基于分形理论的低压断路器三相合闸同期性振动信号特征分析

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1、基于分形理论的低压断路器三相合闸同期性振动信号特征分析石敦义，孙秦阳，缪希仁（福州大学电气工程与自动化学院，福建福州350108）摘要：在综述现有断路器机械故障振动信号研究方法的基础上，提出了一种经验模态分解（EMD）和分形理论相结合的方法用于提取低压断路器振动信号的特征量，并以典型的三相合闸不同期性低压断路器故障为对象，研究了EMD结合分形维数的故障振动信号特征分析，且给出以分形维数均方根作为故障特征量的实验仿真数据结果。首先，利用EMD方法对低压断路器的振动信号进行分解，得到若干个本征模态函数（IMF）。其次，对振动信号以及各IMF分量求分形维数及其均方根，

2、作为低压断路器振动信号的特征量。通过对低压断路器三相合闸不同期性模拟故障振动信号处理，对比其不同状态下的分形维数及其均方根的变化规律，表明该方法不仅可作为低压断路器三相同期性故障诊断的判据，且可应用于断路器其它各类机械故障的振动信号特征的提取分析。关键词：低压断路器；振动信号；分形维数；经验模态分解；特征分析1引言国内外的统计资料显示，机械故障是断路器的最主要故障，在故障总数中占70%～80%[1]。因而对机械状态进行可靠有效的监测且及时预知故障趋势，对设备和系统的可靠运行具有重要意义。在低压断路器运行和动作过程中的振动信号包含了丰富的机械系统的状态信息，且对振

3、动信号的检测具有非侵入性特点。因此，对振动信号进行分析及提取故障特征，可为低压断路器的故障检测提供可靠的依据。低压断路器振动信号具有非线性、非平稳性、无周期性等特点。目前对振动信号的分析，国内外研究人员已经展开了大量的研究，主要方法有傅里叶变换、小波变换、数学形态学、希尔伯特-黄变换等[2]。文献[3]利用小波包分解提取主要的频带能量作为断路器状态监测的特征向量，从而实现不同机械状态的分类，且实验表明具有较高的准确率。文献[4]提出一种利用小波包算法与短时能量法相结合的方法辨识出合闸变位点，并对三相合闸过程进行分析，得出三相同期性。取得了良好的效果。文献[5]提

4、出使用短时能量法和边缘检测法提取振动事件发生的时刻。文献[6]将希尔伯特-黄变换应用到变压器有载分接开关切换机构的振动信号分析中，并有效地提取了故障特征。但上述方法仍存在一些不足，如傅里叶变换存在频谱泄漏问题，不适于分析非平稳信号；而小波变换是非自适应变换，对不同的信号小波基函数、分解层数的选取上要做进一步研究等。由于低压断路器振动信号易受各种随机因素的影响，往往会表现为一定的混沌特性，即由于系统的非线性，满足一定条件的振动系统，受规则激励后也会产生看似无规则永不重复的振动响应——混沌振动[7]。因此，可从混沌动力学的角度去分析低压断路器的振动信号。基于上述分析

5、，提出一种将分形理论与经验模态分解(EMD)相结合的振动信号诊断方法，即在对振动信号进行EMD分解基础上，对其进行相空间重构并求取相应的维数。该方法不存在如小波变换对小波基函数和分解层数选取等的非自适应性。由于三相不同期故障会影响断路器的性能和寿命以及电网的稳定运行，且比其它故障如基座螺栓松动、弹簧卡涩等更难监测。本文主要针对低压断路器三相不同期合闸故障的振动信号进行分析，结果表明本文提出的方法可以有效区分三相合闸不同期性故障，且具备良好的故障特征统计数据表征能力，对断路器及其它各类机械故障振动信号特征分析也具有良好的故障辨识鲁棒性。2低压断路器三相同期性振动实

6、验装置以DW15‐1600万能式断路器为实验样机，采用3255系列加速度传感器获取振动信号。该传感器输出范围为0.5～4.5V，当检测到加速度为零时输出2.5V，正加速度时输出逐渐增大，负加速度时逐渐减小。由于内部具有失调补偿、温度补偿、增益调整等信号调节电路，因此其输出可直接连接到PCI采集卡的A/D采样口。将单个加速度传感器安装在断路器基座横梁上，其检测的振动方向与触头合闸撞击方向一致。根据DW15‐1600万能式断路器出厂技术要求，当触头厚度低于2mm时应予以更换。通过调整触头的开距和超程，分别模拟三相触头机构磨损或调整不当造成的各种合闸不同期性状态，在空

7、载条件下采集反映三相同期性状态的触头合闸振动信号，其采样频率设置为12kHz，采样数据点数为4000。(a)正常状态振动信号(b)A相故障振动信号(c)B相故障振动信号(d)C相故障振动信号图1低压断路器四种状态下的振动信号图1为合闸全过程振动信号，包含了操动机构动作特性（信号前部较小幅值部分）、三相触头合闸瞬间特性（信号中部突变部分）以及合闸动作结束后振动消失的全过程信号特征。从实际应用出发，本文采用单个加速度传感器检测三相触头合闸振动方案，因此难以从振动信号时域波形中辨别出三相触头合闸同期性，有待于对上述振动信号加以频谱分析。3低压断路器振动信号分析本文以低

8、压断路器重要的三相同期性