 2 9 】。 设n 点时域离散振动信号为x ( n ) ，0 n n 一1 ，则d e s 定义为： e ( n ) = 4 x 2 ( n ) 一x ( n 一1 ) x ( n + 1 ) ，0 n 一l ( 2 2 1 ) 从每一采样值的平方中减去相邻两点的积，可以减少由于平方项引入的 谐波分量。 接着对振动事件进行时间量的提取， 最后对振动信号波形进行相似辨识处理。首先岁波形进行相似程度进行 西南交通大学硕士研究生论文第1 4 页 量化即： 在表征两组数据的差异时，统计分析学中常用距离来量度，而其中最常 用的又是二阶距离，即欧几里德距离( e u c l i d e a nd i s t a n c e ) 。设待比较的两组 数据为吒和儿，咒= 1 ，2 ，n ，则欧氏距离定义为： d ( x ，y ) =( 2 2 2 ) 然后取完好状态下的两组特征数据为基准数据占( ，z ) 和参考数据r ( ，z ) ， 待检状态的数据为t ( n ) ，分别求参考数据与基准数据，待检数据与基准数据 的欧氏距离d 。和露，定义辨识比( r r ，r e s o l u t i o nr a t i o ) 为两距离之比，即 有： 艘：d _ z r ：螋：型型( 2 2 3 ) d e d ( b ，尺) 曰( ，z ) 一r ( ，z ) 】2 、 不难理解，当待检状态完好时，辨识比r r 应约等于1 ；待检状态与完好 状态差异越大，则r r 的值越大。可见，r r 指标可以量化待检状态与完好 状态的差异。根据经验可界定一个r r 指标的域值，当r r 的值大于该域值 时，则认为待检状态异常或故障。 在断路器操作振动波形分析中，分别以功率谱密度，离散能量包络为特 征数据，则可分别求出两个辨识比指标r r 。r r 的阀值如下表2 2 所示。 表2 - 2r r 的阀值表 o 艘 1 5 正常 1 5 艘 3 异常 3 艘 故障 2 3 高压断路器电气寿命的监测 本文对高压断路器电气寿命的监测主要采集两个具有代表性的参数即： 断路器开断电流的监测和开断次数的监测。 西南交通大学硕士研究生论文第1 5 页 2 3 1 高压断路器开断电流的监测 l 、断路器开断电流的单指标评估法 无论何种型号的断路器，都可以从其产品介绍中得知其额定开断电流下 所允许开断次数，设额定开断电流下单次开断的触头磨损量( 定义为q ，) 为 m ，允许开断次数为，则总的允许磨损量q 。为m 。当开断电流小到 3 额定开断电流时，磨损量相对于一次满容量开断的磨损量已经甚微，故小 于3 的开断电流都视作3 的开断电流来计算磨损量。首先定义一台全新 的断路器的触头允许磨损量为1 0 0 ，即相对电寿命为1 。则每次额定开断 电流开断时的相对磨损为l ，再根据不同断路器的一厶曲线( 电寿命曲 线) ，即可求得任意大小开断电流对应的允许开断次数川，则对应的单次 开断的相对电磨损量( 定义为q m ) 为l l ，这样就可求出任意开断电流时的 相对电磨损量，也可求出该断路器的相对电寿命。 = 厶一级 ( 2 2 4 ) 厶为断路器电寿命的初始值，是一个不大于1 的百分数，其值由断路器的 运行历史决定，新投运的或经过大修后的断路器其厶可取为l 。 具体推导公式如下： 既= l ( 2 2 5 ) 级= 1 m ( 2 2 6 ) 根据触头的绝对电磨损量q 。一定，则有： 鳓n = q 。l ( 2 - 2 7 ) q 翰= i = m m ( 2 2 8 ) q ，= 鲸( 旁= 焉( 2 - 2 9 ) 断路器的相对电寿命 l = 厶一瓯 ( 2 3 0 ) 2 、开断电流的计算 目前，对采样数据进行分析处理以获取准确电量值的算法很多，例如 西南交通大学硕士研究生论文第1 6 页 两点乘积法、卡尔曼滤波算法、付氏算法等，采用哪种算法主要从计算速度 和精度两方面考虑。