一种有载分接开关机械故障在线监测方法与流程

本发明属于机械故障监测技术领域，尤其涉及一种有载分接开关机械故障在线监测方法。

背景技术：

机械故障，就是指机械系统(零件、组件、部件或整台设备乃至一系列的设备组合)已偏离其设备状态而丧失部分或全部功能的现象。

如某些零件或部件损坏，致使工作能力丧失；发动机功率降低；传动系统失去平衡和噪声增大；工作机构的工作能力下降；燃料和润滑油的消耗增加等，当其超出了规定的指标时，均属于机械故障。

机械的故障表现在它的结构上主要是它的零件损坏和零件之间相互关第的破坏。如零件的断裂、变形、配合件的间隙增大或过盈可以丧失，固定和紧固装置的松动和失效等。

诊断技术发展几十年来，产生了巨大的经济效益，成为各国研究的热点。从诊断技术的各分支技术来看，美国占有领先地位。美国的一些公司，如Bently，HP等，他们的监测产品基本上代表了当今诊断技术的最高水平，不仅具有完善的监测功能，而且具有较强的诊断功能，在宇宙、军事、化工等方面具有广泛的应用。美国西屋公司的三套人工智能诊断软件(汽轮机TurbinAID，发电机GenAID，水化学ChemAID)对其所产机组的安全运行发挥了巨大的作用。还有美国通用电器公司研究的用于内燃电力机车故障排除的专家系统DELTA；美国NASA研制的用于动力系统诊断的专家系统；Delio Products公司研制的用于汽车发动机冷却系统噪声原因诊断的专家系统ENGING COOLING ADCISOR等。近年来，由于微机特别是便携机的迅速发展，基于便携机的在线、离线监测与诊断系统日益普及，如美国生产的M6000系列产品，得到了广泛的应用。

有载分接开关是电力变压器最关键的组件，在电力系统中承担电压调整 功能。其动作顺序及切换过程是否优劣、工作是否可靠，直接关系到变压器安全运行。随着有载调压变压器大量投入运行及有载分接开关频繁动作调整，有载分接开关运行中发生的机械故障逐渐暴露出来，一旦发生故障将对变压器及电网的安全稳定运行造成严重影响。据国外资料统计，分接开关故障占有载调压变压器故障的41％，国内平均统计数据表明，分接开关的故障占变压器故障的20％以上。有载分接开关在运行中可能发生机械传动部位卡涩、切换触头卡涩、错位松动、三相不同步等机械故障，目前还没有在线测试和诊断这些故障的装置。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种有载分接开关机械故障在线监测方法，旨在解决现有的机械故障诊断方法存在的操作复杂，工作效率低，诊断周期长的问题。

本发明是这样实现的，一种有载分接开关机该有载分接开关机械故障在线监测方法包括以下步骤：

采集有载分接开关的振动信号，采集电机的电流数据，采集转轴转速；对采集的振动信号、电机电流信号、转轴转速信号进行综合判断得出故障诊断结果并将数据发送至光纤网络；

连接光纤网络数据发送振动数据，电流数据和转速数据和故障诊断结果进行存储，实时分析，曲线显示，及时发现有载分接开关在运行中发生的机械传动部位卡涩、切换触头卡涩、错位松动、三相不同步机械故障，实现有载分接开关切换过程中状态量的在线监测与诊断；

振动信号的采集处理方法利用到振动信号采集处理模块，包括以下步骤：

振动传感器将振动信号输入到传感器接口电路转换为电压信号，电压信号经过传感器接口电路内的高通滤波器，滤除信号中的直流分量，输出到可编程放大器，可编程放大器接收FPGA的命令，调节信号的放大倍数，确保被采信号处于合适的电压区间，放大后的信号输出到抗混叠滤波电路，抗混叠滤波电路内的集成连续时间滤波器滤除信号中的高频干扰信号，输出到 A/D转换电路，A/D转换电路对输入的信号进行16位同步采集，FPGA产生A/D转换电路控制时序，读取A/D转换电路产生的数据并将数据存放在FPGA内部的RAM中，DSP从FPGA内部的RAM中读取采样数据，提取振动信号的特征值，对数据进行FFT处理，将处理结果存放在FPGA内部的RAM中。

