（计算机应用技术专业论文）断路器在线监测数据分析的研究与应用.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 摘要 断路器是变电站机械和电气动作最频繁的设备，在运行过程中若出现故障， 极易引起电网事故，造成较大的经济损失，因此对其可靠性提出了非常高的要求。 断路器在线状态监测系统能及时了解断路器的工作状态和缺陷部位，减少过早或 不必要的停电试验和检修，减少维护工作量，降低维修费用，提高检修的针对性， 可显著提高电力系统可靠性。 状态监测是实施状态检修的基础，以科学的方法对设备运行状态进行监测 和诊断是实施状态检修的关键。我国对于电力设备状态检修的研究多集中于变压 器，发电机一类的大型设备，对于断路器的状态监测和诊断的研究还处于起步阶 段，现有的在线监测系统中普遍存在以下问题：监测量少，功能单一，缺乏系统 性和综合性；采用的分析方法少，对断路器的运行状态的识别缺乏有效的数学方 法和技术手段。 断路器在线监测研究的内容十分广泛，本课题着眼于断路器在线监测系统 中的一些信号处理和分析方法，主要是对振动信号和线圈电流进行数据分析和处 理，同时深入研究小波消噪方法和数据预处理方法。利用绍兴电力局提供的断路 器在线监测数据，应用小波分析理论和各种信号处理方法，重点分析振动信号与 线圈电流波形，给出断路器的故障诊断结果，并建立起断路器的正常指纹库和故 障指纹库。因此，本人主要从以下几个方面开展研究工作： 1 )查阅国内外的大量文献资料，深入研究振动信号与线圈电流的各种波形分 析方法，寻找有效的数据分析方法。 2 )利用m a t l a b 强大的计算功能，实现数据分析算法，对振动信号波形与线圈 电流波形进行m a t l a b 仿真分析，确定能用于工程实践的数据分析方法。 3 )开发断路器在线监测数据分析系统，将研究成果应用于生产实践。 本课题对断路器在线监测系统的数据进行了深入的数据挖掘，研究并实现了 一些比较有效的断路器在线监测数据分析诊断方法，更对变电所其他设备的在线 监测数据开展分析研究作出了有益的探索。数据分析系统为绍兴局提供正常指纹 库，并可以维护故障指纹库，取得了令人满意的运行结果。数据分析系统给出的 浙江大学硕士学位论文 摘要 断路器故障诊断结果可供技术人员参考，进一步提高了断路器故障诊断水平。 关键词：断路器，在线监测，振动信号，线圈电流，数据分析，小波分析 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t c i r c u i tb r e a k e ri st h ed e v i c eo fm a n ym e c h a n i c a la n de l e c t r i ca c t i o n si nt h e s u b s t a t i o n i fc i r c n i tb r e a k e rh a st r o u b l e s ，e l e c t r i cp o w e rs y s t e mf a i l se a s i l y , a n di tw i l l c a u s eg r e a t e re c n o m i cl o s s e s t h e r e f o r et h er e l i a b i l i t yo fc i r c u i tb r e a k e ri sv e r y i m p o r t a n t o n - l i n ew o r k i n gc o n d i t i o nm o n i t o r i n gs y s t e mc a nf i n d o u tw o r k i n g c o n d i t i o na n df a u l tp o s i t i o no fc i r c u i tb r e a k e rj u s ti nt i m e i ta l s oc a nd e c r e a s ee a r l i e r o ru n n e c e s s a r yp o w e rc u te x p e r i m e n ta n dr e p a i r , r e d u c em a i n t e n a n c ea n dt h ec h a r g e o fr e p a i r , i n c r e a s et h ep e r t i n e n c eo fi n s p e c t i o na n dr e p a i r , e n h a n c et h er e l i a b i l i t yo f e l e c t r i