張 茗

（陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 西安 710018）

1 引言

最初，電氣設(shè)備的維修模式是故障發(fā)生后的糾正性維修，稱為事故維修，然后發(fā)展到固定時間間隔的定期維護(hù)［1～2］。隨著中國電力系統(tǒng)的不斷進(jìn)步，新的檢修模式逐漸成為研究熱點。所謂的狀態(tài)維護(hù)是基于先進(jìn)的狀態(tài)監(jiān)測和診斷技術(shù)提供設(shè)備狀態(tài)并確定異常設(shè)備，預(yù)測設(shè)備故障并在發(fā)生之前進(jìn)行檢修［3～5］。國家維護(hù)的優(yōu)勢在于防止致命事故的發(fā)生，避免由于缺乏維修造成的事故或因過度修理造成的浪費金錢，從而延長設(shè)備的使用壽命，優(yōu)化設(shè)備的運行［6～7］。

高壓斷路器起到了電力系統(tǒng)中保護(hù)和控制的作用［8］。作為電力系統(tǒng)的重要設(shè)備，其可靠性直接影響到整個電網(wǎng)的安全運行。隨著電力系統(tǒng)綜合自動化水平的提高，對高壓斷路器的可靠性提出了更高的要求。在供配電系統(tǒng)中，高壓斷路器往往數(shù)量眾多，維護(hù)成本大大增加。高壓斷路器出現(xiàn)意外停電的頻率很高，因此其造成的間接損失遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于設(shè)備本身的成本［9］。因此，我們需要加強(qiáng)監(jiān)控斷路器的狀態(tài)。

隨著計算機(jī)技術(shù)、DSP和傳感器技術(shù)的發(fā)展，電氣設(shè)備的運行實時監(jiān)控已成為可能。該方法可以主動監(jiān)測電力設(shè)備運行是否正常，能夠檢測到內(nèi)部隱患，大大降低電網(wǎng)事故率，減少設(shè)備維護(hù)工作量，提高電網(wǎng)可靠性［10］。

本文介紹了基于在線監(jiān)測系統(tǒng)的高壓斷路器實時監(jiān)測信號的幾個特征（斷路器的運動特性，開關(guān)線圈電流和振動信號），通過RS-232-C進(jìn)行信息融合，并在遠(yuǎn)程管理模塊中進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。逐一比較信號的各種特征和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫信息，以確定故障類型。本文研究的重點是高壓斷路器振動信號，利用小波閾值分析方法對現(xiàn)場采集到的斷路器振動信號進(jìn)行分析，以信號的高頻段部分為重點，與快速傅里葉算法（FFT）譜分析結(jié)果進(jìn)行比較，進(jìn)一步研究多組實驗結(jié)果的較大概率能夠反映高壓斷路器機(jī)械運行狀態(tài)的特征波段，并通過比較各種消噪方法確定閾值的規(guī)則。

2 相關(guān)工作

研究表明，斷路器絕大多數(shù)故障是由內(nèi)部機(jī)械故障引起的，其中大部分是由于機(jī)構(gòu)的操作，如拒絕打開和關(guān)閉等［11］。很長一段時間，維護(hù)人員使用便攜式儀器在電氣設(shè)備交接或停電時進(jìn)行常規(guī)預(yù)防性測試，然后根據(jù)測試結(jié)果進(jìn)行修理［12］。這種離線檢測方法可能會導(dǎo)致一些設(shè)備處于危險運行狀態(tài)，還會導(dǎo)致一些利用率較低設(shè)備的過度檢修。但是高壓斷路器的操作機(jī)構(gòu)的機(jī)械狀態(tài)是非常復(fù)雜的，當(dāng)某種微小的部件的運行狀況出現(xiàn)問題，就有可能導(dǎo)致整個高壓斷路器的操作系統(tǒng)出現(xiàn)故障。同時，當(dāng)高壓斷路器的狀態(tài)特征發(fā)生變化時，其故障原因和故障位置往往不是唯一的。目前監(jiān)測斷路器操作機(jī)構(gòu)主要采用提取特征量和信號比較的方法［13］。當(dāng)檢測信號與原始特征信號有偏差時，可能會發(fā)生故障。但是，故障的具體類型和位置的原因仍然需要理論加上經(jīng)驗進(jìn)行分析。

