浅谈电气设备故障诊断技术

摘 要：本文以高压断路器为对象，重点分析了高压断路器机械故障诊断方法，阐述了保护系统的电气设备的故障诊断分析与系统构建。

关键词：电气设备；小波变换；故障诊断；分析

1.高压断路器机械故障诊断

1.1机械振动信号处理的常用方法

1.1.1傅立叶变换

频域分析是设备故障诊断领域中应用最广泛的信号分析方法之一，故障的发生、发展通常将引起设备振动信号所包含频率成分的发生变化。频域分析的基础是频谱分析，而使用最普遍的方法是傅立叶变换，它将复杂信号分解为有限或无限个频谱的分量之和。

传统的傅立叶变换分析方法曾经为信号处理技术的发展做出了卓越的贡献，傅立叶分析是一种全局的变换，虽然能够将信号的时域和频域的特征联系起来，但仅仅是分别的从时域和频域观察，而不能将两者有机的结合起来，使得傅立叶分析方法仅适用于分析平稳信号，对时变的非平稳信号则不能进行充分描述，同时傅立叶分析只能获取信号f（t）的整体频谱，而不能获得信号的局部特征，即它不适合于信号的局部分析。这些缺陷限制了它在机械设备故障诊断中的应用。

1.1.2短时傅立叶变换

短时傅立叶分析即为一种时频分析方法，通常它也被称为加窗傅立叶分析它的基本思想是在采用傅立叶变换的同时，在傅立叶变换的基函数之前乘上一个时间上有限的函数。

虽然短时傅立叶变换在一定程度上克服了傅立叶变换不具有局部分析能力的缺陷，但是短时傅立叶变换所确定的时频窗口的大小和形状是固定不变的，而振动信号的频率与时间周期成反比，对于高频信号，时间分辨率相对高，时频窗口应该相对窄，对于低频信号，时间分辨率相对低，时域窗口应该相对宽。显然具有固定形状和大小的窗函数的短时傅立叶变换，不能很好的满足信号分析的这一要求。对于高频信号，固然可以通过缩小时域窗口宽度改进时域分辨率，但却降低了频域分辨率，对低频信号则不适合，同时缩小时域窗口宽度会使计算变得相当复杂。

1.1.3小波分析

小波变换从基函数角度出发，吸取傅立叶变换中的三角基（进行频率分析）和短时傅立叶变换中的时移窗函数的特点，形成振荡、衰减的基函数。它的定义域有限，故称为小波。小波分析方法是一种窗口大小固定但其形状可改变，时间窗和频率窗都可以改变的时频局部化分析方法。小波变换以不同的尺度（分辨率）来观察信号，将信号分解到不同的频带中，既看到了信号的全貌，又看到信号的细节，具有多分辨能力，即在低频部分具有较高的频率分辨率和较低的时间分辨率，在高频部分具有较高的时间分辨率和较低的频率分辨率。

1.1.4信号奇异性检测

信号中的奇异点及不规则的突变部分经常带有比较重要的信息，它是信号重要的特征之一，利用小波变换来分析信号的奇异性及奇异性位置和奇异度大小是比较有效的。一般情况下，信号奇异性分两种情况：一种是信号在某一时刻内，其幅值发生突变，引起信号的非连续，幅值的突变处是第一种类型的间断点；另一种是信号外观上很光滑，幅值没有突变，但是，信号的一阶微分有突变产生，且一阶微分是不连续的，称为第二种类型的间断点。

1.2高压断路器的机械振动信号处理

高压断路器每次的合闸或者分闸操作，都会引起若干次振动事件，每个振动事件都对应着特定的幅值、频率及衰减指数。当高压断路器发生故障时，在断路器的故障信号中，必然会引起意外的振动事件，这使得整个振动信号在特定频段内振动频率、幅值及衰减指数都可能发生变化，这些就可以作为判断的依据。

1.2.1消噪处理

在高压断路器的振动信号中，包含许多尖峰和突变部分，而且噪声也不是平稳的白噪声，因此应当对信号进行预处理，将信号的噪声部分去除，提取有用信号。由于小波分析能同时在时频域中对信号进行分析（且在频率域内分辨率高时，时间域内分辨率则低，在频率域内分辨率低时，时间域内分辨率则高）所以能有效的区分信号中的突变部分和噪声，从而实现信号的消噪。小波分析用于降噪的过程，可以细分为如下几个阶段：

分解过程：选定一种小波，对信号进行N层小波分解；作用阈值过程：对分解得到的各层系数选择一个阈值，并对细节系数作软闭值处理；重建过程：降噪处理后的系数通过小波重建恢复原始信号。

