一种基于声波信号的断路器机械特性测试方法及装置与流程

1.本发明属于电力检测技术领域，具体涉及一种基于声波信号的断路器机械特性测试方法及装置。


背景技术：

2.声波时由物体振动产生，能够通过介质传播并被人或动物听觉器官所感知的波动现象。声波中包含着声源的大量信息，通过对这些信息的提取，能够有效地掌握声源的状态。在工业领域中，通过声音对设备运行状态进行监测，及对设备的故障情况进行鉴别也得到了长足的发展。基于声波信号的检测技术，在60年代主要应用于核工业、航空航天等高精尖领域，70年代逐步扩展到船舶、石化、冶金等行业，并在80年代扩展到各行各业。
3.在电力系统中，对电力设备发出的声波信号进行研究，充分利用其声波信号中包含的有效信息，能够进一步拓展和更新电力设备检测手段。对断路器而言，在其分合闸过程中，包含着丰富的声音信息，通过对这些声音信息的分析，能够有效的反应出断路器的运行状态，与停电例试相比，其分合闸特性更吻合实际的运行工况。
4.如专利文献cn110426192a提出了一种断路器的声学指纹检测系统，包括主控制模块、信号采集模块与数据存储模块，所述信号采集模块包括采集卡、声音信号采集单元与电流信号采集单元，所述采集卡用于在所述主控制模块的控制下，控制所述声音信号采集单元与所述电流信号采集单元分别对所述机械振动信号与所述电流信号进行同步采集，所述主控制模块还用于对采集到的信号进行比对分析，以获取表征机械状态的声学指纹特征参量，并发送给所述数据存储模块进行存储。该专利同时提出通过对同步采集到的振动信号与电流信号二者的分析判断出断路器设备的机械状态与机械故障，但该专利仅提出相关想法，为未提及如何实现对断路器机械状态的判断。
5.又如专利文献cn111044272a提出一种基于大数据技术的高压断路器机械特性试验方法，包括以下步骤：a）安装联网录音装置和远控声波发生器；b）获得距离标定函数；c）分合闸过程中，发出不同频率的声波，启动联网录音装置记录并上传在声音数据；d）分析声音数据，获得声音信号的频率变化，根据频率变化以及距离标定函数，获得联网录音装置的位移量；e）获得分合闸过程中机械运动部件的位移，进而获得高压断路器机械特性试验结果。该发明根据声音频率的变化反映高压断路器机械运动部件的位移情况，获得机械运动部件在分合闸试验中的位移，完成高压断路器机械特性的试验。但是该专利的联网录音装置需要安装在断路器的机械运动部件上，远控声波发生器需要安装在断路器的壳体内，安装时需要对断路器进行拆装，安装不便，并且安装在断路器上的传感器可能会对断路器的结构、绝缘特性以及机械特性等产生不良影响。


技术实现要素：

6.本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种基于声波信号的断路器机械特性测试方法及装置。
7.为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种基于声波信号的断路器机械特性测试方法，包括：s1、在断路器旁间隔设置两个声音采集单元，所述声音采集单元用于采集断路器中各断路单元所发出的分合闸声音；s2、分别标定各断路单元与各声音采集单元之间的距离；s3、启动声音采集单元进行声音探测；s4、当采集到分合闸声音后，将获取到的声音信号分解成独立声音信号，所述独立声音信号即为各断路单元分合闸时所发出的声音；s5、将各独立声音信号与断路单元之间进行关联；s6、根据各独立声音信号的发生时刻，获取断路器的合闸同期性或分闸同期性。
8.进一步的：所述步骤s3为：当检测到断路器合闸回路通电时则获取合闸开始时刻，当检测到断路器分闸回路通电时则获取分闸开始时刻，同时启动声音采集单元进行声音探测；所述步骤s6为：根据各独立声音信号的发生时刻，获取断路器的合闸同期性或分闸同期性，获取断路器的合闸时间或分闸时间。
