斷路器機械特性的在線監(jiān)測的研究.docx

目錄1 緒論11.1斷路器機械特性在線監(jiān)測的目的及意義11.2斷路器機械特性在線監(jiān)測的發(fā)展現(xiàn)狀21.3本課題的主要研究工作32斷路器機械特性在線監(jiān)測原理42.1高壓斷路器的簡介42.1.1高壓斷路器的概念、特點及組成結(jié)構(gòu)42.1.2高壓斷路器的操動結(jié)構(gòu)與機械壽命52.1.3高壓斷路器的機械故障類型介紹62.2高壓斷路器機械特性在線監(jiān)測72.2.1斷路器合閘、分閘線圈電流監(jiān)測82.2.2斷路器操動機構(gòu)行程及速度的監(jiān)測112.2.3斷路器振動信號的監(jiān)測113 斷路器在線監(jiān)測中的小波應用123.1 小波分析的概念123.2小波函數(shù)的選取143.3小波去噪163.4利用小波處理斷路器行程信號173.4.1合閘過程183.4.2分閘過程203.5 小波降噪和傅里葉降噪法213.5.1傅里葉降噪法213.5.2小波降噪法223.6利用使用全局閾值和分層閾值處理分合閘線圈電流信號243.7結(jié)論254 總結(jié)和展望264.1總結(jié)264.2展望26參考文獻27致謝281 緒論1.1斷路器機械特性在線監(jiān)測的目的及意義近年來，隨著經(jīng)濟的繁榮發(fā)展，電力系統(tǒng)的容量與能量的需求不斷地增加，對電力系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟性也提出了越來越高的要求。高壓斷路器作為發(fā)電和配電之間的聯(lián)系環(huán)節(jié)，其可靠運行對于保證電網(wǎng)的安全意義重大。高壓斷路器在電力系統(tǒng)中起著兩方面的作用：一是控制作用，即根據(jù)電網(wǎng)運行要求，將一部分電氣設備或線路投入或退出運行狀態(tài)，轉(zhuǎn)為備用或檢修狀態(tài)；二是保護作用，即電氣設備或線路發(fā)生故障時，通過繼電保護及自動裝置動作高壓斷路器，將故障部分從電網(wǎng)中迅速切除，保護電網(wǎng)的無故障不煩你得以正常運行。 國際大會議對高壓斷路器的可靠性進行過兩次世界范圍的調(diào)查，我國也對高壓開關事故進行過大量的統(tǒng)計分析。相應的調(diào)查和統(tǒng)計報告均表明，高壓斷路器的故障80%是機械原因，大多數(shù)故障是操動機構(gòu)的問題。以往對高壓斷路器機械特性的檢查主要是在設備交接及停電期間結(jié)合檢修定期進行預防性試驗，更換部件，檢查操作機構(gòu)的機械特性。由于電力系統(tǒng)中高壓斷路器的數(shù)量很多，因此檢修量大且費用高。根據(jù)相關統(tǒng)計資料的數(shù)據(jù)，變電站維護費用的一半以上是用在高壓斷路器上，而其中60%又是用在斷路器的小修和例行檢修上。另外根據(jù)統(tǒng)計有10%的斷路器故障是由不正確的檢修造成的；斷路器的大修完全解體，既費時間，費用又高，而且解體和重新組裝會引起很多新的缺陷。因此如何對斷路器的工作狀態(tài)進行有效的檢測，及時發(fā)現(xiàn)斷路器的早期故障，對缺陷部位進行提前處理，避免斷路器故障惡性發(fā)展，防止斷路器爆炸等惡性事故的發(fā)生，對于故障電網(wǎng)的安全可靠運行有著十分重要的意義。 斷路器的狀態(tài)檢測為實現(xiàn)計劃檢修到狀態(tài)檢修的轉(zhuǎn)變創(chuàng)造了條件。長期以來的計劃檢修、盲目解體拆卸，浪費了大量的人力、物力、財力，同時也造成了停電損失和設備壽命的降低。目前，電力系統(tǒng)各個單位正致力于高壓斷路器計劃檢修到狀態(tài)檢修的轉(zhuǎn)變，不再以投入年限和動作次數(shù)為衡量標準，而是以設備的實際狀態(tài)為檢修依據(jù)。近年來，人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，依靠設備的在線監(jiān)測與診斷技術，實現(xiàn)設備的狀態(tài)檢修，可以達到電力系統(tǒng)的下述要求：（1）產(chǎn)品的質(zhì)量問題使運行可靠性受到影響，采用在線監(jiān)測可以在運行中及時發(fā)現(xiàn)事故隱患，防患于未然。（2）逐步采用在線監(jiān)測代替停電試驗，減少設備的停電時間，節(jié)約試驗費用。（3）對老化設備或已知有缺陷、有防患的設備，用在線監(jiān)測隨時監(jiān)視其運行情況，一旦發(fā)現(xiàn)問題及時退出，最大限度的利用其剩余壽命。 由于現(xiàn)有的高壓斷路器監(jiān)測裝置難以實現(xiàn)機械特性的在線監(jiān)測、缺乏足夠的數(shù)據(jù)積累、機械故障診斷的分析能力也不足，因此，開展高壓斷路器的機械特性監(jiān)測技術的研究工作具有重要的學術意義和實用價值。