斷路器機(jī)械特性的在線監(jiān)測(cè)的研究

1、目錄1 緒論11.1斷路器機(jī)械特性在線監(jiān)測(cè)的目的及意義11.2斷路器機(jī)械特性在線監(jiān)測(cè)的發(fā)展現(xiàn)狀21.3本課題的主要研究工作32斷路器機(jī)械特性在線監(jiān)測(cè)原理42.1高壓斷路器的簡(jiǎn)介42.1.1高壓斷路器的概念、特點(diǎn)及組成結(jié)構(gòu)42.1.2高壓斷路器的操動(dòng)結(jié)構(gòu)與機(jī)械壽命52.1.3高壓斷路器的機(jī)械故障類(lèi)型介紹62.2高壓斷路器機(jī)械特性在線監(jiān)測(cè)72.2.1斷路器合閘、分閘線圈電流監(jiān)測(cè)82.2.2斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)行程及速度的監(jiān)測(cè)112.2.3斷路器振動(dòng)信號(hào)的監(jiān)測(cè)113 斷路器在線監(jiān)測(cè)中的小波應(yīng)用123.1 小波分析的概念123.2小波函數(shù)的選取143.3小波去噪163.4利用小波處理斷路器行程信號(hào)173.4

2、.1合閘過(guò)程183.4.2分閘過(guò)程203.5 小波降噪和傅里葉降噪法213.5.1傅里葉降噪法213.5.2小波降噪法223.6利用使用全局閾值和分層閾值處理分合閘線圈電流信號(hào)243.7結(jié)論254 總結(jié)和展望264.1總結(jié)264.2展望26參考文獻(xiàn)27致謝281 緒論1.1斷路器機(jī)械特性在線監(jiān)測(cè)的目的及意義近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的繁榮發(fā)展，電力系統(tǒng)的容量與能量的需求不斷地增加，對(duì)電力系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性也提出了越來(lái)越高的要求。高壓斷路器作為發(fā)電和配電之間的聯(lián)系環(huán)節(jié)，其可靠運(yùn)行對(duì)于保證電網(wǎng)的安全意義重大。高壓斷路器在電力系統(tǒng)中起著兩方面的作用：一是控制作用，即根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行要求，將一部分電氣設(shè)備或線路投

3、入或退出運(yùn)行狀態(tài)，轉(zhuǎn)為備用或檢修狀態(tài)；二是保護(hù)作用，即電氣設(shè)備或線路發(fā)生故障時(shí)，通過(guò)繼電保護(hù)及自動(dòng)裝置動(dòng)作高壓斷路器，將故障部分從電網(wǎng)中迅速切除，保護(hù)電網(wǎng)的無(wú)故障不煩你得以正常運(yùn)行。 國(guó)際大會(huì)議對(duì)高壓斷路器的可靠性進(jìn)行過(guò)兩次世界范圍的調(diào)查，我國(guó)也對(duì)高壓開(kāi)關(guān)事故進(jìn)行過(guò)大量的統(tǒng)計(jì)分析。相應(yīng)的調(diào)查和統(tǒng)計(jì)報(bào)告均表明，高壓斷路器的故障80%是機(jī)械原因，大多數(shù)故障是操動(dòng)機(jī)構(gòu)的問(wèn)題。以往對(duì)高壓斷路器機(jī)械特性的檢查主要是在設(shè)備交接及停電期間結(jié)合檢修定期進(jìn)行預(yù)防性試驗(yàn)，更換部件，檢查操作機(jī)構(gòu)的機(jī)械特性。由于電力系統(tǒng)中高壓斷路器的數(shù)量很多，因此檢修量大且費(fèi)用高。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)資料的數(shù)據(jù)，變電站維護(hù)費(fèi)用的一半以上是用

4、在高壓斷路器上，而其中60%又是用在斷路器的小修和例行檢修上。另外根據(jù)統(tǒng)計(jì)有10%的斷路器故障是由不正確的檢修造成的；斷路器的大修完全解體，既費(fèi)時(shí)間，費(fèi)用又高，而且解體和重新組裝會(huì)引起很多新的缺陷。因此如何對(duì)斷路器的工作狀態(tài)進(jìn)行有效的檢測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)斷路器的早期故障，對(duì)缺陷部位進(jìn)行提前處理，避免斷路器故障惡性發(fā)展，防止斷路器爆炸等惡性事故的發(fā)生，對(duì)于故障電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行有著十分重要的意義。 斷路器的狀態(tài)檢測(cè)為實(shí)現(xiàn)計(jì)劃?rùn)z修到狀態(tài)檢修的轉(zhuǎn)變創(chuàng)造了條件。長(zhǎng)期以來(lái)的計(jì)劃?rùn)z修、盲目解體拆卸，浪費(fèi)了大量的人力、物力、財(cái)力，同時(shí)也造成了停電損失和設(shè)備壽命的降低。目前，電力系統(tǒng)各個(gè)單位正致力于高壓斷路器計(jì)劃?rùn)z

5、修到狀態(tài)檢修的轉(zhuǎn)變，不再以投入年限和動(dòng)作次數(shù)為衡量標(biāo)準(zhǔn)，而是以設(shè)備的實(shí)際狀態(tài)為檢修依據(jù)。近年來(lái)，人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，依靠設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的狀態(tài)檢修，可以達(dá)到電力系統(tǒng)的下述要求：（1）產(chǎn)品的質(zhì)量問(wèn)題使運(yùn)行可靠性受到影響，采用在線監(jiān)測(cè)可以在運(yùn)行中及時(shí)發(fā)現(xiàn)事故隱患，防患于未然。（2）逐步采用在線監(jiān)測(cè)代替停電試驗(yàn)，減少設(shè)備的停電時(shí)間，節(jié)約試驗(yàn)費(fèi)用。（3）對(duì)老化設(shè)備或已知有缺陷、有防患的設(shè)備，用在線監(jiān)測(cè)隨時(shí)監(jiān)視其運(yùn)行情況，一旦發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)退出，最大限度的利用其剩余壽命。 由于現(xiàn)有的高壓斷路器監(jiān)測(cè)裝置難以實(shí)現(xiàn)機(jī)械特性的在線監(jiān)測(cè)、缺乏足夠的數(shù)據(jù)積累、機(jī)械故障診斷的分析能力也不足，因此，開(kāi)展高壓斷

6、路器的機(jī)械特性監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究工作具有重要的學(xué)術(shù)意義和實(shí)用價(jià)值。1.2斷路器機(jī)械特性在線監(jiān)測(cè)的發(fā)展現(xiàn)狀斷路器的檢測(cè)技術(shù)大體上經(jīng)歷了從離線測(cè)試、周期性在線檢測(cè)、長(zhǎng)期在線監(jiān)測(cè)的發(fā)展過(guò)程。據(jù)資料介紹，美國(guó)于1995年頒布了“電氣設(shè)備絕緣診斷方法導(dǎo)則”，現(xiàn)已轉(zhuǎn)向?yàn)橐詸C(jī)械特性在線監(jiān)測(cè)為主，并已制定出有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。日本20世紀(jì)80年代開(kāi)始進(jìn)入以機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)為基礎(chǔ)的預(yù)知維修時(shí)代，該項(xiàng)技術(shù)的研究與應(yīng)用進(jìn)展很快，并已積累了大量數(shù)據(jù)與經(jīng)驗(yàn)，逐步形成了一些標(biāo)準(zhǔn)和較成熟的方法。如今，一些發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的機(jī)械特性診斷技術(shù)已日趨成熟，并且已有了功能較齊全、抗干擾性能較高的產(chǎn)品。在我國(guó)，斷路器機(jī)械特性在線監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展起步

