一种高压断路器机械特性故障诊断装置制造方法
【专利摘要】本实用新型属于断路器故障诊断【技术领域】，尤其涉及一种高压断路器机械特性故障诊断装置。它包括断路器，还包括振动传感器、电压调理元件、AD转换元件、时钟元件、电源元件、中央处理单元、通讯单元和故障诊断上位机。它是基于断路器动作过程中的机构振动信号，利用振动传感器、电压调理元件、AD转换元件、时钟元件、电源元件、中央处理单元、通讯单元和故障诊断上位机实现断路器机械特性的故障诊断。故障诊断方法是将高压断路器操作过程中振动信号进行小波包分解,提取振动信号在每个频带的能谱熵的特征向量，并采用相关向量机算法对高压断路器机械特性进行故障诊断。可有效诊断出断路器机械特性发生的故障，为断路器的状态检修提供依据。
【专利说明】一种高压断路器机械特性故障诊断装置
【技术领域】
[0001] 本实用新型属于断路器故障诊断【技术领域】，尤其涉及一种高压断路器机械特性故 障诊断装置。
【背景技术】
[0002] 高压断路器是电力系统中的重要设备之一，其运行状态直接影响着电力系统的运 行稳定性和供电可靠性，高压断路器的机械特性可反映80%以上的故障。断路器在动作时， 对应机构中每一部件的动作，在振动信号时间图上会有一个振动事件。对任一个操作中的 事件出现的频率是变化的，但事件的出现顺序不变。断路器的铁、铝结构是振动信号的良导 体，对于同一位置测得的相同情况下的操作，其振动波形有良好重复性，每种断路器操作对 应的振动信号也具有独特性，而每台断路器的不同相或相同类型同批次的断路器其对应的 振动信号有相似性。另外，大量试验表明加速度传感器的安装位置的微小移动或更换相同 的传感器对测量结果没有明显影响。因此，在操作过程中，各个冲击子波与断路器运动状态 有一一对应得关系，这为断路器故障诊断提供了重要数据。通过选择适当的部位，可以从支 架或外壳上的振动信号来判断内部某一特定动作，从而可以获得断路器机械特性的状态。
[0003] 在振动信号的故障诊断方面，国外的研究工作开展较早，如美国，挪威、澳大利亚、 日本等，至今为止已经确定了一些较为实用的振动信号处理方法，并逐渐应用到实际的断 路器状态诊断系统中。国内在这方面的工作起步较晚，在上个世纪九十年代才逐渐开展这 方面的研究工作，目前实用化的产品还不多见。因此，基于断路器机械振动信号的断路器故 障诊断方法的研究，对于指导断路器状态检修以及提高电力系统的运行可靠性均具有重要 的现实意义。 实用新型内容
[0004] 针对现有技术的不足，本实用新型提供一种高压断路器机械特性故障诊断装置。
[0005] 本实用新型的技术方案是这样实现的：
[0006] 一种高压断路器机械特性故障诊断装置，包括断路器，还包括振动传感器、电压调 理元件、AD转换元件、时钟元件、电源元件、中央处理单元、通讯单元和故障诊断上位机。
[0007] 所述的振动传感器，采用高精度压电式加速传感器；该传感器的供电回路是和电 压调理元件连接，其工作电压值为± 12V，该传感器的信号回路与AD转换元件连接，输出的 电压范围为0?5V。
[0008] 所述的电压调理元件，为振动传感器供电，还可以将AD转换元件输出的5V电压转 换成中央处理单元能接受的3. 3V电压，并将上述两个元件相连接。
[0009] 所述的时钟元件与中央处理单元相连接，可为AD转换元件提供采样频率。
[0010] 所述的电源元件，通过中央处理单元与各元件相连接，可为整个装置提供电源。
[0011] 所述的通讯单元为RS485通信接口，将中央处理单元与故障诊断上位机相连接。
[0012] 本实用新型的优点及有益效果如下：
[0013] 本实用新型提供了一种高压断路器机械特性故障诊断装置，基于断路器动作过程 中的机构振动信号，利用振动传感器、电压调理元件、AD转换元件、时钟元件、电源元件、中 央处理单元、通讯单元和故障诊断上位机实现断路器机械特性的故障诊断。故障诊断方法 是将高压断路器操作过程中振动信号进行小波包分解，提取振动信号在每个频带的能谱 熵的特征向量，并且采用相关向量机算法对高压断路器机械特性进行故障诊断。该方法可 有效地诊断出断路器机械特性发生的故障，并可为断路器的状态检修提供依据。
【专利附图】
【附图说明】