cp o w d e rs y s t e md i s t i n c t l y c o n d i t i o nm o n i t o r i n gi st h eb a s eo fc o n d i t i o nb a s e dm a i n t e n a n c e s c i e n t i f i c m e t h o di st h el i n c h p i no fm o n i t o r i n ga n dd i a g n o s ef o rr u n n i n gc o n d i t o no fd e v i c e i n t h ea r e ao fp o w e rd e v i c ec o n d i t i o nm a i n t e n a n c e ，r e s e a r c hi no u rc o u n t r yf o c u s e so n l a r g ed e v i c e s ，s u c h 嬲t r a n s f o r m e ra n dd y n a m o t o r , b u tw e a ki nc i r c u i tb r e a k e r s c o n d i t i o nm a i n t e n a n c ea n dd i a g n o s e t h e r ea r es o m ep r o b l e m si nt h ee x i s t i n go n - l i n e m o n i t o r i n gs y s t e m ：af e wo fm o n i t o r i n gq u a n t i t ya n df u n c t i o n s ，l a c k i n gs y s t e m i c o r g n i z a t i o na n di n t e g r a t i o n ，af e wo fa n a l y t i cm e t h o d ，a n dl a c k i n gm e t h e m a t i c m e t h o d sa n dt e c h n i q u e st oi d e n t i f yc i r c u i tb r e a k e r sr u n n i n gc o n d i t i o n i u c hi nt h ec o n t e n to fr e s e a r c ho fc i r c u i tb r e a k e ro n l i n ew o r k i n gc o n d i t o n m o n i t o r i n g ，t h i sp r o j e c tf o c u s e so ns o m es i g n a ld i s p o s a la n da n a l y t i cm e t h o do f c i r c u i tb r e a k e ro n l i n ew o r k i n gc o n d i t o nm o n i t o r i n gs y s t e m ，d i s p o s i n gv i b r a t i o n s i g n a la n dw i n d i n ge l e c t r i cc u r r e n tm o s t l y , r e s e a r c h i n go nw a v e l e td e n o i s em e t h o d a n dd a t ap r e t r e a t m e n td e e p l y u s et h ed a t ao fc i r c u i tb r e a k e ro n - l i n ew o r k i n gc o n d i t o n m o n i t o r i n go fs h a o x i n gp o w e rb u r e a u ，a p p l i c a t ew a v e l e ta n a l y s i st h e o r ya n da l l k i n d so fs i g n a ld i s p o i n gm e t h o d s ，f o c u so nv i b r a t i o ns i g n a la n dw i n d 堍e l e c t r i c c u r r e n tw a v e ，a tl a s t ，p r o v i d et h ef a u l td i a g n o s er e s u l to fc