新型高壓斷路器操動機構故障識別

徐成龍，于虹，董良太，劉澤坤，杜必強

(1.華北電力大學機械工程系，河北 保定 071000；

2.華北電力大學云南電網公司研究生工作站，昆明 650217；3.云南電網公司電力研究院，昆明 650217)

新型高壓斷路器操動機構故障識別

徐成龍1，2，于虹3，董良太1，劉澤坤1，杜必強1

(1.華北電力大學機械工程系，河北 保定 071000；

2.華北電力大學云南電網公司研究生工作站，昆明 650217；3.云南電網公司電力研究院，昆明 650217)

利用高速、高分辨率攝像機捕捉斷路器合分閘過程傳動部件的運行狀況，采用圖像分析和識別技術獲取斷路器操動中傳變部件運動位移、主軸轉動過程及角度參數，計算分合閘時間、動觸頭行程、運動速度，從根本上革新斷路器機械特性測試方法，提高參數測量精度和速度；再結合操動過程中聲、振動的頻譜特征分析、操作中分合閘線圈電流的分析，發現操動機構潛在故障，并分析故障類型，提高對運行狀態判斷的準確性，為斷路器在線故障監測和狀態檢修奠定了基礎。

斷路器；CCD傳感器；非接觸測量；故障識別

0 前言

高壓斷路器在電網運行、控制中起著至關重要的作用，其運行、維護和檢修清況與整個系統可靠性密切相關[1]。目前對斷路器的內部故障和其外在特征之間規律缺乏系統認識，對斷路器儲能、操動機構異常與操動中機械運動特性的關聯研究還不夠深入，對其故障發生、發展的機理還不十分清楚，這是由于現有測試技術和分析方法上受到固有思維模式的局限。例如在測試儀器方面，目前斷路器機械特性測試中常采用光柵傳感器、導電塑料電位器測量動觸頭行程，原理上未脫離 “接觸式”測量，不僅傳感器本身精度不高，而且夾具安裝繁瑣，難于全面描述動觸頭運動軌跡。在故障診斷方面，由于操動機構的運動狀態獲取是十分復雜的，出現某一種故障，機構的狀態特征可能很多，同時，當機構的某一狀態特征發生變化時，其引起的故障原因或故障點也可能不唯一。通常僅依靠檢修人員經驗，常采用的是信號比較法，在準確判斷故障及類型上存在大量難題，不能滿足優化狀態檢修現場需要[2]。隨著電網建設發展，對200 kV以上的斷路器的可靠性要求越來越高，迫切需要對斷路器運行狀態測試方法進行改進，找到科學方法對操動機構運動特性進行評價。文中所述的新的斷路器操動機構故障識別技術采用了 “非接觸”式的CCD傳感器，融合常規的電信號和振動信號，并結合聲波信號，對斷路器操動機構故障進行四位一體的信號關聯性分析，提高了斷路器檢測和檢修效率，具有重要的意義和實用價值。

1 斷路器操動機構測試總體結構

通過分析操動機構動作和斷路器機械特性直接的聯系，采集分合閘線圈電流變化、儲能、操動過程和傳動部件運動的特征信號，建立集電、聲、振動和圖像為一體的斷路器測試與機械故障故障識別系統。新技術采用系統整體結構框如圖1所示。

圖1 系統整體結構框圖

將多種非接觸傳感技術結合為一個整體，利用高速、高分辨率工業攝像機 (CCD傳感器)測量替代光電編碼直線和角度傳感器，獲取斷路器在開閉過程中操動機構運動情況，通過圖像分析，計算出動觸頭行程、分合閘時間、分合閘平均速度、彈跳時間及幅度等參數，提高斷路器操動機構動作參數測試精度。解決不同型號斷路器夾具安裝復雜、費時的難題，在實際工作中將大大提高安裝測試效率。

測試系統采用同時采用監測操作線圈電流、電壓波形，作為有效地判斷拒動、誤動等故障的判據之一；運用機械振動和聲波傳感技術，基于聯合時頻分析和并融合系列圖像分析識別算法，診斷斷路器運行時的工作狀態。

