1.1断路器机械特性在线监测的目的及意义

近年来，随着经济的繁荣发展，电力系统的容量与能量的需求不断地增加，对电力系统的可靠性和经济性也提出了越来越高的要求。高压断路器作为发电和配电之间的联系环节，其可靠运行对于保证电网的安全意义重大。高压断路器在电力系统中起着两方面的作用：一是控制作用，即根据电网运行要求，将一部分电气设备或线路投入或退出运行状态，转为备用或检修状态；二是保护作用，即电气设备或线路发生故障时，通过继电保护及自动装置动作高压断路器，将故障部分从电网中迅速切除，保护电网的无故障不烦你得以正常运行。

    国际大会议对高压断路器的可靠性进行过两次世界范围的调查，我国也对高压开关事故进行过大量的统计分析。相应的调查和统计报告均表明，高压断路器的故障80%是机械原因，大多数故障是操动机构的问题。以往对高压断路器机械特性的检查主要是在设备交接及停电期间结合检修定期进行预防性试验，更换部件，检查操作机构的机械特性。由于电力系统中高压断路器的数量很多，因此检修量大且费用高。根据相关统计资料的数据，变电站维护费用的一半以上是用在高压断路器上，而其中60%又是用在断路器的小修和例行检修上。另外根据统计有10%的断路器故障是由不正确的检修造成的；断路器的大修完全解体，既费时间，费用又高，而且解体和重新组装会引起很多新的缺陷。因此如何对断路器的工作状态进行有效的检测，及时发现断路器的早期故障，对缺陷部位进行提前处理，避免断路器故障恶性发展，防止断路器爆炸等恶性事故的发生，对于故障电网的安全可靠运行有着十分重要的意义。

    断路器的状态检测为实现计划检修到状态检修的转变创造了条件。长期以来的计划检修、盲目解体拆卸，浪费了大量的人力、物力、财力，同时也造成了停电损失和设备寿命的降低。目前，电力系统各个单位正致力于高压断路器计划检修到状态检修的转变，不再以投入年限和动作次数为衡量标准，而是以设备的实际状态为检修依据。近年来，人们已经发现，依靠设备的在线监测与诊断技术，实现设备的状态检修，可以达到电力系统的下述要求：

（1）产品的质量问题使运行可靠性受到影响，采用在线监测可以在运行中及时发现事故隐患，防患于未然。

（2）逐步采用在线监测代替停电试验，减少设备的停电时间，节约试验费用。

（3）对老化设备或已知有缺陷、有防患的设备，用在线监测随时监视其运行情况，一旦发现问题及时退出，最大限度的利用其剩余寿命。

   由于现有的高压断路器监测装置难以实现机械特性的在线监测、缺乏足够的数据积累、机械故障诊断的分析能力也不足，因此，开展高压断路器的机械特性监测技术的研究工作具有重要的学术意义和实用价值。

1.2断路器机械特性在线监测的发展现状

断路器的检测技术大体上经历了从离线测试、周期性在线检测、长期在线监测的发展过程。据资料介绍，美国于1995年颁布了“电气设备绝缘诊断方法导则”，现已转向为以机械特性在线监测为主，并已制定出有关标准。日本20世纪80年代开始进入以机械状态监测为基础的预知维修时代，该项技术的研究与应用进展很快，并已积累了大量数据与经验，逐步形成了一些标准和较成熟的方法。如今，一些发达国家对高压开关设备的机械特性诊断技术已日趋成熟，并且已有了功能较齐全、抗干扰性能较高的产品。在我国，断路器机械特性在线监测技术发展起步较晚，近年来，国内一些单位和厂家也在开展断路器机械特性监测和故障诊断方面的工作。1992年吉林电业局曾立项“断路器机械特性的监测”；1995年清华大学高压教研室研制了CBA—1高压断路器机械参数测量分析系统，该系统可以监测合、分闸线圈电流、行程一时间特性曲线及振动信号。此时的研究工作主要是围绕着断路器状态检修进行的。随着研究的深入，先后生产了自己需要的高压断路器机械特性在线监测装置，不过都存在着只能对其中的一个或几个机械特性参量进行监测的问题，检查结果的适用性和部分项目的检测方法仍然很不理想。目前，高压断路器机械特性在线监测技术存在着一些值得注意的问题：

（1）选择合适的传感器以及对不同的高压断路器机构安装适应性差的问题，即针对不同电压等级和不同操动机构的断路器所选择的传感器类型也不一样；

（2）以往在线监测装置所关心的是机械参量的计算结果，而对机械运动的过程关心不多；虽然现有的在线监测模块也可以测量合、分闸特性曲线，但对于机构的状态仍然只能做出好或坏的判断，却判断不了故障究竟发生在什么部位；

