基于小波变换的高压断路器机械故障监测装置的研究

刘 文,程江洲

(1.三峡大学电气与新能源学院，湖北 宜昌 443002;2.国网宜昌供电公司，湖北 宜昌 443002)

高压断路器在电网中主要起到隔断电流的作用，相当于控制开关，当保护装置正常动作时，断开高压断路器对电网进行保护，降低电网设备损坏风险。一旦高压断路器出现故障，不仅会造成非正常停电，而且会严重烧毁电力设备，不仅对我国电力经济造成重大影响，严重还会导致人身安全事故，对人们的正常生活造成很大的影响[1]。

目前，国家电网及南方电网对高压断路器的日常检修都是按照电网安全规程进行，并定期人为检测断路器的安全状况[2-4]。随着电网事业的不断发展，电网结构日益复杂，用电客户对用电质量的要求不断提升，常规的断路器检修方案已经不能满足电网现状，人为的预防性检修已不能适应电网的快速发展，严重影响电网的安全稳定运行[5-8]。高压断路器在分合过程伴随机构振动，根据振动信号可以判断机构的分合状态信息，还可根据振动信号对机构的故障进行有效监测和诊断，对于提前发现机构故障效果明显[9-10]。因此，对高压断路器机构故障的振动信号进行有效分析，对机构的安全运行状态及时判断，对提高电网安全运行具有重要意义。

1 断路器故障监测装置结构

1.1 装置原理

高压断路器机械故障振动监测装置通过前端振动传感器采集机构的振动信号，然后通过振动信号处理模块进行放大滤波处理，再经过A/D转换成数字信号后传输给控制芯片。通过小波变换实现振动信号的处理，根据处理的结果与设定的振动阈值相比较，从而判断机构是否故障。当判断出断路器出现故障时，通过本装置可以实现快速报警，以便工作人员能够及时快速处理故障，从而有效调整高压断路器的安全状态。

1.2 装置组成

整个断路器机械故障监测装置主要分为振动信号采集模块、信号处理模块以及报警模块3个模块。振动信号采集模块主要是对断路器的机构振动进行检测，通过无接触式检测，降低电网安全干扰系数。信号处理模块主要对前端采集的振动信号进行快速滤波放大处理。信号处理模块主要包含信号放大电路、信号滤波电路以及模数转换模块，将微弱带有杂余信号的振动信号过滤放大后传输给控制芯片再进行处理。根据处理结果给出断路器是否出现故障的准确判断，同时发出报警信号给工作人员进行故障处理，整个装置的结构如图1所示。

图1 断路器故障监测装置结构

高压断路器在分合闸过程中伴随着振动信号的产生，通过对不同状态的振动信号进行分析，可及时了解断路器的分合状态，对断路器的机构是否发生故障作出指示。为保障所采集振动信号的完整性，对振动传感器进行了精准的选择。本装置中选用的振动传感器采用低频传感器，内置一级微型IC放大器，可以对信号进行一级放大。考虑到变电站现场环境的复杂性，振动传感器安装在灭弧室和操动机构中间弹簧机构的缓冲器附近，同时为避免环境噪声的影响，振动传感器本身产生的干扰小、噪声低。

信号处理终端是本装置的核心。前端振动传感器采集的振动信号由于受到环境因素影响，信号比较复杂，可能存在杂波、信号弱等问题。因此，信号处理终端主要对前端采集的振动信号进行处理。本装置中，信号处理终端包括二级放大电路、低通滤波电路以及模数转换电路。放大电路的主要作用是对一级放大信号进行二次放大。低通滤波主要是过滤放大后振动信号中的杂波。由于控制芯片只能接收数字信号，而传感器采集的是模拟信号，因此需要通过A/D转换模块进行转换。本文中放大电路采用仪表放大器MAX4196芯片，信号滤波电路采用二阶低通ButterWorth滤波电路。信号放大电路如图2所示，信号滤波电路如图3所示。

图2 信号放大电路

图3 信号滤波电路

为实现故障提示预警，本文采用WT588D语音芯片作为故障报警模块的主芯片，该芯片具有精确度高、传输速率快等优点，采用独特的SPI模式，根据不同需求进行设置，当设置语音播放时，BUSY输出低电平；播放结束时，输出高电平，同时此时电压接近模块的供电电压，通过功能模块自带的控制功能实现语音播放是否结束，起到自动控制报警的功能。

2 振动信号分析

将振动传感器安装在灭弧室和操动机构中间弹簧机构的缓冲器附近，根据振动传感器的检测信号进行高压断路器故障分析与预警。具体步骤如下。

a.首先对振动传感器采集的振动信号进行预处理，主要进行滤波处理。

b.对预处理后的振动信号进行离散小波变换，得到小波系数，小波系数的获取方式为

(1)

(2)

(3)

式中：d0为第0层小波包；s(n)为采集的原始振动信号；dj为第j层小波包分解中的第i个小波包系数；hk为离散低通滤波器的第k个系数；gk为离散高通滤波器的第k个系数；j为小波分解的层数。

c.对小波系数进行快速傅里叶变换，得出小波系数的频谱以及各层小波系数的样点数。小波系数的频谱获取方式为计算原始信号数据s(n)的采样频率Fs波及信号的频率范围F，对小波系数进行FFT快速傅里叶变换，根据计算变换后的幅值，得到小波系数的频谱。

d.按照频率的高低顺序，将各层小波系数的样点数合成完整频谱。

e.计算各层小波系数的能量。

f.将振动信号特征频带范围量与设定阈值进行比较，以确定高压断路器是否发生故障。

g.对振动信号分析得到的小波系数能量建立能量特征矩阵。

h.计算能量特征矩阵的特征值，将非零特征值组成一个特征向量。

i.选取特征向量中的最大值作为高压断路器潜在外力破坏的特征参数，根据特征参数的变化幅度和绝对值与设定阈值的比较结果，发出预警信号。整个断路器振动信号分析的流程如图4所示。

图4 振动信号分析流程

3 断路器故障预警软件设计

为了能够实现故障自动预警，在控制模块中设置振动的阈值，通过振动传感器检测的信号值A与系统设置的阈值进行比较，来决定是否报警。具体的软件流程如图5所示。

图5 断路器故障预警软件流程

4 结论

本文通过对高压断路器机械故障进行在线监测，采用振动传感器进行前端信号采集，通过小波变换算法进行信号处理，最终通过控制指令实现装置报警。通过振动传感器对断路器的故障进行检测，能够带来以下有益效果。

a.获取振动信号方便，装置供电采用低压，与高压完全隔离，后期维护方便，另外，不会对电力设备产生人为干扰，是一种智能化程度较高的非接触测量方法。

b.振动监测装置的传感器安装不需要改变高压断路器原有机构，不会对主网设备造成干扰，不影响电网的安全运行，具有高可靠性。

c.振动传感器体积较小，安装维护方便，同时安装在断路器缓冲器上，对信号的获取也比较方便。

本文通过软件和硬件有效结合，采用小波变换对振动信号进行处理，以此判断断路器机械故障的可行性和有效性，通过分析判断可以实现对高压断路器进行故障预警，能够解决常规人为检查难以发现的故障技术难题。在后期进一步研究基础上，可以将小波变换与多传感器数据融合技术相结合，运用在同时对多个高压断路器进行故障预警上，全面保证断路器的安全可靠运行。