进一步，信号的采集处理方法同时对多路信号进行处理，每路信号都设置有独立的可编程放大器。

进一步，该有载分接开关机械故障在线监测方法的监测装置包括：由工控机、数据接收站、传感器、信号调理电路、显示器、键盘组成；

工控机通过A/D模数转换器与振动信号采集单元的振动信号调理电路相连，振动信号调理电路连接有振动传感器，采集振动信号；工控机通过A/D模数转换器与电机电流信号单元的电流信号调理电路相连，电流信号调理电路连接有电流传感器，采集电机电流信号；工控机通过A/D模数转换器与转轴转速采集单元的转速信号调理电路相连，转速信号调理电路连接有转速传感器，采集转轴转速信号；工控机通过网卡与数据接收站相连，工控机通过I/O输入输出接口和继电器与有载分接开关辅助接点相连，用于控制信号采集，工控机连接有显示器和键盘；

进一步，显示器采用LCD显示器，键盘采用矩阵键盘。

进一步，工控机与电源模块相连，获取工作电源。

进一步，振动信号的采集处理方法采用振动信号采集处理模块，该模块包括顺次连接的传感器接口电路、可编程放大器、抗混叠滤波器、A/D转换电路以及FPGA，所述FPGA控制可编程放大器和A/D转换电路，FPGA还连接有自检电路，为其提供测试的基准电压，用于BIT检测，DSP从FPGA中读取采样数据，提取振动信号的特征值，对数据进行处理和分析，将分析结果存放在FPGA内部的RAM中供主控板读取。

进一步，传感器接口电路为振动传感器提供匹配接口，使用恒流源二极管CR220形成恒流源驱动电路，+24VDC供电，CR220输出额定电流为2.2mA，在+24VDC和地极之间设置有保护二极管V1和V2，IOUT+和IOUT-为传感 器驱动输入和信号输出复用端，振动传感器输出电压信号经过隔直电容C1，滤除信号中的直流分量，电阻R2和电容C1构成RC高通滤波电路，RC高通滤波电路与LM124电压跟随器的同相输入端连接，LM124电压跟随器连接到单刀双掷开关的常闭端，经过自检电路输出到可编程放大器的同相输入端。

本发明提供的有载分接开关机械故障在线监测方法，能准确判断有载分接开关机械特性，及时发现有载分接开关在运行中发生的机械传动部位卡涩、切换触头卡涩、错位松动、三相不同步等机械故障，实现有载分接开关切换过程中状态量的在线监测与诊断；数据处理高效，智能化程度高，可实现网络化管理；制作工艺简单、生产成本低、便于推广使用。

附图说明

图1是本发明实施例提供的有载分接开关机械故障在线监测方法流程图；

图2是本发明实施例提供的有载分接开关机械故障在线监测方法中监测装置的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的有载分接开关机械故障在线监测方法中监测装置的整体结构示意图；

图中：1、工控机；2、振动信号采集单元；3、电机电流信号单元；4、转轴转速采集单元；5、数据接收站；

图4是本发明实施例提供的振动信号采集处理模块原理框图；

图5是本发明实施例提供的振动传感器接口电路示意图；

图6是本发明实施例提供的可编程放大器示意图；

图7是本发明实施例提供的抗混叠滤波器原理图；

图8是本发明实施例提供的A/D转换电路示意图；

图9是本发明实施例提供的并行接口A/D转换时序图；

图10是本发明实施例提供的自检电路示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。

如图1所示，本发明实施例的有载分接开关机械故障在线监测方法包括以下步骤：

S101：振动信号采集单元采集有载分接开关的振动信号，电机电流信号单元采集电机的电流数据，转轴转速采集单元采集转轴转速；工控机对采集的振动信号、电机电流信号、转轴转速信号进行综合判断得出故障诊断结果并将数据发送至光纤网络；