1.2斷路器機械特性在線監(jiān)測的發(fā)展現(xiàn)狀斷路器的檢測技術大體上經(jīng)歷了從離線測試、周期性在線檢測、長期在線監(jiān)測的發(fā)展過程。據(jù)資料介紹，美國于1995年頒布了“電氣設備絕緣診斷方法導則”，現(xiàn)已轉(zhuǎn)向為以機械特性在線監(jiān)測為主，并已制定出有關標準。日本20世紀80年代開始進入以機械狀態(tài)監(jiān)測為基礎的預知維修時代，該項技術的研究與應用進展很快，并已積累了大量數(shù)據(jù)與經(jīng)驗，逐步形成了一些標準和較成熟的方法。如今，一些發(fā)達國家對高壓開關設備的機械特性診斷技術已日趨成熟，并且已有了功能較齊全、抗干擾性能較高的產(chǎn)品。在我國，斷路器機械特性在線監(jiān)測技術發(fā)展起步較晚，近年來，國內(nèi)一些單位和廠家也在開展斷路器機械特性監(jiān)測和故障診斷方面的工作。1992年吉林電業(yè)局曾立項“斷路器機械特性的監(jiān)測”；1995年清華大學高壓教研室研制了CBA1高壓斷路器機械參數(shù)測量分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以監(jiān)測合、分閘線圈電流、行程一時間特性曲線及振動信號。此時的研究工作主要是圍繞著斷路器狀態(tài)檢修進行的。隨著研究的深入，先后生產(chǎn)了自己需要的高壓斷路器機械特性在線監(jiān)測裝置，不過都存在著只能對其中的一個或幾個機械特性參量進行監(jiān)測的問題，檢查結(jié)果的適用性和部分項目的檢測方法仍然很不理想。目前，高壓斷路器機械特性在線監(jiān)測技術存在著一些值得注意的問題：（1）選擇合適的傳感器以及對不同的高壓斷路器機構(gòu)安裝適應性差的問題，即針對不同電壓等級和不同操動機構(gòu)的斷路器所選擇的傳感器類型也不一樣；（2）以往在線監(jiān)測裝置所關心的是機械參量的計算結(jié)果，而對機械運動的過程關心不多；雖然現(xiàn)有的在線監(jiān)測模塊也可以測量合、分閘特性曲線，但對于機構(gòu)的狀態(tài)仍然只能做出好或壞的判斷，卻判斷不了故障究竟發(fā)生在什么部位；（3）數(shù)據(jù)處理的問題，目前對機械特性在線監(jiān)測主要是測量合、分閘時間，平均速度等，根據(jù)這些測量值，經(jīng)過簡單的閾值判斷來對機構(gòu)狀態(tài)做出預測。因此，現(xiàn)有的機械特性在線監(jiān)測裝置功能不完善，缺乏足夠的數(shù)據(jù)積累，即使有了大量數(shù)據(jù)，故障診斷的分析能力也不足；（4）在線監(jiān)測裝置模塊壽命過短，安裝維護困難，價格過高而精度不夠高。綜上所述，高壓斷路機械特性的在線監(jiān)測技術發(fā)展起步較晚，還需要進一步完善。1.3本課題的主要研究工作針對高壓斷路器機械特性在線監(jiān)測技術的國內(nèi)外研究及發(fā)展現(xiàn)狀，以及從高壓斷路器狀態(tài)維修的要求來看，高壓斷路器在線監(jiān)測的內(nèi)容十分廣泛，本課題具體分析總結(jié)了斷路器行程-時間特性的監(jiān)測、分合閘線圈電流的監(jiān)測兩種主要在線監(jiān)測方法的基本原理和特性，還闡述了小波變換在斷路器機械特性在線監(jiān)測中的應用。2斷路器機械特性在線監(jiān)測原理2.1高壓斷路器的簡介斷路器是電力系統(tǒng)最重要和性能最全面的一種開關電器。斷路器起著控制與保護的作用，能在有載、空載以及各種短路工況下完成規(guī)定的合分任務或循環(huán)操作。它區(qū)別于其他開關設備的顯著特點是必須具備高效的滅弧裝置。因為在高壓電流的條件下不易開斷電流，開斷過程產(chǎn)生的電弧不熄滅，電路就不能斷開，無論是高壓斷路器還是低壓自動空氣斷路器（也稱自動開關） 都必須具有強有力的滅弧能力。2.1.1高壓斷路器的概念、特點及組成結(jié)構(gòu)高壓斷路器指額定電壓在3kV以上的斷路器。在電力系統(tǒng)中一般指110kV以上的輸配電斷路器。它可以根據(jù)電網(wǎng)運行的需要，控制指定的線路或電力設備退出或投入運行，起控制作用；另一方面一旦系統(tǒng)發(fā)生故障它又可以及時切除故障點，保證電網(wǎng)無故障部分的安全運行，起保護作用?？傊?，斷路器能開斷、關合及承載運行電流和短路電流。如果它們在運行中出現(xiàn)故障，小則引起一條線路、一個小區(qū)域的斷電，大則引起系統(tǒng)事故的連鎖反應，造成不可估量的損失。因此，高壓斷路器及其運行可靠性直接關系到整個電力系統(tǒng)的安全運行和供電質(zhì)量，在電力系統(tǒng)中起著十分重要的作用。圖2-1為斷路器的典型結(jié)構(gòu)圖。高壓斷路器按功能可分為以下幾部分：（1）導電部分：斷路器導通電流的部分。它允許通過長時間的正常負荷電流和一定時間的異常電流，如過負荷電流和短路電流。（2）絕緣部分：保證斷路器電氣絕緣的部分。它包括三個基本方面，即對地絕緣、相間絕緣和斷口絕緣。