（3）数据处理的问题，目前对机械特性在线监测主要是测量合、分闸时间，平均速度等，根据这些测量值，经过简单的阈值判断来对机构状态做出预测。因此，现有的机械特性在线监测装置功能不完善，缺乏足够的数据积累，即使有了大量数据，故障诊断的分析能力也不足；

（4）在线监测装置模块寿命过短，安装维护困难，价格过高而精度不够高。

综上所述，高压断路机械特性的在线监测技术发展起步较晚，还需要进一步完善。

1.3本课题的主要研究工作

针对高压断路器机械特性在线监测技术的国内外研究及发展现状，以及从高压断路器状态维修的要求来看，高压断路器在线监测的内容十分广泛，本课题具体分析总结了断路器行程-时间特性的监测、分合闸线圈电流的监测两种主要在线监测方法的基本原理和特性，还阐述了小波变换在断路器机械特性在线监测中的应用。

2断路器机械特性在线监测原理

2.1高压断路器的简介

断路器是电力系统最重要和性能最全面的一种开关电器。断路器起着控制与保护的作用，能在有载、空载以及各种短路工况下完成规定的合分任务或循环操作。它区别于其他开关设备的显著特点是必须具备高效的灭弧装置。因为在高压电流的条件下不易开断电流，开断过程产生的电弧不熄灭，电路就不能断开，无论是高压断路器还是低压自动空气断路器（也称自动开关） 都必须具有强有力的灭弧能力。

2.1.1高压断路器的概念、特点及组成结构

高压断路器指额定电压在3kV以上的断路器。在电力系统中一般指110kV以上的输配电断路器。它可以根据电网运行的需要，控制指定的线路或电力设备退出或投入运行，起控制作用；另一方面一旦系统发生故障它又可以及时切除故障点，保证电网无故障部分的安全运行，起保护作用。总之，断路器能开断、关合及承载运行电流和短路电流。如果它们在运行中出现故障，小则引起一条线路、一个小区域的断电，大则引起系统事故的连锁反应，造成不可估量的损失。

因此，高压断路器及其运行可靠性直接关系到整个电力系统的安全运行和供电质量，在电力系统中起着十分重要的作用。图2-1为断路器的典型结构图。高压断路器按功能可分为以下几部分：

（1）导电部分：断路器导通电流的部分。它允许通过长时间的正常负荷电流和一定时间的异常电流，如过负荷电流和短路电流。

（2）绝缘部分：保证断路器电气绝缘的部分。它包括三个基本方面，即对地绝缘、相间绝缘和断口绝缘。

（3）接触系统和灭弧装置：执行电路的开断和关合的部分。它表征断路器的合闸和分闸能力。

图2-1  断路器典型结构图

2.1.2高压断路器的操动结构与机械寿命

操作机构是高压断路器的重要组成部分。带触电的开关电器，只有通过触头的分(合)动作才能达到开断与关合电路的目的，因此必须依靠一定的机械操作系统才能完成。断路器的操作机构由储能单元、控制单元和力传递单元组成。高压断路器的操作机构有很多形式，如弹簧操作机构、气动操动机构、液压操动机构、液压弹簧机构等。高压断路器的触头在各种条件下可靠地分合，主要是由操动能源和传动机构的动作来完成。其动作的特点是：执行任务与完成任务时，机构系统处于瞬变过程中，故机构动作有冲击、振动以及其它一些非稳态性质；在闭合通电位置时，可能长期不动作，一旦发生事故，又要求它动作准确可靠。由于断路器机构动作上的特点，对高压断路器操动机构与传动机构的可靠性的要求就显得特别重要。据有关资料统计：高压断路器的操作事故中有70%~80％是由于断路器机械方面的原因造成的。与断路器的电损耗一样，断路器在开断短路电流时，机件上的损坏也有一个长期的累过程。多次操作后，一些传动、操作机构中所用的金属零件的强度和刚度变差，易锈蚀变形而造成卡死，使断路器难以断开。虽然在开断小电流的情形下，对触头电寿命的影响是非常小的，即使许多次的开端，也仍未达到它的电寿命。但是，每一次的开断以及一定的动作时间和速度都会对断路器的机械部分产生一定程度的损伤。所以，在确定断路器的须考虑的另一因素便是断路器的机械寿命。通常情况下，以断路器的开械寿命的重要指标。