7、較晚，近年來(lái)，國(guó)內(nèi)一些單位和廠家也在開(kāi)展斷路器機(jī)械特性監(jiān)測(cè)和故障診斷方面的工作。1992年吉林電業(yè)局曾立項(xiàng)“斷路器機(jī)械特性的監(jiān)測(cè)”；1995年清華大學(xué)高壓教研室研制了CBA1高壓斷路器機(jī)械參數(shù)測(cè)量分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以監(jiān)測(cè)合、分閘線圈電流、行程一時(shí)間特性曲線及振動(dòng)信號(hào)。此時(shí)的研究工作主要是圍繞著斷路器狀態(tài)檢修進(jìn)行的。隨著研究的深入，先后生產(chǎn)了自己需要的高壓斷路器機(jī)械特性在線監(jiān)測(cè)裝置，不過(guò)都存在著只能對(duì)其中的一個(gè)或幾個(gè)機(jī)械特性參量進(jìn)行監(jiān)測(cè)的問(wèn)題，檢查結(jié)果的適用性和部分項(xiàng)目的檢測(cè)方法仍然很不理想。目前，高壓斷路器機(jī)械特性在線監(jiān)測(cè)技術(shù)存在著一些值得注意的問(wèn)題：（1）選擇合適的傳感器以及對(duì)不同的高壓斷路

8、器機(jī)構(gòu)安裝適應(yīng)性差的問(wèn)題，即針對(duì)不同電壓等級(jí)和不同操動(dòng)機(jī)構(gòu)的斷路器所選擇的傳感器類(lèi)型也不一樣；（2）以往在線監(jiān)測(cè)裝置所關(guān)心的是機(jī)械參量的計(jì)算結(jié)果，而對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)的過(guò)程關(guān)心不多；雖然現(xiàn)有的在線監(jiān)測(cè)模塊也可以測(cè)量合、分閘特性曲線，但對(duì)于機(jī)構(gòu)的狀態(tài)仍然只能做出好或壞的判斷，卻判斷不了故障究竟發(fā)生在什么部位；（3）數(shù)據(jù)處理的問(wèn)題，目前對(duì)機(jī)械特性在線監(jiān)測(cè)主要是測(cè)量合、分閘時(shí)間，平均速度等，根據(jù)這些測(cè)量值，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的閾值判斷來(lái)對(duì)機(jī)構(gòu)狀態(tài)做出預(yù)測(cè)。因此，現(xiàn)有的機(jī)械特性在線監(jiān)測(cè)裝置功能不完善，缺乏足夠的數(shù)據(jù)積累，即使有了大量數(shù)據(jù)，故障診斷的分析能力也不足；（4）在線監(jiān)測(cè)裝置模塊壽命過(guò)短，安裝維護(hù)困難，價(jià)格過(guò)高而

9、精度不夠高。綜上所述，高壓斷路機(jī)械特性的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展起步較晚，還需要進(jìn)一步完善。1.3本課題的主要研究工作針對(duì)高壓斷路器機(jī)械特性在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究及發(fā)展現(xiàn)狀，以及從高壓斷路器狀態(tài)維修的要求來(lái)看，高壓斷路器在線監(jiān)測(cè)的內(nèi)容十分廣泛，本課題具體分析總結(jié)了斷路器行程-時(shí)間特性的監(jiān)測(cè)、分合閘線圈電流的監(jiān)測(cè)兩種主要在線監(jiān)測(cè)方法的基本原理和特性，還闡述了小波變換在斷路器機(jī)械特性在線監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。2斷路器機(jī)械特性在線監(jiān)測(cè)原理2.1高壓斷路器的簡(jiǎn)介斷路器是電力系統(tǒng)最重要和性能最全面的一種開(kāi)關(guān)電器。斷路器起著控制與保護(hù)的作用，能在有載、空載以及各種短路工況下完成規(guī)定的合分任務(wù)或循環(huán)操作。它區(qū)別于其他開(kāi)關(guān)

10、設(shè)備的顯著特點(diǎn)是必須具備高效的滅弧裝置。因?yàn)樵诟邏弘娏鞯臈l件下不易開(kāi)斷電流，開(kāi)斷過(guò)程產(chǎn)生的電弧不熄滅，電路就不能斷開(kāi)，無(wú)論是高壓斷路器還是低壓自動(dòng)空氣斷路器（也稱(chēng)自動(dòng)開(kāi)關(guān)） 都必須具有強(qiáng)有力的滅弧能力。2.1.1高壓斷路器的概念、特點(diǎn)及組成結(jié)構(gòu)高壓斷路器指額定電壓在3kV以上的斷路器。在電力系統(tǒng)中一般指110kV以上的輸配電斷路器。它可以根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行的需要，控制指定的線路或電力設(shè)備退出或投入運(yùn)行，起控制作用；另一方面一旦系統(tǒng)發(fā)生故障它又可以及時(shí)切除故障點(diǎn)，保證電網(wǎng)無(wú)故障部分的安全運(yùn)行，起保護(hù)作用。總之，斷路器能開(kāi)斷、關(guān)合及承載運(yùn)行電流和短路電流。如果它們?cè)谶\(yùn)行中出現(xiàn)故障，小則引起一條線路、一個(gè)

11、小區(qū)域的斷電，大則引起系統(tǒng)事故的連鎖反應(yīng)，造成不可估量的損失。因此，高壓斷路器及其運(yùn)行可靠性直接關(guān)系到整個(gè)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行和供電質(zhì)量，在電力系統(tǒng)中起著十分重要的作用。圖2-1為斷路器的典型結(jié)構(gòu)圖。高壓斷路器按功能可分為以下幾部分：（1）導(dǎo)電部分：斷路器導(dǎo)通電流的部分。它允許通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的正常負(fù)荷電流和一定時(shí)間的異常電流，如過(guò)負(fù)荷電流和短路電流。（2）絕緣部分：保證斷路器電氣絕緣的部分。它包括三個(gè)基本方面，即對(duì)地絕緣、相間絕緣和斷口絕緣。（3）接觸系統(tǒng)和滅弧裝置：執(zhí)行電路的開(kāi)斷和關(guān)合的部分。它表征斷路器的合閘和分閘能力。圖2-1 斷路器典型結(jié)構(gòu)圖2.1.2高壓斷路器的操動(dòng)結(jié)構(gòu)與機(jī)械壽命操作機(jī)構(gòu)是