本系统的计算对象是高压断路器的开断电流，变化范围 很大，可能是只有几十安的空载电流，也可能是几千安的短路电流，都要求 有足够的计算精度，并要考虑大电流时的c t 饱和问题。因此，本文选择了 两种电流算法进行计算，负荷电流、小短路电流的计算，采用3 6 点全周傅 氏算法；大短路电流的计算，采用了最大差值算法。 一、全周付氏算法 全周付氏算法具有很强的滤除恒定直流分量和整数倍谐波的能力，来 源于付氏级数，是一种滤波算法。 假设采样电流是一个周期函数，且其中含有恒定直流分量和各次谐波 分量，可表示为： 啦) = 包c o s n a l l t + a 。s i n n m l t ( 2 3 1 ) n = o 其中n = o ，l ，一1 ：和式中的第一项表示信号中的余弦分量，第二项表 示正弦分量；玩，a 。分别为各次余弦分量和正弦分量的系数。 根据付氏变换，有 铲号如) s i n 颤o l t d t ( 2 - 3 2 ) 包= 孑2 胁) c o s a t d t ( 2 - 3 3 ) 于是，采样电流信号的基波分量可表示为： ( f ) - - o ls i n m l t + b ic o s m l t 或 f l ( f ) = 2 j s i n ( c o l t 十口i ) ( 2 3 4 ) 其中，为基波电流有效值，为基波初始相位角。 我1 i 、 知道i = ( q 2 + 2 j 1 2 ) ( 2 3 5 ) 口l = a r c f c z n 一( 拿) ( 2 - 3 6 ) q 从而也可获得开断时的负载性质，当0 。 9 0 。时，开断负载为感性， 当9 0 。 优 18 0 。时，开断负载为容性。 西南交通大学硕士研究生论文第1 7 页 二、最大差值算法 设电流采样信号可表示为： i = 2 ，s i n ( c o t + 曰)( 2 3 7 ) 式中缈为角频率，j 为有效电流值。记每周3 6 个采样点，则相邻两次采样 值分别为： = 西s i n ( 告埘( 2 - 3 8 ) “= 历s i n ( 学峒( 2 - 3 9 ) 两次采样值只差 当= 一兰，k = 0 或= o ，k = 1 8 时，a i k 有最大值。 j o a i k = 2 西s i n 三3 6 ( 2 - 4 1 )m a x 可得 i = 婴l( 2 - 4 2 ) 2 压s i n 三 3 6 由上式可知，相邻两采样点差值与电流有效值成正比关系，且此差值 的最大值出现在电流采样过零点处，如图2 - 1 0 所示。 若计算结果大于预先设定的大电流门槛值，则记它为断路器的实际开 断电流：若小于，则用全周傅氏算法重新计算实际开断电流。门槛值由现场 人员根据一次c t 的饱和情况等因素综合设定。 学 一 l 、，-、 一 万一 + 肋一掩 一疑 z 一 鐾弘、 压刮计 h 嗉 一 互 卜 砺 西南交通大学硕士研究生论文第1 8 页 隶r魂r斩 l 厶f幽 ；，尉 图2 一l o 电流采样最大差值 由于每次采样不一定都能采得这样的最大值，下面分析c t 严重饱和的 情况下最大差值算法的误差。 在严重短路的瞬间，短路电流中会出现一定幅值的非周期分量，使c t 铁心很快达到饱和，激磁阻抗大大降低，激磁电流增大，使二次波形出现严 重畸变，如图2 - 11 所示： 图2 1 1c t 饱和时一次、二次电流波形 分析此波形可得出： ( 1 ) 由于磁通不能突变，因此发生故障后，磁通总是随着时间延迟而增 大。从故障开始到c t 饱和会经历一段时间，大约在初期的1 4 周期内， 电流是正常的。 ( 2 ) 随着激磁电流中直流分量的衰减，二次电流逐渐增大。 ( 3 ) 当激磁电流饱和时，二次电流即出现缺损状况。 ( 4 ) 尽管二次电流在一个周期的大部分时间畸变严重，但在一次电流过 零附近，c t 可以正常传变一次电流，即一次电流过零点后，c t 出现一个线 性传变区。而最大差值算法中，最大差值点也在过零点附近，正好互相吻合。 在最严重的情况下，线性持续时间还可达2 m s 。对每周波采样3 6 点总可以 找到最大差值的。 设a 为二次电流过零后的第一个采样点，采样角为口，a 、b 为相邻 采样采样间隔，时间为0 5 6 m s ，可表示为： 西南交通大学硕士研究生论文第1 9 页 醢o = 压i s i n a 卟2 西品委c o s 睁刁 t 口 一t ( 2 4 3 ) 3 6 1 8 、 三口三(一一44)2361 8 口 一 i 一 、 j jl o - i八 n 厂、 时 v v o j i 2 门 k 寸 t l - i 。 d 、 , f l4i uu 。 ii 划i 图2 - 1 2c t 严重饱和时的采样示意图 由式( 2 4 3 ) 和( 2 4 4 ) 可以可能出，a i o 随口增加而增加，a i i 随口的增加 而减小，显然，总有一个口值使两者相等，这时采到最大差值t ，经计算口 毗x 的值为9 7 。 由式( 2 4 4 ) 可得： = x 2 is i n9 7 。= 0 2 3 8 i ( 2 4 5 ) m 强 而s i n 9 7 。 此时位差为：k ：1 一争：1 一2 乎 4 互s i n _ _ z ：1 一面s i n 9 7 。：3 。3 4 ( 2 - 4 6 ) 此时位差为： k = 1 一等2 1 一半2 1 一夏五歹2 3 3 4 另外，采样时也可能出现图中c 、d 点的情况，将对计算产生较大的误 差，为此我们在实际计算中有两种办法予以解决：一是只取绝对值单调增大 的连续采样点进行计算；二是对计算的有效值在运算过程中加以校核，提出 不合理数值。 通过上述计算和误差分析，我们知道，在较大短路电流c t 严重饱和情 况下，采用最大差值算法的最大误差为3 3 4 ，对于电能计量来说，误差 可能比较大，但对于以断路器状态检修为主要目的监测系统而言，是可以接 受的。 西南交通大学硕士研究生论文第2 0 页 2 4 本章小结 高压断路器在线监测的参数很多，多达十几个，但是究其关键影响因素 结合相关文献的高压断路器故障调查主要还是高压断路器的机械寿命和电 气寿命的监测。于是本文根据这一需要选择相应的监测参数，其要监测的量 为断路器分( 合) 闸线圈电流信号、动触头位移信号、振动信号、开断电流和 开端次数。根据相应的理论和判别方法来判断高压断路器的运行状态。 西南交通大学硕士研究生论文第2 1 页 3 1 系统总体设计 第3 章系统设计 3 1 1 系统的需求分析 本监测装置是为了实现断路器的在线监测与诊断，根据2 2 节所述，装 置对断路器所要监测的量有断路器的分( 合) 线圈电流、动触头位移、振动信 号、开断电流和开断次数。 在对断路器的分( 合) 线圈电流监测时，由于无法将电流接入到监测系 统，所以需要选择相应的传感器来解决这一问题。针对该监测量，本文选择 了补偿式霍尔传感器。 在对动触头位移监测时，由于被监测量为非电信号，难于直接实现对 这些信号的处理，所以本装置选择了光电式位移传感器，将其转化为电压信 号来监测。 在对振动信号监测时，被监测量也是非电信号，为此本装置选择压电 式加速度传感器来实现对它们的监测。 在对断路器的开断电流监测时，同样需要相应的传感器来实现，为此 本装置选择了电流传感器。 最后是对断路器开断次数的监测，本文根据需要计数器对其