斷路器操作機(jī)構(gòu)的在線監(jiān)測有多種方式，如光譜分析、紅外分析、系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)分析、系統(tǒng)壓力動態(tài)測試分析、殼體振動信號分析組件以及超聲分析等［14］。這些監(jiān)測方法的原理不同，實施難度和成本有很大差異。因此，如果想獲得斷路器的所有特征量，在經(jīng)濟(jì)或?qū)嵺`方面將難以達(dá)到。

目前，斷路器的狀態(tài)監(jiān)測研究主要集中在以下幾個方面：

1）斷路器動觸點跳閘特性的監(jiān)測

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，可以記錄斷路器每次動作的動觸點行程時間曲線。通過與其他參數(shù)結(jié)合，可以提取各種機(jī)械運動參數(shù)，如動觸點切換時間，運動軌跡，切換速度，運動最大速度和平均速度，速度～運動曲線等。一般來說，各種機(jī)械運動參數(shù)具有最佳的工作范圍，高于或低于該范圍，會出現(xiàn)不平衡的工作［15］。例如，如果動觸點的最大開關(guān)速度過大，會對斷路器的內(nèi)部元器件產(chǎn)生較大的影響，給緩沖器帶來很大的負(fù)擔(dān)。如果最大速度太小，會降低動觸點的穩(wěn)定性，從而使斷路器失去固有的保護(hù)功能。最重要的是，動態(tài)觸點跳閘時間曲線的監(jiān)測非常重要，因此它一直是高壓斷路器狀態(tài)監(jiān)測中最重要的研究內(nèi)容之一。

2）監(jiān)測開關(guān)中的線圈電流

在斷路器切換過程中，線圈電流是隨時間變化的。電流波形包含了大量的信息，如反映了機(jī)械組件、線圈狀態(tài)、液壓機(jī)構(gòu)等部件是否正常工作。通過監(jiān)測線圈的動作電流，能夠大致了解斷路器次級控制電路和機(jī)械操作裝置的工作情況，為維護(hù)提供數(shù)據(jù)支持。

大多數(shù)高壓和超高壓斷路器都配備有液壓，彈簧和氣動操作機(jī)構(gòu)，這些機(jī)構(gòu)在長時間操作期間會產(chǎn)生諸如彎曲變形，腐蝕或污染附著等問題，這些都會阻止電磁鐵正常工作并最終防礙斷路器正常切換。這種故障每年約占總事故的百分之三十。但是，電磁鐵芯的動作情況可以通過鐵芯運動與電流的關(guān)系來反映出來。因此，如果在斷路器切換時可以記錄電磁鐵的電流波形，則可以掌握鐵心的動作情況，以便盡早檢測這些問題。

打開（閉合）操作線圈是控制斷路器操作的關(guān)鍵部件?；魻栯娏鱾鞲衅鞯膽?yīng)用可以很容易地用于幫助監(jiān)測各種狀態(tài)下的開路（閉合）線圈的電流。通過分析每個波形的變化，可以診斷斷路器機(jī)械故障的變化趨勢。這對診斷開啟（閉合）和故障錯誤的拒絕是非常有效的，這兩者都是發(fā)生概率最高和危險最大的錯誤。

盡管如此，高壓斷路器的在線監(jiān)測仍然存在如下的問題：

1）就提取合適的在線監(jiān)測參數(shù)而言，很難在傳感器的精度和成本之間找到一個平衡的點。監(jiān)測精度的準(zhǔn)確性達(dá)到所需的標(biāo)準(zhǔn)，則信號采集成本太高；采集成本滿足工程需要，則監(jiān)測精度的準(zhǔn)確性太低。

