本發(fā)明屬于機械故障監(jiān)測技術領域，尤其涉及一種有載分接開關機械故障在線監(jiān)測方法。

背景技術：

機械故障，就是指機械系統(tǒng)(零件、組件、部件或整臺設備乃至一系列的設備組合)已偏離其設備狀態(tài)而喪失部分或全部功能的現(xiàn)象。

如某些零件或部件損壞，致使工作能力喪失；發(fā)動機功率降低；傳動系統(tǒng)失去平衡和噪聲增大；工作機構的工作能力下降；燃料和潤滑油的消耗增加等，當其超出了規(guī)定的指標時，均屬于機械故障。

機械的故障表現(xiàn)在它的結構上主要是它的零件損壞和零件之間相互關第的破壞。如零件的斷裂、變形、配合件的間隙增大或過盈可以喪失，固定和緊固裝置的松動和失效等。

診斷技術發(fā)展幾十年來，產生了巨大的經濟效益，成為各國研究的熱點。從診斷技術的各分支技術來看，美國占有領先地位。美國的一些公司，如Bently，HP等，他們的監(jiān)測產品基本上代表了當今診斷技術的最高水平，不僅具有完善的監(jiān)測功能，而且具有較強的診斷功能，在宇宙、軍事、化工等方面具有廣泛的應用。美國西屋公司的三套人工智能診斷軟件(汽輪機TurbinAID，發(fā)電機GenAID，水化學ChemAID)對其所產機組的安全運行發(fā)揮了巨大的作用。還有美國通用電器公司研究的用于內燃電力機車故障排除的專家系統(tǒng)DELTA；美國NASA研制的用于動力系統(tǒng)診斷的專家系統(tǒng)；Delio Products公司研制的用于汽車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)噪聲原因診斷的專家系統(tǒng)ENGING COOLING ADCISOR等。近年來，由于微機特別是便攜機的迅速發(fā)展，基于便攜機的在線、離線監(jiān)測與診斷系統(tǒng)日益普及，如美國生產的M6000系列產品，得到了廣泛的應用。

有載分接開關是電力變壓器最關鍵的組件，在電力系統(tǒng)中承擔電壓調整 功能。其動作順序及切換過程是否優(yōu)劣、工作是否可靠，直接關系到變壓器安全運行。隨著有載調壓變壓器大量投入運行及有載分接開關頻繁動作調整，有載分接開關運行中發(fā)生的機械故障逐漸暴露出來，一旦發(fā)生故障將對變壓器及電網的安全穩(wěn)定運行造成嚴重影響。據(jù)國外資料統(tǒng)計，分接開關故障占有載調壓變壓器故障的41％，國內平均統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，分接開關的故障占變壓器故障的20％以上。有載分接開關在運行中可能發(fā)生機械傳動部位卡澀、切換觸頭卡澀、錯位松動、三相不同步等機械故障，目前還沒有在線測試和診斷這些故障的裝置。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種有載分接開關機械故障在線監(jiān)測方法，旨在解決現(xiàn)有的機械故障診斷方法存在的操作復雜，工作效率低，診斷周期長的問題。

本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的，一種有載分接開關機該有載分接開關機械故障在線監(jiān)測方法包括以下步驟：

采集有載分接開關的振動信號，采集電機的電流數(shù)據(jù)，采集轉軸轉速；對采集的振動信號、電機電流信號、轉軸轉速信號進行綜合判斷得出故障診斷結果并將數(shù)據(jù)發(fā)送至光纖網絡；

連接光纖網絡數(shù)據(jù)發(fā)送振動數(shù)據(jù)，電流數(shù)據(jù)和轉速數(shù)據(jù)和故障診斷結果進行存儲，實時分析，曲線顯示，及時發(fā)現(xiàn)有載分接開關在運行中發(fā)生的機械傳動部位卡澀、切換觸頭卡澀、錯位松動、三相不同步機械故障，實現(xiàn)有載分接開關切換過程中狀態(tài)量的在線監(jiān)測與診斷；

振動信號的采集處理方法利用到振動信號采集處理模塊，包括以下步驟：

振動傳感器將振動信號輸入到傳感器接口電路轉換為電壓信號，電壓信號經過傳感器接口電路內的高通濾波器，濾除信號中的直流分量，輸出到可編程放大器，可編程放大器接收FPGA的命令，調節(jié)信號的放大倍數(shù)，確保被采信號處于合適的電壓區(qū)間，放大后的信號輸出到抗混疊濾波電路，抗混疊濾波電路內的集成連續(xù)時間濾波器濾除信號中的高頻干擾信號，輸出到 A/D轉換電路，A/D轉換電路對輸入的信號進行16位同步采集，F(xiàn)PGA產生A/D轉換電路控制時序，讀取A/D轉換電路產生的數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)存放在FPGA內部的RAM中，DSP從FPGA內部的RAM中讀取采樣數(shù)據(jù)，提取振動信號的特征值，對數(shù)據(jù)進行FFT處理，將處理結果存放在FPGA內部的RAM中。

進一步，信號的采集處理方法同時對多路信號進行處理，每路信號都設置有獨立的可編程放大器。

進一步，該有載分接開關機械故障在線監(jiān)測方法的監(jiān)測裝置包括：由工控機、數(shù)據(jù)接收站、傳感器、信號調理電路、顯示器、鍵盤組成；