2.1.3高压断路器的机械故障类型介绍 

所谓故障是指系统或设备不能完成预定的功能。这里所说不能完成预定的功能既指系统的完全失效，也包括系统的缺陷。如系统能工作但是输出特性和参数已经偏离原定的指标，通过一套征兆来完成对系统故障和缺陷性质的确定过程就叫做诊断。断路器最常见的机械故障类型有：拒分、拒合、误分、误合等。在操动机构和传动机构上具体表现为：机构卡涩；部件变形、位移或损坏；分合闸铁芯松动、卡涩；轴销松断；脱扣失灵等。在电气控制及辅助回路上表现为二次接线接触不良、端子松动、辅助开关切换不灵、操作电源故障等。另外，中国电力科学研究院开关所长期从事高压开关设备检测试验的科研人员调查得出，检测试验中出现频度比较高的机械故障问题是：各种原因造成的分合闸线圈烧毁，万能转换开关损坏，锁扣机构疲劳、磨损，主轴断裂等。具体的故障现象及原因如表2-2所示：

表2-2弹簧机构常见异常现象

2.2高压断路器机械特性在线监测

众所周知，断路器与其他电气设备相比，机械部份零部件特别多，加之这些部位动作频繁，因此而造成故障的可能性就多。我国电力科学研究院对全国6kV以上高压开关故障原因统计分析中看出，在拒动、误动故障中因操动机构占41.63％；国际大电网会议(CIGEI)资料也表明，操作机构故障占43.5％，由此可见，无论是国内还是国外，机械性故障是构成断路器故障的主要原因，所以对断路器机械状态的监测以及健康状况的诊断甚为重要。

2.2.1断路器合闸、分闸线圈电流监测

高压断路器一般都是以电磁铁作为操作的第一级控制件。大多数断路器均以直流为其控制电源，故直流电磁线圈的电流波形中包含着诊断机械故障的重要信息。线圈的直流供电电路如图2-3所示。图中L的大小取决于线圈和铁芯铁轭等的尺寸，并与铁芯的行程S（即是铁芯向上运动经过的路程）有关密切关系。其值随着S的增加而增加，如图2-3所示。

图2-3断路器分合闸电路图

    设铁芯不饱和，则L与i的大小有关，电路中开关K合闸后，由图2-3电路图得

                                                （2-1）

式中，w为线圈的磁链，，于是，上式可变为   

                                            （2-2）         

式中可由图2-4示求出，不同S处的即为曲线在S处的斜率；为铁芯的运动速度。图2-5断路器操作时，线圈中的典型电流波形图根据铁芯运动过程波形图可分为以下四个阶段。

图2-4 L-S曲线                                图2-5线圈电流波形图

（1）铁芯触动阶段                         

在t=t0~t1的时间段，t0为断路器分（合）命令到达时刻，是断路器分、合时间计时起点；t1为线圈中电流、磁通上升到足以驱动铁芯运动，即铁芯开始运动的时刻。在这一阶段，L=L0为常数则式（2-2）可改为

                            （2-3）

带入起始条件时可得

                        （2-4）

这是指数上升曲线，对应图2-4中~的电流波形起始部分。

（2）铁芯运动阶段

在间，铁芯在电磁力的作用下不，克服了重力、弹簧力等阻力，开始加速运动，知道铁芯上端面碰撞到支持部分停止运动为止。此时>0，L也不再是常数，将按照式（2-2）变化。通常>0，>0,表现为随时间不断增大的反电势，通常大于U，故为负值，即在铁芯运动后迅速下降，直到铁芯停止运动，重新为零为止。根据这一阶段的电流波形，可诊断铁芯的运动状态，例如铁芯运动有无卡涩以及脱扣、释能机械负载变动的情况。

（3）触头分、合闸阶段

在t=t2~t3间，铁芯已停止运动=0，的变化类似于式（2-3），但L=Lm（S=Sm时的电感）时有    

                                              （2-5）

因,故电流比第一阶段上升的慢。这一阶段是通过传动系统带动断路器触头分、合闸的过程。是铁芯停止运动的时刻，而触头则在t2前后开始运动，t3为断路器辅助接点切除时刻，或可以反映操作传动系统运动的情况。

（4）电流切断阶段

t=t3时，辅助接点切断后随之开关K断开，在其触头间产生电弧并被拉长，电弧电流i随之减小至零直至熄灭。

综合以上几个阶段情况，通过分析i的波形和t1，t2，t3，I1，I2，I3等特征值可以分析出铁芯启动时间、运动时间、线圈通电时间等参数，从而得到铁芯运动和所控制的启动阀，铁闩以及辅助开关转换的工作状态，即可以监测出操动机构的工作状态，从而预告故障的前兆。例如I1，I2，I3三个电流分别反映电源电压、线圈电阻以及电磁铁动铁芯运动的速度信息，可作为分析动作的参考。图2-6所示波形国产CY-1型液压机构各种状态的电流波形，其他操作机构与此大致相同。