12、高壓斷路器的重要組成部分。帶觸電的開(kāi)關(guān)電器，只有通過(guò)觸頭的分(合)動(dòng)作才能達(dá)到開(kāi)斷與關(guān)合電路的目的，因此必須依靠一定的機(jī)械操作系統(tǒng)才能完成。斷路器的操作機(jī)構(gòu)由儲(chǔ)能單元、控制單元和力傳遞單元組成。高壓斷路器的操作機(jī)構(gòu)有很多形式，如彈簧操作機(jī)構(gòu)、氣動(dòng)操動(dòng)機(jī)構(gòu)、液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)、液壓彈簧機(jī)構(gòu)等。高壓斷路器的觸頭在各種條件下可靠地分合，主要是由操動(dòng)能源和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)作來(lái)完成。其動(dòng)作的特點(diǎn)是：執(zhí)行任務(wù)與完成任務(wù)時(shí)，機(jī)構(gòu)系統(tǒng)處于瞬變過(guò)程中，故機(jī)構(gòu)動(dòng)作有沖擊、振動(dòng)以及其它一些非穩(wěn)態(tài)性質(zhì)；在閉合通電位置時(shí)，可能長(zhǎng)期不動(dòng)作，一旦發(fā)生事故，又要求它動(dòng)作準(zhǔn)確可靠。由于斷路器機(jī)構(gòu)動(dòng)作上的特點(diǎn)，對(duì)高壓斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)與傳動(dòng)機(jī)

13、構(gòu)的可靠性的要求就顯得特別重要。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)：高壓斷路器的操作事故中有70%80是由于斷路器機(jī)械方面的原因造成的。與斷路器的電損耗一樣，斷路器在開(kāi)斷短路電流時(shí)，機(jī)件上的損壞也有一個(gè)長(zhǎng)期的累過(guò)程。多次操作后，一些傳動(dòng)、操作機(jī)構(gòu)中所用的金屬零件的強(qiáng)度和剛度變差，易銹蝕變形而造成卡死，使斷路器難以斷開(kāi)。雖然在開(kāi)斷小電流的情形下，對(duì)觸頭電壽命的影響是非常小的，即使許多次的開(kāi)端，也仍未達(dá)到它的電壽命。但是，每一次的開(kāi)斷以及一定的動(dòng)作時(shí)間和速度都會(huì)對(duì)斷路器的機(jī)械部分產(chǎn)生一定程度的損傷。所以，在確定斷路器的須考慮的另一因素便是斷路器的機(jī)械壽命。通常情況下，以斷路器的開(kāi)械壽命的重要指標(biāo)。2.1.3高壓斷路器

14、的機(jī)械故障類(lèi)型介紹 所謂故障是指系統(tǒng)或設(shè)備不能完成預(yù)定的功能。這里所說(shuō)不能完成預(yù)定的功能既指系統(tǒng)的完全失效，也包括系統(tǒng)的缺陷。如系統(tǒng)能工作但是輸出特性和參數(shù)已經(jīng)偏離原定的指標(biāo)，通過(guò)一套征兆來(lái)完成對(duì)系統(tǒng)故障和缺陷性質(zhì)的確定過(guò)程就叫做診斷。斷路器最常見(jiàn)的機(jī)械故障類(lèi)型有：拒分、拒合、誤分、誤合等。在操動(dòng)機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)上具體表現(xiàn)為：機(jī)構(gòu)卡澀；部件變形、位移或損壞；分合閘鐵芯松動(dòng)、卡澀；軸銷(xiāo)松斷；脫扣失靈等。在電氣控制及輔助回路上表現(xiàn)為二次接線接觸不良、端子松動(dòng)、輔助開(kāi)關(guān)切換不靈、操作電源故障等。另外，中國(guó)電力科學(xué)研究院開(kāi)關(guān)所長(zhǎng)期從事高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備檢測(cè)試驗(yàn)的科研人員調(diào)查得出，檢測(cè)試驗(yàn)中出現(xiàn)頻度比較高的機(jī)械

15、故障問(wèn)題是：各種原因造成的分合閘線圈燒毀，萬(wàn)能轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)損壞，鎖扣機(jī)構(gòu)疲勞、磨損，主軸斷裂等。具體的故障現(xiàn)象及原因如表2-2所示：表2-2彈簧機(jī)構(gòu)常見(jiàn)異?，F(xiàn)象現(xiàn)象分類(lèi)異常現(xiàn)象可能原因拒動(dòng)拒合鐵芯未啟動(dòng)1線圈端子無(wú)電壓(1)二次同路接觸不良，連接螺絲松動(dòng)(2)熔絲熔斷(3)輔助開(kāi)關(guān)接點(diǎn)接觸不良或未切斷2線圈端子有電壓(1)線圈斷線或燒損(2)鐵芯卡住鐵芯已啟動(dòng)，四連桿未動(dòng)1線圈端子無(wú)電壓(1)二次回路接觸不良，連接螺絲松動(dòng)(2)熔絲熔斷(3)輔助開(kāi)關(guān)接點(diǎn)接觸不良或未切斷2線圈端子有電壓(1)線圈斷線或燒損(2)鐵芯卡住四連桿動(dòng)作，牽引桿不釋放1牽引桿過(guò)“死點(diǎn)”距離太小或未出“死區(qū)”2機(jī)構(gòu)或本體有嚴(yán)

16、重機(jī)械卡澀3四連桿中間軸過(guò)“死點(diǎn)”距離太小4四連桿受扭變形拒分鐵 t 鐵芯未啟動(dòng)1線圈端子無(wú)電壓(1)熔絲熔斷(2)二次回路連接松動(dòng)，接點(diǎn)接觸不良鐵芯未啟動(dòng)(3)輔助開(kāi)關(guān)未切換或接觸不良2線圈端子有電壓(1)線圈燒壞或斷線，尤其引線容易折斷(2)鐵芯卡住鐵芯已啟動(dòng)，鎖鉤或分閘四連桿未釋放1線圈端子電壓太低2鐵芯空程小，沖力不足或鐵芯運(yùn)動(dòng)受阻鎖鉤或四連桿動(dòng)作，但機(jī)構(gòu)連板系統(tǒng)不動(dòng)機(jī)構(gòu)或本體嚴(yán)重機(jī)械卡澀（a）拒動(dòng)現(xiàn)象分類(lèi)可能原因誤動(dòng)儲(chǔ)能后自動(dòng)合閘1合閘四連桿受力過(guò)“死點(diǎn)”距離太小2四連桿未復(fù)位，可能復(fù)歸彈簧變形或蹩勁3扣入深度少或扣合面變形4鎖扣支架支撐螺栓未擰緊或松動(dòng)5L型鎖扣變形鎖不住6馬達(dá)電源

17、未及時(shí)切換7牽引桿越過(guò)“死點(diǎn)”距離太大撞擊力太大無(wú)信號(hào)自分1二次回路有混線，分閘回路兩點(diǎn)接地2分閘鎖鉤扣入深度太少，或分閘四連桿中間軸過(guò)“死點(diǎn)”距離太小，或鎖鉤端部變形扣不牢3分閘電磁鐵最低動(dòng)作電壓太低4繼電器接點(diǎn)因某種原因閉合合后即分1二次回路有混線，合閘同時(shí)分閘回路有電2分閘鎖鉤扣入深度太小，或分閘陽(yáng)連桿中間軸過(guò)“死點(diǎn)”距離太小，或鎖鉤端面變形，扣合不穩(wěn)定3分閘鎖鉤不受力時(shí)復(fù)歸間隙調(diào)的太大4分閘鎖鉤或分閘四連桿未復(fù)位（b）誤動(dòng)2.2高壓斷路器機(jī)械特性在線監(jiān)測(cè)眾所周知，斷路器與其他電氣設(shè)備相比，機(jī)械部份零部件特別多，加之這些部位動(dòng)作頻繁，因此而造成故障的可能性就多。我國(guó)電力科學(xué)研究院對(duì)全國(guó)6