2 斷路器機械特性測試新方法

斷路器的機械特性參數是保證斷路器正常工作的重要依據，新技術中引入CCD傳感器，采用高速圖像采集和圖像分析新方法實現 “非接觸”式機械特性參數測試。其示意圖如圖2所示。通過斷路器主軸、動導電桿圖像識別及其運動過程分析和參數計算，分析動電導桿運動距離和轉動角度與觸頭運動關系，彈簧壓縮情況和超行程以及觸頭接觸次數聯系等。主要參數有：分 (合)閘時間、觸頭行程、開距、超行程、分 (合)閘不同期、分 (合)閘平均速度、剛分 (合)速度、分 (合)閘最大速度、觸頭合閘彈跳時間、觸頭分閘反彈幅值等。基于電信號繪制出分(合)閘線圈電流——時間曲線，找到圖像中剛合、剛分位置計算信號對應關系。斷路器機械特性的測試主要反映在對行程一時間特性、分(合)閘線圈電流的監測。

圖2 非接觸式的斷路器機械特性檢測示意圖

計算機識別斷路器時，首先從接收到的高速圖像流中截取圖像序列后，進行圖像的平滑、去噪、濾波和邊緣增強等預處理，以提高圖像質量。然后分割動導電桿和主軸所在的目標區域，并轉化成二值圖像。特征提取是識別圖像的關鍵，圖像的不變矩特征可體現不同設備類型，不變矩作為特征向量輸入到支持向量機，經過學習訓練，識別出斷路器的部位。也可采用模板匹配法與歷史圖像數據庫對比，得到區域和位置對于圖像中的像素信息。最后計算斷路器各機械特性參數。

3 斷路器操動機構故障識別方法

在精密圖像測量技術基礎上，得到斷路器運行的機械參數，融合常規的電信號和振動信號，并結合聲波信號分析，大大增加斷路器運行狀態判斷的準確性。

聲波和振動包含了斷路器運行隱患和故障信息，雖然他們具有易于測量的優點，但測試環境中的各種干擾同時會包含非線性、非平穩成分[3-4]。此時再用基于統計量的功率譜理論分析信號的時頻域特征則準確性會大打折扣，甚至產生錯誤的結論。新技術中采用雙譜分析確定聲波和振動信號的高頻分量能量分布。通過希爾伯特-黃變換分析高頻分量持續時間，高頻分量經過經驗模態分解得到固有模態函數能量熵，由此作為故障特征提取基本方法。對斷路器操動過程中的各級能量熵合理分段，輸入到神經網絡或支持向量機SVM分類器，最終判斷故障類型。

雙譜從更高階概率結構表征隨機信號，理論上能夠完全抑制高斯噪聲，適用于分析非線性、非平穩信號。

假設 x n()}{ 為零均值的k階平穩隨機過程，并且其k階累積量是絕對可和的，即：

則 x n()}{ 的3階譜(即雙譜)為：

雙譜從更高階概率結構表征隨機信號，理論上能夠完全抑制高斯噪聲，適用于分析非線性、非平穩信號。斷路器在滅弧室動觸頭、機械連接機構等動作時，振動和聲波信號表現為非線性、非高斯能量分布，其變化在一定程度上表征了斷路器機械狀態的變化，在雙頻率坐標下的雙譜分析三維圖上出現較高的譜峰。

希爾伯特-黃變換 (Hilbert-Huang Transform，HHT)經過經驗模態分解 (Empirical Mode Decomposition，EMD)把信號分解成若干個固有模態函數 (Intrinsic Mode Function，IMF)，然后對IMF進行Hilbert變換，得到每一個IMF的隨時間變化的瞬時頻率和瞬時幅值，由此可以構建聲波和振動信號的時間-頻率-能量分布。

各IMF分量的能量Ei為：

Ei=∫｜ci(t)｜2dt，其中i=1，2，3...n

求第i個IMF分量的能量占整個信號能量的百分比，即固有模態函數能量熵：

能量熵能夠反應各個IMF分量能量的分布情況，這與斷路器操動機構故障會引起聲波和振動信號變化相對應。以能量熵中心值為標準，計算每次測試數據能量熵到各狀態中心值的距離，根據距離接近程度診斷斷路器故障類型[5]。

