基于機(jī)械和電氣特性融合的高壓斷路器故障診斷方法

譚風(fēng)雷，陳 昊，張海華，徐 鵬

(國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司檢修分公司，江蘇 南京 211102)

隨著電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，高壓斷路器廣泛應(yīng)用于35 kV及以上電壓等級(jí)電網(wǎng)。作為電力系統(tǒng)的核心設(shè)備，高壓斷路器主要承擔(dān)保護(hù)和控制的作用，其運(yùn)行狀態(tài)決定電網(wǎng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行。高壓斷路器開斷電流大、承受電壓高、操作較頻繁，極易發(fā)生故障，引起局部電網(wǎng)故障，嚴(yán)重情況可導(dǎo)致電網(wǎng)癱瘓[1-4]。2012年，印度電網(wǎng)因高壓斷路器故障導(dǎo)致大面積停電，超過(guò)6億居民受到影響。根據(jù)國(guó)內(nèi)外高壓斷路器故障類型統(tǒng)計(jì)[5-8]，機(jī)械故障是高壓斷路器的主要故障類型，一般包括機(jī)構(gòu)卡滯、彈簧變形、螺栓松動(dòng)、鎖扣失靈和連桿斷裂等。一般情況下，在機(jī)械故障發(fā)生初期，高壓斷路器仍能正常工作，若能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障并處理，將有效避免故障進(jìn)一步擴(kuò)大，對(duì)提高電網(wǎng)可靠性具有重要意義。

當(dāng)高壓斷路器發(fā)生機(jī)械故障時(shí)，其對(duì)應(yīng)的機(jī)械和電氣特性都會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化，尤其在分合閘操作時(shí)，變化更為明顯。國(guó)內(nèi)外專家基于機(jī)械和電氣特性對(duì)高壓斷路器故障診斷進(jìn)行了深入廣泛研究，其中機(jī)械特性一般是基于振動(dòng)信號(hào)獲取，而電氣特性則是基于分合閘線圈電流獲取。目前，高壓斷路器故障診斷主要包括典型故障庫(kù)建立、特征向量提取和故障判別匹配3個(gè)階段，其中特征向量提取階段一般采用傅里葉變換、小波包分解和短時(shí)能量分析等方法[9-10]；故障判別匹配階段一般采用證據(jù)理論、專家系統(tǒng)、支持向量機(jī)等方法[11-12]。文獻(xiàn)[13]提出一種基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)和瞬時(shí)頻率的分合閘線圈電流特征向量提取方法，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性，可為高壓斷路器故障診斷提供判別依據(jù)。文獻(xiàn)[14]利用小波包分解提取高壓斷路器振動(dòng)信號(hào)后，基于低頻和高頻信號(hào)重構(gòu)特征向量，并采用支持向量機(jī)(support vector machines，SVM)實(shí)現(xiàn)故障分類。文獻(xiàn)[15]基于高壓斷路器的少量狀態(tài)數(shù)據(jù)，采用近似熵作為振動(dòng)信號(hào)特征量，并采用支持向量機(jī)判別高壓斷路器故障類型。盡管目前已有大量文獻(xiàn)對(duì)高壓斷路器故障診斷方法進(jìn)行研究，但主要基于機(jī)械或電氣單一特征考慮，未將機(jī)械和電氣特性融合；另外，現(xiàn)有研究重點(diǎn)集中在如何提高高壓斷路器特征向量的提取精度和故障類型診斷精度，對(duì)典型故障庫(kù)的建立研究較少。

為解決上述問(wèn)題，本文提出一種基于機(jī)械和電氣特性融合的高壓斷路器故障診斷方法，該方法利用機(jī)械特性判別高壓斷路器的故障類型，而電氣特性則作為故障判別的輔助依據(jù)，以保證高壓斷路器的故障診斷精度。

