高压断路器储能蜗卷弹簧超声导波检测技术应用研

高压断路器储能蜗卷弹簧超声导波检测技术应用研

郑如如  郑昊  陈海燕  胡婷婷

乐清市雁荡山电气研究院   浙江 乐清   325600

摘要：

弹簧操作机构为高压断路器正常分合闸提供能量,其可靠性直接关系着断路器的正常工作,因此对断路器弹簧操动机构进行状态检测有着重要的意义。文中通过IEPE压电式振动传感器采集弹簧存储与瞬间释放过程中伴随断路器本体发生强烈振动信号,采用基于局部均值分解(LMD)的能量特征提取算法结合支持向量机(SVM)理论的方法实现弹簧操作机构状态检测。将采集到的断路器操动时的振动信号进行局部均值分解,得到一系列乘积函数(product function,PF)分量,求出包含主要弹簧异常信息的各个PF分量的归一化能量,将其作为特征向量,输入支持向量机,采用网格参数寻优法对SVM参数进行优化,建立高压断路器弹簧操作机构状态异常检测模型。实验结果表明,该方法的辨识精确度高达97.5%,能够有效识别断路器操动机构弹簧能量状态异常引起的故障类型。

关键词：振动信号;弹簧操动机构;局部均值分解;支持向量机;

高压断路器作为电力系统基础设备，担负着控制作用和保护作用，对其运行维护是保障电力系统安全稳定运行的重点工作之一。弹簧操动机构因其独特优势而广泛用于各类断路器，储能弹簧作为操动机构核心储能部件，是断路器执行操作命令的关键。利用安装在断路器外壳基座上的加速度振动传感器采集的振动信号，反映断路器合闸动作过程中合闸弹簧能量的瞬间变化。弹簧状态及与弹簧相关联部件发生异常，均会引起能量存储及释放规律的变化。利用合闸过程中合闸弹簧储能以及合闸弹簧能量释放的振动信号，可实现对高压断路器弹簧操动机构状态异常检测。

1 高压断路器能量传递机理

配备弹簧操动机构的高压断路器分合闸过程，本质上是将弹簧储存的操作功转化为机构零件的运动的过程，以实现动触头的上下移动完成分合闸动作，下面结合高压断路器的机械结构，对其分合闸过程中能量传递机理进行解释说明。

(1）合闸过程。合闸电磁铁通电后，触发合闸挚子脱扣，在合闸弹簧的作用下，凸轮开始转动挤压滚轮向下运动，滚轮带动转轴转动，转轴带动传动杆和动触头向上运动，同时压缩缓冲弹簧、拉伸分闸弹簧，直至完成合闸动作系统回到静止状态。弹簧储能克服摩擦力后，部分转化为缓冲弹簧和分闸弹簧的弹性势能，部分转化为运动部件动能，经零件冲击碰撞后转化为高压断路器本体振动。

(2）分闸过程。分闸电磁铁通电后，触发分闸挚子脱扣，在分闸弹簧和缓冲弹簧的作用下，带动三相连杆转动，使得动触头向下运动，动触头和运动部件从静止到加速运动再到碰撞停止的过程，缓冲弹簧和分闸弹簧释放的能量转化为高压断路器本体的振动。

2 导波在蜗卷弹簧中的传播特性

2.1 导波群速度计算

蜗卷弹簧是一个变曲率的复杂螺旋结构，弹性导波与结构作用后会发生频散、反射和散射等现象，分析计算导波在卷簧中传播时，到达各信号采集点的群速度，并与数值计算出的频散曲线上对应激励频率的群速度对比，验证有限元仿真结果的准确性，得出各信息采集点导波信号中的波包成分。通过ABAQUS查询工具分别查询各采集点到达波峰-峰值所对应的时间，并计算与信号激励点的峰-峰值对应时间的时间差Δt，用已知的导波传播卷簧弧长L和时间差Δt计算出群速度具体值:

Cg=L/Δt

综上可知，不同激励频率下的超声导波在蜗卷弹簧内传播时，均以各自对应的群速度频散曲线中的某一模式的导波为主，同时伴有其他模式的波包出现，初步分析原因可能是由于卷簧复杂的结构形状引起的。