[0014] 图1为本实用新型结构框图；
[0015] 图2为本实用新型中加速度传感器采集电路图；
[0016] 图3为本实用新型中±12V输入电压电平转换电路图；
[0017] 图4为本实用新型中5V?3. 3V电平转换电路原理图；
[0018] 图5为本实用新型中AD转换元件的电路原理图；
[0019] 图6为本实用新型中的中央处理单元接插件10管脚说明图；
[0020] 图7为本实用新型中的中央处理单元接插件11管脚说明图；
[0021] 图8为本实用新型中RS485通讯单元的电路原理图；
[0022] 图9为本实用新型中断路器机械特性故障诊断装置工作过程图；
[0023] 图10为本实用新型中断路器三种状态下的机械振动信号的实测数据图；
[0024] 图11为本实用新型中断路器合闸机械振动信号处理前信号曲线；
[0025] 图12本实用新型中断路器合闸机械振动信号处理后信号曲线；
[0026] 图13为本实用新型中断路器三种状态下的小波包能量谱图；
[0027] 图14为本实用新型中断路器机械特性故障诊断方法流程图；
[0028] 图15为本实用新型中基于二叉树分类方法的断路器故障诊断模型图。
【具体实施方式】
[0029] 下面结合附图对本实用新型的【具体实施方式】作进一步的详细说明。
[0030] 如图1所示，一种高压断路器机械特性故障诊断装置，包括断路器、振动传感器、 电压调理元件、AD转换元件、时钟元件、电源元件、中央处理单元、通讯单元和故障诊断上位 机。
[0031] 本实施方式中，断路器采用真空10kv的ZW45型单稳态永磁机构断路器。
[0032] 本实用新型中所述的振动传感器采用高精度压电式加速度传感器（LC0102T)搭建 的振动采用电路，对振动信号进行采集。该传感器的供电回路是和电压调理元件连接，其工 作电压值为± 12V，该传感器的信号回路与AD转换元件连接，输出的电压范围为0?5V。振 动监测电路中使用了运放0P07型号搭建的加法电路，如图2所示，将振动传感器电压信号 抬高到0V以上，便于波形的对比分析。第二个运算放大器起到反向的作用。实施中传感器 安装在断路器B相正下方的基座外壳上。
[0033] 本实用新型中所述的电压调理元件为振动传感器供电，还可以将AD转换元件输 出的5V电压转换成中央处理单元能接受的3. 3V电压，并将上述两个元件相连接。
[0034] 所述的时钟元件与中央处理单元相连接，可为AD转换元件提供采样频率。
[0035] 所述的电源元件，通过中央处理单元与各元件相连接，可为整个装置提供电源。
[0036] 所述的通讯单元为RS485通信接口，将中央处理单元与故障诊断上位机相连接。
[0037] 断路器机械振动信号采集时需要向传感器提供±12V的电压，输出信号通过降压 电路降至〇到5V之间，如图3所示。电路中，使用0P07运算放大器搭建跟随器，其输入阻 抗高，而输出阻抗低，起到缓冲级及隔离级的作用，满足电路两端阻抗匹配的特性。
[0038] 由于AD转换元件有差分输入的特点，所以可通过运算放大器设计电平转换电路， 使其接受双极性输入，将AD转换元件的采集范围从0V到5V扩大到-5V到+5V。
[0039] AD采集元件输出信号在0?5V之间，而中央处理单元供给电源为3. 3V，所以在两 者之间需要加入一个电平转换电路。该芯片可通过控制第1管脚和第24管脚DIR功能控 制芯片管脚的输入输出方向，输入端可接3. 3V或5V电源，输出可接3. 3V电路。电路原理 图如图4所示。
[0040] AD转换元件主要由ADS8364芯片及其外围电路组成。其优点为可进行同时采集六 路模拟信号量，有效精度十六位，频率高达250kHz。AD转换元件的电路原理图如图5所示。 断路器机械振动信号的采集频率设置成40kHz，满足信号的采样要求。
[0041] 中央处理单元主要由TMS320F28335芯片及其外围电路组成，主要特点：（1)处理 速度快，主频150MHz ; (2)片内自带SRAM、Flash，；（3)外部存储器接口；（4)众多外部设 备，如SCI、SPI、CAN、EV、ADC等；（5)大量可控制的GPI0 口。数字信号处理器支持C等语 言的编程。其存储器的存储空间大，能够用作大数据量的采集、运算、传输操作；图6为本实 用新型中的中央处理单元接插件10管脚说明图，其中AD0为断路器机械振动信号的AD输 入引脚；图7为本实用新型中的中央处理单元接插件11管脚说明图。