9.进一步的，独立声音信号与断路单元之间的关联方法包括：根据各独立声音信号发生时刻之间的时间差，结合各断路单元与各声音采集单元之间的距离差，利用声速计算后进行关联。
10.进一步的，所述声速为当前环境下的声速，在引入当前环境温度后计算得到。
11.进一步的，断路单元与声音采集单元之间距离由人工标定，或由距离传感器自动获取。
12.一种基于声波信号的断路器机械特性测试装置，包括探测模块和处理模块；所述探测模块设置在断路器旁，由间隔设置的两个声音采集单元组成；所述处理模块与所述探测模块信号连接，用于处理所述探测模块检测到的声音信号。
13.进一步的，所述处理模块还与所述断路器的合闸回路和分闸回路电性连接，用于检测所述合闸回路和所述分闸回路的通电信号。
14.进一步的，所述探测模块还包括两个距离检测单元，所述距离检测单元与所述声音采集单元一对一的同位置设置，用于获取所述声音采集单元距断路单元的距离。
15.进一步的，所述探测模块还包括温度检测单元，用于获取当前的空气温度。
16.断路器在投运使用过程中，用户需要按照试验规程定期进行机械特性测试，以便预防或发现断路器故障和异常，机械特性测试是衡量和保障断路器质量状况及性能指标的重要手段。
17.断路器的合分闸时间及同期性的测试，属于断路器机械特性试验的一部分，为断路器例行试验项目。断路器的分闸时间过长，会延长断路器切除故障的时间，可能引起振荡过电压，对电网的安全构成很大的威胁，合闸时间过长，延长了重合闸时间，可能造成电网瓦解的事故，分合闸时间过短，将会在分合闸时，对触点造成过大的冲击，影响设备的使用寿命，分闸的不同期性对电网安全运行也能带来很大的危害，不同期时间太长，断路器相当于非全相运行，产生的不平衡电流导致继电保护装置误动，合闸不同期相差过大，影响电网中性点的正常，可能危害设备安全的过电压。因此，对断路器合分闸时间进行测试，并通过
合分闸时间，对合分闸同期性进行测量，具有重要的意义。
18.断路器机械特性的常规测试方法，是在设备停电状态下，利用断路器机械特性测试仪等专用设备进行测试。在停电状态下进行的断路器机械特性例试，由于需要频繁的对断路器进行合闸分闸操作，影响断路器的寿命，另外，在进行机械特性测试时，设备停电状态与运行状态工况不同，因此在停电时进行的机械特性测试，与设备运行时进行的机械特性测试存在偏差。
19.因此，对断路器机械特性的在线监测是目前的研究方向。对于断路器合分闸时间及同期性的在线测试，有利用对分合闸线圈电压的监测来实现，如专利文献cn100504420c，但这种方法受限于电压的稳定性，测试精度较差；也有通过在断路器上安装传感器的方式实现，如专利文献cn111044272a、cn109270441a、cn103822781a、cn201681143u等，但这种方法可能会对断路器的结构、绝缘特性以及机械特性等产生不良影响。
20.基于此，考虑到减少断路器动作次数，在设备运行状态下对断路器合闸时间、分闸时间及同期性进行测量，且不对断路器的机械结构造成影响，本发明人提出了基于声音信号的断路器合分闸时间测试方案。所提出的方案，只需要在断路器周围设置声音采集装置，在设备进行停送电操作时，利用声音采集装置采集断路器分合闸声音，并对采集到的声音信号进行分析，即可得出断路器的动作时间。
21.本发明的有益效果如下：本发明在断路器旁设置声音采集装置，当断路器动作时，能够进行声音信号的采集，通过对声音信号的滤波和分解，得到断路单元各自的动作时间，根据断路单元动作的时间差，对断路器的分合闸时间及同期性进行测量。
22.本发明实现方便，不需要对原有设备进行改造即可实现，具有安全性与经济性，所获取的参数更接近设备运行状态的机械特性参数。本发明即可应用于工作现场的长期在线监测，也可在进行停送电操作时的单独测量。