18、kV以上高壓開(kāi)關(guān)故障原因統(tǒng)計(jì)分析中看出，在拒動(dòng)、誤動(dòng)故障中因操動(dòng)機(jī)構(gòu)占41.63；國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議(CIGEI)資料也表明，操作機(jī)構(gòu)故障占43.5，由此可見(jiàn)，無(wú)論是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，機(jī)械性故障是構(gòu)成斷路器故障的主要原因，所以對(duì)斷路器機(jī)械狀態(tài)的監(jiān)測(cè)以及健康狀況的診斷甚為重要。2.2.1斷路器合閘、分閘線圈電流監(jiān)測(cè)高壓斷路器一般都是以電磁鐵作為操作的第一級(jí)控制件。大多數(shù)斷路器均以直流為其控制電源，故直流電磁線圈的電流波形中包含著診斷機(jī)械故障的重要信息。線圈的直流供電電路如圖2-3所示。圖中L的大小取決于線圈和鐵芯鐵軛等的尺寸，并與鐵芯的行程S（即是鐵芯向上運(yùn)動(dòng)經(jīng)過(guò)的路程）有關(guān)密切關(guān)系。其值隨著S的增加而

19、增加，如圖2-3所示。圖2-3斷路器分合閘電路圖 設(shè)鐵芯不飽和，則L與i的大小有關(guān)，電路中開(kāi)關(guān)K合閘后，由圖2-3電路圖得 （2-1）式中，w為線圈的磁鏈，于是，上式可變?yōu)?（2-2） 式中可由圖2-4示求出，不同S處的即為曲線在S處的斜率；為鐵芯的運(yùn)動(dòng)速度。圖2-5斷路器操作時(shí)，線圈中的典型電流波形圖根據(jù)鐵芯運(yùn)動(dòng)過(guò)程波形圖可分為以下四個(gè)階段。I1I2I3t0t1t2t3LSO圖2-4 L-S曲線 圖2-5線圈電流波形圖（1）鐵芯觸動(dòng)階段 在t=t0t1的時(shí)間段，t0為斷路器分（合）命令到達(dá)時(shí)刻，是斷路器分、合時(shí)間計(jì)時(shí)起點(diǎn)；t1為線圈中電流、磁通上升到足以驅(qū)動(dòng)鐵芯運(yùn)動(dòng)，即鐵芯開(kāi)始運(yùn)動(dòng)的時(shí)刻。在

20、這一階段，L=L0為常數(shù)則式（2-2）可改為 （2-3）帶入起始條件時(shí)可得 （2-4）這是指數(shù)上升曲線，對(duì)應(yīng)圖2-4中的電流波形起始部分。（2）鐵芯運(yùn)動(dòng)階段在間，鐵芯在電磁力的作用下不，克服了重力、彈簧力等阻力，開(kāi)始加速運(yùn)動(dòng)，知道鐵芯上端面碰撞到支持部分停止運(yùn)動(dòng)為止。此時(shí)>0，L也不再是常數(shù)，將按照式（2-2）變化。通常>0，>0,表現(xiàn)為隨時(shí)間不斷增大的反電勢(shì)，通常大于U，故為負(fù)值，即在鐵芯運(yùn)動(dòng)后迅速下降，直到鐵芯停止運(yùn)動(dòng)，重新為零為止。根據(jù)這一階段的電流波形，可診斷鐵芯的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，例如鐵芯運(yùn)動(dòng)有無(wú)卡澀以及脫扣、釋能機(jī)械負(fù)載變動(dòng)的情況。（3）觸頭分、合閘階段在t=t2t3間，

21、鐵芯已停止運(yùn)動(dòng)=0，的變化類(lèi)似于式（2-3），但L=Lm（S=Sm時(shí)的電感）時(shí)有 （2-5）因,故電流比第一階段上升的慢。這一階段是通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)斷路器觸頭分、合閘的過(guò)程。是鐵芯停止運(yùn)動(dòng)的時(shí)刻，而觸頭則在t2前后開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，t3為斷路器輔助接點(diǎn)切除時(shí)刻，或可以反映操作傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的情況。（4）電流切斷階段t=t3時(shí)，輔助接點(diǎn)切斷后隨之開(kāi)關(guān)K斷開(kāi)，在其觸頭間產(chǎn)生電弧并被拉長(zhǎng)，電弧電流i隨之減小至零直至熄滅。綜合以上幾個(gè)階段情況，通過(guò)分析i的波形和t1，t2，t3，I1，I2，I3等特征值可以分析出鐵芯啟動(dòng)時(shí)間、運(yùn)動(dòng)時(shí)間、線圈通電時(shí)間等參數(shù)，從而得到鐵芯運(yùn)動(dòng)和所控制的啟動(dòng)閥，鐵閂以及輔助開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換的

22、工作狀態(tài)，即可以監(jiān)測(cè)出操動(dòng)機(jī)構(gòu)的工作狀態(tài)，從而預(yù)告故障的前兆。例如I1，I2，I3三個(gè)電流分別反映電源電壓、線圈電阻以及電磁鐵動(dòng)鐵芯運(yùn)動(dòng)的速度信息，可作為分析動(dòng)作的參考。圖2-6所示波形國(guó)產(chǎn)CY-1型液壓機(jī)構(gòu)各種狀態(tài)的電流波形，其他操作機(jī)構(gòu)與此大致相同。I1I/2 (a)正常波形 （b）鐵芯吸力不足獲阻力過(guò)大 （c）鐵芯卡澀或空行程太小 （d）鐵芯行程太小或空行程均小圖2-6 斷路器操作線圈電流典型波形 2.2.2斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)行程及速度的監(jiān)測(cè) 斷路器行程的監(jiān)測(cè)可選用光柵行程傳感器、電阻行程傳感器等，當(dāng)裝在做直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上可選用直線式行程傳感器，若安裝在操動(dòng)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸上則應(yīng)選用旋轉(zhuǎn)式傳感器。

23、傳感器輸出的脈沖信號(hào)經(jīng)光電隔離、整形、邏輯處理、數(shù)據(jù)采集后可得到斷路器操作過(guò)程中的行程時(shí)間特性曲線。根據(jù)測(cè)得的行程時(shí)間特性曲線可計(jì)算出以下參數(shù)：平均速度、分后合前10ms內(nèi)的平均速度。在線監(jiān)測(cè)的困難在于行程傳感器不能安裝在動(dòng)觸頭上，因此不能直接測(cè)得鋤頭行程，為此要進(jìn)行折算或重新制定監(jiān)測(cè)用的技術(shù)條件。2.2.3斷路器振動(dòng)信號(hào)的監(jiān)測(cè)監(jiān)測(cè)斷路器操動(dòng)時(shí)發(fā)出的機(jī)械振動(dòng)信號(hào)也可用來(lái)診斷高壓斷路器機(jī)械系統(tǒng)的工作狀態(tài)。因?yàn)楦邏簲嗦菲魇且环N瞬動(dòng)式機(jī)械，在動(dòng)作時(shí)，具有高度沖擊、高速度運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)。其動(dòng)作的驅(qū)動(dòng)力可達(dá)到數(shù)萬(wàn)牛以上，在幾毫秒的時(shí)間內(nèi)，動(dòng)觸頭系統(tǒng)能從靜止?fàn)顟B(tài)加速到每秒幾米，加速到100倍于重力加速度的數(shù)量