I1I/2

       (a)正常波形                          （b）铁芯吸力不足获阻力过大

 （c）铁芯卡涩或空行程太小                   （d）铁芯行程太小或空行程均小

图2-6 断路器操作线圈电流典型波形

     2.2.2断路器操动机构行程及速度的监测      

断路器行程的监测可选用光栅行程传感器、电阻行程传感器等，当装在做直线运动机构上可选用直线式行程传感器，若安装在操动机构的转动轴上则应选用旋转式传感器。传感器输出的脉冲信号经光电隔离、整形、逻辑处理、数据采集后可得到断路器操作过程中的行程时间特性曲线。根据测得的行程时间特性曲线可计算出以下参数：平均速度、分后合前10ms内的平均速度。

在线监测的困难在于行程传感器不能安装在动触头上，因此不能直接测得锄头行程，为此要进行折算或重新制定监测用的技术条件。

2.2.3断路器振动信号的监测

监测断路器操动时发出的机械振动信号也可用来诊断高压断路器机械系统的工作状态。因为高压断路器是一种瞬动式机械，在动作时，具有高度冲击、高速度运动的特点。其动作的驱动力可达到数万牛以上，在几毫秒的时间内，动触头系统能从静止状态加速到每秒几米，加速到100倍于重力加速度的数量级；而在制动、缓冲过程中，撞击更为强烈。这样强烈的冲击振动提供了更为敏感的信息，易于实现监测。

机械振动总是由冲击受力、运动心态的改变引起的。在断路器结构上，动作一般由操动机构的驱动器经过连杆机构传动，推动动触头系统。在一次操作过程中，有一系列的运动构件的启动、制动、撞击出现，这些状态的改变都在其结构构架上引起一个个冲击振动。振动经过结构部件传递、衰减，在传感器测量部位测到的是一系列衰减的冲击加速度波形。这些振动都可以与结构件的运动状态变化找到相应的关系，这就为状态监测与故障诊断提供了可能。

3 断路器在线监测中的小波应用

断路器有很多故障能够从相关监测量的波形上直接表现出来。例如操纵系统的线圈卡塞故障，会在分合闸线圈电流波形上产生异常；基座螺丝松动，会使振动波形异常；触头烧损严重、拉杆和转轴连接部分发生卡塞，则会影响触头行程与速度，对这些信号进行分析，可以掌握信号的特征和性质，诊断断路器的状态。    常规的信号频谱分析一般采用离散傅里叶变换(DFT)或快速傅里叶变换(FFT法，部分和突变部分的准确时间窗口。从原则上讲，凡传统方法中使用傅立叶变换的

地方都可以用小波变换来代替。小波变换在时域和频域分析中同时具有良好的局部性，而且由于高频段采取逐步精细的时频步长，可以聚焦到分析的任意细节，能够有效的找到信号的畸变点。断路器某些监测量的波形(如分合闸线圈电流波 形、动触头行程波形)上的一些畸变点是判断断路器机械故障和电气故障的重要

依据，而使用小波对这些监测量波形处理可以方便地找出畸变点的位置，判断断路器故障类型。

3.1 小波分析的概念

小波分析(Wavelet Analysis)是20世纪数学研究成果杰出的代表之一。它作为数学科学的一个分支，汲取了现代分析数学中诸如泛函分析、傅立叶分析、数值分析、样条分析、调和分析等众多分支的精华。小波分析是非平稳信号分析的一种有力数学工具，它具有两个重要的数学实体“小波变换”和“小波级数”组成。小波分析属于时频分析的一种。

小波变换是从傅立叶变换的基础上发展起来的。自从1822年傅立叶(Fourier)发表“热传导解析理论”以来，傅里叶变换一直是信号处理领域中最完美、应用最广泛、效果最好的一种分析手段

小波分析的目的是“既要看到森林(信号的概貌)，又要看到树木(信号的细节)”，故被誉为“数学显微镜”。小波分析是一种窗口的大小固定、形状可变的时频局部化信号分析方法，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频率分辨率。

设,其中表示平方可积的实数空间，能量有限的空间信号，其中傅立叶变换为。当满足容许条件：

                                         （3-1）

这里，=R-{0}表示非零实数的全体。则称为小波母函数，对于任意的实数对（，），其中参数a必须是非零常数，如下形式的函数：

                            （3-2）

其中为尺度函数，为平移参数。以上函数是由小波母函数生成的依赖与参数（，）的连续小波函数，简称小波。

对于任意的函数或者信号，其小波变换定义为：

         （3-3）

由上式可以看出，作为积分核的小波变换函数，它不是正弦函数，而且该函数不是唯一的。在随时间变化的同时，它还受到尺度函数和平移参数b的影响。

小波变换是将信号分解为小波的组合。通过选择合适的小波函数，就可以观察到信号的局部特性，实现对信号的深层次处理。小波变换既可以处理平稳信号、突变信号、具有孤立奇异性的信号和自适应信号。