23.本发明设置有距离传感器，不需要人工测量即可获取距断路器的距离；本发明设置有温度传感器，可实时获取当前的空气温度，利用空气温度计算出的声速更加精确，能够使本发明的测试结果更准确。
24.本发明能够实现对断路器机械性能的有效测试，能够在运行中及时发现事故隐患，防患于未然。
附图说明
25.下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。
26.图1：本发明实施例1的示意框图。
27.图2：本发明实施例1的流程图。
28.图3：本发明实施例2的示意框图。
29.图4：本发明实施例2的流程图。
30.其中，1
‑
断路器，11
‑
第一断路单元，12
‑
第二断路单元，13
‑
第三断路单元，14
‑
合闸回路，15
‑
分闸回路，2
‑
处理模块，31
‑
第一声音采集单元，32
‑
第二声音采集单元。
具体实施方式
31.为了更好地理解本发明，下面结合实施例和附图进一步清楚阐述本发明的内容，但本发明的保护内容不仅仅局限于下面的实施例。在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。
32.本说明书以三相断路器为例进行说明，所述三相断路器中设置有三个断路单元，如图2所示，断路器1包括第一断路单元11、第二断路单元12和第三断路单元13。
33.实施例1：本实施例的目的是提供一种基于声波信号的断路器机械特性测试方法，参阅图1、图2，所述测试方法包括以下步骤：1、步骤s1，在断路器旁间隔设置两个声音采集单元。
34.所述声音采集单元用于采集断路器中各断路单元所发出的分合闸声音，包括第一声音采集单元31和第二声音采集单元32。为保证测试的准确度，声音采集单元可设置在断路器旁200mm
‑
800mm处，两个声音采集单元之间间距也应为200mm
‑
800mm。所述声音采集单元应尽量和断路单元位于同一高度，并且两个声音采集单元与断路单元之间的距离应不同。
35.在本实施例的相关公式中，第一断路单元11用字母a表示，第二断路单元12用字母b表示，第三断路单元13用字母c表示，第一声音采集单元31用字母m表示，第二声音采集单元32用字母n表示。
36.2、步骤s2，分别标定各断路单元与各声音采集单元之间的距离。
37.本步骤用于获取第一断路单元11与第一声音采集单元31之间的距离d
am
、第一断路单元11与第二声音采集单元32之间的距离d
an
、第二断路单元12与第一声音采集单元31之间的距离d
bm
、第二断路单元12与第二声音采集单元32之间的距离d
bn
、第三断路单元13与第一声音采集单元31之间的距离d
cm
、第三断路单元13与第二声音采集单元32之间的距离d
cn
。上述距离的单位均为m。
38.对于相关距离的获取方法，可在声音采集单元安装完毕后，由人工测量获取，也可以在声音采集单元旁安装距离传感器，由距离传感器自动获取。
39.3、步骤s3，启动声音采集单元进行声音探测。
40.本步骤启动第一声音采集单元31与第二声音采集单元32进行声音探测。
41.4、步骤s4，当采集到分合闸声音后，将获取到的声音信号分解成独立声音信号。
42.当断路器在完成分闸或合闸时，会发出巨大的声音，本步骤所采集到的声音信号即为断路器在分闸或合闸时所发出的声音信号。
43.单个声音采集单元所获取的声音信号是一个三相声音的合成信号，包括三个断路单元所发出的声音，因此，需要将所采集到的声音信号分解成独立的声音信号。在声音信号分解前，首先对声音信号进行滤波处理，排除信号中的噪声和干扰信号。
44.对于声音信号分解，可将声音信号波形的波峰作为断路器发出的分合闸声音，以波峰位置为依据，将所采集到的声音信号分解成独立声音信号。当然，也可以利用原子分解算法等现有技术，在此不再赘述。
45.5、步骤s5，将各独立声音信号与断路单元之间进行关联。
