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

:/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 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 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 使得信号本身毛刺众多 因此 直接从原始信号中提取时域特征参数存在较大困难 为了解决此问题 引入 分解 根据 分解的原理 关键问题在于如何确定模态数 如果 值过大 模态分量之间的中心频率过近 则会产生模态混叠问题 如果 值过小 每一个模态分量的频带仍然较为复杂 未起到充分分解的效果 首先对 振动信号的整体频谱进行分析 以确定模态数 的选择 典型 振动信号的频谱如图 所示 由图可以发现 振动信号的频带存在三个较为集中的区域 可以考虑将 设置为 进行分解图 典型 振动信号的频谱为进一步验证 的合理性 计算 时 振动信号的中心频率 见表 当 时 只能够得到两个模态分类 未能将 振动信号进行充分分解 当 时 第 个与第 个模态分量的中心频率靠得太近 无法避免这两个模第 卷第 期 湖 南 电 力 年 月态分量之间的模态混叠问题 因此 将 设置为 最为合理表 时 振动信号的中心频率模态 当 时 个本征模态分量的时域波形如图 所示 根据这 个分量的中心频率 将 个模态分量分别定义为低频分量(图 ()、中频分量(图 ()、高频分量(图 ()对于低频分量 时域波形不存在较为明显的振动峰而对于高频分量 信号中包含了大量的振动脉冲信号 这些信号除去 本体的振动之外 还包括轴承转动时产生的振动及一些随机振动 从高频模态中有效提取 动作过程中的主要振动事件变得较为困难 与之相比 振动信号的中频分量既能够反应出 动作过程中的主要振动事件 又能够减少高频脉冲对时域特征提取的干扰 因此可以利用 振动信号的中频分量实现动作过程中主要动作事件的时域特征参数计算()低频分量()中频分量()高频分量图 各模态分量的时域波形 利用希尔伯特变换获取中频分量的包络线 如图 所示图 中频分量包络线 结果分析当 动作时 不同部件的碰撞与分离会产生对应的振动峰 当 发生故障时 这些振动峰的幅值与间隔时间会产生对应的变化 因此 可以通过时域特征参数建立 振动信号数据库 从而实现对 故障的诊断不同状态下 振动信号中频分量的包络线如图 所示 从图中可以发现 振动信号存在 个明显的振动峰 与正常状态相比 故障状态 的时域特征参数会发生明显的变化()正常状态第 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()触头松动()触头脱落()触头磨损图 不同状态下 中频分量的包络线进一步计算同一状态下 组振动信号之间皮尔逊相关系数的平均值及不同状态下 振动信号之间的皮尔逊相关系数 以说明 振动信号的重复性 皮尔逊相关系数可以利用式()计算 式中()表示信号 与 之间的协方差()、()表示信号 与 的方差()()()()()以正常状态 为例 选取 次测量信号计算彼此之间的皮尔逊相关系数 结果见表 表 正常状态 振动信号皮尔逊相关系数正常状态信号 信号 信号 信号 信号 信号 可以发现 对于正常状态 振动信号 波形的相关系数均超过 同样地 对其他状态 振动信号进行计算 波形的相关系数也均超过 进一步计算不同状态 振动信号之间的相关系数 结果见表 不同故障之间 振动信号的相关系数低于 表 不同状态 振动信号皮尔逊相关系数状态正常触头松动触头掉落触头磨损正常 触头松动 触头掉落 触头磨损 综合表 与表 的结果可以发现 一方面 同一状态 切换时产生的振动信号相近 可重复性高 