[0042] 图8为本实用新型【具体实施方式】的RS485通讯单元的电路原理图，实现了中央处 理单元与上位之间的通讯。
[0043] 所述的故障诊断上位机，包括数据特征提取模块、故障诊断模块和结果显示模块。
[0044] 所述的故障诊断模块，采用相关向量机的分类诊断方法。
[0045] 所述的数据特征提取模块，包括以下步骤：
[0046] 步骤1 :将数据处理成带符号的高精度浮点型数据；
[0047] 步骤2 :采用等距五点三次算法消除振动信号数据的趋势；
[0048] 步骤3 :采用小波包能量熵提取断路器机械振动信号的特征值；
[0049] 所述的结果显示模块，可实现诊断结果的存储和显示。
[0050] 图9为本实用新型一种高压断路器机械特性故障诊断方法，包括以下步骤：
[0051] 步骤1 :采集断路器机械振动信号数据，信号中央处理单元接到上位机采集命令 后，按40kHz的采样频率采集150ms的数据，分为高8位和低8位共12000个八进制数据， 并按规定的协议上传数据。
[0052] 步骤2 :通过RS485通信接口将采集的数据传到上位机；
[0053] 步骤3 :上位机对采集的数据进行数据特征提取，首先，将数据处理成带符号的高 精度浮点型数据；然后，采用等距五点三次算法消除振动信号数据的趋势；最后，采用等小 波包能量熵提取信号的特征值；
[0054] 步骤4 :基于振动信号特征数据对断路器的机械特性进行故障诊断，采用相关向 量机的分类诊断方法；
[0055] 步骤5 :存入数据库并显示，以便维修人员及时检修。
[0056] 上述步骤4中采用相关向量机的分类诊断方法，包括以下步骤：
[0057] 步骤1 :选取由小波包能量熵提取的断路器振动信号的特征变量，组成训练集和 测试集；
[0058] 步骤2 :确立断路器故障诊断模型。根据断路器机械故障的类型可设计多个二类 相关向量机分类器；
[0059] 步骤3 :采用断路器训练数据集对相关向量机分类模型进行训练学习，并选取核 函数和核函数参数，超参数估计；
[0060] 步骤4 :用断路器振动信号的特征测试数据集对相关向量机分类诊断模型进行性 能测试。
[0061] 图10为断路器在无负载合闸情况下，断路器正常状态、操作及传动机构卡涩状态 和分闸弹簧单根脱落状态三种状态下的机械振动信号的实测数据图。
[0062] 采用等距五点三次算法消除振动信号数据的趋势，消除随机误差的影响，提高采 集数据的质量，算法如下：
[0063] 设2n+l个等距节点X_n，X_n+1，…，X+ X。，&，…，Xn_i，Xn上的实验数据分别为 Y_n，Y_n+1，…，Y_p L Yi，…，Yn_i，Yn。再设两节点间的等距为h，作交换：
【权利要求】
1. 一种高压断路器机械特性数据采集装置，包括断路器，其特征在于：还包括振动传 感器、电压调理元件、AD转换元件、时钟元件、电源元件、中央处理单元、通讯单元和故障诊 断上位机； 所述的振动传感器的供电回路是和电压调理元件连接，振动传感器的信号回路与AD 转换元件连接； 所述的振动传感器，采用高精度压电式加速传感器；供电回路工作电压值为±12V，信 号回路输出的电压范围为〇?5V ; 所述的电压调理元件，为振动传感器供电，还可以将AD转换元件输出的5V电压转换成 中央处理单元能接受的3. 3V电压，电压调理元件与AD转换元件相连接； 所述的时钟元件与中央处理单元相连接，可为AD转换元件提供采样频率； 所述的电源元件，通过中央处理单元与各元件相连接，可为整个装置提供电源。
【文档编号】G01M13/00GK204065345SQ201320797797
【公开日】2014年12月31日 申请日期:2013年12月5日 优先权日:2013年12月5日
【发明者】李斌, 韩洪刚, 鲁旭臣, 李学斌, 李爽, 胡大伟, 耿莉娜, 隋东硼, 张远博 申请人:国家电网公司, 国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院