46.本步骤根据各独立声音信号发生时刻之间的时间差，结合各断路单元与各声音采集单元之间的距离差，利用声速计算后进行关联。
47.本步骤在计算时，需要首先确定声速（声音在空气中的传播速度），声速可采用常规值如340m/s，也可引入当前的空气温度，计算当前环境下的声速，本实施例声速的单位采用m/ms，本实施例公式中用字母v表示声速。声速与温度的计算公式为公知公式，在此不再赘述。
48.接下来，分别计算出单个断路单元与两个声音采集单元之间的距离差。
49.相关公式如下：公式(1)中δd
a
表示第一断路单元11与两个声音采集单元之间的距离差，δd
b
表示第二断路单元12与两个声音采集单元之间的距离差，δd
c
表示第三断路单元13与两个声音采集单元之间的距离差。
50.第一声音采集单元31所获取的声音信号，经步骤s4处理后分解出的三个独立声音信号分别用s
m1
、s
m2
和s
m3
表示，这三个独立声音信号的发生时刻分别用t
m1
、t
m2
和t
m3
表示；第二声音采集单元32所获取的声音信号，经步骤s4处理后分解出的三个独立声音信号分别用s
n1
、s
n2
和s
n3
表示，这三个独立声音信号的发生时刻分别用t
n1
、t
n2
和t
n3
表示。
51.接下来，从第一声音采集单元31所采集的三个独立声音信号中任选一个，分别计算与第二声音采集单元32所采集的三个独立声音信号之间的时间差，并将时间差与声速相乘。所述时间差的单位采用ms，声速的单位为m/ms。
52.比如第一声音采集单元31所采集的第二个独立声音信号s
m2
，与第二声音采集单元32所采集的三个独立声音信号之间的时间差与声速的乘积可按如下公式(2)计算。
53.在完成公式(2)的计算后，将三个计算结果δd
21
、δd
22
和δd
23
分别与δd
a
、δd
b
和δd
c
进行对比，判断数值大小是否一致或非常接近；比如判断出δd
21
与δd
c
数值大小一致或非常接近，则可确定独立声音信号s
m2
和独立声音信号s
n1
均由第三断路单元13发出。
54.以此方法即可将所有独立声音信号与单个断路单元进行关联。
55.6、步骤s6，根据各独立声音信号的发生时刻，获取断路器的合闸同期性或分闸同期性。
56.断路器的合闸同期性，则是指断路器在进行合闸时，各断路单元合闸时间不同期的程度，以各断路单元合闸时间的最大值与最小值的差值来表示；断路器的分闸同期性，则是指断路器在进行分闸时，各断路单元分闸时间不同期的程度，以各断路单元分闸时间的最大值与最小值的差值来表示。
57.以步骤s5的以下关联结果为例进行说明：第一断路单元11关联独立声音信号s
m1
和s
n3
，第二断路单元12关联独立声音信号s
m3
和s
n2
，第三断路单元13关联独立声音信号s
m2
和s
n1
。
58.根据以上关联结果，利用声速计算出断路单元发出声音的时刻，该时刻即为该断路单元合闸或分闸时的动作时刻。相关公式如下：公式(3)中t
a
表示第一断路单元11的动作时刻，t
b
表示第二断路单元12的动作时刻，t
c
表示第三断路单元13的动作时刻。
59.断路器完成合闸的合闸同期性，以及完成分闸的分闸同期性p
t
可按以下公式计算：本实施例在断路器旁设置声音采集单元，通过声波信号实现对断路器分合闸同期性的测试。
60.需要说明的是，本实施例相关步骤的标号并不代表执行的先后顺序，本领域技术人员对上述步骤的顺序变换并不离开本发明的保护范围。
61.实施例2：参阅图3、图4，本实施例所提供的基于声波信号的断路器机械特性测试方法是在实施例1的基础上，对步骤s3和步骤s6进行了以下改进：步骤s3：当检测到断路器合闸回路14通电时则获取合闸开始时刻，当检测到断路器分闸回路15通电时则获取分闸开始时刻，同时启动声音采集单元进行声音探测。