S102：连接光纤网络数据接收站对工控机发送的振动数据，电流数据和转速数据和故障诊断结果进行存储，实时分析，曲线显示等，及时发现有载分接开关在运行中发生的机械传动部位卡涩、切换触头卡涩、错位松动、三相不同步等机械故障，实现有载分接开关切换过程中状态量的在线监测与诊断。

如图2和图3所示，本发明实施例的监测装置主要包括：由工控机、数据接收站、传感器、信号调理电路、显示器、键盘等组成，工控机(1)通过A/D模数转换器与振动信号采集单元(2)的振动信号调理电路相连，振动信号调理电路连接有振动传感器，采集振动信号。工控机(1)通过A/D模数转换器还可与电机电流信号单元(3)的电流信号调理电路相连，电流信号调理电路连接有电流传感器，采集电机电流信号。工控机(1)通过A/D模数转换器还可与转轴转速采集单元(4)的转速信号调理电路相连，转速信号调理电路连接有转速传感器，采集转轴转速信号。工控机(1)通过网卡与数据接收站(5)相连，工控机(1)通过I/O输入输出接口和继电器与有载分接开关辅助接点相连，用于控制信号采集，工控机(1)连接有显示器和键盘，显示器可以是LCD显示器，键盘可以是矩阵键盘。工控机(1)还与电源模块相连，获取工作电源。

如图4所示，振动信号采集采集处理模块主要包括：振动传感器接口电路、可编程放大器、抗混叠滤波器、A/D转换电器、自检电路、FPGA、DSP等电路组成。

传感器接口电路为振动传感器提供匹配接口，将振动信号转换为电压信号，输出信号经过高通滤波器，滤除信号中的直流分量。振动传感器接口电路如图5所示，使用恒流源二极管CR220设计恒流源驱动电路，+24VDC供电，CR220输出额定电流为2.2mA。图中V1和V2为保护二极管。IOUT+和IOUT-为传感器驱动输入和信号输出复用端，振动传感器的灵敏度为100mV/g，输出信号为±5V信号，其直流偏置电压为+12V。振动传感器输出电压信号经过隔直电容C1，滤除信号中的直流分量，电阻R2和电容C1构成RC高通滤波电路，C1的容值为22uF，R2的阻值取3.6kΩ，得到高通滤波器的截止频率为2.01Hz，高通滤波器消除频率低于2.01Hz的信号成分，避免这些频率的信号影响整个增益的设置和信号的频谱分析。经过高通滤波器滤波的振动信号输出到LM124电压跟随器的同相输入端，LM124具有1MHz带宽，电压跟随器连接到单刀双掷开关的常闭端，经过自检电路输出到可编程放大器的同相输入端。

可编程放大器接收FPGA的命令，调节信号的放大倍数，每路振动信号都设置有独立的可编程放大器。如图6所示，REF引脚设定输出信号的偏置电压，此处接地，偏置电压为0。FPGA通过数据线A0、A1设置可编程放大器的增益系数，在/WR的下降沿，将增益系数写到相应可编程放大器的增益锁存器中。

抗混叠滤波电路使用集成连续时间滤波器，滤除信号中的高频干扰信号，防止采集的振动信号产生混叠。抗混叠滤波器选用MAXIM公司的MAX274，该芯片为集成连续时间滤波器，由4个二阶滤波器组成。可+5V或±5V供电。由于MAX274内部没有时钟信号，设计的滤波器没有时钟噪声，因而该滤波器适用于振动分析。使用MAXIM公司提供的MAX274软件计算MAX274外接电阻的阻值。在软件中设置滤波器的阶数、采样频率和截止频率，就可以得到 滤波器的频率响应图和外接电阻的阻值。MAX274中滤波器内部原理图如图7所示。R1、R2、R3、R4为四个外接电阻，IN为信号输入端，LPO为低通滤波器输出引脚，BPO为带通滤波器输出引脚。FC引脚接地时，RY/RX＝5∶1。在设计滤波器时，应了解振动传感器输出信号的有效频率范围。按照振动信号抗混叠滤波要求，设置滤波器的阶数和截止频率。