小波分析的优越性如下：

(1)不需要特别的假设和局限于数据的特定类型模式；

(2)可以在时频域同时实现对时间序列的分析预测，而傅立方法只能实现频域分析；

(3)提供局部分析与细化能力；

(4)小波运算量相对来说更低。

3.2小波函数的选取

与标准傅里叶变换不同的是，小波变换中用到的母小波函数更多样，更灵活。理论上只要满足容许性条件的函数都可以作为小波变换的母小波，但是不同类型的母小波性质差别很大，直接影响小波变换的结果，因此母小波函数的选取是小波应用的关键。目前主要通过小波分析处理信号的结果与理论结果的误差来选择母小波函数。

母小波函数选取一般有以下原则：

   （1）正交性(或近似正交性)、紧支性(有限区间以外恒等于零)、可进行离

散小波变换等性质。

   （2）尺度函数和小波函数都具有一定的消失矩，这种特性有利于加快小波变

换的速度。

    (3)在不同分辨率具有非常好的多项式函数近似，增加分析计算的效率。

    (4)能够比较容易地直观显示信号的特性，同时还能检测其它潜在的时变扰 动。

实际上，我们无法构造一个具有完美性质的小波函数。因此，在实际工程应用中，针对不同的被研究信号，不同的研究目的和方向，构造不同的母小波函数。 目前，已存在不同的母小波函数，如Haar小波、Daubechies小波、coiflets小波和Symlets小波等。小波变换其实质是用一系列的小波基函数逼近某个信号的过程，即使对同一信号，由于不同的母小波函数在正交性、紧支性、平滑性甚至对称性上表现出不同的特性，信号的处理效果是不同的。

本文主要是对断路器机械特性信号进行小波分析，因此需要检测信号的奇异性和信号特征的抽取，综合比较几种母小波特性和处理后信号与原始信号的标准差，以处理合闸线圈电流为例，分析结果见下表。根据多分辨率理论，分解层数越高，小波处理效果越好，但是相应处理时问也越长，为了兼顾处理时间和效果，方便比较，统一进行5层小波分解。

表3-1各种母小波特性及标准差

令其中 为二项式系数，则有

Daubechies小波具有以下特点：

（1）在时域上是有限支撑的，即长度有限。而且高阶原点距N值越大，的长度越长。

（2）在频域上在=0处有N阶零点。

（3）和它的整数位移正交归一，即。

（4）小波函数可以有所谓的“尺度函数”求出来。尺度函数为低通函数，长度有限，支撑域在范围内。

是的位加权和： 

                                       （3-4）

K值从2-2N到1，N值不同，权重也不同。由于为有限支撑，所以式（3-4）中求出来的也是有限支撑，为2N-1，起于1-N，终于N处。

3.3小波去噪 

    在实际信号的采集过程中，由于各种复杂的现场原因带来的噪声干扰会降低 许多方法的有效性，甚至会使它们失效。传感器一般安装断路器内部，采集的信号不可避免地受到高磁场的干扰，断路器在开合闸瞬间产生的振动也是信号的干扰源。因此，非常有必要对采集到的信号进行去噪，尽可能地还原出“清洁”信号。随着小波理论研究的不断深入，利用小波变换进行信号去噪及重构逐渐成 熟。

    到目前为止，小波去噪的方法大致可分为三类：

    第一类方法是基于小波变换模极大值原理。

    第二类方法是对信号作小波变换后，计算相邻尺度间各点小波系数的相关 性，根据相关性的大小区别小波系数的类型，从而进行取舍，然后直接重构信号。 

    第三类方法是Donoho等人提出的小波阈值去噪方法，也就是通常所说的软阈值和硬阈值去噪方法：即在众多小波系数中，把绝对值较小的系数置为0，而让绝对值较大的保留，得到估计小波系数(Estimated Wavelet Coefficients，简称EWC)，然后利用估计小波系数直接进行信号重构，即可达到去噪的目的。 由于这种方法比较简单实用，得到了广泛使用，本文选取的去噪方法原理就是基于该类。

     阈值的选取直接影响信号去噪的质量。因此选择适当的数A作为阈值，把低于A的小波系数(主要由噪声引起的)设为0，而对高于A的小波系数予以保留或进行收缩，从而得到估计的小波系数。，然后对进行重构，就可以重构原始信号。

硬阈值法：

软阈值法：

其中，为小波高频系数的标准差，N为小波分解的层数，为小波变换系数。

现以某一种特定信号作为处理对象分别用硬阈值法和软阈值法进行分析。从而得到硬阈值和软阈值作用于合闸线圈电流信号的作用效果。如图3-1所示，可以看出，采用阈值值去噪的方法能够有效去噪，相比较而言，软阈值去噪效果优于硬去噪。