（3）接觸系統(tǒng)和滅弧裝置：執(zhí)行電路的開斷和關合的部分。它表征斷路器的合閘和分閘能力。圖2-1 斷路器典型結(jié)構(gòu)圖2.1.2高壓斷路器的操動結(jié)構(gòu)與機械壽命操作機構(gòu)是高壓斷路器的重要組成部分。帶觸電的開關電器，只有通過觸頭的分(合)動作才能達到開斷與關合電路的目的，因此必須依靠一定的機械操作系統(tǒng)才能完成。斷路器的操作機構(gòu)由儲能單元、控制單元和力傳遞單元組成。高壓斷路器的操作機構(gòu)有很多形式，如彈簧操作機構(gòu)、氣動操動機構(gòu)、液壓操動機構(gòu)、液壓彈簧機構(gòu)等。高壓斷路器的觸頭在各種條件下可靠地分合，主要是由操動能源和傳動機構(gòu)的動作來完成。其動作的特點是：執(zhí)行任務與完成任務時，機構(gòu)系統(tǒng)處于瞬變過程中，故機構(gòu)動作有沖擊、振動以及其它一些非穩(wěn)態(tài)性質(zhì)；在閉合通電位置時，可能長期不動作，一旦發(fā)生事故，又要求它動作準確可靠。由于斷路器機構(gòu)動作上的特點，對高壓斷路器操動機構(gòu)與傳動機構(gòu)的可靠性的要求就顯得特別重要。據(jù)有關資料統(tǒng)計：高壓斷路器的操作事故中有70%80是由于斷路器機械方面的原因造成的。與斷路器的電損耗一樣，斷路器在開斷短路電流時，機件上的損壞也有一個長期的累過程。多次操作后，一些傳動、操作機構(gòu)中所用的金屬零件的強度和剛度變差，易銹蝕變形而造成卡死，使斷路器難以斷開。雖然在開斷小電流的情形下，對觸頭電壽命的影響是非常小的，即使許多次的開端，也仍未達到它的電壽命。但是，每一次的開斷以及一定的動作時間和速度都會對斷路器的機械部分產(chǎn)生一定程度的損傷。所以，在確定斷路器的須考慮的另一因素便是斷路器的機械壽命。通常情況下，以斷路器的開械壽命的重要指標。2.1.3高壓斷路器的機械故障類型介紹 所謂故障是指系統(tǒng)或設備不能完成預定的功能。這里所說不能完成預定的功能既指系統(tǒng)的完全失效，也包括系統(tǒng)的缺陷。如系統(tǒng)能工作但是輸出特性和參數(shù)已經(jīng)偏離原定的指標，通過一套征兆來完成對系統(tǒng)故障和缺陷性質(zhì)的確定過程就叫做診斷。斷路器最常見的機械故障類型有：拒分、拒合、誤分、誤合等。在操動機構(gòu)和傳動機構(gòu)上具體表現(xiàn)為：機構(gòu)卡澀；部件變形、位移或損壞；分合閘鐵芯松動、卡澀；軸銷松斷；脫扣失靈等。在電氣控制及輔助回路上表現(xiàn)為二次接線接觸不良、端子松動、輔助開關切換不靈、操作電源故障等。另外，中國電力科學研究院開關所長期從事高壓開關設備檢測試驗的科研人員調(diào)查得出，檢測試驗中出現(xiàn)頻度比較高的機械故障問題是：各種原因造成的分合閘線圈燒毀，萬能轉(zhuǎn)換開關損壞，鎖扣機構(gòu)疲勞、磨損，主軸斷裂等。具體的故障現(xiàn)象及原因如表2-2所示：表2-2彈簧機構(gòu)常見異?，F(xiàn)象現(xiàn)象分類異?，F(xiàn)象可能原因拒動拒合鐵芯未啟動1線圈端子無電壓(1)二次同路接觸不良，連接螺絲松動(2)熔絲熔斷(3)輔助開關接點接觸不良或未切斷2線圈端子有電壓(1)線圈斷線或燒損(2)鐵芯卡住鐵芯已啟動，四連桿未動1線圈端子無電壓(1)二次回路接觸不良，連接螺絲松動(2)熔絲熔斷(3)輔助開關接點接觸不良或未切斷2線圈端子有電壓(1)線圈斷線或燒損(2)鐵芯卡住四連桿動作，牽引桿不釋放1牽引桿過“死點”距離太小或未出“死區(qū)”2機構(gòu)或本體有嚴重機械卡澀3四連桿中間軸過“死點”距離太小4四連桿受扭變形拒分鐵 t 鐵芯未啟動1線圈端子無電壓(1)熔絲熔斷(2)二次回路連接松動，接點接觸不良鐵芯未啟動(3)輔助開關未切換或接觸不良2線圈端子有電壓(1)線圈燒壞或斷線，尤其引線容易折斷(2)鐵芯卡住鐵芯已啟動，鎖鉤或分閘四連桿未釋放1線圈端子電壓太低2鐵芯空程小，沖力不足或鐵芯運動受阻鎖鉤或四連桿動作，但機構(gòu)連板系統(tǒng)不動機構(gòu)或本體嚴重機械卡澀（a）拒動現(xiàn)象分類可能原因誤動儲能后自動合閘1合閘四連桿受力過“死點”距離太小2四連桿未復位，可能復歸彈簧變形或蹩勁3扣入深度少或扣合面變形4鎖扣支架支撐螺栓未擰緊或松動5L型鎖扣變形鎖不住6馬達電源未及時切換7牽引桿越過“死點”距離太大撞擊力太大無信號自分1二次回路有混線，分閘回路兩點接地2分閘鎖鉤扣入深度太少，或分閘四連桿中間軸過“死點”距離太小，或鎖鉤端部變形扣不牢3分閘電磁鐵最低動作電壓太低4繼電器接點因某種原因閉合合后即分1二次回路有混線，合閘同時分閘回路有電2分閘鎖鉤扣入深度太小，或分閘陽連桿中間軸過“死點”距離太小，或鎖鉤端面變形，扣合不穩(wěn)定3分閘鎖鉤不受力時復歸間隙調(diào)的太大4分閘鎖鉤或分閘四連桿未復位（b）誤動2.2高壓斷路器機械特性在線監(jiān)測眾所周知，斷路器與其他電氣設備相比，機械部份零部件特別多，加之這些部位動作頻繁，因此而造成故障的可能性就多。