2）在線監(jiān)測系統(tǒng)功能不完善。大多數(shù)僅限于研究斷路器的電氣和機(jī)械特性的一個或多個參數(shù)，例如監(jiān)測斷路電流，或者跳閘的累積頻率，這不利于準(zhǔn)確地確定故障。

3）缺乏有效的數(shù)學(xué)方法和技術(shù)來分析和區(qū)分?jǐn)嗦菲鞯倪\行狀態(tài)。

4）設(shè)備的開發(fā)缺乏系統(tǒng)性，對斷路器的監(jiān)控僅作為單一保護(hù)或記錄設(shè)備開發(fā)。

最后，由于斷路器中有許多組件，因此很難確定哪個部件易于發(fā)生故障以便進(jìn)行監(jiān)控。這導(dǎo)致了缺乏足夠的經(jīng)驗以確定故障部位，進(jìn)而出現(xiàn)監(jiān)測的盲目性。由于缺少部件故障與信號對應(yīng)關(guān)系的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，也不利于積累經(jīng)驗，因為斷路器在正常運行中很少發(fā)生動作。同時，一些參數(shù)在反應(yīng)設(shè)備運行狀態(tài)上也存在一些爭議，從而無法做出準(zhǔn)確的故障判斷。

雖然國內(nèi)外已有一些斷路器在線監(jiān)測裝置，但在線監(jiān)測斷路器運行狀態(tài)仍處于高速發(fā)展階段?，F(xiàn)有的在線監(jiān)測裝置功能單一，缺乏足夠的經(jīng)驗數(shù)據(jù)和足夠的故障診斷分析能力。因此，開展高壓斷路器狀態(tài)綜合監(jiān)測技術(shù)具有重要的理論和實用價值。

3 系統(tǒng)設(shè)計

該解決方案針對我國高壓電網(wǎng)常用的LW12-252型斷路器。結(jié)合斷路器結(jié)構(gòu)的特點，圖1給出了一套完整的斷路器設(shè)計在線監(jiān)測系統(tǒng)。

監(jiān)控系統(tǒng)可分為現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集模塊和遠(yuǎn)程管理模塊兩部分?，F(xiàn)場采集模塊由電源模塊，傳感器模塊，信號調(diào)理電路，采集卡和下位機(jī)組成。如圖2所示，遠(yuǎn)程管理模塊是一個位于監(jiān)控室內(nèi)的PC。

在圖2所示的遠(yuǎn)程管理模塊中，使用由VC開發(fā)的數(shù)據(jù)采集軟件來控制一些監(jiān)控參數(shù)的采集。為了存儲、分析、顯示和打印由下位機(jī)收集的數(shù)據(jù)，在上位機(jī)內(nèi)建立了數(shù)據(jù)庫，并使用VC開發(fā)了斷路器監(jiān)控系統(tǒng)軟件。

圖2 單斷路器單元的在線監(jiān)測圖

首先關(guān)注制動過程。當(dāng)斷路器閉合時，現(xiàn)場操作機(jī)構(gòu)使用速度桿畫出振動信號波形，如圖3所示。

圖3 斷路器觸點的斷開行程

總長度S是斷路器動觸點的行程；t1是斷路器動態(tài)和靜態(tài)觸點從開始動作到完全脫離的時間；S1表示相應(yīng)的位移，即動觸點的行程；t2指活塞桿末端的動觸點從液壓油開始緩沖到完全停止的時間段；S2指相應(yīng)的位移。在整個動作過程中，S1和S2段的運動阻尼系數(shù)較大，方程運動的曲線不能近似為直線。但是中段（即S段），考慮到阻尼系數(shù)?。▋H存在與SF6的摩擦力），運動曲線可以近似為直線，并且可以反映分離時動觸點的速度。斷路器的制動平均速度的一般考慮主要是指脫離的速度，即為圖3中A點的速度