图3-1对直线作用硬阈值和软阈值的结果

    可以看出，采用阈值去噪的方法能够有效去噪，相比较而言，软阈值去噪效果优于硬阈值去噪。

3.4利用小波处理断路器行程信号

由于开关设备小型化技术的不断发展，许多断路器的外形结构尺寸已缩小到接近极限，这使得动触头附近可供安装位移传感器的空间非常有限，传统的直线位移传感器由于尺寸的难以在实际中使用，考虑到断路器在分合闸过程中，动触头的行程与主轴转动角度之间有一定的对应关系，因此测得主轴的角位移曲线，即可间接得到动触头的直线位移曲线。断路器的主轴处于低电位，距离高压部位较远，不存在高电位隔离的问题，而且一般情况下主轴附近的可用空间大，能够方便地安装角位移传感器，这种间接测量的方式对多种型号的断路器都适用，我们选用了一种精密的导电塑料电位器作为角位移传感器，安装在操纵机构的主轴上，传感器的转轴与断路器的主轴通过连接件紧固连接，该传感器有很高的测量线性度和分辨率。

  在监测的行程信号中，包含部分突变部分，因此要对信号进行预处理，将信 号的噪声部分去除，提取有用信号。下面我们用小波对信号进行处理，分三个步骤：

  （1）分解过程：选定一种小波，对信号进行多层小波分解，这里我们选用上节介绍的Daubechies小波；

 （2）作用阈值过程：对分解得到的各层系数选择一个阈值，并对细节系数使用软阈值处理； 

（3）重建过程：降噪处理后的系数通过小波重建恢复原始信号。

3.4.1合闸过程 

  断路器的合闸操作过程是断路器接受到合闸指令开始的，在接受到合闸指令后。合闸线圈回路启动储能机构释放能量，产生很大的作用力驱动动触头开始运动，将储能机构的能量转化为触头运动的形式释放。这样触头的运动速度会逐渐增大，然而在运动过程中，触头会遇到各种摩擦和碰撞等阻力的影响，并且机械传动机构也会有摩擦和碰撞等阻力消耗储能。随着动触头沿着合闸方向的运动，在距离静触头一定位置上会产生电弧，而电弧产生的电动力对动触头来说是阻力，将消耗部分能量。接下来，动触头会跟静触头接触，电弧熄灭。这就是所谓的刚合时刻的位置，在此以前，动触头运动的行程称为空行程，随后，动触头继续前进，达到合闸位置，并且机构保持合闸状态。这段过程叫做超行程，在这个过程中，动静触头的摩擦及缓冲器的作用会大大降低动触头速度，避免产生大的撞击。通过分析，可以得出动静触头刚刚接触的时刻就是动触头速度最大的时刻。

合闸行程-时间特性曲线如图3-2所示。

图3-2 合闸-行程时间特性曲线

我们看到原始采样数据由于传感器受到震动影响而有突变点，这些点我们称之为信号的奇异点，如果不对数据进行处理直接求取触头速度得到图3-3

                               图3-3 直接求取的速度图形

从图3-3可见，由于奇异点的存在，无法正确求取出断路器分合闸速度，为此对原始数据进行小波分解，用db1小波进行6层分解重构得到消噪后的图形，如图3-4所示。

图3-4 消噪后的图形

3.4.2分闸过程

    断路器的分闸操作过程是自断路器接受到分闸指令开始的，此时分闸操动线圈回路通电，产生的电磁力推动铁芯顶杆，分闸储能机构释放能量，通过机械连接机构驱动动触头开始运动，动触头和静触头之间的摩擦力和碰撞会对触动触头将和静触头分离，这就是刚分时刻的位置，此段运动过程就是超行程。随后，动触头将继续沿分闸方向运动，动静触头间出现电弧。此时虽然没有了动静触头间的摩擦力，可电弧的电动力会影响动触头的速度。但受力分析显示，动触头在刚分位置应该具有最大的加速度。随后动触头继续分闸操作，电弧熄灭，缓冲器使得动触头停止下来，直到停止在分闸位置，这是分闸操作的空行程部分。动触头和静触头分开之后，由于阻力相对减小，速度继续增加至最大值，在此期间加速度应该会一直减小，速度最大值所对应时刻前，距离该时刻最近的加速度局部最大值所对应的时刻，就是分闸操作的刚分时刻。利用这个特点，可以通过计算分闸操作过程中的行程曲线的加速度来获得动、静触头的分离时刻，从而以较简单的方式获得断路器分闸操作的分闸时间。

3.5 小波降噪和傅里叶降噪法

对某一信号降噪的方法有小波降噪和傅里叶降噪，其中小波降噪又包括通过抑制细节系数降噪、通过全层阈值和分层阈值降噪等方法。下面我们将详细介绍这几种降噪方法，并将对同一信号的降噪结果进行比较，得出这几种降噪方法的各自的优势和缺陷，从而找到对信号进行降噪的最佳方法。