i r c u i tb r e a k e r , a n db u i l d c i r c u i tb r e a k e r ss t a n d a r df i n g e rl i b r a r ya n df a u l tf i n g e rl i b r a r y t h e r e f o r et h ep a p e r s 1 ) s t u d ym u c hl i t e r a t u r ei nt h ew o r l d ，d or e s e a r c hd e e p l yo na l lk i n d so fw a v e 浙江大学硕士学位论文 a n a l y s i sm e t h o d so fv i b r a t i o ns i g n a la n dw i n d i n ge l e c t r i cc u r r e n td e e p l y , a n df m d o u te f f e c t i v ed a t aa y a l y s i sm e t h o d s 2 ) 墩m a t l a b ss t r o n gc o m p u t i n gf u n c t i o n ，i m p l e m e n td a t aa n a l y s i sa l g o r i t h m ， d ot a t e da n a l y s i st ov i b r a t i o ns i g n a la n dw i n d i n ge l e c t r i cc u r r e n tu s i n gm a t l a b ， c o n f i r mt h ed a t aa n a l y s i sm e t h o d so np r o j e c tp r a c t i c e 3 ) d e v e l o pc i r c u i tb r e a k e ro n - l i n ew o r k i n gc o n d i t o nm o n i t o r i n gd a t aa n a l y s i ss y s t e m ， a n da p p l yt h er e s e a r c hr e s u l t st op r o d u c t i o n t h i sp r o j e c th a v ed o n ea ni n - d e p t hd a t am i n i n gt ot h ed a t ao fc i r c u i tb r e a k e r o n - l i n ew o r k i n gc o n d i t o nm o n i t o r i n gs y s t e m ，a n di m p l e m e ms o m ee f f e c t i v ec i r c u i t b r e a k e ro n - l i n e w o r k i n gc o n d i t o nm o n i t o r i n g d a t aa n a l y s i sd i a g n o s em e t h o d s ， p r o m o t et h ed e v e l o p m e n to ft h ea n a l y s i sa n dr e s e a r c ho fo t h e rd e v i c e s so n l i n e w o r k i n gc o n d i t o nm o n i t o r i n gi nt h es u b s t a t i o nt o o d a t aa n a l y s i ss y s t e mp r o v i d e s s t a n d a r df i n g e rl i b r a r ya n ds a t i s f i e df a u l td i a g n o s er e s u l t sf o rs h a o x i n gp o w e rb u r e a u ， a n dt h ef a u l tf i n g e rl i b r a r yi sm a i n t a i n a b l e f i n a l l yt h el e v e lo fc i r c u i tb r e a k e r sf a u l t d i a g n o s ei sm u c hi m p r o v e d k e y w o r d s ： c i r c u i tb r e a