2.2 导波幅值衰减特性

将各采集点信号的峰-峰值除以激励点信号的峰-峰值，不同激励频率的导波在蜗卷弹簧中的幅值衰减特性可知：

超声导波沿着蜗卷弹簧传播时，波幅随着激励信号频率的增加而减小；同一激励频率下，波幅随着圆周距离的增大而减小，由于蜗卷弹簧形状比较复杂，波幅在初始弧段衰减剧烈，在传播过程中伴有起伏，但随着距离的增加，减小的幅度越来越小，幅值逐渐稳定；靠近卷簧末端边界对波的反射造成反射波与初始激励波叠加，反而使波幅有所增大，在低频段30 kHz激励频率下这一现象尤为明显，另一方面也说明了高频段的导波在传播过程中能量耗散较大，所以在靠近卷簧末端边界对波的反射较弱，起伏比较小。引起导波衰减的因素很多，导波频散导致的导波的幅值衰减主要表现为波包变宽、导波能量分散到其他频率；蜗卷弹簧的复杂结构加剧了导波能量的耗散。

3专用卷簧检测仪器及探头研制

3.1储能蜗卷弹簧导波检测仪组成

仪器主要包括硬件系统平台、软件系统以及探头3部分。其中硬件系统主要包括CPU与相关的外围接口电路、FPGA、发射电路、接收电路、电源供电系统、时序控制系统、人机交互系统。

3.2超声模拟前端电路

超声模拟前端电路主要包括发射电路、T/R保护电路、接收电路和相关控制电路。其中发射电路产生窄脉冲高压负方波信号来激发压电陶瓷晶片。接收电路对接收回波信号进行阻抗匹配、放大、衰减、电平转换和滤波等，主要起信号调理的作用。T/R保护电路对发射电路产生的高压电信号进行限幅，同时让回波小信号无损通过，保护接收模拟前端放大器。控制电路主要用来控制发射电路的发射脉冲宽度和重复频率以及对接收电路进行增益调节等。超声无损探伤仪模拟前端电路的主要组成部分和信号回路。

3.3软件系统

软件系统将采用嵌入式Linux操作系统平台，具有体积小、方便可裁剪等优势。主要包括两个功能，一方面是提供人机交互接口，软件界面是仪器唯一的交互控制接口；另一方面软件提供了一套图像处理算法，包括波形位移、DAC曲线控制、闸门控制等。

3.4探头参数选取

为了避免对储能蜗卷弹簧检测时引入过多的模态，给回波信号分析增加难度。根据高压断路器大型储能蜗卷卷簧应力状态及危险区域仿真分析，各圈应力水平则由里向外依次增大，横截面上外表面受拉应力且大于内表面的压应力，各圈外表面沿轴向应力总体呈U形分布，中间小边缘大，储能蜗卷弹簧在实际使用中最容易出现裂纹的最外圈。因此，由Snell定律θ=arcsin(c/cp)，楔块材料纵波波速为2 337 m/s，可计算出储能蜗卷弹簧第1圈和第2圈周向导波频率和探头入射角以及导波模态的关系。此外，根据超声波的最小缺陷检出原理，即超声波理论可检出的最小缺陷尺寸为半波长。检测最小3 mm的缺陷导波波长最好小于6 mm。因此，选择激发的导波在储能蜗卷弹簧传播群速度粗测为2 900～3 000 m/s左右。因此，结合第1圈和第2圈激励、探头入射角和模态关系，激励频率选择1 MHz，探头角度分别为43°、46°、51°、54°。

结论

通过对频散曲线以及激励频率和探头入射角度的关系曲线的分析, 得到以下结论。

(1) 确定形状参数是影响蜗卷弹簧周向导波频散曲线频散程度的主要因素, 在各圈相同厚度的情况下, 形状参数越大, 周向导波频散程度越大。

(2) 以蜗卷弹簧最外圈为例, 计算其不同频率下的导波探头入射角和模式的关系, 通过该关系指导导波探头的设计。

通过对蜗卷弹簧各圈频散曲线的分析以及探头的设计, 为蜗卷弹簧裂纹导波检测的进一步研究奠定基础。

参考文献

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