基于时域特征参数与振动信号分析的有载分接开关故障诊断.pdf
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1、:/基于时域特征参数与振动信号分析的有载分接开关故障诊断杨彤 姜晓峰 阳瑞霖 陈威(.五凌电力有限公司 湖南 长沙.国家电力投资集团有限公司水电产业创新中心 湖南 长沙.湖南省水电智慧化工程技术研究中心 湖南 长沙)摘 要:由于有载分接开关()需要频繁切换和具有严格的运行条件 已成为电力变压器中最脆弱的部分之一 故障的准确诊断对保障电力系统稳定运行意义重大 基于变分模态分解将 振动信号分解为数个模态分量 基于模态分量提取 振动信号的时域特征参数 并利用一系列故障模拟对 振动信号时域特征参数进行统计性分析 通过这些时域特征参数建立 振动信号数据库 从而实现 故障的诊断关键词:机械故障诊断 有载分
2、接开关 变分模态分解 振动信号中图分类号:文献标志码:文章编号:()基金项目:国家电力投资集团科技项目()收稿日期:修回日期:(.):().:引言作为电力变换的唯一可移动部件 有载分接开关()在电力系统中起着调节电压的作用 的健康运行对整个电力系统的安全稳定至关重要 然而 本身动作第 卷第 期 湖 南 电 力 年 月频繁 在动作过程中 既要经受机械冲击所带来的磨损 同时也需要面对电弧烧蚀的影响 因而 成为变压器中故障比例最高的部件之一 根据调查 变压器超过 的故障是由 引起的 而这些故障中 机械故障尤其是切换开关触头的故障又占绝大多数 实现 机械故障的诊断十分迫切近些年 诸多学者利用油中溶解气
3、体、驱动电机扭矩、温度及振动信号对 的故障诊断方法进行了研究 其中 利用振动信号实现 的故障诊断是目前最具应用前景的方法在文献 和 中 基于 振动信号的非线性与非平稳性 相空间重构被引入到 的故障诊断中 并取得了一定的效果 但是正常状态与故障状态之间的差异不够明显 不同于其他振动 的振动信号是由一系列触头动作引发的 因此 从振动信号中 可以发现数个明显的振动峰信号 对应这些振动峰的幅值及间隔时间可以作为表征 状态的有效参数 然而 振动信号中包含有大量的毛刺信号 使得准确提取这些特征参数十分困难 在文献 中 小波变换被用于提取 振动信号的时域特征参数在文献 中 引入短时傅里叶变换作为 振动信号的
4、提取工具 然而 传统的时频信号处理方法不适宜处理强非线性时变信号 因此 如何定位并计算 振动信号中振动峰的位置及幅值仍然是个棘手的问题 近年来 信号分解算法成为非线性信号分析的研究热点 学者们提出了包括经验模态分解、局部特征尺度分解、变分模态分解在内的信号分解算法 并取得了不错的效果 其中 变分模态分解能够有效地解决模态混叠问题 吸引了诸多关注本文首先将变分模态分解引入到 振动信号分析之中 将 振动信号分解为数个近似线性的模态分量 接着 计算包括 振动信号振动峰幅值、时间间隔等数个能够表征 机械状态的时域特征参数 最后 利用一系列故障模拟试验对 振动信号的时域特征参数进行统计性分析 研究表明
5、不同状态 的时域特征参数会发生相应的变化 基于所提出的方法 能够表征 的机械状态 有助于 故障在线监测的进一步应用 试验系统 信号测量系统有载分接开关振动信号测量系统的整体框架如图 所示 为获取 振动信号 使用加速度传感器作为测量工具 传感器的灵敏度为/响应频带为 加速度传感器测量得到的信号被输入到信号调理器中 将 振动信号转换为范围在 内分布的电信号 最后 利用数据采集卡对信号进行采集 所使用的数据采集卡单通道采样频率达到 图 信号测量系统 试验条件以某组合式 作为研究对象 在实际工况中 安装于变压器油箱内 变压器油必然会影响到 振动信号的传播 为了使试验条件更接近实际工况 搭建一个 模拟试