24、級(jí)；而在制動(dòng)、緩沖過(guò)程中，撞擊更為強(qiáng)烈。這樣強(qiáng)烈的沖擊振動(dòng)提供了更為敏感的信息，易于實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)。機(jī)械振動(dòng)總是由沖擊受力、運(yùn)動(dòng)心態(tài)的改變引起的。在斷路器結(jié)構(gòu)上，動(dòng)作一般由操動(dòng)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)器經(jīng)過(guò)連桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)，推動(dòng)動(dòng)觸頭系統(tǒng)。在一次操作過(guò)程中，有一系列的運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的啟動(dòng)、制動(dòng)、撞擊出現(xiàn)，這些狀態(tài)的改變都在其結(jié)構(gòu)構(gòu)架上引起一個(gè)個(gè)沖擊振動(dòng)。振動(dòng)經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)部件傳遞、衰減，在傳感器測(cè)量部位測(cè)到的是一系列衰減的沖擊加速度波形。這些振動(dòng)都可以與結(jié)構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化找到相應(yīng)的關(guān)系，這就為狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷提供了可能。3 斷路器在線監(jiān)測(cè)中的小波應(yīng)用斷路器有很多故障能夠從相關(guān)監(jiān)測(cè)量的波形上直接表現(xiàn)出來(lái)。例如操縱系統(tǒng)的線圈卡塞

25、故障，會(huì)在分合閘線圈電流波形上產(chǎn)生異常；基座螺絲松動(dòng)，會(huì)使振動(dòng)波形異常；觸頭燒損嚴(yán)重、拉桿和轉(zhuǎn)軸連接部分發(fā)生卡塞，則會(huì)影響觸頭行程與速度，對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行分析，可以掌握信號(hào)的特征和性質(zhì)，診斷斷路器的狀態(tài)。 常規(guī)的信號(hào)頻譜分析一般采用離散傅里葉變換(DFT)或快速傅里葉變換(FFT法，部分和突變部分的準(zhǔn)確時(shí)間窗口。從原則上講，凡傳統(tǒng)方法中使用傅立葉變換的地方都可以用小波變換來(lái)代替。小波變換在時(shí)域和頻域分析中同時(shí)具有良好的局部性，而且由于高頻段采取逐步精細(xì)的時(shí)頻步長(zhǎng)，可以聚焦到分析的任意細(xì)節(jié)，能夠有效的找到信號(hào)的畸變點(diǎn)。斷路器某些監(jiān)測(cè)量的波形(如分合閘線圈電流波 形、動(dòng)觸頭行程波形)上的一些畸變點(diǎn)是

26、判斷斷路器機(jī)械故障和電氣故障的重要依據(jù)，而使用小波對(duì)這些監(jiān)測(cè)量波形處理可以方便地找出畸變點(diǎn)的位置，判斷斷路器故障類(lèi)型。3.1 小波分析的概念小波分析(Wavelet Analysis)是20世紀(jì)數(shù)學(xué)研究成果杰出的代表之一。它作為數(shù)學(xué)科學(xué)的一個(gè)分支，汲取了現(xiàn)代分析數(shù)學(xué)中諸如泛函分析、傅立葉分析、數(shù)值分析、樣條分析、調(diào)和分析等眾多分支的精華。小波分析是非平穩(wěn)信號(hào)分析的一種有力數(shù)學(xué)工具，它具有兩個(gè)重要的數(shù)學(xué)實(shí)體“小波變換”和“小波級(jí)數(shù)”組成。小波分析屬于時(shí)頻分析的一種。小波變換是從傅立葉變換的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。自從1822年傅立葉(Fourier)發(fā)表“熱傳導(dǎo)解析理論”以來(lái)，傅里葉變換一直是信號(hào)處理

27、領(lǐng)域中最完美、應(yīng)用最廣泛、效果最好的一種分析手段小波分析的目的是“既要看到森林(信號(hào)的概貌)，又要看到樹(shù)木(信號(hào)的細(xì)節(jié))”，故被譽(yù)為“數(shù)學(xué)顯微鏡”。小波分析是一種窗口的大小固定、形狀可變的時(shí)頻局部化信號(hào)分析方法，即在低頻部分具有較高的頻率分辨率和較低的時(shí)間分辨率，在高頻部分具有較高的時(shí)間分辨率和較低頻率分辨率。設(shè),其中表示平方可積的實(shí)數(shù)空間，能量有限的空間信號(hào)，其中傅立葉變換為。當(dāng)滿(mǎn)足容許條件： （3-1）這里，=R-0表示非零實(shí)數(shù)的全體。則稱(chēng)為小波母函數(shù)，對(duì)于任意的實(shí)數(shù)對(duì)（，），其中參數(shù)a必須是非零常數(shù)，如下形式的函數(shù)： （3-2）其中為尺度函數(shù)，為平移參數(shù)。以上函數(shù)是由小波母函數(shù)生成的依賴(lài)

28、與參數(shù)（，）的連續(xù)小波函數(shù)，簡(jiǎn)稱(chēng)小波。對(duì)于任意的函數(shù)或者信號(hào)，其小波變換定義為： （3-3）由上式可以看出，作為積分核的小波變換函數(shù)，它不是正弦函數(shù)，而且該函數(shù)不是唯一的。在隨時(shí)間變化的同時(shí)，它還受到尺度函數(shù)和平移參數(shù)b的影響。小波變換是將信號(hào)分解為小波的組合。通過(guò)選擇合適的小波函數(shù)，就可以觀察到信號(hào)的局部特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的深層次處理。小波變換既可以處理平穩(wěn)信號(hào)、突變信號(hào)、具有孤立奇異性的信號(hào)和自適應(yīng)信號(hào)。小波分析的優(yōu)越性如下：(1)不需要特別的假設(shè)和局限于數(shù)據(jù)的特定類(lèi)型模式；(2)可以在時(shí)頻域同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)間序列的分析預(yù)測(cè)，而傅立方法只能實(shí)現(xiàn)頻域分析；(3)提供局部分析與細(xì)化能力；(4)小波運(yùn)

29、算量相對(duì)來(lái)說(shuō)更低。3.2小波函數(shù)的選取與標(biāo)準(zhǔn)傅里葉變換不同的是，小波變換中用到的母小波函數(shù)更多樣，更靈活。理論上只要滿(mǎn)足容許性條件的函數(shù)都可以作為小波變換的母小波，但是不同類(lèi)型的母小波性質(zhì)差別很大，直接影響小波變換的結(jié)果，因此母小波函數(shù)的選取是小波應(yīng)用的關(guān)鍵。目前主要通過(guò)小波分析處理信號(hào)的結(jié)果與理論結(jié)果的誤差來(lái)選擇母小波函數(shù)。母小波函數(shù)選取一般有以下原則： （1）正交性(或近似正交性)、緊支性(有限區(qū)間以外恒等于零)、可進(jìn)行離散小波變換等性質(zhì)。 （2）尺度函數(shù)和小波函數(shù)都具有一定的消失矩，這種特性有利于加快小波變換的速度。 (3)在不同分辨率具有非常好的多項(xiàng)式函數(shù)近似，增加分析計(jì)算的效率。 (