3.5.1傅里叶降噪法 

通过使用FFT对信号降噪方法与小波变换对比，就能看出小波变换在时间频域的处理的优点。现在以nosisdopp信号为例，先对其进行傅里叶变换，求出其频谱，频谱图如图3-5所示。

图3-5  noisdopp信号FFT下定的频谱

由图3-5可看出信号的能量主要集中在低频部分，在20HZ以后迅速衰减为零，50HZ以后就几乎没有能量了。这样我们可以通过低通一个简单的低通滤波。通过低通滤波处理得到的结果如图3-6所示。

图3-6 用在频域中低通滤波器对信号降噪的结果

我们将得到的结果与所用在小波域中抑制噪声的能量没有FFT滤波器的结果高，但是却保持了更高的与原信号的相似度。

通常意义上降噪的两个准则，光滑性和相似性在时间和频率上两个空间体现的比重不同从时域分析的角度，更容易体现信号的相似性，而不太好处理信号的光滑性，因为时域可以很好的判断信号的动态性质，而在频域中，可以很方便的过滤掉高频的噪声信号，但是在原始信号中能量比重很小的很多有用信号也可能因此被过滤掉。

在这个意义上，小波分析的多分辨概念有了广泛的应用空间，展开之后的小波系数，既可以保持根据某些频段的系数做滤波，更重要的是可以根据某些频段分离出来的系数随时间的变化，通过某些准则来判断其是信号本身所包含的信息，还是在统计上无规律定的噪声。

3.5.2小波降噪法

（1）通过抑制细节系数降噪

在小波分解过程中，每次分解得到的近似系数比以前更光滑，舍去的细节信息就存放在各层细节系数中，那么一个简单的思想是重建第i层近似系数达到降噪的目的，那么进一步，为了保持原相对完整的信息我们可以有选择的抑制各层的细节系数，也能实现这个目的，现我们对noisdopp信号通过抑制部分细节系数来实现信号平滑。结果如图3-7所示。

图3-7通过抑制细节系数方法对noisdopp信号的降噪结果

通过此例子可以看出，使用单纯的抑制细节系数的方式，确实可以实现消除信号噪声的目的，但这种方式太过于粗略，因为这样做没有利用噪声本身的信息，没有通过噪声本身来确定降噪的方法，所以作为衡量相似性的标准差仍然很大，而且降噪后的信号损失了很多原信号的能量成分，这就说明了我们在降噪的过程中，不仅抑制了噪声，也抑制了很多有用的信息成分。

（2）使用全局阈值和分层阈值对信号进行降噪

前面我们已经从降噪的基本思想出发，讨论了在小波域和频域对信号噪声抑制的方法，将这两种方法得到的噪声结果进行了比较，但是从严格意义上来讲，这些都不是很好的符合降噪的两个基本要求——光滑性和相似性。前面介绍的阈值控制法理论上指出了一种在小波域对系数进行操作，使得降噪信号最大程度的满足这两种要求的方法，这就是所谓的“小波收缩”，其原理就是根据方差最小的的原则对系数的无偏似然估计确定阈值的方法。通过小波工具箱对信号进行降噪的命令哦降噪中的应用，wdencmp来进一步说明小波变换在其中阈值的选取有两种方式：全局阈值和分层阈值。现仍然对noisdopp信号为降噪对象。

图3-8使用全局阈值和分层阈值对信号降噪的结果

从图3-8可以看出，全局阈值和分层阈值的方法很好的保留了信号发展初期的高频特性，且性能优于之前的抑制细节系数和FFT方法。在这两者之间，分层阈值虽然损失了部分性能，但比全局阈值的结果光滑了很多。而且信号发展初期的高频系数也几乎不受影响，最大限度的反映了原信号本身的性质。因此在对分合闸线圈电流降噪时，我们采用的是全局阈值和分层阈值降噪法。

3.6利用使用全局阈值和分层阈值处理分合闸线圈电流信号

分合闸线圈是控制断路器动作的关键元件，利用霍尔电流元件可以方便地检测其电流电压。无论何种操动机构，例如电磁、弹簧、永磁、液压等操动机构中，都装有分合闸线圈。通过线圈电流波形可以诊断出很多机械故障。下面以弹簧操动机构合闸线圈为例，利用小波函数分析其分合闸线圈电流，并对分闸线圈电流信号进行降噪。