k e r , o n - l i n ew o r k i n gc o n d i t i o nm o n i t o r i n g ，v i b r a t i o n s i g n a l ，w i n d i n ge l e c t r i cc u r r e n t ，d a t aa n a l y s i s ，w a v e l e ta n a l y s i s 浙江大学硕士学位论文 图目录 图目录 图2 1 高压断路器典型结构图4 图2 2 系统硬件构成示意图9 图2 3g i s 在线监测系统结构1 0 图3 1h a a r 小波函数及尺度函数图1 5 图3 2d b 4 小波函数及尺度函数图1 5 图3 3c o i f 2 小波函数及尺度函数图1 6 图3 4s y m 4 小波函数及尺度函数图1 6 图3 5m o r l e t 小波函数图16 图3 6 墨西哥草帽小波函数图1 7 图3 7m e y e 小波函数及尺度函数图1 7 图3 8 三层多分辨分析树结构图1 8 图3 9 三层分解的分解过程2 1 图3 1 0 含噪声的振动信号仿真波形2 2 图3 1 l 去噪后的振动信号仿真波形2 2 图3 1 2 振动信号去噪后的信号包络仿真波形2 3 图3 1 3 不同尺度下小波分解信号仿真波形2 4 图3 1 4 指数衰减振荡函数描述振动信号的分析结果2 9 图3 1 5 合闸过程振动信号的归一化积分曲线3 0 图3 1 6 分闸过程振动信号的归一化积分曲线3 0 图3 1 7 分、合闸振动曲线图3 1 图3 1 8 振动信号分形特征图3l 图3 1 9 动态时间规整结果3 2 图3 2 0 分闸操作机械振动特性3 3 图3 2 1 高压断路器操作振动信号3 5 图3 2 2 高压断路器操作振动信号的相空间重构图( l = 2 ) 3 6 图3 2 3s v m 最优分类面3 7 图3 2 4 各状态下原始振动信号3 8 图3 2 5 断路器状态特征树3 8 图3 2 6 重构指纹信号3 9 图3 2 7 三层多分辨分析树结构图4 l 图3 2 8 三层分解的分解过程4 2 图3 2 9 含噪声的振动信号仿真波形4 6 图3 3 0 去噪后的振动信号仿真波形4 6 图3 3 1 振动信号去噪后的信号包络仿真波形4 7 图3 3 2 包络信号在各个尺度上的小波分解信号仿真波形4 7 图3 3 3 各尺度小波分解信号的包络仿真波形4 8 图3 3 4 原始振动信号仿真波形5 4 图3 3 5 原始振动信号经过f f t 变换后的频谱图5 4 图3 3 6 频谱图前4 0 个点的仿真波形5 4 图3 3 7 原始振动波形5 7 i v 浙江大学硕士学位论文图目录 图3 3 8 经过小波阈值消噪的振动波形5 7 图3 3 9 消噪后信号的幅值包络图5 8 图3 4 0 经过滤波处理的幅值包络图5 8 图4 1 合( 分) 闸线圈电流波形6 1 图4 2 实测合( 分) 闸线圈电流波形6 3 图4 3 原始线圈电流仿真波形6 5 图4 4 经过低通滤波的线圈电流仿真波形6 5 图4 5 原始线圈电流仿真波形6 6 图4 6 经过低通滤波的线圈电流仿真波形6 6 图4 7 原始线圈电流仿真波形6 9 图4 8 经过低通滤波的线圈电流仿真波形6 9 图4 9 滤波后的线圈电流的幅值包络图7 0 图4 10 经过低通滤波的幅值包络图7 0 图4 1 1 原始线圈电流仿真波形7 0 图4 1 2 经过低通滤波的线圈电流仿真波形7 1 图4 1 3 滤波后的线圈电流的幅值包络图7 1 图4 14 经过低通滤波的幅值包络图7l 图5 1 系统结构图7 5 图5 2 系统主界面图7 5 图5 3 线圈电流轮廓法建立指纹库数据流图7 7 图5 4 线圈电流分散包络统计法建立指纹库数据流图7 7 图5 5 振动信号小波分析法建立指纹库数据流图7 8 图5 6 振动信号偏差测试法建立指纹库数据流图7 8 图5 7 线圈电流轮廓法数据分析数据流图7 9 图5 8 线圈电流分散包络统计法数据分析数据流图8 0 图5 9 振动信号小波分析法数据分析数据流图8 0 图5 1 0 振动信号偏差测试法数据分析数据流图8 1 v 浙江大学硕士学位论文表目录 表目录 表3 1 断路器在正常与故障状态下奇异性指数2 6 表3 2 冲击信号特征提取的小波基比较4 4 表3 31 1 0k v 东进变分闸各个小波函数尺度下的奇异性指数4 8 表3 41 1 0k v 东进变合闸各个小波函数尺度下的奇异性指数4 9 表3 51 1 0k v 东进变分闸v c s 值5 2 表3 61 1 0k v 东进变合闸v c s 值。