將分閘前期、分閘中期、分閘后期三個階段的聲波信號等能量分段，形成橫向特征向量反映聲波信號的時移變化；各階段聲波信號等時間分段形成縱向特征向量反映聲波信號的頻率變化。利用特性測試的參數和動觸頭運動軌跡及合分閘線圈的電流電壓構造參數和電信號特征向量，將之與振、聲構成的橫向、縱向特征向量輸入支持向量機 (support vector machine，SVM)，采用“一對其余”策略進行多級分類，可診斷出斷路器的正常運行狀態和典型故障，大大提高了小樣本下斷路器操動機構故障診斷準確性[6]。

用SVM進行識別分類，關鍵是選擇核函數和訓練，定義非線性映射，把樣本空間映射到一個高維的線性空間，求出分類超平面。其次，選擇最優超平面，給出支持向量。最后，將分類識別的問題轉化成了不等式約束條件下的優化求解問題，且得到的方程只與樣本的內積相關。支持向量機分類器結構框圖如圖3。

圖3 支持向量機結構示意圖

其中，(x1，……xn)為輸入向量，K(xi· x)為非線性映射，y為輸出。

4 結束語

新的斷路器操動機構故障識別技術采用高速、高分辨率的CCD傳感器用于分析動觸頭運動，測試精度和速度提高，實現了創新新的 “非接觸”式測量方法，再與線圈電壓、電流變化和操動中發出聲波、振動同步采集，多級能量熵提取作為時、頻故障特征，輸入到SVM分類器，形成了四位一體的故障判斷證據鏈，在小樣本的情況下提高了診斷的正確性和可信性。該技術在對系統進行故障監測、測試和檢修時不影響斷路器的操作和正常運行，縮短高壓斷路 器測試時間，提高了測試自動化水平。

[1] 常廣，張振乾，王毅.高壓斷路器機械故障振動診斷綜述[J].高壓電器，2011，47(8)：85-88.

[2] 王振浩，杜凌艷，李國慶，等.動態時間規整算法診斷高壓斷路器故障 [J].高電壓技術，2006，32(10)：36 -38.

[3] 趙洋，劉漢宇，曾慶軍.基于機械振動信號的高壓真空斷路器故障診斷研究 [J].高壓電器，2010，46(2)：46 -51.

[4] 孫來軍，胡曉光，紀延超.一種基于振動信號的高壓斷路器故障診斷新方法 [J].中國電機工程學報，2006，26 (6)：157-161.

[5] 趙建利，劉教民，馮衛強.基于小波包能譜熵與自組織RBF神經網絡的低壓斷路器機械故障診斷 [J].低壓電器，2010(4)：1-5.

[6] 于琳琳，孫尊.基于支持向量機的斷路器運行狀態圖像識別方法 [J].東北電力技術，2008(4)：25-27.

Research on a New Fault Identification Technology for High Voltage Circuit Breaker Actuator

XU Chenglong1，2，YU Hong3，DONG Liangtai1，LIU Zekun1，DU Biqiang1
(1.Department of Mechanical Engineering，North China Electric Power University，Baoding，Hebei 071000；2.Graduate Workstation of North China Electric Power University＆Yunnan Power Grid Corporation，Kunming 650217；3.Yunnan Electric Power Research Institute，Kunming 650217)

By use of high-speed，high-resolution cameras to capture the breaker sub-gate process transmission components operating condition，and acquire the displacement，spindle rotation and angle parameters in the process of breaker operating by using image analysis and recognition technology，and then calculate the closing time，dynamic contact trip as well as the speed of movement. This method radically innovative breaker mechanical properties test methods and improve the test accuracy and speed of parameters；Combined with analysis of sound，vibration，spectral characteristics and divide-shut brake coil current in the operation process，found actuator potential failures and analyze the fault type，improve the accuracy of operation state judgment，lay the foundation for the breaker online fault monitoring and condition based maintenance.

breaker；CCD sensor；non-contact measurement；fault identification

TM56

B

1006-7345(2014)05-0069-03

2014-05-13

徐成龍 (1989)，男，碩士，華北電力大學云南電網公司研究生工作站，從事電力設備無損檢測、故障診斷的研究 (email)chenglong610038301＠163.com。

于虹 (1978)，女，博士，高級工程師，云南電網公司電力研究院，從事高電壓技術與在線檢測方面的研究 (e-mail) 894333697＠qq.com。