A/D转换电路对输入的多路振动信号进行16位同步采集(至少6路同步)，工程应用中，采样频率一般采用信号最高有效频率的3～5倍。在本文描述的振动信号采集处理模块中，振动信号采集频率为96kHz，A/D转换芯片选用AD公司的AD7656，该芯片包含6路相互独立的16位、高速、低功耗、逐次逼近型A/D转换器，芯片的最高采样率可达250kHz。

供电电压±5V～±15V。可以以并行和串行的方式与外接电路接口，输出信号兼容3.3V或5V电平，因而该芯片很容易与微处理器或DSP接口。AD7656外围电路如图8所示，每个CONVST信号控制两路A/D转换器同时进行转换。AD7656的参考电压由外部接入，参考电压值为+2.5V。Vdrive引脚为逻辑输出电平，此处Vdrive接3.3V，即A/D转换器与其它芯片接口电平为3.3V。H/S SEL引脚设置AD7576的工作模式，当H/S SEL引脚接地时，由CONVST引脚触发A/D转换，当H/S SEL引脚接3.3V时，由芯片内部的控制寄存器触发A/D转换。此处H/S SEL引脚接低电平。RANGE为输入信号电压范围设置引脚，接+3.3V时，输入信号范围为±2*Vref。接地时，输入信号范围为±4*Vref。此处RANGE引脚接3.3V，输入信号范围为±5V。W/B接低电平，A/D转换器并行数据总线DB[0：15]传输数据。由FPGA生成A/D转换控制时序，并读取转换结果存放在FPGA内部RAM中。A/D转换时序图如图9所示。整个采样过程由FPGA根据系统要求统一调度，由同步信号触发A/D转换，当FPGA检测到同步信号到来时，向A/D转换芯片相应通道发出CONVST信号，采集固定点数的振动信号。在FPGA内部生成双口RAM作为数据缓存，DSP从双口RAM中读取采样数据。

自检电路为振动信号采集处理模块提供测试的基准电压，用于BIT检 测。振动信号的自检电路原理示意图如图10所示。通过IN1和IN2控制SPDT开关的状态，分别选择输出信号为+2.5V、0V(地)或VB(振动信号)，实现电路的自检测和振动信号测量。通过采集地电平信号，可以对系统的零点进行校验。单刀双掷开关选用MAXIM公司的MAX333，该芯片包含四个单刀双掷模拟开关，供电电压为±4.5V～±20V，此处接±5V电源，逻辑输入兼容CMOS/TTL电平。

FPGA产生A/D转换控制时序，读取A/D转换产生的数据并将数据存放在FPGA内部的RAM中。FPGA对可编程放大器进行控制，确保被采信号处于合适的电压区间，从而提高采样精度。

DSP从FPGA中读取采样数据，对数据进行预处理，通过对数据进行快速傅里叶变换提取振动信号的特征值，利用故障诊断模型算法进行分析，将分析结果存放在FPGA内部的RAM中供主控板读取。

本发明通过FPGA对A/D转换进行控制，相比CPU控制A/D转换方式，提高了采样频率和实时性；通过采用抗混叠滤波技术，可灵活设置滤波器的阶数和截止频率，提高了滤波器的阻带下降斜率，增强了信号抗干扰能力；通过DSP提取振动信号的特征值，进行实时分析，减小了产生的数据量，减轻了对后端记录设备的压力，提高了故障维护的时效性；当转动部件出现故障时，通过考察振动信号的频率成分、振幅和相位变化，即振动信号的频谱中出现异常分量，根据异常分量的特征值比对进行故障判断和定位。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。