5 2 表3 71 1 0k v 东进变分闸指纹值5 4 表3 81 1 0k v 东进变合闸指纹值5 5 表3 91 1 0k v 东进变分闸指纹值5 6 表3 1 01 1 0k v 东进变合闸指纹值5 6 表3 1l1 1 0k v 东进变分闸时间特征值。5 8 表3 1 21 1 0k v 东进变合闸时间特征值5 9 表4 1 时间特征参数表6 3 表4 21 1 0k v 东进变分闸时间特征量6 6 表4 31 1 0k v 东进变分闸电流特征量6 7 表4 41 1 0k v 东进变合闸时间特征量6 7 表4 51 1 0k v 东进变合闸电流特征量6 8 表4 61 l ok v 东进变分闸时间与幅值特征量7 1 表4 71 1 0k v 东进变合闸时间与幅值特征量。7 2 v l 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得逝姿盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名。智砖签字眺。年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 逝姿盘鲎 有权保留并向国家有关部门或机构送交本 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿盘堂可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 亭 歹日 导师签名： 签字日期： 日 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 1 1 课题的提出 第1 章绪论 高压断路器是电力系统中重要且数量巨大的主要设备，断路器发生故障造 成的损失，远远超出断路器本身的价值。近年来，为进一步加强断路器的状态监 测，绍兴局相继安装了近3 0 套断路器在线监测装置，在线监测开关开断电流、 机构分合闸电流波形、开关振动信号量波形等反应断路器动作瞬间特性变化的状 态量。但开关在线监测又不同于绝缘在线监测，它目前尚没有成熟的分析判断方 法，如何对已获取的断路器在线监测数据进行进一步的数据分析，寻找有效的断 路器在线监测数据分析诊断方法成为近年来国内普遍关注的热点和难点问题。 本课题主要利用绍兴电力局已装设的断路器在线监测系统提供的在线监测 数据，进一步开展断路器在线监测系统数据分析，主要完成： 1 ) 断路器分( 合) 闸线圈电流变化波形分析，主要是收集开关正常动作状态， 分析异常波形与机构特性变化之间的影响与关系。 2 ) 断路器振动量波形分析，重点进行分合闸振动波形的频谱分析，探索建立开 关分合闸动作特征指纹档案。并可对每次开关动作情况进行指纹比对，发现 潜在问题。 1 2 本课题的研究意义 1 2 1 对高压断路器实施在线监测的意义 高压断路器在电网中起控制和保护作用，当它发生故障或事故时会引起电网 事故或扩大事故，造成相当的经济及其它方面的损失。2 1 世纪世界电能将有更 大的发展，电能供应的安全可靠性、电能质量、经济性，包括目前电力部门正在 大力推行的变电站综合自动化，对高压断路器的可靠性都提出了更高的要求。 高压断路器的在线监测和故障诊断可以及时发现故障，从而提高其运行可靠 性。此外，当电力设备由定期维修转变为状态维修时，高压断路器的在线监测对 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 开关设备的重要参数能进行长期连续的监测，不仅可以提供设备现有的运行状 态，而且还能分析各种重要参数的变化趋势，判断有无存在故障先兆，为设备的 状态维修提供依据，从而增大设备的维修保养周期，提高设备的利用率，减少维 修保养费用，因而具有重要的经济意义。 1 2 2 现有高压断路器在线监测系统中存在的问题 状态监测是实施状态检修的基础，以科学的方法对设备运行状态进行监测 和诊断是实施状态检修的关键。我国对于电力设备状态检修的研究多集中予变压 器，发电机一类的大型设备，对于高压断路器的状态监测和诊断的研究还处于起 步阶段，现有的在线监测系统中普遍存在以下问题： 监测量少，功能单一。多数系统只局限于研究断路器的电气或机械某一方 面的特性，如监测开断电流、累计跳闸次数、累计开断电流等等。 缺乏系统性和综合性。对断路器的监测功能只是作为微机保护或录波装置 的一个功能模块加以开发。 采用的分析方法少。对断路器的运行状态的识别缺乏有效的数学方法和技 术手段。 1 3 本课题的主要研究工作 高压断路器在线监测研究的内容十分广泛，本课题着眼于高压断路器在线 监测系统中的一些信号处理和分析方法，主要是对振动信号和线圈电流进行数据 分析和处理，同时深入研究小波消噪方法和数据预处理方法。