1 基于機(jī)械特性的高壓斷路器故障診斷

1.1 高壓斷路器特征向量提取

高壓斷路器機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、部件繁多，如圖1所示，主要包括活動(dòng)部件和固定部件，活動(dòng)部件一般包括彈簧、凸輪、連桿等；固定部件一般包括瓷套、螺栓、橫梁等。當(dāng)高壓斷路器進(jìn)行分合閘操作時(shí)，不同部件的振動(dòng)特性不同，為準(zhǔn)確采集振動(dòng)信號(hào)，在彈簧上裝設(shè)應(yīng)力傳感器，在轉(zhuǎn)軸上裝設(shè)行程傳感器，在連桿上裝設(shè)振動(dòng)傳感器，通過(guò)不同傳感器采集的信號(hào)來(lái)獲取特征向量。

(a)斷路器固定部件(b)斷路器活動(dòng)部件

在提取高壓斷路器特征向量時(shí)，鑒于小波包分解在全頻段具有較高分辨率，本文對(duì)各傳感器采集信號(hào)進(jìn)行小波包分解，得到特征向量，其對(duì)應(yīng)的小波包函數(shù)則根據(jù)各傳感器采集的信息特征而確定[16-17]。

1.2 高壓斷路器典型故障庫(kù)建立

在診斷高壓斷路器故障前，需建立高壓斷路器的典型故障庫(kù)，即確定典型故障特征向量?？紤]到高壓斷路器同一故障在不同時(shí)刻對(duì)應(yīng)的特征向量略有不同，故針對(duì)同一故障進(jìn)行多次分合閘試驗(yàn)，測(cè)量并提取對(duì)應(yīng)的特征向量。高壓斷路器不同故障時(shí)特征向量為

Eij=(eij1,…，eijk,…，eijN)

(1)

式中：Eij為第i種典型故障第j次試驗(yàn)的特征向量；eijk為第i種典型故障第j次試驗(yàn)的第k個(gè)特征指標(biāo)；N為故障特征指標(biāo)數(shù)量。

設(shè)M為各類典型故障試驗(yàn)次數(shù)，則第i種典型故障第ji0次試驗(yàn)對(duì)應(yīng)的特征向量與該典型故障其他試驗(yàn)的歐式距離D(ji0)為

(2)

基于最小歐式距離，計(jì)算D(ji0)取得最小值時(shí)對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)jimin為

(3)

則第i種典型故障第ji min次試驗(yàn)的特征向量為

Eiji min=(eiji min1,…，eiji mink,…，eiji minN)

(4)

計(jì)算第i種典型故障特征向量平均值為

(5)

計(jì)算Eiji min與Ei0的相關(guān)性：

(6)

由相關(guān)性原理可知，當(dāng)相關(guān)性系數(shù)R≥0.8時(shí)，2組數(shù)據(jù)呈強(qiáng)相關(guān)，選擇Ei0作為第i種典型故障的特征向量Eis；當(dāng)R<0.8時(shí)，選擇Eiji min作為第i種典型故障的特征向量Eis。

(7)

定義第i種典型故障的最大特征向量和最小特征向量為

(8)

式中：Eis max為第i種典型故障的最大特征向量；Eis min為第i種典型故障的最小特征向量。

1.3 故障特征指標(biāo)權(quán)值計(jì)算

根據(jù)第i種典型故障的特征向量Eis來(lái)計(jì)算特征指標(biāo)權(quán)值，設(shè)特征向量Eis為

Eis=(eis1,…，eisk,…，eisN)

(9)

式中：eisk為第i種典型故障特征向量的第k個(gè)特征指標(biāo)值。

設(shè)高壓斷路器有H種典型故障，則第i種典型故障第k個(gè)特征指標(biāo)的占比Pik為

(10)

計(jì)算Pik的均值uk和標(biāo)準(zhǔn)差σk為

(11)

計(jì)算第k個(gè)特征指標(biāo)的離散系數(shù)Lk為

(12)

根據(jù)離散系數(shù)Lk計(jì)算第k個(gè)特征指標(biāo)的權(quán)值為

(13)

式中:wk為第k個(gè)特征指標(biāo)的權(quán)值。

1.4 故障類型診斷

設(shè)高壓斷路器任意時(shí)刻的采樣特征向量Ex為

Ex=(ex1,…，exk,…，exN)

(14)

式中：exk為高壓斷路器任意時(shí)刻特征向量的第k個(gè)特征指標(biāo)值。

定義特征向量Ex與特征向量Eis的正向距離Dpos為

(15)