我國電力科學研究院對全國6kV以上高壓開關故障原因統(tǒng)計分析中看出，在拒動、誤動故障中因操動機構(gòu)占41.63；國際大電網(wǎng)會議(CIGEI)資料也表明，操作機構(gòu)故障占43.5，由此可見，無論是國內(nèi)還是國外，機械性故障是構(gòu)成斷路器故障的主要原因，所以對斷路器機械狀態(tài)的監(jiān)測以及健康狀況的診斷甚為重要。2.2.1斷路器合閘、分閘線圈電流監(jiān)測高壓斷路器一般都是以電磁鐵作為操作的第一級控制件。大多數(shù)斷路器均以直流為其控制電源，故直流電磁線圈的電流波形中包含著診斷機械故障的重要信息。線圈的直流供電電路如圖2-3所示。圖中L的大小取決于線圈和鐵芯鐵軛等的尺寸，并與鐵芯的行程S（即是鐵芯向上運動經(jīng)過的路程）有關密切關系。其值隨著S的增加而增加，如圖2-3所示。圖2-3斷路器分合閘電路圖 設鐵芯不飽和，則L與i的大小有關，電路中開關K合閘后，由圖2-3電路圖得 （2-1）式中，w為線圈的磁鏈，于是，上式可變?yōu)?（2-2） 式中可由圖2-4示求出，不同S處的即為曲線在S處的斜率；為鐵芯的運動速度。圖2-5斷路器操作時，線圈中的典型電流波形圖根據(jù)鐵芯運動過程波形圖可分為以下四個階段。I1I2I3t0t1t2t3LSO圖2-4 L-S曲線 圖2-5線圈電流波形圖（1）鐵芯觸動階段 在t=t0t1的時間段，t0為斷路器分（合）命令到達時刻，是斷路器分、合時間計時起點；t1為線圈中電流、磁通上升到足以驅(qū)動鐵芯運動，即鐵芯開始運動的時刻。在這一階段，L=L0為常數(shù)則式（2-2）可改為 （2-3）帶入起始條件時可得 （2-4）這是指數(shù)上升曲線，對應圖2-4中的電流波形起始部分。（2）鐵芯運動階段在間，鐵芯在電磁力的作用下不，克服了重力、彈簧力等阻力，開始加速運動，知道鐵芯上端面碰撞到支持部分停止運動為止。此時0，L也不再是常數(shù)，將按照式（2-2）變化。通常0，0,表現(xiàn)為隨時間不斷增大的反電勢，通常大于U，故為負值，即在鐵芯運動后迅速下降，直到鐵芯停止運動，重新為零為止。根據(jù)這一階段的電流波形，可診斷鐵芯的運動狀態(tài)，例如鐵芯運動有無卡澀以及脫扣、釋能機械負載變動的情況。（3）觸頭分、合閘階段在t=t2t3間，鐵芯已停止運動=0，的變化類似于式（2-3），但L=Lm（S=Sm時的電感）時有 （2-5）因,故電流比第一階段上升的慢。這一階段是通過傳動系統(tǒng)帶動斷路器觸頭分、合閘的過程。是鐵芯停止運動的時刻，而觸頭則在t2前后開始運動，t3為斷路器輔助接點切除時刻，或可以反映操作傳動系統(tǒng)運動的情況。（4）電流切斷階段t=t3時，輔助接點切斷后隨之開關K斷開，在其觸頭間產(chǎn)生電弧并被拉長，電弧電流i隨之減小至零直至熄滅。綜合以上幾個階段情況，通過分析i的波形和t1，t2，t3，I1，I2，I3等特征值可以分析出鐵芯啟動時間、運動時間、線圈通電時間等參數(shù)，從而得到鐵芯運動和所控制的啟動閥，鐵閂以及輔助開關轉(zhuǎn)換的工作狀態(tài)，即可以監(jiān)測出操動機構(gòu)的工作狀態(tài)，從而預告故障的前兆。例如I1，I2，I3三個電流分別反映電源電壓、線圈電阻以及電磁鐵動鐵芯運動的速度信息，可作為分析動作的參考。圖2-6所示波形國產(chǎn)CY-1型液壓機構(gòu)各種狀態(tài)的電流波形，其他操作機構(gòu)與此大致相同。I1I/2 (a)正常波形 （b）鐵芯吸力不足獲阻力過大 （c）鐵芯卡澀或空行程太小 （d）鐵芯行程太小或空行程均小圖2-6 斷路器操作線圈電流典型波形 2.2.2斷路器操動機構(gòu)行程及速度的監(jiān)測 斷路器行程的監(jiān)測可選用光柵行程傳感器、電阻行程傳感器等，當裝在做直線運動機構(gòu)上可選用直線式行程傳感器，若安裝在操動機構(gòu)的轉(zhuǎn)動軸上則應選用旋轉(zhuǎn)式傳感器。傳感器輸出的脈沖信號經(jīng)光電隔離、整形、邏輯處理、數(shù)據(jù)采集后可得到斷路器操作過程中的行程時間特性曲線。根據(jù)測得的行程時間特性曲線可計算出以下參數(shù)：平均速度、分后合前10ms內(nèi)的平均速度。在線監(jiān)測的困難在于行程傳感器不能安裝在動觸頭上，因此不能直接測得鋤頭行程，為此要進行折算或重新制定監(jiān)測用的技術條件。2.2.3斷路器振動信號的監(jiān)測監(jiān)測斷路器操動時發(fā)出的機械振動信號也可用來診斷高壓斷路器機械系統(tǒng)的工作狀態(tài)。因為高壓斷路器是一種瞬動式機械，在動作時，具有高度沖擊、高速度運動的特點。其動作的驅(qū)動力可達到數(shù)萬牛以上，在幾毫秒的時間內(nèi)，動觸頭系統(tǒng)能從靜止狀態(tài)加速到每秒幾米，加速到100倍于重力加速度的數(shù)量級；而在制動、緩沖過程中，撞擊更為強烈。這樣強烈的沖擊振動提供了更為敏感的信息，易于實現(xiàn)監(jiān)測。