利用绍兴电力局提 供的断路器在线监测数据，应用小波分析理论和各种信号处理方法，重点分析振 动信号与线圈电流波形，给出断路器的故障诊断结果，并建立起断路器的正常指 纹库和故障指纹库。因此，本人主要从以下几个方面开展研究工作： 1 )查阅国内外的大量文献资料，深入研究振动信号与线圈电流的各种波形分 析方法，寻找有效的数据分析方法。 2 )利用k a t l a b 强大的计算功能，实现数据分析算法，对振动信号波形与线圈 电流波形进行m a t l a b 仿真分析，确定能用于工程实践的数据分析方法。 3 )开发断路器在线监测数据分析系统，将研究成果应用于生产实践。 2 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 1 4 本章小结 本章首先介绍了课题的研究背景，然后阐述了对高压断路器实施在线监测的 意义，最后介绍了本课题的主要研究工作。 浙江大学硕士学位论文第2 章断路器在线监测原理 第2 章断路器在线监测原理 2 1 高压断路器概述 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，例如空载、负载或短路故 障，当要求断路器动作时，它都应能可靠的动作，或是关合，或是开断电路。概 括的讲，高压断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 除，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， 如过载电流和短路电流n 3 。 根据控制、保护的对象不同，高压断路器可分为发电机断路器、输电断路 器、配电断路器、控制断路器。按灭弧原理又可划分为油断路器( 包括多油和少 油断路器) 、压缩空气断路器、s f 6 断路器、真空断路器、磁吹断路器等。目前 应用较多的是少油断路器、真空断路器和s f 6 断路器。 高压断路器的典型结构见图2 1 。 霉偌龟纂隽 l 开新元件2 笼繁支痉 4 图2 1 高压断路器典型结构图 4 l 浙江大学硕士学位论文第2 章断路器在线监测原理 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 动机构和液压操劳过度动机构等n 1 。 开断元件放在绝缘支柱上 见图2 1 ( a ) ，使处于高电位的触头、导电部 分及灭弧与地电位绝缘，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2 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。 高压断路器与其它电力设备如电机、电抗器、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、变压器相比，单台断路器的价格低得多。 但是因断路器故障造成的损失，如引起其它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。 2 2 高压断路器在线监测内容 高压断路器在线监测内容主要有以下几项：机械特性在线监测，绝缘在线监 测，二次回路完好性在线监测，电磨损在线监测，温度在线监测。 2 2 1 机械特性在线监测 众所周知，断路器与其他电气设备相比，机械部份零部件特别多，加之这 5 浙江大学硕士学位论文第2 章断路器在线监测原理 些部位动作频繁，因此而造成故障的可能性就多。我国电科院对全国6 k v 以上高 压开关故障原因统计分析中看出，1 9 9 8 1 9 9 9 年在拒动、误动故障中因操动机构 及其传动系统机械故障导致的占4 1 6 3 ；国际大电网会议( c i g e r e ) 的调查资 料也表明，操作机构故障占4 3 5 ，由此可见，无论是国内还是国外，机械性故 障是构成断路器故障的主要原因，所以对断路器机械状态的监测以及健康状况的 诊断甚为重要。 目前，断路器的机械系统在线监测主要有以下几个方面： 1 )振动信号的在线监测 机械振动是一个丰富的信息载体，它包含着大量的设备状态信息。机座、 外壳上的振动是内部多种受激的反应，这些受激包括机械操作、电动力或静电力 作用、局部放电以及s f 6 气体中的微粒运动等。通过适当的检测和信号处理可找 到某些特定现象的状态信息。因此利用振动检测来诊断高压断路器机械系统状态 已受到国内、外重视。振动信号监测的最大优点是不涉及电气量，传感器安装在 外部，对断路器本身无任何影响。缺点是在气体中信号衰减太快，对局部放电等 微小的振动信号检测有一定的困难。 2 )操作线圈电流的在线监测 分、合闸操作线圈是控制断路器动作的关键元件，应用霍尔元件电流传感 器可方便地监测多种信息的分、合闸电流波形。