定義特征向量Ex與特征向量Eis max和Eis min的負(fù)向距離Dneg為

(16)

式中：tik為第i種典型故障第k個(gè)特征指標(biāo)的中間值，可表示為

(17)

由Dpos和Dneg可得特征向量Ex與特征向量Eis的相似度SJi為

(18)

計(jì)算所有典型故障的相似度，當(dāng)?shù)趇種典型故障對(duì)應(yīng)的相似度SJi最大時(shí)，則表示高壓斷路器處于第i種典型故障狀態(tài)。

2 基于電氣特性的高壓斷路器故障診斷

高壓斷路器故障時(shí)不僅機(jī)械特性發(fā)生變化，還伴隨電氣特性改變，為實(shí)現(xiàn)高壓斷路器故障準(zhǔn)確診斷，需綜合考慮機(jī)械和電氣特性，考慮在基于機(jī)械特性的高壓斷路器故障診斷方法的基礎(chǔ)上，融合高壓斷路器分合閘線圈電流，提高故障診斷準(zhǔn)確性。高壓斷路器合閘線圈典型電流波形如圖2所示。由圖2可知，高壓斷路器合閘線圈典型電流包括5個(gè)階段，每個(gè)階段的具體描述如表1所示。

由圖2和表1可知，高壓斷路器合閘線圈典型電流包括6個(gè)典型時(shí)刻，分別是(t0,0)、(t1,i1)、(t2,i2)、(t3,i3)、(t4,i3)和(t5,0)，其中(t0,0)是合閘線圈開始通電時(shí)間，(t1,i1)是鐵芯開始動(dòng)作時(shí)間，(t2,i2)是觸頭開始動(dòng)作時(shí)間，(t3,i3)是線圈進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)間，(t4,i3)是線圈斷電開始時(shí)間，(t5,0)是線圈斷電結(jié)束時(shí)間；同理可得到高壓斷路器分閘線圈電流的典型時(shí)刻。高壓斷路器分合閘線圈電流特征是由6個(gè)典型時(shí)刻決定，即不同狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的典型時(shí)刻不同，則可將典型時(shí)刻作為特征向量，作為高壓斷路器故障診斷的依據(jù)。選擇(t1-t0)、(t2-t1)、(t3-t2)、(t4-t3)、(t5-t4)、i1、i2和i3作為分合閘線圈電流的特征值構(gòu)建特征向量。設(shè)某次分合閘線圈電流特征向量Ix為

Ix=(t1x-t0x,t2x-t1x,t3x-t2x,t4x-t3x,t5x-t4x,ix1,ix2,ix3)=(Ix1,Ix2,Ix3,Ix4,Ix5,Ix6,Ix7,Ix8)

(19)

圖2 合閘線圈典型電流波形

表1 合閘線圈典型電流各階段描述

考慮分合閘線圈電流特征向量Ix中的時(shí)間和電流量綱不同，需要進(jìn)行歸一化處理，其表達(dá)式為

(20)

式中：F(Ixl)為分合閘線圈電流特征向量Ix第l個(gè)特征值的歸一化結(jié)果；C為歸一化系數(shù)；max[Ixl]為第l個(gè)特征值的歷史最大值；min[Ixl]為第l個(gè)特征值的歷史最小值。

設(shè)分合閘線圈電流特征標(biāo)準(zhǔn)向量I0為

I0=(I01,I02,I03,I04,I05,I06,I07,I08)

(21)

定義基于分合閘線圈電流的故障辨識(shí)度為

(22)

式中:SD為基于分合閘線圈電流的故障辨識(shí)度。在高壓斷路器正常情況下，故障辨識(shí)度SD位于[Smin,Smax]，當(dāng)SDSmax，則表示斷路器存在故障。

3 高壓斷路器故障融合診斷

基于機(jī)械特性的高壓斷路器故障診斷方法用于診斷故障類型，基于分合閘線圈電流的特征向量作為輔助判據(jù)，用于判別高壓斷路器是否處于故障狀態(tài)，具體流程如圖3所示，計(jì)算過(guò)程如下。