機械振動總是由沖擊受力、運動心態(tài)的改變引起的。在斷路器結(jié)構(gòu)上，動作一般由操動機構(gòu)的驅(qū)動器經(jīng)過連桿機構(gòu)傳動，推動動觸頭系統(tǒng)。在一次操作過程中，有一系列的運動構(gòu)件的啟動、制動、撞擊出現(xiàn)，這些狀態(tài)的改變都在其結(jié)構(gòu)構(gòu)架上引起一個個沖擊振動。振動經(jīng)過結(jié)構(gòu)部件傳遞、衰減，在傳感器測量部位測到的是一系列衰減的沖擊加速度波形。這些振動都可以與結(jié)構(gòu)件的運動狀態(tài)變化找到相應的關系，這就為狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷提供了可能。3 斷路器在線監(jiān)測中的小波應用斷路器有很多故障能夠從相關監(jiān)測量的波形上直接表現(xiàn)出來。例如操縱系統(tǒng)的線圈卡塞故障，會在分合閘線圈電流波形上產(chǎn)生異常；基座螺絲松動，會使振動波形異常；觸頭燒損嚴重、拉桿和轉(zhuǎn)軸連接部分發(fā)生卡塞，則會影響觸頭行程與速度，對這些信號進行分析，可以掌握信號的特征和性質(zhì)，診斷斷路器的狀態(tài)。 常規(guī)的信號頻譜分析一般采用離散傅里葉變換(DFT)或快速傅里葉變換(FFT法，部分和突變部分的準確時間窗口。從原則上講，凡傳統(tǒng)方法中使用傅立葉變換的地方都可以用小波變換來代替。小波變換在時域和頻域分析中同時具有良好的局部性，而且由于高頻段采取逐步精細的時頻步長，可以聚焦到分析的任意細節(jié)，能夠有效的找到信號的畸變點。斷路器某些監(jiān)測量的波形(如分合閘線圈電流波 形、動觸頭行程波形)上的一些畸變點是判斷斷路器機械故障和電氣故障的重要依據(jù)，而使用小波對這些監(jiān)測量波形處理可以方便地找出畸變點的位置，判斷斷路器故障類型。3.1 小波分析的概念小波分析(Wavelet Analysis)是20世紀數(shù)學研究成果杰出的代表之一。它作為數(shù)學科學的一個分支，汲取了現(xiàn)代分析數(shù)學中諸如泛函分析、傅立葉分析、數(shù)值分析、樣條分析、調(diào)和分析等眾多分支的精華。小波分析是非平穩(wěn)信號分析的一種有力數(shù)學工具，它具有兩個重要的數(shù)學實體“小波變換”和“小波級數(shù)”組成。小波分析屬于時頻分析的一種。小波變換是從傅立葉變換的基礎上發(fā)展起來的。自從1822年傅立葉(Fourier)發(fā)表“熱傳導解析理論”以來，傅里葉變換一直是信號處理領域中最完美、應用最廣泛、效果最好的一種分析手段小波分析的目的是“既要看到森林(信號的概貌)，又要看到樹木(信號的細節(jié))”，故被譽為“數(shù)學顯微鏡”。小波分析是一種窗口的大小固定、形狀可變的時頻局部化信號分析方法，即在低頻部分具有較高的頻率分辨率和較低的時間分辨率，在高頻部分具有較高的時間分辨率和較低頻率分辨率。設,其中表示平方可積的實數(shù)空間，能量有限的空間信號，其中傅立葉變換為。當滿足容許條件： （3-1）這里，=R-0表示非零實數(shù)的全體。則稱為小波母函數(shù)，對于任意的實數(shù)對（，），其中參數(shù)a必須是非零常數(shù)，如下形式的函數(shù)： （3-2）其中為尺度函數(shù)，為平移參數(shù)。以上函數(shù)是由小波母函數(shù)生成的依賴與參數(shù)（，）的連續(xù)小波函數(shù)，簡稱小波。對于任意的函數(shù)或者信號，其小波變換定義為： （3-3）由上式可以看出，作為積分核的小波變換函數(shù)，它不是正弦函數(shù)，而且該函數(shù)不是唯一的。在隨時間變化的同時，它還受到尺度函數(shù)和平移參數(shù)b的影響。小波變換是將信號分解為小波的組合。通過選擇合適的小波函數(shù)，就可以觀察到信號的局部特性，實現(xiàn)對信號的深層次處理。小波變換既可以處理平穩(wěn)信號、突變信號、具有孤立奇異性的信號和自適應信號。小波分析的優(yōu)越性如下：(1)不需要特別的假設和局限于數(shù)據(jù)的特定類型模式；(2)可以在時頻域同時實現(xiàn)對時間序列的分析預測，而傅立方法只能實現(xiàn)頻域分析；(3)提供局部分析與細化能力；(4)小波運算量相對來說更低。3.2小波函數(shù)的選取與標準傅里葉變換不同的是，小波變換中用到的母小波函數(shù)更多樣，更靈活。理論上只要滿足容許性條件的函數(shù)都可以作為小波變換的母小波，但是不同類型的母小波性質(zhì)差別很大，直接影響小波變換的結(jié)果，因此母小波函數(shù)的選取是小波應用的關鍵。目前主要通過小波分析處理信號的結(jié)果與理論結(jié)果的誤差來選擇母小波函數(shù)。母小波函數(shù)選取一般有以下原則： （1）正交性(或近似正交性)、緊支性(有限區(qū)間以外恒等于零)、可進行離散小波變換等性質(zhì)。 （2）尺度函數(shù)和小波函數(shù)都具有一定的消失矩，這種特性有利于加快小波變換的速度。 (3)在不同分辨率具有非常好的多項式函數(shù)近似，增加分析計算的效率。 (4)能夠比較容易地直觀顯示信號的特性，同時還能檢測其它潛在的時變擾 動。實際上，我們無法構(gòu)造一個具有完美性質(zhì)的小波函數(shù)。因此，在實際工程應用中，針對不同的被研究信號，不同的研究目的和方向，構(gòu)造不同的母小波函數(shù)。 目前，已存在不同的母小波函數(shù)，如Haar小波、Daubechies小波、coiflets小波和Symlets小波等。小波變換其實質(zhì)是用一系列的小波基函數(shù)逼近某個信號的過程，即使對同一信號，由于不同的母小波函數(shù)在正交性、緊支性、平滑性甚至對稱性上表現(xiàn)出不同的特性，信號的處理效果是不同的。本文主要是對斷路器機械特性信號進行小波分析，因此需要檢測信號的奇異性和信號特征的抽取，綜合比較幾種母小波特性和處理后信號與原始信號的標準差，以處理合閘線圈電流為例，分析結(jié)果見下表。根據(jù)多分辨率理論，分解層數(shù)越高，小波處理效果越好，但是相應處理時問也越長，為了兼顧處理時間和效果，方便比較，統(tǒng)一進行5層小波分解。表3-1各種母小波特性及標準差小波名稱分解層數(shù)標準差Haar516.30Db4516.40Db5515.80Db6516.14Db7516.07Sym4515.90Sym5515.90Sym7515.94 根據(jù)母小波的選取原則，以db5作為母小波。db5即Daubechies小波，該小波是由世界著名的小波分析學者Inrid Daubechies構(gòu)造的小波函數(shù)，一般簡寫為dbN，N是小波的階數(shù)。小波函數(shù)和尺度函數(shù)中的支撐區(qū)為2Nl， 消失矩為N。除N=l外，dbN不具有對稱性。dbN沒有明確的表達式(除N=1)，但轉(zhuǎn)換函數(shù)h的平方模是很明確的。令其中 為二項式系數(shù)，則有Daubechies小波具有以下特點：（1）在時域上是有限支撐的，即長度有限。而且高階原點距N值越大，的長度越長。（2）在頻域上在=0處有N階零點。（3）和它的整數(shù)位移正交歸一，即。（4）小波函數(shù)可以有所謂的“尺度函數(shù)”求出來。尺度函數(shù)為低通函數(shù)，長度有限，支撐域在范圍內(nèi)。是的位加權(quán)和： （3-4）K值從2-2N到1，N值不同，權(quán)重也不同。由于為有限支撐，所以式（3-4）中求出來的也是有限支撐，為2N-1，起于1-N，終于N處。3.3小波去噪 在實際信號的采集過程中，由于各種復雜的現(xiàn)場原因帶來的噪聲干擾會降低 許多方法的有效性，甚至會使它們失效。傳感器一般安裝斷路器內(nèi)部，采集的信號不可避免地受到高磁場的干擾，斷路器在開合閘瞬間產(chǎn)生的振動也是信號的干擾源。因此，非常有必要對采集到的信號進行去噪，盡可能地還原出“清潔”信號。隨著小波理論研究的不斷深入，利用小波變換進行信號去噪及重構(gòu)逐漸成 熟。 到目前為止，小波去噪的方法大致可分為三類： 第一類方法是基于小波變換模極大值原理。 第二類方法是對信號作小波變換后，計算相鄰尺度間各點小波系數(shù)的相關 性，根據(jù)相關性的大小區(qū)別小波系數(shù)的類型，從而進行取舍，然后直接重構(gòu)信號。 第三類方法是Donoho等人提出的小波閾值去噪方法，也就是通常所說的軟閾值和硬閾值去噪方法：即在眾多小波系數(shù)中，把絕對值較小的系數(shù)置為0，而讓絕對值較大的保留，得到估計小波系數(shù)(Estimated Wavelet Coefficients，簡稱EWC)，然后利用估計小波系數(shù)直接進行信號重構(gòu)，即可達到去噪的目的。 由于這種方法比較簡單實用，得到了廣泛使用，本文選取的去噪方法原理就是基于該類。 閾值的選取直接影響信號去噪的質(zhì)量。因此選擇適當?shù)臄?shù)A作為閾值，把低于A的小波系數(shù)(主要由噪聲引起的)設為0，而對高于A的小波系數(shù)予以保留或進行收縮，從而得到估計的小波系數(shù)。，然后對進行重構(gòu)，就可以重構(gòu)原始信號。硬閾值法：軟閾值法：其中，為小波高頻系數(shù)的標準差，N為小波分解的層數(shù)，為小波變換系數(shù)?，F(xiàn)以某一種特定信號作為處理對象分別用硬閾值法和軟閾值法進行分析。從而得到硬閾值和軟閾值作用于合閘線圈電流信號的作用效果。如圖3-1所示，可以看出，采用閾值值去噪的方法能夠有效去噪，相比較而言，軟閾值去噪效果優(yōu)于硬去噪。圖3-1對直線作用硬閾值和軟閾值的結(jié)果 可以看出，采用閾值去噪的方法能夠有效去噪，相比較而言，軟閾值去噪效果優(yōu)于硬閾值去噪。