關(guān)閉過程幾乎相反。開口是通過推動壓縮空氣氣缸中的活塞來驅(qū)動，而關(guān)閉是通過關(guān)閉彈簧推動曲柄臂驅(qū)動的聯(lián)鎖機(jī)構(gòu)。斷路器觸點閉合行程如圖4所示。

圖4 斷路器觸點閉合行程

圖4中的S1段對應(yīng)于圖3中的S2段，因為導(dǎo)致運動的驅(qū)動力遠(yuǎn)大于摩擦阻力，因此阻尼運動的影響可以忽略不計。同理，S段可以反映動觸點閉合時的速度。一般來說，我們考慮斷路器閉合時的平均速度，即閉合時的速度，即圖4中B點的速度

根據(jù)現(xiàn)場提供的參數(shù)，S=200mm，S1=25mm，S1為總行程的12.5%；S2＜10mm，占總行程的5%；顯然，根據(jù)實際情況分析，導(dǎo)出公式和參數(shù)值與常用方法不同，其中S1和都減去S2的10%。實際測量的接觸行程-時間曲線是離散時間序列。這是由于行程的相應(yīng)時間不能基于任意值來確定。但是，可以根據(jù)指定的離散時間點找到相應(yīng)的行程。因此，我們可以這樣求解平均速度，對于開放過程，在行程曲線頭部，應(yīng)該嘗試獲得離散采樣時間點t1，其相應(yīng)行程為S1≥12.5%。最后，取離散采樣時間點t2，其相應(yīng)行程為S2≥10%。在這種情況下，斷路器開路的動觸點的平均速度為閉合平均速度VC的求解過程與開放情況基本相同，斷路器閉合動作觸點的平均速度為

4 性能分析

在實際操作中，振動信號總是伴隨著大量的隨機(jī)噪聲，盡管噪聲的大部分時域振幅很小，但仍然存在一些振幅較大的時刻，表現(xiàn)為高頻表征斷路器狀態(tài)變化的狀態(tài)信息也包含在高頻分量中。另外，數(shù)據(jù)采集過程中不可避免地會受到噪聲的影響，導(dǎo)致不必要的雜波，實際的振動信號往往疊加了許多隨機(jī)的外部干擾，合成信號在較寬的頻帶上。為盡量減少這種干擾，確保信號狀態(tài)信息的準(zhǔn)確性和保留性，應(yīng)盡快提高振動信號的信噪比（SNR）。使用軟件進(jìn)行振動信號預(yù)處理可以在不增加額外硬件成本的情況下削弱干擾因素，減少振動信號的分散。因此，信號去噪是一種重要的預(yù)處理手段。

根據(jù)閾值的作用方式，閾值法可以分為軟閾值，硬閾值和最小方差閾值法。

1）硬閾值

2）軟閾值

ωj，k表示使用閾值法后的小波變換系數(shù)；表示不使用閾值法的小波變換系數(shù)。

3）最小方差閾值（MSE閾值）

構(gòu)建最優(yōu)目標(biāo)函數(shù)

選擇一個閾值，使得方程中的目標(biāo)函數(shù)值最小，其中N是數(shù)據(jù)的長度，是原始信號，是重構(gòu)信號。

簡而言之，硬閾值是將信號全部設(shè)置為零，其小波系數(shù)的絕對值小于閾值。顯然這種方法會在一些區(qū)域產(chǎn)生不連續(xù)點。

軟閾值是在硬閾值的基礎(chǔ)上使邊界上出現(xiàn)的不連續(xù)點收縮到零，可以避免不連續(xù)點的出現(xiàn)，使重構(gòu)信號連續(xù)。