62.当断路器1的合闸回路14由断电状态开始通电时，断路器1即开始进行合闸操作，当分闸回路15由断电状态开始通电时，断路器1即开始进行分闸操作。
63.本发明对合闸回路14和分闸回路15的通电情况进行持续监控，当检测到合闸回路14通电时，就获取当前时刻，并将当前时刻存储为合闸开始时刻；当检测到分闸回路15通电时，就获取当前时刻，并将当前时刻存储为分闸开始时刻。本实施例公式中用t0表示合闸开始时刻或分闸开始时刻。
64.同时，启动第一声音采集单元31与第二声音采集单元32进行声音探测。
65.步骤s6：根据各独立声音信号的发生时刻，获取断路器的合闸同期性或分闸同期性，获取断路器的合闸时间或分闸时间。
66.断路器的合闸同期性或分闸同期性的获取方法，与实施例1中步骤s6一致。
67.断路器合闸时间，是指处于分闸位置的断路器，从合闸回路14带电时刻到所有断路单元的触头都接触完成的时间间隔；断路器分闸时间是指处于合闸位置的断路器，从分闸回路15带电时刻到所有断路单元的触头都分开时的时间间隔。
68.断路器完成合闸的合闸时间，以及完成分闸的分闸时间可按以下公式计算：公式(5)中t0表示本实施例步骤s3所获取的合闸开始时刻或分闸开始时刻，p
s
表示合闸时间或分闸时间。
69.本实施例与实施例1相比，通过获取合闸线圈或分闸线圈的通电时刻，可以同时实
现对断路器分合闸时间的测试。
70.实施例3：本实施例的目的是提供一种基于声波信号的断路器机械特性测试装置，参阅图2，所述测试装置包括探测模块和处理模块2；所述探测模块设置在断路器1旁，由第一声音采集单元31和第二声音采集单元32组成，第一声音采集单元31与第二声音采集单元32间隔设置，均与处理模块2信号连接。在具体实施时，第一声音采集单元31与第二声音采集单元32均可采用拾音器等声音传感器实现。
71.为保证测试的准确度，声音采集单元可设置在断路器旁200mm
‑
800mm处，两个声音采集单元之间间距也应为200mm
‑
800mm。声音采集单元应尽量和断路单元位于同一高度，并且应保证两个声音采集单元与断路单元之间的距离不同。
72.处理模块2用于处理所述探测模块所检测到的声音信号，在具体实施时，处理模块2可采用单片机或其它处理器芯片实现。
73.本实施例所提供的测试装置，能够执行如实施例1所述的测试方法。
74.实施例4：参阅图4，本实施例所提供的基于声波信号的断路器机械特性测试装置是在实施例3的基础上做了以下改进：处理模块2还与断路器1中合闸回路14和分闸回路15电性连接，能够获取合闸回路14和分闸回路15的通电信号。
75.本实施例所提供的测试装置，能够执行如实施例2所述的测试方法。
76.实施例5：本实施例所提供的基于声波信号的断路器机械特性测试装置是在实施例4的基础上做了以下改进：所述探测模块还设置有距离检测单元，包括第一距离检测单元和第二距离检测单元，均与处理模块2信号连接；所述第一距离检测单元与第一声音采集单元31同位置设置，所述第二距离检测单元与第二声音采集单元32同位置设置。
77.所述距离检测单元用于自动获取距三个断路单元的距离，即获取第一声音采集单元31与三个断路单元之间的距离，获取第二声音采集单元32与三个断路单元之间的距离。
78.在具体实施时，所述距离检测单元可采用超声波传感器、激光传感器、红外线传感器、微波雷达传感器等距离传感器实现。
79.实施例6：本实施例所提供的基于声波信号的断路器机械特性测试装置是在实施例5的基础上做了以下改进：所述探测模块还设置有温度检测单元，所述温度检测单元与处理模块2信号连接，用于检测环境温度，用于获取空气的当前温度。
80.声音在不同温度的空气中传播速度不同，因此可利用空气温度计算出当前环境下的声速，使本发明的测试结果更准确。
81.最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。