3.4利用小波處理斷路器行程信號由于開關設備小型化技術的不斷發(fā)展，許多斷路器的外形結(jié)構(gòu)尺寸已縮小到接近極限，這使得動觸頭附近可供安裝位移傳感器的空間非常有限，傳統(tǒng)的直線位移傳感器由于尺寸的限制難以在實際中使用，考慮到斷路器在分合閘過程中，動觸頭的行程與主軸轉(zhuǎn)動角度之間有一定的對應關系，因此測得主軸的角位移曲線，即可間接得到動觸頭的直線位移曲線。斷路器的主軸處于低電位，距離高壓部位較遠，不存在高電位隔離的問題，而且一般情況下主軸附近的可用空間大，能夠方便地安裝角位移傳感器，這種間接測量的方式對多種型號的斷路器都適用，我們選用了一種精密的導電塑料電位器作為角位移傳感器，安裝在操縱機構(gòu)的主軸上，傳感器的轉(zhuǎn)軸與斷路器的主軸通過連接件緊固連接，該傳感器有很高的測量線性度和分辨率。 在監(jiān)測的行程信號中，包含部分突變部分，因此要對信號進行預處理，將信 號的噪聲部分去除，提取有用信號。下面我們用小波對信號進行處理，分三個步驟： （1）分解過程：選定一種小波，對信號進行多層小波分解，這里我們選用上節(jié)介紹的Daubechies小波； （2）作用閾值過程：對分解得到的各層系數(shù)選擇一個閾值，并對細節(jié)系數(shù)使用軟閾值處理； （3）重建過程：降噪處理后的系數(shù)通過小波重建恢復原始信號。3.4.1合閘過程 斷路器的合閘操作過程是斷路器接受到合閘指令開始的，在接受到合閘指令后。合閘線圈回路啟動儲能機構(gòu)釋放能量，產(chǎn)生很大的作用力驅(qū)動動觸頭開始運動，將儲能機構(gòu)的能量轉(zhuǎn)化為觸頭運動的形式釋放。這樣觸頭的運動速度會逐漸增大，然而在運動過程中，觸頭會遇到各種摩擦和碰撞等阻力的影響，并且機械傳動機構(gòu)也會有摩擦和碰撞等阻力消耗儲能。隨著動觸頭沿著合閘方向的運動，在距離靜觸頭一定位置上會產(chǎn)生電弧，而電弧產(chǎn)生的電動力對動觸頭來說是阻力，將消耗部分能量。接下來，動觸頭會跟靜觸頭接觸，電弧熄滅。這就是所謂的剛合時刻的位置，在此以前，動觸頭運動的行程稱為空行程，隨后，動觸頭繼續(xù)前進，達到合閘位置，并且機構(gòu)保持合閘狀態(tài)。這段過程叫做超行程，在這個過程中，動靜觸頭的摩擦及緩沖器的作用會大大降低動觸頭速度，避免產(chǎn)生大的撞擊。通過分析，可以得出動靜觸頭剛剛接觸的時刻就是動觸頭速度最大的時刻。合閘行程-時間特性曲線如圖3-2所示。圖3-2 合閘-行程時間特性曲線我們看到原始采樣數(shù)據(jù)由于傳感器受到震動影響而有突變點，這些點我們稱之為信號的奇異點，如果不對數(shù)據(jù)進行處理直接求取觸頭速度得到圖3-3 圖3-3 直接求取的速度圖形從圖3-3可見，由于奇異點的存在，無法正確求取出斷路器分合閘速度，為此對原始數(shù)據(jù)進行小波分解，用db1小波進行6層分解重構(gòu)得到消噪后的圖形，如圖3-4所示。圖3-4 消噪后的圖形3.4.2分閘過程 斷路器的分閘操作過程是自斷路器接受到分閘指令開始的，此時分閘操動線圈回路通電，產(chǎn)生的電磁力推動鐵芯頂桿，分閘儲能機構(gòu)釋放能量，通過機械連接機構(gòu)驅(qū)動動觸頭開始運動，動觸頭和靜觸頭之間的摩擦力和碰撞會對觸動觸頭將和靜觸頭分離，這就是剛分時刻的位置，此段運動過程就是超行程。隨后，動觸頭將繼續(xù)沿分閘方向運動，動靜觸頭間出現(xiàn)電弧。此時雖然沒有了動靜觸頭間的摩擦力，可電弧的電動力會影響動觸頭的速度。但受力分析顯示，動觸頭在剛分位置應該具有最大的加速度。隨后動觸頭繼續(xù)分閘操作，電弧熄滅，緩沖器使得動觸頭停止下來，直到停止在分閘位置，這是分閘操作的空行程部分。動觸頭和靜觸頭分開之后，由于阻力相對減小，速度繼續(xù)增加至最大值，在此期間加速度應該會一直減小，速度最大值所對應時刻前，距離該時刻最近的加速度局部最大值所對應的時刻，就是分閘操作的剛分時刻。利用這個特點，可以通過計算分閘操作過程中的行程曲線的加速度來獲得動、靜觸頭的分離時刻，從而以較簡單的方式獲得斷路器分閘操作的分閘時間。3.5 小波降噪和傅里葉降噪法對某一信號降噪的方法有小波降噪和傅里葉降噪，其中小波降噪又包括通過抑制細節(jié)系數(shù)降噪、通過全層閾值和分層閾值降噪等方法。下面我們將詳細介紹這幾種降噪方法，并將對同一信號的降噪結(jié)果進行比較，得出這幾種降噪方法的各自的優(yōu)勢和缺陷，從而找到對信號進行降噪的最佳方法。3.5.1傅里葉降噪法 通過使用FFT對信號降噪方法與小波變換對比，就能看出小波變換在時間頻域的處理的優(yōu)點?，F(xiàn)在以nosisdopp信號為例，先對其進行傅里葉變換，求出其頻譜，頻譜圖如圖3-5所示。圖3-5 noisdopp信號FFT下定的頻譜由圖3-5可看出信號的能量主要集中在低頻部分，在20HZ以后迅速衰減為零，50HZ以后就幾乎沒有能量了。這樣我們可以通過低通一個簡單的低通濾波。通過低通濾波處理得到的結(jié)果如圖3-6所示。圖3-6 用在頻域中低通濾波器對信號降噪的結(jié)果我們將得到的結(jié)果與所用在小波域中抑制噪聲的能量沒有FFT濾波器的結(jié)果高，但是卻保持了更高的與原信號的相似度。