GIS制造技术

本发明专利技术公开了一种

【技术实现步骤摘要】
GIS断路器弹簧操动机构机械状态监测方法及系统


[0001]本专利技术涉及
GIS
断路器操动机构机械状态监测
，尤其是一种
GIS
断路器分合闸过程中弹簧操动机构机械状态监测方法
、
系统
、
设备及介质
。

技术介绍

[0002]气体绝缘开关设备
(GAS Insulated Switchgear
，
GIS)
是由断路器
、
隔离开关
、
接地开关
、
互感器
、
避雷器
、
母线等电气设备组成的封闭式组合电器，具有占地空间小
、
绝缘水平高
、
检修维护工作量小
、
故障发生率低等优点，广泛应用于不同电压等级的变电站中
。
作为
GIS
中具有灭弧功能的开断元件，断路器承载正常工作电流和切断故障电流，具有保护和控制的双重作用，是保障
GIS
安全稳定运行的核心部件之一
。
[0003]断路器动作时由操动机构提供能量，故操动机构的良好运行是实现断路器分合闸操作的重要前提
。
其中，弹簧操动机构凭借结构简单
、
体积小
、
操作噪音小
、
对环境无污染
、
免运行维护
、
可靠性高等优点成为高压断路器中应用最广泛的操动机构类型之一
。
但是，受制于断路器弹簧操动机构的复杂机械结构，其引发的故障类型较多，主要表现为拒动
、
分合不到位
、
误分和误合等
。
据统计，机械故障是断路器的主要故障，且因操动机构引发的故障占比最高，且逐年上升
。
因此，如何准确辨识
GIS
断路器弹簧操动机构的机械缺陷一直是关注热点
。
[0004]振动信号作为设备机械状态信息的一种有效载体，其变化与设备运行状态的改变密切相关
。
作为一种瞬动式开关设备，
GIS
断路器分合闸过程中操动机构机械元件的运动
、
触头的撞击等均会产生振动信号，即其分合闸动作过程中的内部事件体现在每一个瞬态波形中，因此，
GIS
断路器分合闸过程中的多峰值振动信号承载着其内部各个机械元件的动作信息，且具有很强的相似性，故振动分析法已成为断路器机械状态监测的重要手段
。
但是，与
GIS
断路器分合闸过程中机械元件的运动过程相对应，其所伴生的振动信号呈现迅速上升
、
逐渐衰减
、
及多峰值混叠的特点，对应的频谱呈现宽频连续分布，给准确获取振动信号中所蕴含的设备机械状态信息带来了困难
。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的之一是提供一种
GIS
断路器弹簧操动机构机械状态监测方法，该方法通过对
GIS
断路器弹簧操动机构振动信号进行实施监测，计算分析振动信号中多个模态分量中心频率的变化，以实现
GIS
断路器弹簧操动机构机械状态的高效
、
准确评判
。
[0006]为实现上述专利技术目的，本专利技术提供采用如下的技术方案：
GIS
断路器弹簧操动机构机械状态监测方法，其包括：
[0007]步骤
1、
采集
GIS
断路器分合闸过程中的振动信号
s(t)
；
[0008]步骤
2、
基于傅里叶变换计算振动信号
s(t)
的频谱，所述的振动信号频谱表示为
s(
ω
)
；
[0009]步骤
3、
根据振动信号的频谱进行变分模态分解，获取振动信号的多个模态分量；
[0010]步骤
4、
基于局部极值法识别振动信号多个模态分量中的多峰值模态分量和确定频带分割边界；
[0011]步骤
5、
根据振动信号多峰值模态分量的频带分割结果设计滤波器，获取对应的单峰值模态分量；
[0012]步骤
6、
计算分解得到的
GIS
断路器弹簧操动机构振动信号所有单峰值模态分量的中心频率；
[0013]步骤
7、
计算当前振动信号中心频率序列与
GIS
断路器弹簧操动机构历史振动信号中心频率序列的相关系数，根据相关系数对
GIS
断路器弹簧操动机构机械状态进行判别：当相关系数低于
0.85
时，则判断
GIS
断路器弹簧操动机构机械状态发生变化，此时需要及时进行检修处理，避免形成重大故障
。
[0014]进一步地，步骤1中，所述的振动信号由放置在
GIS
断路器弹簧操动机构箱外壳上的振动加速度传感器获取，其采样频率为
f
s
，采样点长度为
N0。
[0015]进一步地，步骤3的具体过程如下：
[0016]3a.
构建
GIS
断路器振动信号约束变分模型，所述的约束变分模型表示为：
[0017][0018][0019]式中：
v
k
表示基于变分模态分解得到的振动信号中的第
k
个模态分量；
P
表示模态分量的个数；
δ
(t)
表示脉冲函数；
ω
k
表示第
k
个模态分量
v
k
的中心频率，二者满足
||
·
||2表示2范数；
*
表示卷积；
s
