光纖位移傳感器在斷路器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用

趙國(guó)棟， 耿亞明, 柴 宇,揣振國(guó), 田 濤, 張兆君

(1. 東南大學(xué)電氣工程學(xué)院，江蘇 南京 210096；2. 國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司檢修分公司，江蘇 南京 211102)

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光纖位移傳感器在斷路器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用

趙國(guó)棟1， 耿亞明2, 柴 宇2,揣振國(guó)2, 田 濤2, 張兆君2

(1. 東南大學(xué)電氣工程學(xué)院，江蘇 南京 210096；2. 國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司檢修分公司，江蘇 南京 211102)

針對(duì)以往用于斷路器在線監(jiān)測(cè)位移傳感器的不足，本文提出了使用光纖位移傳感器測(cè)量斷路器動(dòng)觸頭行程，達(dá)到精度高、干擾少的目的。提出一種基于希爾伯特-黃變換的斷路器剛合點(diǎn)分析方法，利用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解得到包含速度信號(hào)局部特性的本征模態(tài)函數(shù)分量，根據(jù)速度突變點(diǎn)的特征，利用方差貢獻(xiàn)率選擇本征模態(tài)函數(shù)分量，經(jīng)過希爾伯特變換得到瞬時(shí)幅值，該曲線的特征點(diǎn)即斷路器剛合點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)證明，該方法能夠有效提取斷路器的剛合點(diǎn)，耗時(shí)少、結(jié)果準(zhǔn)確，可為斷路器故障診斷提供可靠依據(jù)。

斷路器機(jī)械特性；光纖位移傳感器；希爾伯特—黃變換；剛合點(diǎn)

0 引言

斷路器是電力系統(tǒng)中的重要電氣設(shè)備，其可靠性關(guān)系到電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性。根據(jù)國(guó)家電力監(jiān)管委員會(huì)的長(zhǎng)期統(tǒng)計(jì)顯示[1，2]，斷路器的機(jī)械故障是斷路器失效的主要原因。動(dòng)觸頭行程信號(hào)可以直觀反映斷路器的機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)即機(jī)械特性[3-5]，是斷路器在線監(jiān)測(cè)中不可缺少的部分。斷路器動(dòng)觸頭與靜觸頭的碰撞點(diǎn)稱為剛合點(diǎn)，通過該點(diǎn)可以計(jì)算得到斷路器的機(jī)械參數(shù)，機(jī)械參數(shù)直接反映了斷路器是否存在機(jī)械故障。為了達(dá)到快速準(zhǔn)確提取出剛合點(diǎn)的目標(biāo)，西安交通大學(xué)的孟永鵬等人[6]采用了角度位移傳感器測(cè)量斷路器動(dòng)觸頭的行程曲線，能夠通過轉(zhuǎn)軸位移曲線分析得到斷路器剛合點(diǎn)，但是僅用一個(gè)角度位移傳感器不能反映三相位移的同期性；陳建平等人[7]利用電阻式直線位移傳感器直接測(cè)量動(dòng)觸頭的行程曲線，雖然采集到真實(shí)的絕對(duì)行程，但是電阻式直線位移傳感器輸出信號(hào)為模擬信號(hào)，抗電磁干擾能力差，測(cè)量信號(hào)中包含大量毛刺。此外，由于斷路器動(dòng)觸頭連桿的動(dòng)作位移具有一定的角度，將導(dǎo)致傳感器連桿與保護(hù)殼之間的摩擦力增大，長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量會(huì)縮短傳感器的使用壽命。

本文采用非接觸式光纖位移傳感器[8]作為斷路器動(dòng)觸頭行程的測(cè)量工具，精確測(cè)量斷路器三相動(dòng)觸頭的位移，傳感器工作模式為非接觸式的，不存在摩擦力影響壽命問題，能夠保持長(zhǎng)期精確測(cè)量。針對(duì)采集數(shù)據(jù)提出了一種基于希爾伯特-黃變換的提取方法[9]，能夠準(zhǔn)確找到斷路器的剛合點(diǎn)，進(jìn)而得到一系列斷路器機(jī)械特性參數(shù)。

