基于小波變換的高壓斷路器機械故障監測裝置的研究

劉 文,程江洲

(1.三峽大學電氣與新能源學院，湖北 宜昌 443002;2.國網宜昌供電公司，湖北 宜昌 443002)

高壓斷路器在電網中主要起到隔斷電流的作用，相當于控制開關，當保護裝置正常動作時，斷開高壓斷路器對電網進行保護，降低電網設備損壞風險。一旦高壓斷路器出現故障，不僅會造成非正常停電，而且會嚴重燒毀電力設備，不僅對我國電力經濟造成重大影響，嚴重還會導致人身安全事故，對人們的正常生活造成很大的影響[1]。

目前，國家電網及南方電網對高壓斷路器的日常檢修都是按照電網安全規程進行，并定期人為檢測斷路器的安全狀況[2-4]。隨著電網事業的不斷發展，電網結構日益復雜，用電客戶對用電質量的要求不斷提升，常規的斷路器檢修方案已經不能滿足電網現狀，人為的預防性檢修已不能適應電網的快速發展，嚴重影響電網的安全穩定運行[5-8]。高壓斷路器在分合過程伴隨機構振動，根據振動信號可以判斷機構的分合狀態信息，還可根據振動信號對機構的故障進行有效監測和診斷，對于提前發現機構故障效果明顯[9-10]。因此，對高壓斷路器機構故障的振動信號進行有效分析，對機構的安全運行狀態及時判斷，對提高電網安全運行具有重要意義。

1 斷路器故障監測裝置結構

1.1 裝置原理

高壓斷路器機械故障振動監測裝置通過前端振動傳感器采集機構的振動信號，然后通過振動信號處理模塊進行放大濾波處理，再經過A/D轉換成數字信號后傳輸給控制芯片。通過小波變換實現振動信號的處理，根據處理的結果與設定的振動閾值相比較，從而判斷機構是否故障。當判斷出斷路器出現故障時，通過本裝置可以實現快速報警，以便工作人員能夠及時快速處理故障，從而有效調整高壓斷路器的安全狀態。

1.2 裝置組成

整個斷路器機械故障監測裝置主要分為振動信號采集模塊、信號處理模塊以及報警模塊3個模塊。振動信號采集模塊主要是對斷路器的機構振動進行檢測，通過無接觸式檢測，降低電網安全干擾系數。信號處理模塊主要對前端采集的振動信號進行快速濾波放大處理。信號處理模塊主要包含信號放大電路、信號濾波電路以及模數轉換模塊，將微弱帶有雜余信號的振動信號過濾放大后傳輸給控制芯片再進行處理。根據處理結果給出斷路器是否出現故障的準確判斷，同時發出報警信號給工作人員進行故障處理，整個裝置的結構如圖1所示。

圖1 斷路器故障監測裝置結構

高壓斷路器在分合閘過程中伴隨著振動信號的產生，通過對不同狀態的振動信號進行分析，可及時了解斷路器的分合狀態，對斷路器的機構是否發生故障作出指示。為保障所采集振動信號的完整性，對振動傳感器進行了精準的選擇。本裝置中選用的振動傳感器采用低頻傳感器，內置一級微型IC放大器，可以對信號進行一級放大。考慮到變電站現場環境的復雜性，振動傳感器安裝在滅弧室和操動機構中間彈簧機構的緩沖器附近，同時為避免環境噪聲的影響，振動傳感器本身產生的干擾小、噪聲低。

信號處理終端是本裝置的核心。前端振動傳感器采集的振動信號由于受到環境因素影響，信號比較復雜，可能存在雜波、信號弱等問題。因此，信號處理終端主要對前端采集的振動信號進行處理。本裝置中，信號處理終端包括二級放大電路、低通濾波電路以及模數轉換電路。放大電路的主要作用是對一級放大信號進行二次放大。低通濾波主要是過濾放大后振動信號中的雜波。由于控制芯片只能接收數字信號，而傳感器采集的是模擬信號，因此需要通過A/D轉換模塊進行轉換。本文中放大電路采用儀表放大器MAX4196芯片，信號濾波電路采用二階低通ButterWorth濾波電路。信號放大電路如圖2所示，信號濾波電路如圖3所示。