分析每次操作监测到的波形变化， 可以诊断出断路器机械故障的趋势，对发生概率最大、危害性也最大的拒动、误 动故障的诊断尤为有效。 3 )操作运行特性的在线监测 随着计算机及电子技术的发展，现在可以记录开关每一次合、分操作时的 运行速度和时间，根据断路器的行程一时间特性，可以提取各种机械动作参数， 并分析其变化，可发现较多机械故障的隐患，并预测可能出现的故障一因为断路 器机械部份由于磨损、疲劳老化、变形、生锈、装配不当等，影响正常机械性能 的原因都可从监测中反映出来。这种监测方法可通过在传动杆上装置反射面，在 对应于分、合闸及行程中某些点的位置，埋设光纤传感器，可采集到行程中某几 点的时间值，在断路器主轴上安装旋转式光电运行传感器，可在线监测整个行程 一时间特性。文献 2 和文献 3 对原有的行程一时间特性监测方法进行了改进。 6 浙江大学硕士学位论文 第2 章断路器在线监测原理 4 )主操作杆上机械负载特性的在线监测 监测主操作杆上机械负载特性，可以提供开关刚分、刚合的时刻、触头接 触压力，还可以反映连杆松动、断裂、卡死以及机械负载特性与机构输出特性之 间的配合情况。 2 2 2 绝缘在线监测 高压断路器的事故发生率中，绝缘事故仅次于机械系统事故，我国电科院 统计的年绝缘故障占总故障的1 9 4 7 。此类故障对油断路器而言，大都因设备 进水及受潮、绝缘下降所致；对2 2 0 k v 及以上断路器而言，内绝缘问题非常突出， 特别是内部带电体对外壳放电的故障，随设备运行时间和操作次数有增多的趋 势，运行中除加强巡视外，应尽可能安装监视内部放电的在线监测装置，以便及 早发现放电隐患，及时采取措施，遏制故障的发生。 高压断路器的绝缘在线监测包括漏电流、局部放电、介质损耗等内容。这 些参数都可归纳为电容型设备在线监测技术。电容型高压电气设备在线监测可分 为分散型在线监测和集中型在线监测两种方式。 2 2 3 二次回路完好性在线监测 传统二次回路完好性监测方法存在的问题是，断路器合闸后合闸回路完整 性失去监视、断路器跳闸后跳闸回路完整性失去监视，都属于非全工况监视。可 通过改进二次回路完好性在线监测方法，实现全工况监测。 2 2 4 电磨损在线监测 通过监测开断电流、电弧能量、开断电流加权累计值等间接估计灭弧室和 触头的电磨损程度。关于断路器电寿命计算方法见文献 4 。文献 5 对电寿命的 计算方法进行了改进。 2 2 5 温度在线监测 对开关设备导电连接处进行温度监测，实现过热报警，是避免重大事故发 7 浙江大学硕士学位论文 第2 章断路器在线监测原理 生或控制故障恶化的有力手段，从目前生产运行的情况看，温度的在线监测有良 好的应用前景。目前有两种设备用于温度的监测：红外热像仪，以电工功能材料 为温度敏感元件的监测器。 2 3 高压断路器在线监测系统简介 高压断路器在线监测系统的根本任务是了解和掌握断路器的运行状态，为 断路器的故障诊断、性能评估、合理使用和安全工作等提供信息和准备基础数据。 建立高压断路器在线监测系统，对高压断路器进行长期连续监测。传感器 和数据采集模块安装在开关设备上，不影响设备的原有性能，参数及可靠性。采 用计算机技术、传感器技术、电磁兼容技术，使得高压断路器现场数据采集单元 的运行有足够的可靠性，可工作在强电磁干扰，温度变化大，机械振动强的苛刻 环境中。高压断路器现场数据采集单元把数据送到上级计算机，建立高压断路器 的状态数据库。应用信号处理技术，对断路器运行状态的相关数据进行管理。 监测系统不仅可以提供高压断路器当前的参数，而且还能分析重要参数的 变化趋势，为高压断路器的维修提供依据，增大设备的维修保养周期，减少维修 保养费用。 下面简要介绍几种国内出现的在线监测系统。 1 ) 基于嵌入式系统断路器综合在线监测平台 文献 6 提出了一种基于双c p u 的断路器在线监测平台，井通过双总线通信 方式准确、实时地把监测结果以及故障波形上传至主控制室，方便技术人员查询。 实验室调试的情况表明，该系统平台工作稳定、实时性好能够对多种断路器的运 行参量进行准确的测量。 2 ) 高压断路器综合在线监测系统 文献 7 实现的系统，采用监测断路器动触头速度和行程、分合闸线圈回路 电流、储能电机电流及1 2 t 来判断断路器的机械性能，以及根据采集的短路电流 信号模拟计算短路电流的最大值，通过监测断路器外绝缘泄漏电流来判断断路器 的绝缘状况。此监测系统的硬件构成示意图如下图2 2 所示。 8 浙江大学硕士学位论文 第2 章断路器在线监测原理 泄漏电流 传感器 直线位移 传感器 霍尔电流 传感器 绝缘信号i 信号 放大滤波i 调理 处理i 模块 模拟电 路电源 电源模 块 m c u 模l 通信模 块电源l 块电源 电压电流转换 计 算 机 m a x l 9 7 采样系统 主 控 板 单片机系统 通信模块 c a n 现场总线 r s 4 8 5 串行通信 液晶键盘模块r s 2 3 2 串行通信 图2 2 系统硬件构成不意图 3 )高压断路器状态在线监测系统 文献 8 提出了高压断路器实时状态监测系统的设计方案并实施。