1 非接觸式光纖位移傳感器

本文使用的光纖位移傳感器利用標(biāo)尺光柵作為數(shù)字編碼器[10，11]，光線經(jīng)過反射式數(shù)字編碼器反射后，通過光纖陣列探頭收集攜帶位置信息的反射光進(jìn)而得到光信號(hào)脈沖，經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換即可得到位置編碼信息。反射式數(shù)字編碼器安裝在帶拉桿的直線滑軌的表面，如圖1所示。并使用Z型連接器將拉桿與斷路器動(dòng)觸頭絕緣連桿連接，當(dāng)斷路器動(dòng)觸頭動(dòng)作時(shí)，通過Z型連接器帶動(dòng)反射式數(shù)字編碼器運(yùn)動(dòng)，光纖陣列探頭將接收攜帶不同位置信息編碼的光信號(hào)脈沖，轉(zhuǎn)換即可得到斷路器動(dòng)觸頭的位移信息。

圖1 反射式光纖傳感器原理Fig.1 Principle of reflective optical fiber displacement sensor

非接觸式光纖位移傳感器具有如下優(yōu)點(diǎn)[12]：(1) 靈敏度高，響應(yīng)頻帶寬，滿足測(cè)量精度的要求；(2) 抗電磁干擾，電絕緣性好，可以用于復(fù)雜電磁環(huán)境中；(3) 體積小，質(zhì)量輕，方便安裝在斷路器的狹小空間中。這些優(yōu)點(diǎn)滿足了斷路器在線測(cè)量的要求，不僅能夠精確探測(cè)斷路器動(dòng)觸頭的絕對(duì)行程，而且避免了環(huán)境的電磁影響，信號(hào)不需要經(jīng)過消噪處理就可以進(jìn)行分析。光纖位移傳感器的安裝位置如圖2所示。

圖2 光纖位移傳感器安裝Fig.2 Installation drawing of optical fiber displacement sensor

本文使用的非接觸式光纖位移傳感器，其反射式數(shù)字編碼器采用了MEMS技術(shù)刻蝕光柵[13，14]，精度可以達(dá)到0.025 mm。在實(shí)際采樣過程中，絕緣連桿拉動(dòng)編碼器運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過某光柵時(shí)，光纖陣列探頭即得到一個(gè)脈沖信號(hào)，由信號(hào)處理系統(tǒng)記錄下時(shí)刻，經(jīng)過下一個(gè)光柵時(shí)，數(shù)字編碼器移動(dòng)0.025 mm，信號(hào)處理系統(tǒng)記下經(jīng)過該光柵的時(shí)刻，以此類推，即可得到斷路器動(dòng)觸頭行程-時(shí)間曲線，即位移信號(hào)。

2 基于希爾伯特-黃變換的剛合點(diǎn)提取

希爾伯特黃變換算法分為兩個(gè)過程：經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(EMD)和希爾伯特變換(HT)[7]。但是EMD算法在對(duì)含突變信號(hào)的平穩(wěn)信號(hào)進(jìn)行分解時(shí)會(huì)產(chǎn)生模態(tài)混疊現(xiàn)象，使得突變點(diǎn)的提取產(chǎn)生困難[15]。因此，先對(duì)斷路器動(dòng)觸頭行程信號(hào)進(jìn)行處理，計(jì)算經(jīng)過各個(gè)光柵時(shí)的速度，將原行程信號(hào)變?yōu)榉瞧椒€(wěn)的速度信號(hào)。在剛合點(diǎn)處,斷路器動(dòng)觸頭由于碰撞靜觸頭，其速度發(fā)生了突變，因此速度信號(hào)的突變點(diǎn)即為剛合點(diǎn)。對(duì)速度-時(shí)間信號(hào)進(jìn)行EMD分解，獲得多個(gè)頻率不同的IMF分量[16]，然后對(duì)方差貢獻(xiàn)率最小的IMF分量進(jìn)行希爾伯特變換，得到相應(yīng)的信號(hào)包絡(luò)，檢測(cè)其特征點(diǎn)，從而獲得速度突變點(diǎn)即剛合點(diǎn)。

2.1 基于EMD的斷路器速度-時(shí)間信號(hào)分析

利用EMD對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析要求信號(hào)具備兩個(gè)基本條件[17]:

(1) 在整個(gè)信號(hào)序列上的極值點(diǎn)個(gè)數(shù)和過零點(diǎn)的個(gè)數(shù)相等或相差一個(gè)；

(2) 任何一點(diǎn)由局部極大值和局部極小值點(diǎn)包絡(luò)的平均值為零。

根據(jù)文獻(xiàn)[18]的分解步驟，斷路器的原始速度-時(shí)間信號(hào)可以表示為若干個(gè)IMF分量及余量之和：

(1)