1.2.2信号趋势的检测

在组成信号的所有成分中，信号的总体趋势是构成信号的最慢的一个部分，也是频率最低的部分，在多尺度分析的概念里，对应着最大尺度的小波分解部分，随着尺度的增加，分辨率随着降低，也就提供了对信号缓慢变化成分的越来越好的近似结果。从频率的角度分析，随着分解层数的增加，分解结果中的近似系数也就包含越来越少的高频成分信息，随着高频成分逐层被滤掉，剩下的成分就越来越接近信号的整体发展趋势。

高压断路器合闸信号本身包含有很陡的变化，在多尺度小波变换的低频部分中，显示的信号和原始信号相差较远，因为信号本身的陡峭变化被当作高频滤掉了。

2.用微机进行电气设备故障诊断

2.1故障信息的来源

电气设备故障时，要求调度员能迅速、准确地判明发生的故障，尽快恢复系统的正常运行。提高故障判断的正确率，实现电网故障的快速诊断和恢复，对故障前后的原始电气量和非电气量的快速准确获得提出了较高的要求。

目前己有的监测系统可向调度端提供开关变为信息；微机保护装置可判断出电网局部故障类型，给出相应的告警和出口动作，并可进行事故追忆、事故重演等。当发生复杂故障时，这些信息还不足以分析故障原因的和判断故障类型，也谈不上对故障作快速诊断恢复处理。

微机录波器能反映出故障前、后电网电气量的瞬间变化及继电保护动作的状态，是对现代电网故障进行深入研究的基础，也是评价继电保护动作及分析设备故障性质、原因的重要依据。

2.2高压断路器的特征参数采集

保持微机保护装置现有的硬件平台基本不变（可多增加几路模拟/开关通道），而软件中嵌人故障诊断信息库。将这些参数实时通过相应的传感器采集出来后，进行一些处理，然后传送到保护装置中，与其中的故障诊断信息库进行比对，预测可能发生故障的趋势或判断出相应的故障，进而发出预告或动作信号。

3.故障诊断与微机继电保护的集成化

在微机继电保护装置现有硬件平台基本不变的基础上，加入故障诊断的功能，重点在于在软件中嵌入故障诊断知识库。知识库中知识的来源有两种途径，一种是通过理论研究建立被研究对象的数学模型，通过数学模型对实际模型进行仿真。但由于这种方法很难建立实际对象的数学模型，以及所建立的数学模型求解困难，因此这种方法只能定性的分析出故障诊断的基本规则，另一种方法就是通过实验来获取各种故障波形，研究各种故障下的输出，总结判别这些故障的规则。比如说，利用小波变换和人工神经网络模型获取诊断这些故障的诊断规则。另外，知识库中还应有各种情况下，断路器开合负载/短路电流时的各个参数的正常波形。这样，实时的监测断路器每次开合的参数波形，并分别与正常波形和故障波形进行比对，从而判断断路器是否出现故障，以及故障的严重程度。例如，基座螺丝松动的情况。故障严重时，保护装置会发出跳闸信号，跳开断路器。当故障比较轻微，还不至于影响运行时，保护装置会发出预警信号，提示工作人员注意，工作人员视故障的程度采取相应的措施。

首先应该建立故障诊断的硬件平台—高压断路器的硬件平台，创建高压断路器故障诊断的监测和诊断流程，组织好故障诊断知识库。

真空断路器状态监测与诊断系统数据库包括实时数据库（静态数据库、动态数据库）、历史数据库和专家知识库三大部分。专家知识库是诊断知识的存储场所，用于存储设备的原理性知识、专家经验等诊断知识，为诊断系统的诊断推理过程提供知识支持。实时数据库的数据记录是随着智能监测与诊断系统的运行而不断变化，用于存放断路器各种实时状态信息、诊断推理的初始报普信息、功能故障信息、诊断推理结论等。历史数据库与实时数据库具有相似的存储结构，数据记录通过实时数据定时转储形成。

实时数据库主要存储当天的实时信息，历史数据库和实时数据库具有相同的格式，但是其保存的信息量更大，是历史所有数据的存储空间，但是其时标不是实刚数据库的严格时标，因为为了节省空间，对其进行了数据挖掘和优化。专家知识库是所有与优化检修诊断决策相关专家知识的知识仓库，是系统智能程度的表现，所有数据的存储都严格按照知识描述框架的要求进行，为系统的智能性、开发性打下基础。

4.总结

电气设备在线监测故障诊断是设备检修的发展方向，是运用综合性的技术手段，掌握设备状态，预测设备故障发生、发展情况，借助技术分析，进行检修决策和管理的一种先进的设备检修模式。把故障诊断这一功能嵌人到微机保护装置中，实现诊断与保护的集成化，即达到了降低装置造价的目的，也节省了大量空间。另外这种诊断与保护的集成化研究还处于初步阶段，还很不完善，完全实现主要电气设备的诊断与保护的集成化也是一项艰巨的任务。

参考文献

[1].电力系统继电保护的发展与远眺[J].安徽电力科技信息，2006.

[2]成永红.电力设备绝缘检测与诊断[M].中国电力出版社，2001.