圖2 信號放大電路

圖3 信號濾波電路

為實現故障提示預警，本文采用WT588D語音芯片作為故障報警模塊的主芯片，該芯片具有精確度高、傳輸速率快等優點，采用獨特的SPI模式，根據不同需求進行設置，當設置語音播放時，BUSY輸出低電平；播放結束時，輸出高電平，同時此時電壓接近模塊的供電電壓，通過功能模塊自帶的控制功能實現語音播放是否結束，起到自動控制報警的功能。

2 振動信號分析

將振動傳感器安裝在滅弧室和操動機構中間彈簧機構的緩沖器附近，根據振動傳感器的檢測信號進行高壓斷路器故障分析與預警。具體步驟如下。

a.首先對振動傳感器采集的振動信號進行預處理，主要進行濾波處理。

b.對預處理后的振動信號進行離散小波變換，得到小波系數，小波系數的獲取方式為

(1)

(2)

(3)

式中：d0為第0層小波包；s(n)為采集的原始振動信號；dj為第j層小波包分解中的第i個小波包系數；hk為離散低通濾波器的第k個系數；gk為離散高通濾波器的第k個系數；j為小波分解的層數。

c.對小波系數進行快速傅里葉變換，得出小波系數的頻譜以及各層小波系數的樣點數。小波系數的頻譜獲取方式為計算原始信號數據s(n)的采樣頻率Fs波及信號的頻率范圍F，對小波系數進行FFT快速傅里葉變換，根據計算變換后的幅值，得到小波系數的頻譜。

d.按照頻率的高低順序，將各層小波系數的樣點數合成完整頻譜。

e.計算各層小波系數的能量。

f.將振動信號特征頻帶范圍量與設定閾值進行比較，以確定高壓斷路器是否發生故障。

g.對振動信號分析得到的小波系數能量建立能量特征矩陣。

h.計算能量特征矩陣的特征值，將非零特征值組成一個特征向量。

i.選取特征向量中的最大值作為高壓斷路器潛在外力破壞的特征參數，根據特征參數的變化幅度和絕對值與設定閾值的比較結果，發出預警信號。整個斷路器振動信號分析的流程如圖4所示。

圖4 振動信號分析流程

3 斷路器故障預警軟件設計

為了能夠實現故障自動預警，在控制模塊中設置振動的閾值，通過振動傳感器檢測的信號值A與系統設置的閾值進行比較，來決定是否報警。具體的軟件流程如圖5所示。

圖5 斷路器故障預警軟件流程

4 結論

本文通過對高壓斷路器機械故障進行在線監測，采用振動傳感器進行前端信號采集，通過小波變換算法進行信號處理，最終通過控制指令實現裝置報警。通過振動傳感器對斷路器的故障進行檢測，能夠帶來以下有益效果。

a.獲取振動信號方便，裝置供電采用低壓，與高壓完全隔離，后期維護方便，另外，不會對電力設備產生人為干擾，是一種智能化程度較高的非接觸測量方法。

b.振動監測裝置的傳感器安裝不需要改變高壓斷路器原有機構，不會對主網設備造成干擾，不影響電網的安全運行，具有高可靠性。

c.振動傳感器體積較小，安裝維護方便，同時安裝在斷路器緩沖器上，對信號的獲取也比較方便。

本文通過軟件和硬件有效結合，采用小波變換對振動信號進行處理，以此判斷斷路器機械故障的可行性和有效性，通過分析判斷可以實現對高壓斷路器進行故障預警，能夠解決常規人為檢查難以發現的故障技術難題。在后期進一步研究基礎上，可以將小波變換與多傳感器數據融合技術相結合，運用在同時對多個高壓斷路器進行故障預警上，全面保證斷路器的安全可靠運行。