6、验平台 试验平台的结构如图 所示 经过一系列预试验 确定加速度传感器安装在 的顶盖上 如图 所示图 模拟试验平台图 传感器安装位置第 卷第 期 湖 南 电 力 年 月 试验程序组合式 由四部分组成 包括驱动电机、储能弹簧、切换开关及选择器 驱动电机启动后压缩储能弹簧进行储能 当储能完成时 释放储能弹簧带动切换开关来完成切换 整个切换过程非常迅速 切换过程中的振动信号如图 所示图 切换过程中的振动信号由于 切换开关既要承受机械冲击 又要经历电弧烧蚀 成为了 故障频率最高的部件 因此 切换开关的故障是重点的研究对象 首先 测量 组正常状态 切换的振动信号接着 模拟包括触头松动、触头脱落、触头磨损在
7、内的 切换开关常见故障 每种故障状态亦测量 组振动信号 不同故障的模拟方式:)触头松动 拧松触头的紧固螺丝使得触头出线松动)触头脱落 完全拧松触头的紧固螺丝使得触头掉落)触头磨损 利用铣床将锄头磨薄 变分模态分解不同于其他信号分解算法 变分模态分解算法()将信号分解问题转换为优化问题进行求解 因而能够有效地解决模态混叠问题 振动信号 ()能够被分解为 个本征模态分量()()如式()所示:()()()()式中()表示信号的瞬时幅值()可以利用式()进行计算 其中()为 分量()的瞬时频率()()()为求解这 个 分量 变分模态分解主要包括两个步骤 即变分问题的构造与求解 变分问题的构造)对每一个
8、 分量()进行希尔伯特变换 进而得到每一个分量的解析信号与单边频率 如式()所示()()()式中 ()为狄利克雷函数)通过添加指数项将各个模态分量调频调制到对应的相应的基频带上 如式()所示()()()()式中()为对应的各个分量对应的中心频率)通过式()中每个分量的梯度的 范数估计每 一 个 本 征 模 态 分 量 的 带 宽 如 式()所示()()()()进而可以构造变分问题 如式()所示()()()()变分问题的求解变分问题的求解主要包括以下几步 )通过拉格朗日乘数法引入拉格朗日算子()将约束条件下的变分问题转化为无约束条件下的变分问题 同时引入二次惩罚因子 保证重构信号的精度 增广的拉
9、格朗日表达式如式()所示()()()()()()()()()()()第 卷第 期 杨彤等:基于时域特征参数与振动信号分析的有载分接开关故障诊断 年 月)对于式()利用交替方向乘子算法()不断更新迭代、及 计算式()的鞍点 直至所求的模态分量满足迭代的终止条件 其 中、及 的 更 新 通 过 式()()进行 终止迭代的条件如式()所示()()()()/()()()()()()()()()()()()()/()()式中 代表傅里叶变换 标志迭代的终止阈值 分解的具体迭代过程包括以下步骤:初始化、及 循环迭代开始将 从 到 进行循环 由式()及式()对、进行更新根据式()更新 重复步骤 直到求解得到
10、的分量满足终止条件式()继而得到各个 分量 以及各个分量所对应的中心频率 信号处理基于 分解算法的整个 振动信号处理流程流程如图 所示 首先 对 振动信号进行标准化 减少信号幅值误差的影响 其次 利用 分解计算 振动信号的包络线 最后利用 振动信号的包络线提取时域特征参数包括振动峰幅值及振动峰时间间隔图 信号处理的整体流程 标准化为了消除由振动信号振幅引起的误差 标准化是后续信号处理的重要步骤 利用 法对 振动信号进行标准化处理 如()所示()()()式中 代表原始信号 为标准化信号 为振动信号的均值 为标准差 信号分解与包络线计算一方面 振动信号具有强非线性 另一方面 振动信号的频率成分复杂
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