表示振动信号；表示时间
t
的偏微分；
ω
表示频率；
[0020]3b.
通过增广拉格朗日函数将约束变分模型转换为无约束优化变分模型，所述的无约束优化变分模型表示为：
[0021][0022]式中：
α
为二次惩罚因子；
λ
为
Lagrange
乘子参数；
<x,y>
代表
x
与
y
的内积运算；
[0023]3c.
设置惩罚因子
α
、
模态分量个数
P
和收敛容差
σ
，令迭代变量，令迭代变量
λ1＝0和
n
＝0，此处，
n
表示迭代次数；
[0024]3d.
采用交替方向乘子法计算无约束优化变本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.GIS
断路器弹簧操动机构机械状态监测方法，其特征在于，包括：步骤
1、
采集
GIS
断路器分合闸过程中的振动信号
s(t)
；步骤
2、
基于傅里叶变换计算振动信号
s(t)
的频谱；步骤
3、
根据振动信号的频谱进行变分模态分解，获取振动信号的多个模态分量；步骤
4、
基于局部极值法识别振动信号多个模态分量中的多峰值模态分量和确定频带分割边界；步骤
5、
根据振动信号多峰值模态分量的频带分割结果设计滤波器，获取对应的单峰值模态分量；步骤
6、
计算分解得到的
GIS
断路器弹簧操动机构振动信号所有单峰值模态分量的中心频率；步骤
7、
计算当前振动信号中心频率序列与
GIS
断路器弹簧操动机构历史振动信号中心频率序列的相关系数，根据相关系数对
GIS
断路器弹簧操动机构机械状态进行判别
。2.
根据权利要求1所述的
GIS
断路器弹簧操动机构机械状态监测方法，其特征在于，步骤1中，所述的振动信号由由放置在
GIS
断路器弹簧操动机构箱外壳上的振动加速度传感器获取，其采样频率为
f
s
，采样点长度为
N0。3.
根据权利要求1所述的
GIS
断路器弹簧操动机构机械状态监测方法，其特征在于，步骤3的具体过程如下：
3a.
构建
GIS
断路器振动信号约束变分模型，所述的约束变分模型表示为：断路器振动信号约束变分模型，所述的约束变分模型表示为：式中：
v
k
表示基于变分模态分解得到的振动信号中的第
k
个模态分量；
P
表示模态分量的个数；
δ
(t)
表示脉冲函数；
ω
k
表示第
k
个模态分量
v
k
的中心频率，二者满足
||
·
||2表示2范数；
*
表示卷积；表示
t
的偏微分，
ω
表示频率；
3b.
通过增广拉格朗日函数将约束变分模型转换为无约束优化变分模型，所述的无约束优化变分模型表示为：式中：
α
为二次惩罚因子；
λ
为
Lagrange
乘子参数；
<x,y>
代表
x
与
y
的内积运算；
3c.
设置惩罚因子
α
、
模态分量个数
P
和收敛容差
σ
，令迭代变量，令迭代变量
λ1＝0和
n
＝0，此处，
n
表示迭代次数；
3d.
采用交替方向乘子法计算无约束优化变分模型的最优解
。
4.
根据权利要求3所述的
GIS
断路器弹簧操动机构机械状态监测方法，其特征在于，所述采用交替方向乘子法计算无约束优化变分模型的最优解，其计算步骤如下：
31)
分别对和
λ
n
(t)
进行傅里叶变换，对应的傅里叶变换结果分别记为和
λ
n
(
ω
)
；
32)
根据更新模态分量所述的模态分量计算公式为：
33)
根据更新中心频率所述的中心频率计算公式为：
34)
根据更新
Lagrange
乘子
λ
n+1
，此处，
ρ
为更新步长；
35)
判别是否满足停止条件若不满足，则令
n
＝
n+1
，重复步骤
31
～步骤
35
，直至得到无约束优化变分模型的最优解，即为
P
个模态分量
IMF1、IMF2、
…
、IMF
P
。5.
根据权利要求1所述的
GIS
断路器弹簧操动机构机械状态监测方法，其特征在于，步骤4的具体过程如下：
4a.
依次对各个模态分量
IMF1、IMF2、
…
、IMF
P
进行傅里叶变换，得到其频谱，记为
u
k
，
k
＝
1,2,
…
,P
；
4b.
遍历整个频谱序列，将同时大于前一个元素和后一个元素的序列元素作为频谱曲线的局部极大值添加到数组
{u
k_localmax
}
中；
4c.
对数组
{u
k_localmax
}
中的元素按照降序顺序进行排列，提取其中最大的频谱序列元素
u
k_localmax
及排序为第
L
个的元素
u
...

【专利技术属性】
技术研发人员：王劭鹤，陈孝信，赵琳，李晨，韩睿，王丰华，张淼彬，
申请(专利权)人：国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，
类型：发明
国别省市：