圖3 算法流程

a.在高壓斷路器不同機(jī)械部件設(shè)置不同的傳感器(振動(dòng)傳感器、應(yīng)力傳感器和行程傳感器等)獲取機(jī)械特性，在分合閘線圈回路設(shè)置鉗形電流互感器獲取電氣特性。

b.基于小波包分解得到各傳感器采集的信號(hào)后融合獲得機(jī)械特征向量。

c.基于最小歐式距離和相關(guān)性原理，建立基于機(jī)械特性的高壓斷路器典型故障庫(kù)。

d.計(jì)算典型故障特征向量相似度SJi，用于判別高壓斷路器故障類型。

e.基于分合閘線圈電流的階段特性，選取得到分合閘線圈電流的特征向量，并計(jì)算得到基于分合閘線圈電流的故障辨識(shí)度SD，用于輔助判別高壓斷路器故障狀態(tài)。

f.當(dāng)故障辨識(shí)度滿足SDSmax時(shí)，則認(rèn)為高壓斷路器發(fā)生了故障，此時(shí)計(jì)算相似度SJi，當(dāng)?shù)趇種典型故障對(duì)應(yīng)的相似度SJi最大時(shí)，則認(rèn)為高壓斷路器處于第i種典型故障狀態(tài)；當(dāng)故障辨識(shí)度滿足Smin≤SD≤Smax時(shí)，則認(rèn)為高壓斷路器未發(fā)生故障。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證基于機(jī)械和電氣特性融合的高壓斷路器故障診斷方法的有效性，搭建試驗(yàn)平臺(tái)，如圖4所示，包括診斷裝置、操作臺(tái)、操作機(jī)構(gòu)、上位機(jī)和高壓斷路器，其中高壓斷路器型號(hào)為L(zhǎng)W-126/T3150-40。診斷裝置用于實(shí)現(xiàn)故障診斷算法，上位機(jī)顯示當(dāng)前狀態(tài)、歷史數(shù)據(jù)和設(shè)備參數(shù)等。

圖4 試驗(yàn)平臺(tái)

4.1 診斷精度分析

鑒于高壓斷路器故障設(shè)置條件的限制，本文重點(diǎn)研究了無(wú)故障和底座螺栓松動(dòng)2種狀態(tài)，每種狀態(tài)分別進(jìn)行50次試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制柱狀圖如圖5所示。由圖5可知，在無(wú)故障狀態(tài)下，診斷準(zhǔn)確率為100%；在底座螺栓松動(dòng)狀態(tài)下，診斷準(zhǔn)確率為94%。具有較高診斷精度，能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用。

圖5 試驗(yàn)結(jié)果柱狀圖

4.2 算法魯棒性分析

為驗(yàn)證高壓斷路器故障診斷算法的魯棒性，對(duì)5種不同型號(hào)、不同電壓等級(jí)的高壓斷路器底座螺栓松動(dòng)故障進(jìn)行50次診斷，具體試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 5種高壓斷路器試驗(yàn)結(jié)果

由表3可知，高壓斷路器底座螺栓松動(dòng)故障診斷平均精度為93.2%，其中最高診斷精度為96%，最低診斷精度為90%，表明不同型號(hào)、不同電壓等級(jí)的高壓斷路器診斷精度都能達(dá)到90%以上，從而驗(yàn)證了該方法的魯棒性。

5 結(jié)論

a.基于小波包分解得到特征向量后，采用最小歐式距離和相關(guān)性原理，建立基于機(jī)械特性的高壓斷路器典型故障庫(kù)，并計(jì)算得到典型故障特征向量的相似度，實(shí)現(xiàn)高壓斷路器故障類型的有效診斷。

b.在充分研究高壓斷路器分合閘線圈電流波形階段特性和典型時(shí)刻的基礎(chǔ)上，選取分合閘線圈電流的特征向量，計(jì)算得到基于電氣特性的故障辨識(shí)度，用于輔助判別高壓斷路器故障。

c.搭建高壓斷路器故障診斷試驗(yàn)平臺(tái)，從診斷精度和算法魯棒性2方面驗(yàn)證了本文所提出的診斷方法可行性。