  图3-9为正常情况下弹簧操动机构的合闸线圈电流波形以及使用全局阈值和分层阈值对其进行降噪的结果。

图3-9 使用全局阈值和分层阈值对信号降噪后的结果

从图中可看出，用全局阈值和分层阈值对分合闸线圈电流降噪后的信号很好的保留了原有先好的相似性和光滑性。分层阈值虽然损失了部分性能，但比全局阈值的结果光滑了很多。而且信号发展初期的高频系数也几乎不受影响，最大限度的反映了原信号本身的性质。

3.7结论 

    由于小波变换具有良好的时频局部化特性，用小波变换进行断路器在线监测，克服了传统检测方法对突变点定位的不足，可以有效地去除断路器在线监测信号中含噪部分，提取出信号的主要特征，为正确判断断路器健康状态和制定检修计划提供依据，提高电力系统的运行水平和供电质量。

4 总结和展望

4.1总结 

    在中国经济持续保持高速增长的时代背景下，电能需求越来越旺盛，电网的安全可靠运行将直接影响地区和国家的经济稳定甚至社会的和谐发展。断路器在电网中担负着在正常和故障条件下分合主电路的任务，同时也是易损设备之一，相对而言单个断路器的价格不高，但是断路器发生故障或事故时会引起电网其他事故或事故扩大，造成相当大的经济或其它方面的损失。随着变电站综合自动化水平的进一步提高，要真正实现变电站无人值守，大力开展变电站电力设备实时在线监测技术研究是发展的必然，断路器实时在线监测技术研究是整个变电站电力设备状态监测体系的重要的组成部分。本文提出一种性价比较高、可扩展性强、通用性好的断路器在线监测装置结构。该结构因具有较高的性价比，尤其适合中小型变电站断路器综合状态监测的需要，同时也能够方便的通过扩展来实现大型变电站的断路器的状态监测。本文还对状态监测原理做了些改进，在信号去噪、确定断路器开断时刻和断路器的机械特性监测中引入了小波变换方法，能够比较 准确的确定断路器机械特性监测中时间、速度和加速度等参量，减少在现场装设的传感器数量，及时了解和诊断断路器的工作状态。

4.2展望

     本课题设计研发的断路器在线监测系统还有待于解决以下不足：

(1)状态监测量传感器选择及测量方法方面要做更深入的研究，选择能更

准确测量监测量的传感器和更合适的测量方法。

(2)要进一步完善后台软件和诊断分析软件的研发工作。 

(3)完善对断路器各性能的评估方法。

(4)密切关注国内外断路器在线状态监测系统的研究发展现状，完善设计

研发的产品。

参考文献

[1]沈力.高压断路器机械状态监测的研究.中国电机工程学报,1997,23（9）：35~39

[2]狄美华.开关电器触头电寿命诊断方法综述.高压电器,2004,40(3):201~204

[3]栾鑫.基于小波变换的断路器在线监测系统研究.南京:河海大学,2008

[4]江渭涛.断路器机械特性在线监测的研究.东南大学硕士论文,2010

[5]沈力,黄瑜珑.高压断路器机械状态在线监测研的研究.中国电机工程学报,1997,17(2):113~117

[6]唐专敏,范兴明,黄知超等.高压断路器机械状态的评估和诊断方法.桂林科技大学学报,2011,31(1):78~81

[7]关永刚，黄瑜珑，钱家骊.基于振动信号的高压断路器机械故障诊断.高电压技术,2000,26(3):66~69

[8]刘志刚,曾怡达,钱清泉.多小波在电力系统信号消噪中的应用.中国电机工程学报.2004,24(1):30~34

[9]冯象初,甘小冰,宋国乡.数值泛函与小波理论.西安:西安电子科技大学出版社,2002.

[10]王昌长,李福祺,高胜友.电力设备在线监测与故障诊断.北京:清华大学出版社,2006.

[11]高志,余啸海.Matlab小波分析与应用.北京:国防工业出版社.

[12]Starek,Albert. Filtering and de-convolution by the wavelet transform. Singnal Processing.1994.25(2):11~22

[13]徐国政,张节荣,黄瑜珑等.高压断路器原理和应用.北京:清华大学出版社.2000.

[14]陈建志.高压断路器在线监测技术的研究.电测与仪表,2007,44(497):12~18

[15]苏毅兵.高压断路器在线监测与故障诊断.农村电气化,2007,12(1):34~38

[16]林萃.现代高电压技术.北京:机械工业出版社.2002.

[17]Shaohua Ma,Jimei Wang.An Approach for Detection and Fault Diagnosis of Vacuum Circuit Breakers.IEEE Transaction on Dielectrics and Electrical Insulation,2002,9(2):226~229

[18]程正兴.小波分析算法与应用.西安:西安交通大学.1997

[19]杨福生.基于小波变换的工程分析与应用.北京:科学出版社.2000

[20]黄凌洁.高压断路器的状态监测与故障诊断.北京:北京交通大学.2007下载本文