合閘時(shí)，斷路器動(dòng)觸頭接觸剛合點(diǎn)的瞬間，受碰撞靜觸頭的反作用力影響，損失大部分速度，因此包含該點(diǎn)信息的IMF分量對(duì)原始信號(hào)的貢獻(xiàn)很小。為此本文采用方差貢獻(xiàn)率[19]作為選擇IMF分量的衡量指標(biāo)。相應(yīng)計(jì)算公式為：

(2)

(3)

式中：Di表示第i個(gè)IMF分量的方差；Δt為信號(hào)數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔。

2.2 基于希爾伯特變換的速度-時(shí)間信號(hào)突變點(diǎn)提取

(4)

(5)

(6)

(7)

式(6)代表信號(hào)的瞬時(shí)振幅，式(7)代表信號(hào)的瞬時(shí)相位，均反映信號(hào)的瞬時(shí)特征。

Ai(t)也稱作IMF信號(hào)的包絡(luò)，描述了信號(hào)的幅值隨時(shí)間變化規(guī)律[20]，檢測(cè)其極值，找到幅值-時(shí)間曲線的突變點(diǎn)，以此作為斷路器合閘過程中的剛合點(diǎn)，該點(diǎn)也是分閘過程中的剛分點(diǎn)。

3 斷路器的機(jī)械特性

通過安裝在斷路器動(dòng)觸頭上的光纖位移傳感器,可以實(shí)時(shí)得到斷路器的行程-時(shí)間特性。本文以某公司生產(chǎn)的ZW27-12型戶外交流高壓真空斷路器作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，光纖位移傳感器有效行程為20 mm，位移精度為0.025 mm，采集到的斷路器合閘動(dòng)觸頭行程信號(hào)如圖3所示。可以發(fā)現(xiàn),經(jīng)過光纖位移傳感器采集到斷路器動(dòng)觸頭行程信號(hào)曲線極少有毛刺。

圖3 斷路器動(dòng)觸頭行程曲線Fig.3 Stroke curve of circuit breaker’s moving contact

將斷路器合閘動(dòng)觸頭行程信號(hào)先轉(zhuǎn)變?yōu)樗俣?時(shí)間信號(hào)，由于反射式數(shù)字編碼盤的光柵的間隔很短，因此用經(jīng)過光柵的平均速度作為經(jīng)過每個(gè)光柵的瞬時(shí)速度，即可得到速度-時(shí)間信號(hào)。對(duì)速度-時(shí)間信號(hào)進(jìn)行EMD分解，共得到6個(gè)IMF分量，如圖4所示。

圖4 原信號(hào)、EMD分解得到的IMF分量及余項(xiàng)Fig.4 Original signal, IMF components and remainder

由于動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)到剛合點(diǎn)時(shí)受靜觸頭反作用力影響速度發(fā)生衰減，對(duì)整個(gè)速度信號(hào)的貢獻(xiàn)率最小，因此包含剛合點(diǎn)信息的IMF分量的方差貢獻(xiàn)率最小。

根據(jù)表1計(jì)算得到的方差貢獻(xiàn)率，選擇方差貢獻(xiàn)率最小的imf2分量用于提取剛合點(diǎn)。對(duì)imf2進(jìn)行希爾伯特變換，得到imf2分量的瞬時(shí)幅值，與斷路器合閘動(dòng)觸頭行程信號(hào)比較。

表1 各IMF分量方差貢獻(xiàn)率Table 1 Variance contribution of each IMF components %

由圖5的信號(hào)處理波形的分析可以發(fā)現(xiàn)，imf2分量的幅值圖中幅值最大的特征點(diǎn)即為斷路器剛合點(diǎn)。記錄下該點(diǎn)的時(shí)刻，即可在斷路器動(dòng)觸頭行程曲線中找到剛合點(diǎn)的位置信息。

圖5 瞬時(shí)幅值與原信號(hào)比較Fig.5 Comparison between instantaneous amplitude and original signal

下面以斷路器接觸行程為例，驗(yàn)證上述方法的精度。接觸行程是從剛合點(diǎn)到停止運(yùn)動(dòng)時(shí)動(dòng)觸頭所移動(dòng)的距離，其精度能夠直接反映該算法的準(zhǔn)確率和精度。計(jì)算公式為：

xj=x-xg

(8)

式中：xj是斷路器的接觸行程；x是由光纖位移傳感器采集到的斷路器動(dòng)觸頭總行程；xg為上述算法提取到的剛合點(diǎn)位置。

(9)