30、4)能夠比較容易地直觀顯示信號(hào)的特性，同時(shí)還能檢測(cè)其它潛在的時(shí)變擾 動(dòng)。實(shí)際上，我們無(wú)法構(gòu)造一個(gè)具有完美性質(zhì)的小波函數(shù)。因此，在實(shí)際工程應(yīng)用中，針對(duì)不同的被研究信號(hào)，不同的研究目的和方向，構(gòu)造不同的母小波函數(shù)。 目前，已存在不同的母小波函數(shù)，如Haar小波、Daubechies小波、coiflets小波和Symlets小波等。小波變換其實(shí)質(zhì)是用一系列的小波基函數(shù)逼近某個(gè)信號(hào)的過(guò)程，即使對(duì)同一信號(hào)，由于不同的母小波函數(shù)在正交性、緊支性、平滑性甚至對(duì)稱(chēng)性上表現(xiàn)出不同的特性，信號(hào)的處理效果是不同的。本文主要是對(duì)斷路器機(jī)械特性信號(hào)進(jìn)行小波分析，因此需要檢測(cè)信號(hào)的奇異性和信號(hào)特征的抽取，綜合比較幾種母小

31、波特性和處理后信號(hào)與原始信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)差，以處理合閘線圈電流為例，分析結(jié)果見(jiàn)下表。根據(jù)多分辨率理論，分解層數(shù)越高，小波處理效果越好，但是相應(yīng)處理時(shí)問(wèn)也越長(zhǎng)，為了兼顧處理時(shí)間和效果，方便比較，統(tǒng)一進(jìn)行5層小波分解。表3-1各種母小波特性及標(biāo)準(zhǔn)差小波名稱(chēng)分解層數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差Haar516.30Db4516.40Db5515.80Db6516.14Db7516.07Sym4515.90Sym5515.90Sym7515.94 根據(jù)母小波的選取原則，以db5作為母小波。db5即Daubechies小波，該小波是由世界著名的小波分析學(xué)者Inrid Daubechies構(gòu)造的小波函數(shù)，一般簡(jiǎn)寫(xiě)為dbN，N是小波的階

32、數(shù)。小波函數(shù)和尺度函數(shù)中的支撐區(qū)為2Nl， 消失矩為N。除N=l外，dbN不具有對(duì)稱(chēng)性。dbN沒(méi)有明確的表達(dá)式(除N=1)，但轉(zhuǎn)換函數(shù)h的平方模是很明確的。令其中 為二項(xiàng)式系數(shù)，則有Daubechies小波具有以下特點(diǎn)：（1）在時(shí)域上是有限支撐的，即長(zhǎng)度有限。而且高階原點(diǎn)距N值越大，的長(zhǎng)度越長(zhǎng)。（2）在頻域上在=0處有N階零點(diǎn)。（3）和它的整數(shù)位移正交歸一，即。（4）小波函數(shù)可以有所謂的“尺度函數(shù)”求出來(lái)。尺度函數(shù)為低通函數(shù)，長(zhǎng)度有限，支撐域在范圍內(nèi)。是的位加權(quán)和： （3-4）K值從2-2N到1，N值不同，權(quán)重也不同。由于為有限支撐，所以式（3-4）中求出來(lái)的也是有限支撐，為2N-1，起于1-

33、N，終于N處。3.3小波去噪 在實(shí)際信號(hào)的采集過(guò)程中，由于各種復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)原因帶來(lái)的噪聲干擾會(huì)降低 許多方法的有效性，甚至?xí)顾鼈兪?。傳感器一般安裝斷路器內(nèi)部，采集的信號(hào)不可避免地受到高磁場(chǎng)的干擾，斷路器在開(kāi)合閘瞬間產(chǎn)生的振動(dòng)也是信號(hào)的干擾源。因此，非常有必要對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行去噪，盡可能地還原出“清潔”信號(hào)。隨著小波理論研究的不斷深入，利用小波變換進(jìn)行信號(hào)去噪及重構(gòu)逐漸成 熟。 到目前為止，小波去噪的方法大致可分為三類(lèi)： 第一類(lèi)方法是基于小波變換模極大值原理。 第二類(lèi)方法是對(duì)信號(hào)作小波變換后，計(jì)算相鄰尺度間各點(diǎn)小波系數(shù)的相關(guān) 性，根據(jù)相關(guān)性的大小區(qū)別小波系數(shù)的類(lèi)型，從而進(jìn)行取舍，然后直接重構(gòu)

34、信號(hào)。 第三類(lèi)方法是Donoho等人提出的小波閾值去噪方法，也就是通常所說(shuō)的軟閾值和硬閾值去噪方法：即在眾多小波系數(shù)中，把絕對(duì)值較小的系數(shù)置為0，而讓絕對(duì)值較大的保留，得到估計(jì)小波系數(shù)(Estimated Wavelet Coefficients，簡(jiǎn)稱(chēng)EWC)，然后利用估計(jì)小波系數(shù)直接進(jìn)行信號(hào)重構(gòu)，即可達(dá)到去噪的目的。 由于這種方法比較簡(jiǎn)單實(shí)用，得到了廣泛使用，本文選取的去噪方法原理就是基于該類(lèi)。 閾值的選取直接影響信號(hào)去噪的質(zhì)量。因此選擇適當(dāng)?shù)臄?shù)A作為閾值，把低于A的小波系數(shù)(主要由噪聲引起的)設(shè)為0，而對(duì)高于A的小波系數(shù)予以保留或進(jìn)行收縮，從而得到估計(jì)的小波系數(shù)。，然后對(duì)進(jìn)行重構(gòu)，就可以重

35、構(gòu)原始信號(hào)。硬閾值法：軟閾值法：其中，為小波高頻系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差，N為小波分解的層數(shù)，為小波變換系數(shù)?，F(xiàn)以某一種特定信號(hào)作為處理對(duì)象分別用硬閾值法和軟閾值法進(jìn)行分析。從而得到硬閾值和軟閾值作用于合閘線圈電流信號(hào)的作用效果。如圖3-1所示，可以看出，采用閾值值去噪的方法能夠有效去噪，相比較而言，軟閾值去噪效果優(yōu)于硬去噪。圖3-1對(duì)直線作用硬閾值和軟閾值的結(jié)果 可以看出，采用閾值去噪的方法能夠有效去噪，相比較而言，軟閾值去噪效果優(yōu)于硬閾值去噪。3.4利用小波處理斷路器行程信號(hào)由于開(kāi)關(guān)設(shè)備小型化技術(shù)的不斷發(fā)展，許多斷路器的外形結(jié)構(gòu)尺寸已縮小到接近極限，這使得動(dòng)觸頭附近可供安裝位移傳感器的空間非常有限，傳