该文指出 该系统能实时监测并诊断断路器的机械状态和电寿命状态，适用于各电压等级、 各类型的断路器。该系统具有抗干扰性强、可靠性局、维护方便等优点，可以及 时掌握断路器的运行状态，方便获得状态检修有关数数据。投入近二年来一直运 行正常而稳定。 4 )g i s 在线状态监测与故障诊断综合管理系统 文献 9 实现了g i s 在线状态监测与故障诊断综合管理系统，该系统用嵌入 式微机作为状态监测的下位机，在上位主机中设计了g i s 状态监测综合管理软件 系统t h m s 。该系统采用组件对象模刑和面向对象技术，增强了可视性、可重用 性等方面的特性，为与变电站m i s ，s c a d a 等系统联网打下了基础。g i s 在线监 测系统结构如下图2 3 所示。 9 浙江大学硕士学位论文第2 章断路器在线监测原理 图2 3g i s 在线监测系统结构 5 )高压断路器运行状态实时监测系统 文献 1 0 实现的系统结合了延边电业局的实际情况，对高压断路器合( 分) 闸线圈的电流波形进行了分析，设计了开断电流的监测模块和振动波形的监测模 块，以8 0 c 1 9 6 单片机为核心构成实时状态监测单元，通过r s 一4 8 5 串口总线方式 将监测信息上传给主站计算机。 2 4 本章小结 本章首先对高压断路器进行简单的介绍，然后着重介绍高压断路器的主要在 线监测内容，最后介绍了一些常见的高压断路器在线监测系统。 l o 浙江大学硕士学位论文第3 章振动信号波形分析 第3 章振动信号波形分析 3 1 振动信号波形分析方法概述 由于振动信号的复杂性以及振动信号对于故障诊断的重要性，在这方面的 研究比较多，故处理振动信号的方法也是比较多的，主要有以下几种分析方法： 小波分析法、偏差测试法( y e s ) 、指纹诊断、信号能量包络分析、指数衰减振 荡子波分解法、积分参数法、基于分形理论、动态时间规整法、时域一频域复合 分析法、“状态图”法、基于相空间重构、人工神经网络法、基于支持向量机。 3 1 1 小波分析法 本节主要介绍如下内容：小波分析理论基础n 1 儿捌、一些常见的小波函数和小 波基的选择、多分辨率分析、m a l l a t 算法n 、小波消噪算法n 劓、信号的包络提取、 奇异性与奇异性指数n 6 1 。 3 1 1 1 小波分析理论简介 1 ) 傅立叶变换 设信号f ( t ) ，其傅立叶变换为： f ( w ) 。j 1 二e f ( t ) p 一朋d t ( 3 - 1 ) f ( w ) 确定t f ( t ) 在整个时间域上的频谱特性。傅立叶变换适用于确定性的平 稳信号，对于一些非平稳信号不太适应。傅立叶变换将信号的时域特征和频率特 征联系起来，能分别从时域和频域上观察信号，但不能把二者有机结合起来。傅 立叶变换是整个时间域内的积分，识别出的频率在什么时候产生并不知道，因此 是一种全局的变换，不能反映某一局部时间内信号的频谱特性，即在时间域上没 有任何分辨率。这样在信号分析中就面临一对矛盾：时域和频域的局部化矛盾。 傅立叶变换对具有突变的信号的分析有诸多不便和困难。这就促使寻求一种信号 时频局部分析新方法。 浙江大学硕士学位论文第3 章振动信号波形分析 2 ) 短时傅立叶变换 短时傅立叶变换又称加窗傅立叶变换，由g a b o r1 9 4 6 年提出。其基本思想是： 把信号划分成许多小的时间间隔，用傅立叶变换分析每一个时间间隔，以确定该 间隔存在的频率，以达到时频局部化之目的。短时傅立叶变换的表达式为： 晒( w ，f ) 2 去e 埘虱- i 矿朋d t ( 3 - 2 ) 式中，g ( f ) 为g ( t ) 的共扼，g ( t ) 为时限函数，又称窗口函数，起时限作用； e 一刖起频限作用。g ( t ) 与e - 朋结合可起时频局部化作用。f 固f ( w ，f ) 大致反映了其 在时刻t 时、频率为w 的信号成分的相对含量。 短时傅立叶变换适用于确定性的平稳信号，是在信号处理方面寻求时频分析 的尝试和过渡，它具有时频分析功能，但是由于其窗宽固定，使得对于宽带信号 难以兼顾高频段的时间分辨率和低频段的频率分辨率，故对于研究高频信号和低 频信号都不是有效的。 3 ) 小波分析 小波分析的目的是“既要看到森林( 信号的概貌) ，又要看到树木( 信号的 细节) ，故被誉为“数学显微镜 。小波分析是一种窗口的大小固定、形状可 变的时频局部化信号分析方法，即在低频部分具有较高的频率分辨率和较低的时 间分辨率