另一方面 不同状态 振动信号的相似程度远低于同一状态 振动信号 因此基于振动信号实现 的故障诊断是可行的不同状态下 振动信号时域特征参数的统计结果见表 表 中第一列为 的状态 第二列为时域特征参数的统计性结果 包括均值、标准差、标准差与均值的比值 第三列到最后一列为时域特征参数 包括 个振动峰的幅值及振动峰之间的时间间隔表 不同状态下 振动信号的时域特征参数的统计结果状态统计值幅值/峰值 峰值 峰值 峰值 峰值 时间间隔/间隔 间隔 间隔 间隔 正常均值 标准差 标准差/均值/触头松动均值 标准差 标准差/均值/第 卷第 期 湖 南 电 力 年 月续表 状态统计值幅值/峰值 峰值 峰值 峰值 峰值 时间间隔/间隔 间隔 间隔 间隔 触头掉落均值 标准差 标准差/均值/触头磨损均值 标准差 标准差/均值/根据表 的结果 对于不同状态的 部分时域特征参数变化明显 与正常状态相比 故障状态 振动信号的幅值变化较振动峰时间间隔变化更为明显 而时间间隔是一个更为稳定的特征参数 根据所提取的时域特征参数 当 的机械状态发生变化时 对应的特征参数也会发生明显变化 能够用于 的故障诊断与分析 具体的变化情况总结见表 表 变化情况总结状态幅值时间间隔触头松动峰值、明显上升间隔、上升明显触头掉落峰值、明显上升间隔、上升明显间隔 下降明显触头磨损峰值、明显上升峰值、明显下降间隔、下降明显间隔、上升明显 结语为了实现 的故障诊断 本文基于 分解提取了 振动信号的时域特征参数 论文的主要结论如下)通过 分解 振动信号被分解为 个模态分量 基于中频分量 提取 振动信号振动峰的幅值及间隔时间作为时域特征参数 对 的状态进行表征)与时间间隔相比 不同状态 振动信号的振动峰幅值变化更大 但是同一状态下时间间隔更加稳定)当 的状态发生变化时 时域特征参数会发生相应的改变 因此 所提取的时域特征参数能够用于 的故障诊断参考文献 ./.:.张丞鸣 谢菊芳 余松 等.基于空间分析理论改进的变压器 故障诊断方法.高电压技术 ():.():.():.():.赵彤 张黎 李庆民.振动信号的多维空间相轨图几何特征.高电压技术 ():.赵彤.有载分接开关机械状态的在线监测与故障诊断技术研究.济南:山东大学.:():.张惠峰 马宏忠 陈凯 等.基于振动信号 时频分析的变压器有载分接开关故障诊断.高压电器 ():.彭宁云 文习山 王一 等.基于线性分类器的充油变压器潜伏性故障诊断方法.中国电机工程学报 ():.马宏忠 严岩.基于混沌理论和 算法的有载分接开关状态特征分析计算方法.电工技术学报 ():.韩帅 高飞 王博闻 等.基于 频谱滤波和 的有载分接开关可听声辨识方法.电网技术 ():.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 ():.孙才新 郭俊峰 廖瑞金 等.变压器油中溶解气体分析中的模糊模式多层聚类故障诊断方法的研究.中国电机工程学报 ():.吕干云 程浩忠 翟海保 等.基于改进灰色关联分析的变压器故障识别.中国电机工程学报 ():.杨森 陈莎莎 李光茂 等.基于变分模态分解的变压器有载分接开关振动信号去噪分析.电测与仪表 ():.王春亮 李凯 马宏忠 等.基于 降噪的 振动信号征识别.电力系统及其自动化学报 ():.朱永利 贾亚飞 王刘旺 等.基于改进变分模态分解和 变换的变压器局部放电信号特征提取及分类.电工技术学报 ():.段若晨 王丰华 周荔丹.基于优化 算法与洛仑兹信息量度的换流变用有载分接开关机械特征提取.中国电机工程学报 ():.():.作者简介杨彤()男 高级工程师 研究方向为电力系统稳定性与控制、电力设备故障诊断阳瑞霖()男 工程师 通信作者 研究方向为电力设备故障诊断与信号分析湖南电力 投稿网站正式上线:/.欢迎作者投稿第 卷第 期 湖 南 电 力 年 月