36、統(tǒng)的直線位移傳感器由于尺寸的限制難以在實(shí)際中使用，考慮到斷路器在分合閘過(guò)程中，動(dòng)觸頭的行程與主軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度之間有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此測(cè)得主軸的角位移曲線，即可間接得到動(dòng)觸頭的直線位移曲線。斷路器的主軸處于低電位，距離高壓部位較遠(yuǎn)，不存在高電位隔離的問(wèn)題，而且一般情況下主軸附近的可用空間大，能夠方便地安裝角位移傳感器，這種間接測(cè)量的方式對(duì)多種型號(hào)的斷路器都適用，我們選用了一種精密的導(dǎo)電塑料電位器作為角位移傳感器，安裝在操縱機(jī)構(gòu)的主軸上，傳感器的轉(zhuǎn)軸與斷路器的主軸通過(guò)連接件緊固連接，該傳感器有很高的測(cè)量線性度和分辨率。 在監(jiān)測(cè)的行程信號(hào)中，包含部分突變部分，因此要對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，將信 號(hào)的噪聲部分

37、去除，提取有用信號(hào)。下面我們用小波對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，分三個(gè)步驟： （1）分解過(guò)程：選定一種小波，對(duì)信號(hào)進(jìn)行多層小波分解，這里我們選用上節(jié)介紹的Daubechies小波； （2）作用閾值過(guò)程：對(duì)分解得到的各層系數(shù)選擇一個(gè)閾值，并對(duì)細(xì)節(jié)系數(shù)使用軟閾值處理； （3）重建過(guò)程：降噪處理后的系數(shù)通過(guò)小波重建恢復(fù)原始信號(hào)。3.4.1合閘過(guò)程 斷路器的合閘操作過(guò)程是斷路器接受到合閘指令開(kāi)始的，在接受到合閘指令后。合閘線圈回路啟動(dòng)儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)釋放能量，產(chǎn)生很大的作用力驅(qū)動(dòng)動(dòng)觸頭開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，將儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)的能量轉(zhuǎn)化為觸頭運(yùn)動(dòng)的形式釋放。這樣觸頭的運(yùn)動(dòng)速度會(huì)逐漸增大，然而在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，觸頭會(huì)遇到各種摩擦和碰撞等阻力的影響，并

38、且機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)也會(huì)有摩擦和碰撞等阻力消耗儲(chǔ)能。隨著動(dòng)觸頭沿著合閘方向的運(yùn)動(dòng)，在距離靜觸頭一定位置上會(huì)產(chǎn)生電弧，而電弧產(chǎn)生的電動(dòng)力對(duì)動(dòng)觸頭來(lái)說(shuō)是阻力，將消耗部分能量。接下來(lái)，動(dòng)觸頭會(huì)跟靜觸頭接觸，電弧熄滅。這就是所謂的剛合時(shí)刻的位置，在此以前，動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)的行程稱(chēng)為空行程，隨后，動(dòng)觸頭繼續(xù)前進(jìn)，達(dá)到合閘位置，并且機(jī)構(gòu)保持合閘狀態(tài)。這段過(guò)程叫做超行程，在這個(gè)過(guò)程中，動(dòng)靜觸頭的摩擦及緩沖器的作用會(huì)大大降低動(dòng)觸頭速度，避免產(chǎn)生大的撞擊。通過(guò)分析，可以得出動(dòng)靜觸頭剛剛接觸的時(shí)刻就是動(dòng)觸頭速度最大的時(shí)刻。合閘行程-時(shí)間特性曲線如圖3-2所示。圖3-2 合閘-行程時(shí)間特性曲線我們看到原始采樣數(shù)據(jù)由于傳感器受到

39、震動(dòng)影響而有突變點(diǎn)，這些點(diǎn)我們稱(chēng)之為信號(hào)的奇異點(diǎn)，如果不對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理直接求取觸頭速度得到圖3-3 圖3-3 直接求取的速度圖形從圖3-3可見(jiàn)，由于奇異點(diǎn)的存在，無(wú)法正確求取出斷路器分合閘速度，為此對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行小波分解，用db1小波進(jìn)行6層分解重構(gòu)得到消噪后的圖形，如圖3-4所示。圖3-4 消噪后的圖形3.4.2分閘過(guò)程 斷路器的分閘操作過(guò)程是自斷路器接受到分閘指令開(kāi)始的，此時(shí)分閘操動(dòng)線圈回路通電，產(chǎn)生的電磁力推動(dòng)鐵芯頂桿，分閘儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)釋放能量，通過(guò)機(jī)械連接機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)動(dòng)觸頭開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，動(dòng)觸頭和靜觸頭之間的摩擦力和碰撞會(huì)對(duì)觸動(dòng)觸頭將和靜觸頭分離，這就是剛分時(shí)刻的位置，此段運(yùn)動(dòng)過(guò)程就是超行程。隨后，

40、動(dòng)觸頭將繼續(xù)沿分閘方向運(yùn)動(dòng)，動(dòng)靜觸頭間出現(xiàn)電弧。此時(shí)雖然沒(méi)有了動(dòng)靜觸頭間的摩擦力，可電弧的電動(dòng)力會(huì)影響動(dòng)觸頭的速度。但受力分析顯示，動(dòng)觸頭在剛分位置應(yīng)該具有最大的加速度。隨后動(dòng)觸頭繼續(xù)分閘操作，電弧熄滅，緩沖器使得動(dòng)觸頭停止下來(lái)，直到停止在分閘位置，這是分閘操作的空行程部分。動(dòng)觸頭和靜觸頭分開(kāi)之后，由于阻力相對(duì)減小，速度繼續(xù)增加至最大值，在此期間加速度應(yīng)該會(huì)一直減小，速度最大值所對(duì)應(yīng)時(shí)刻前，距離該時(shí)刻最近的加速度局部最大值所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻，就是分閘操作的剛分時(shí)刻。利用這個(gè)特點(diǎn)，可以通過(guò)計(jì)算分閘操作過(guò)程中的行程曲線的加速度來(lái)獲得動(dòng)、靜觸頭的分離時(shí)刻，從而以較簡(jiǎn)單的方式獲得斷路器分閘操作的分閘時(shí)間。3

41、.5 小波降噪和傅里葉降噪法對(duì)某一信號(hào)降噪的方法有小波降噪和傅里葉降噪，其中小波降噪又包括通過(guò)抑制細(xì)節(jié)系數(shù)降噪、通過(guò)全層閾值和分層閾值降噪等方法。下面我們將詳細(xì)介紹這幾種降噪方法，并將對(duì)同一信號(hào)的降噪結(jié)果進(jìn)行比較，得出這幾種降噪方法的各自的優(yōu)勢(shì)和缺陷，從而找到對(duì)信號(hào)進(jìn)行降噪的最佳方法。3.5.1傅里葉降噪法 通過(guò)使用FFT對(duì)信號(hào)降噪方法與小波變換對(duì)比，就能看出小波變換在時(shí)間頻域的處理的優(yōu)點(diǎn)。現(xiàn)在以nosisdopp信號(hào)為例，先對(duì)其進(jìn)行傅里葉變換，求出其頻譜，頻譜圖如圖3-5所示。圖3-5 noisdopp信號(hào)FFT下定的頻譜由圖3-5可看出信號(hào)的能量主要集中在低頻部分，在20HZ以后迅速衰減為