小波消噪具有以下優(yōu)點：

低熵：小波系數(shù)分布不均勻，經(jīng)過信號轉(zhuǎn)換后熵在一定程度上減小。

多分辨率特征：信號的非平穩(wěn)特征可以很好地表征，例如邊緣、尖峰、突變等。

去相關(guān)性：信號相關(guān)性可以消除，小波變換中的噪聲具有白化趨勢，所以在這種情況下，域更有利于去噪。

靈活選擇基函數(shù)：小波變換可以靈活選擇基函數(shù)，因此可以根據(jù)信號特征和去噪要求選擇合適的小波。

下面利用Matlab2012a提供的非平穩(wěn)噪聲作為污染噪聲，研究非平穩(wěn)信號的去噪小波分析的作用。這里我們使用Daubechies小波系列的db3，并用4種閾值規(guī)則處理噪聲信號。去噪結(jié)果如圖5所示。

根據(jù)四個閾值標(biāo)準(zhǔn)下的去噪仿真結(jié)果，我們可以看到：

圖5 四個閾值標(biāo)準(zhǔn)下的小波消噪效果

1）啟發(fā)式閾值（Heursure）和自適應(yīng)閾值（Rigrsure）在選擇閾值時比較保守，它們?nèi)コ脑肼曅∮谄渌?guī)則，但它們更接近原始信號，因此信號的有用分量不會丟失。如果在噪聲范圍內(nèi)只有一點信號的高頻信息，可以選擇這兩個閾值規(guī)則來提取弱信號；

2）固定閾值（Sqtwolog）和極大極小化閾值（Minimaxi）去噪效果較好，去噪后的波形曲線較平滑，但一些有用的高頻信號可能作為噪聲去除。仿真結(jié)果表明，在標(biāo)準(zhǔn)高斯白噪聲信號的小波去噪過程中，可以通過Heursure得到最優(yōu)的預(yù)測變量閾值，以獲得更好的去噪效果。

利用現(xiàn)場采集到的斷路器振動信號，對四種小波去噪的閾值規(guī)則進(jìn)行了小波閾值去噪預(yù)處理試驗，并給出了快速傅立葉算法（FFT）譜分析，比較去噪效果。試驗結(jié)果如圖6所示。

圖6的試驗結(jié)果表明，小波變換方法可以消除一般的高頻或低頻噪聲信號。相對來說，小波去噪效果的主要影響是選擇閾值及其量化。根據(jù)實際信號的特點，以及這些類型閾值的優(yōu)缺點，可以決定選擇哪種方法。

圖6 斷路器振動信號在四個閾值條件下的小波消噪效果

斷路器振動信號是非平穩(wěn)信號，由低頻和高頻分量組成。一般來說，高頻分量是指動觸點和靜接觸點碰撞時產(chǎn)生的振動信號。對故障分析有用的信息通常集中在信號的高頻部分，這反映了斷路器機(jī)械狀態(tài)的變化。

5 結(jié)語

對于現(xiàn)場采集的斷路器振動信號，我們分析比較了四種閾值規(guī)則下小波去噪的效果。采用Mini?maxi閾值規(guī)則的小波變換方法可以消除噪聲的低頻部分，并保留高頻部分的有用信息，具有較好的去噪效果。

利用小波閾值方法對現(xiàn)場采集的斷路器振動信號進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)反映斷路器機(jī)械狀態(tài)變化的最強(qiáng)烈的頻帶集中在信號的高頻部分，這與快速傅里葉算法（FFT）頻譜分析結(jié)果一致。但與斷路器機(jī)械狀態(tài)變化聯(lián)系較強(qiáng)的頻帶的分布較為分散，并且其分布沒有呈現(xiàn)很強(qiáng)的規(guī)律性。

盡管斷路器振動信號的統(tǒng)計特性是非平穩(wěn)的，但在實際運行中，在不同工作條件下其非平穩(wěn)性能有不同程度的表現(xiàn)。通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)推導(dǎo)和試驗結(jié)果證實，當(dāng)正常工作或狀態(tài)變化不大時，斷路器振動信號的一階和二階統(tǒng)計特性幾乎不隨時間變化，可以近似為一個平滑的隨機(jī)過程。