通常意義上降噪的兩個準則，光滑性和相似性在時間和頻率上兩個空間體現(xiàn)的比重不同從時域分析的角度，更容易體現(xiàn)信號的相似性，而不太好處理信號的光滑性，因為時域可以很好的判斷信號的動態(tài)性質(zhì)，而在頻域中，可以很方便的過濾掉高頻的噪聲信號，但是在原始信號中能量比重很小的很多有用信號也可能因此被過濾掉。在這個意義上，小波分析的多分辨概念有了廣泛的應用空間，展開之后的小波系數(shù)，既可以保持根據(jù)某些頻段的系數(shù)做濾波，更重要的是可以根據(jù)某些頻段分離出來的系數(shù)隨時間的變化，通過某些準則來判斷其是信號本身所包含的信息，還是在統(tǒng)計上無規(guī)律定的噪聲。3.5.2小波降噪法（1）通過抑制細節(jié)系數(shù)降噪在小波分解過程中，每次分解得到的近似系數(shù)比以前更光滑，舍去的細節(jié)信息就存放在各層細節(jié)系數(shù)中，那么一個簡單的思想是重建第i層近似系數(shù)達到降噪的目的，那么進一步，為了保持原相對完整的信息我們可以有選擇的抑制各層的細節(jié)系數(shù)，也能實現(xiàn)這個目的，現(xiàn)我們對noisdopp信號通過抑制部分細節(jié)系數(shù)來實現(xiàn)信號平滑。結(jié)果如圖3-7所示。圖3-7通過抑制細節(jié)系數(shù)方法對noisdopp信號的降噪結(jié)果通過此例子可以看出，使用單純的抑制細節(jié)系數(shù)的方式，確實可以實現(xiàn)消除信號噪聲的目的，但這種方式太過于粗略，因為這樣做沒有利用噪聲本身的信息，沒有通過噪聲本身來確定降噪的方法，所以作為衡量相似性的標準差仍然很大，而且降噪后的信號損失了很多原信號的能量成分，這就說明了我們在降噪的過程中，不僅抑制了噪聲，也抑制了很多有用的信息成分。（2）使用全局閾值和分層閾值對信號進行降噪前面我們已經(jīng)從降噪的基本思想出發(fā)，討論了在小波域和頻域?qū)π盘栐肼曇种频姆椒?，將這兩種方法得到的噪聲結(jié)果進行了比較，但是從嚴格意義上來講，這些都不是很好的符合降噪的兩個基本要求光滑性和相似性。前面介紹的閾值控制法理論上指出了一種在小波域?qū)ο禂?shù)進行操作，使得降噪信號最大程度的滿足這兩種要求的方法，這就是所謂的“小波收縮”，其原理就是根據(jù)方差最小的的原則對系數(shù)的無偏似然估計確定閾值的方法。通過小波工具箱對信號進行降噪的命令哦降噪中的應用，wdencmp來進一步說明小波變換在其中閾值的選取有兩種方式：全局閾值和分層閾值?，F(xiàn)仍然對noisdopp信號為降噪對象。圖3-8使用全局閾值和分層閾值對信號降噪的結(jié)果從圖3-8可以看出，全局閾值和分層閾值的方法很好的保留了信號發(fā)展初期的高頻特性，且性能優(yōu)于之前的抑制細節(jié)系數(shù)和FFT方法。在這兩者之間，分層閾值雖然損失了部分性能，但比全局閾值的結(jié)果光滑了很多。而且信號發(fā)展初期的高頻系數(shù)也幾乎不受影響，最大限度的反映了原信號本身的性質(zhì)。因此在對分合閘線圈電流降噪時，我們采用的是全局閾值和分層閾值降噪法。3.6利用使用全局閾值和分層閾值處理分合閘線圈電流信號分合閘線圈是控制斷路器動作的關鍵元件，利用霍爾電流元件可以方便地檢測其電流電壓。無論何種操動機構(gòu)，例如電磁、彈簧、永磁、液壓等操動機構(gòu)中，都裝有分合閘線圈。通過線圈電流波形可以診斷出很多機械故障。下面以彈簧操動機構(gòu)合閘線圈為例，利用小波函數(shù)分析其分合閘線圈電流，并對分閘線圈電流信號進行降噪。 圖3-9為正常情況下彈簧操動機構(gòu)的合閘線圈電流波形以及使用全局閾值和分層閾值對其進行降噪的結(jié)果。圖3-9 使用全局閾值和分層閾值對信號降噪后的結(jié)果從圖中可看出，用全局閾值和分層閾值對分合閘線圈電流降噪后的信號很好的保留了原有先好的相似性和光滑性。分層閾值雖然損失了部分性能，但比全局閾值的結(jié)果光滑了很多。而且信號發(fā)展初期的高頻系數(shù)也幾乎不受影響，最大限度的反映了原信號本身的性質(zhì)。3.7結(jié)論 由于小波變換具有良好的時頻局部化特性，用小波變換進行斷路器在線監(jiān)測，克服了傳統(tǒng)檢測方法對突變點定位的不足，可以有效地去除斷路器在線監(jiān)測信號中含噪部分，提取出信號的主要特征，為正確判斷斷路器健康狀態(tài)和制定檢修計劃提供依據(jù)，提高電力系統(tǒng)的運行水平和供電質(zhì)量。4 總結(jié)和展望4.1總結(jié) 在中國經(jīng)濟持續(xù)保持高速增長的時代背景下，電能需求越來越旺盛，電網(wǎng)的安全可靠運行將直接影響地區(qū)和國家的經(jīng)濟穩(wěn)定甚至社會的和諧發(fā)展。斷路器在電網(wǎng)中擔負著在正常和故障條件下分合主電路的任務，同時也是易損設備之一，相對而