表2為利用本文中提出的算法對(duì)采集的5 組信號(hào)進(jìn)行處理后計(jì)算得到的斷路器接觸行程數(shù)據(jù)，同時(shí)將計(jì)算結(jié)果與斷路器特性測(cè)試儀SA100 測(cè)試結(jié)果(斷路器ABC 三相的接觸行程都調(diào)整為3.5 mm，測(cè)試儀精度<0.5%)進(jìn)行比對(duì)。結(jié)果顯示，誤差都在3%以內(nèi)，表明該算法可以滿足在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的要求。

提取出斷路器的剛合點(diǎn)后，根據(jù)接觸行程、觸頭開距以及分合閘速度的定義[21]，計(jì)算反映斷路器機(jī)械特性的參數(shù)，見表3，為進(jìn)一步進(jìn)行故障診斷提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

表2 斷路器接觸行程實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 2 Experimental data of circuit breaker’s contacting travel

表3 斷路器機(jī)械特性參數(shù)Table 3 Mechanical parameters of circuit breaker

4 結(jié)語

本文利用非接觸式光纖位移傳感器測(cè)量斷路器動(dòng)觸頭的行程，具有測(cè)量精度高，信號(hào)毛刺少的優(yōu)點(diǎn)。提出了基于希爾伯特-黃變換的斷路器剛合點(diǎn)分析方法，并應(yīng)用于斷路器動(dòng)觸頭行程曲線。主要研究結(jié)果有：(1) 根據(jù)斷路器剛合點(diǎn)的速度特征，利用方差貢獻(xiàn)率選擇速度-時(shí)間信號(hào)經(jīng)過EMD分解后的本征模態(tài)函數(shù)分量。(2) 經(jīng)過希爾伯特變換得到本征模態(tài)函數(shù)分量的信號(hào)包絡(luò)，包絡(luò)特征點(diǎn)即斷路器剛合點(diǎn)，該特征提取方法能夠準(zhǔn)確找到斷路器剛合點(diǎn)。得到斷路器剛合點(diǎn)后，可以計(jì)算得到斷路器機(jī)械特性的一系列機(jī)械參數(shù)，為斷路器故障診斷提供可靠依據(jù)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該方法尋點(diǎn)準(zhǔn)確、誤差在3%以內(nèi)，是理想的數(shù)據(jù)采集和提取辦法。

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(編輯 劉曉燕)

The Applications of the Optical Fiber Displacement Sensor inOn-line Monitoring System of Circuit Breaker

ZHAO Guodong1, GENG Yaming2, CHAI Yu2,CHUAI Zhenguo2, TIAN Tao2, ZHANG Zhaojun2

(1. School of Electrical Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China;2. Jiangsu Electric Power Maintenance Branch Company, Nanjing 211102, China)

Fiber optic displacement sensor is introduced to measure the trip of the circuit breaker’s moving contact against deficiencies of the displacement sensors used by previous online monitoring system, which leads to high-accuracy and low interference. An analysis method based on Hilbert-Huang Transform to extract moment-close point is put forward. The intrinsic mode function (IMF) component which contains speed signal partial characteristic is extracted by empirical mode decomposition(EMD). The IMF component is selected by the variance contribution rate according to the speed characteristic of the moment-close point. Thus the selected IMF component can be analyzed by instantaneous amplitude after Hilbert transform, whose feature point is the moment-close point of the circuit breaker. The experiment results shows that the analysis method could extract the moment-close point effectively and accurately, providing credible information for the fault diagnosis of circuit breaker.

mechanical characteristic of circuit breaker; fiber optic displacement sensor; Hilbert-Huang transform; moment-close point

2017-02-25；

2017-03-29

國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司科技項(xiàng)目(5210EC14006Z)

TM561

A

2096-3203(2017)04-0098-05

趙國(guó)棟

趙國(guó)棟(1991—)，男，山東煙臺(tái)人，碩士研究生，研究方向?yàn)閿嗦菲髟诰€監(jiān)測(cè)與故障識(shí)別研究工作(E-mail：220142216@seu.edu.cn)；

耿亞明(1979—)，男，江蘇泰州人，工程師，從事繼電保護(hù)方面的工作；

柴宇(1982—)，男，遼寧阜新人，工程師，從事變電檢修方面的工作；

揣振國(guó)(1986—)，男，安徽宿州人，工程師，從事變電檢修方面的工作；

田 濤(1972—)，男，江蘇南京人，工程師，從事高壓電網(wǎng)變電檢修方面的工作；

張兆君(1977—)，男，江蘇金壇人，工程師，從事變電運(yùn)行工作。