42、零，50HZ以后就幾乎沒(méi)有能量了。這樣我們可以通過(guò)低通一個(gè)簡(jiǎn)單的低通濾波。通過(guò)低通濾波處理得到的結(jié)果如圖3-6所示。圖3-6 用在頻域中低通濾波器對(duì)信號(hào)降噪的結(jié)果我們將得到的結(jié)果與所用在小波域中抑制噪聲的能量沒(méi)有FFT濾波器的結(jié)果高，但是卻保持了更高的與原信號(hào)的相似度。通常意義上降噪的兩個(gè)準(zhǔn)則，光滑性和相似性在時(shí)間和頻率上兩個(gè)空間體現(xiàn)的比重不同從時(shí)域分析的角度，更容易體現(xiàn)信號(hào)的相似性，而不太好處理信號(hào)的光滑性，因?yàn)闀r(shí)域可以很好的判斷信號(hào)的動(dòng)態(tài)性質(zhì)，而在頻域中，可以很方便的過(guò)濾掉高頻的噪聲信號(hào)，但是在原始信號(hào)中能量比重很小的很多有用信號(hào)也可能因此被過(guò)濾掉。在這個(gè)意義上，小波分析的多分辨概念有了廣

43、泛的應(yīng)用空間，展開(kāi)之后的小波系數(shù)，既可以保持根據(jù)某些頻段的系數(shù)做濾波，更重要的是可以根據(jù)某些頻段分離出來(lái)的系數(shù)隨時(shí)間的變化，通過(guò)某些準(zhǔn)則來(lái)判斷其是信號(hào)本身所包含的信息，還是在統(tǒng)計(jì)上無(wú)規(guī)律定的噪聲。3.5.2小波降噪法（1）通過(guò)抑制細(xì)節(jié)系數(shù)降噪在小波分解過(guò)程中，每次分解得到的近似系數(shù)比以前更光滑，舍去的細(xì)節(jié)信息就存放在各層細(xì)節(jié)系數(shù)中，那么一個(gè)簡(jiǎn)單的思想是重建第i層近似系數(shù)達(dá)到降噪的目的，那么進(jìn)一步，為了保持原相對(duì)完整的信息我們可以有選擇的抑制各層的細(xì)節(jié)系數(shù)，也能實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的，現(xiàn)我們對(duì)noisdopp信號(hào)通過(guò)抑制部分細(xì)節(jié)系數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)平滑。結(jié)果如圖3-7所示。圖3-7通過(guò)抑制細(xì)節(jié)系數(shù)方法對(duì)nois

44、dopp信號(hào)的降噪結(jié)果通過(guò)此例子可以看出，使用單純的抑制細(xì)節(jié)系數(shù)的方式，確實(shí)可以實(shí)現(xiàn)消除信號(hào)噪聲的目的，但這種方式太過(guò)于粗略，因?yàn)檫@樣做沒(méi)有利用噪聲本身的信息，沒(méi)有通過(guò)噪聲本身來(lái)確定降噪的方法，所以作為衡量相似性的標(biāo)準(zhǔn)差仍然很大，而且降噪后的信號(hào)損失了很多原信號(hào)的能量成分，這就說(shuō)明了我們?cè)诮翟氲倪^(guò)程中，不僅抑制了噪聲，也抑制了很多有用的信息成分。（2）使用全局閾值和分層閾值對(duì)信號(hào)進(jìn)行降噪前面我們已經(jīng)從降噪的基本思想出發(fā)，討論了在小波域和頻域?qū)π盘?hào)噪聲抑制的方法，將這兩種方法得到的噪聲結(jié)果進(jìn)行了比較，但是從嚴(yán)格意義上來(lái)講，這些都不是很好的符合降噪的兩個(gè)基本要求光滑性和相似性。前面介紹的閾值控制法

45、理論上指出了一種在小波域?qū)ο禂?shù)進(jìn)行操作，使得降噪信號(hào)最大程度的滿(mǎn)足這兩種要求的方法，這就是所謂的“小波收縮”，其原理就是根據(jù)方差最小的的原則對(duì)系數(shù)的無(wú)偏似然估計(jì)確定閾值的方法。通過(guò)小波工具箱對(duì)信號(hào)進(jìn)行降噪的命令哦降噪中的應(yīng)用，wdencmp來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明小波變換在其中閾值的選取有兩種方式：全局閾值和分層閾值?，F(xiàn)仍然對(duì)noisdopp信號(hào)為降噪對(duì)象。圖3-8使用全局閾值和分層閾值對(duì)信號(hào)降噪的結(jié)果從圖3-8可以看出，全局閾值和分層閾值的方法很好的保留了信號(hào)發(fā)展初期的高頻特性，且性能優(yōu)于之前的抑制細(xì)節(jié)系數(shù)和FFT方法。在這兩者之間，分層閾值雖然損失了部分性能，但比全局閾值的結(jié)果光滑了很多。而且信號(hào)發(fā)展

46、初期的高頻系數(shù)也幾乎不受影響，最大限度的反映了原信號(hào)本身的性質(zhì)。因此在對(duì)分合閘線圈電流降噪時(shí)，我們采用的是全局閾值和分層閾值降噪法。3.6利用使用全局閾值和分層閾值處理分合閘線圈電流信號(hào)分合閘線圈是控制斷路器動(dòng)作的關(guān)鍵元件，利用霍爾電流元件可以方便地檢測(cè)其電流電壓。無(wú)論何種操動(dòng)機(jī)構(gòu)，例如電磁、彈簧、永磁、液壓等操動(dòng)機(jī)構(gòu)中，都裝有分合閘線圈。通過(guò)線圈電流波形可以診斷出很多機(jī)械故障。下面以彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)合閘線圈為例，利用小波函數(shù)分析其分合閘線圈電流，并對(duì)分閘線圈電流信號(hào)進(jìn)行降噪。 圖3-9為正常情況下彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)的合閘線圈電流波形以及使用全局閾值和分層閾值對(duì)其進(jìn)行降噪的結(jié)果。圖3-9 使用全局閾值和

47、分層閾值對(duì)信號(hào)降噪后的結(jié)果從圖中可看出，用全局閾值和分層閾值對(duì)分合閘線圈電流降噪后的信號(hào)很好的保留了原有先好的相似性和光滑性。分層閾值雖然損失了部分性能，但比全局閾值的結(jié)果光滑了很多。而且信號(hào)發(fā)展初期的高頻系數(shù)也幾乎不受影響，最大限度的反映了原信號(hào)本身的性質(zhì)。3.7結(jié)論 由于小波變換具有良好的時(shí)頻局部化特性，用小波變換進(jìn)行斷路器在線監(jiān)測(cè)，克服了傳統(tǒng)檢測(cè)方法對(duì)突變點(diǎn)定位的不足，可以有效地去除斷路器在線監(jiān)測(cè)信號(hào)中含噪部分，提取出信號(hào)的主要特征，為正確判斷斷路器健康狀態(tài)和制定檢修計(jì)劃提供依據(jù)，提高電力系統(tǒng)的運(yùn)行水平和供電質(zhì)量。4 總結(jié)和展望4.1總結(jié) 在中國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)保持高速增長(zhǎng)的時(shí)代背景下，電能需求越來(lái)越旺盛，電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行將直接影響地區(qū)和國(guó)家的經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定甚至社會(huì)的和諧發(fā)展。斷路器在電網(wǎng)中擔(dān)負(fù)著在正常和故障條件下分合主電路的任務(wù)，同時(shí)也是易損設(shè)備之一，相對(duì)