工控機通過A/D模數(shù)轉換器與振動信號采集單元的振動信號調理電路相連，振動信號調理電路連接有振動傳感器，采集振動信號；工控機通過A/D模數(shù)轉換器與電機電流信號單元的電流信號調理電路相連，電流信號調理電路連接有電流傳感器，采集電機電流信號；工控機通過A/D模數(shù)轉換器與轉軸轉速采集單元的轉速信號調理電路相連，轉速信號調理電路連接有轉速傳感器，采集轉軸轉速信號；工控機通過網卡與數(shù)據(jù)接收站相連，工控機通過I/O輸入輸出接口和繼電器與有載分接開關輔助接點相連，用于控制信號采集，工控機連接有顯示器和鍵盤；

進一步，顯示器采用LCD顯示器，鍵盤采用矩陣鍵盤。

進一步，工控機與電源模塊相連，獲取工作電源。

進一步，振動信號的采集處理方法采用振動信號采集處理模塊，該模塊包括順次連接的傳感器接口電路、可編程放大器、抗混疊濾波器、A/D轉換電路以及FPGA，所述FPGA控制可編程放大器和A/D轉換電路，F(xiàn)PGA還連接有自檢電路，為其提供測試的基準電壓，用于BIT檢測，DSP從FPGA中讀取采樣數(shù)據(jù)，提取振動信號的特征值，對數(shù)據(jù)進行處理和分析，將分析結果存放在FPGA內部的RAM中供主控板讀取。

進一步，傳感器接口電路為振動傳感器提供匹配接口，使用恒流源二極管CR220形成恒流源驅動電路，+24VDC供電，CR220輸出額定電流為2.2mA，在+24VDC和地極之間設置有保護二極管V1和V2，IOUT+和IOUT-為傳感 器驅動輸入和信號輸出復用端，振動傳感器輸出電壓信號經過隔直電容C1，濾除信號中的直流分量，電阻R2和電容C1構成RC高通濾波電路，RC高通濾波電路與LM124電壓跟隨器的同相輸入端連接，LM124電壓跟隨器連接到單刀雙擲開關的常閉端，經過自檢電路輸出到可編程放大器的同相輸入端。

本發(fā)明提供的有載分接開關機械故障在線監(jiān)測方法，能準確判斷有載分接開關機械特性，及時發(fā)現(xiàn)有載分接開關在運行中發(fā)生的機械傳動部位卡澀、切換觸頭卡澀、錯位松動、三相不同步等機械故障，實現(xiàn)有載分接開關切換過程中狀態(tài)量的在線監(jiān)測與診斷；數(shù)據(jù)處理高效，智能化程度高，可實現(xiàn)網絡化管理；制作工藝簡單、生產成本低、便于推廣使用。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例提供的有載分接開關機械故障在線監(jiān)測方法流程圖；

圖2是本發(fā)明實施例提供的有載分接開關機械故障在線監(jiān)測方法中監(jiān)測裝置的結構示意圖；

圖3是本發(fā)明實施例提供的有載分接開關機械故障在線監(jiān)測方法中監(jiān)測裝置的整體結構示意圖；

圖中：1、工控機；2、振動信號采集單元；3、電機電流信號單元；4、轉軸轉速采集單元；5、數(shù)據(jù)接收站；

圖4是本發(fā)明實施例提供的振動信號采集處理模塊原理框圖；

圖5是本發(fā)明實施例提供的振動傳感器接口電路示意圖；

圖6是本發(fā)明實施例提供的可編程放大器示意圖；

圖7是本發(fā)明實施例提供的抗混疊濾波器原理圖；

圖8是本發(fā)明實施例提供的A/D轉換電路示意圖；

圖9是本發(fā)明實施例提供的并行接口A/D轉換時序圖；

圖10是本發(fā)明實施例提供的自檢電路示意圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

下面結合附圖及具體實施例對本發(fā)明的應用原理作進一步描述。

如圖1所示，本發(fā)明實施例的有載分接開關機械故障在線監(jiān)測方法包括以下步驟：

S101：振動信號采集單元采集有載分接開關的振動信號，電機電流信號單元采集電機的電流數(shù)據(jù)，轉軸轉速采集單元采集轉軸轉速；工控機對采集的振動信號、電機電流信號、轉軸轉速信號進行綜合判斷得出故障診斷結果并將數(shù)據(jù)發(fā)送至光纖網絡；

S102：連接光纖網絡數(shù)據(jù)接收站對工控機發(fā)送的振動數(shù)據(jù)，電流數(shù)據(jù)和轉速數(shù)據(jù)和故障診斷結果進行存儲，實時分析，曲線顯示等，及時發(fā)現(xiàn)有載分接開關在運行中發(fā)生的機械傳動部位卡澀、切換觸頭卡澀、錯位松動、三相不同步等機械故障，實現(xiàn)有載分接開關切換過程中狀態(tài)量的在線監(jiān)測與診斷。

如圖2和圖3所示，本發(fā)明實施例的監(jiān)測裝置主要包括：由工控機、數(shù)據(jù)接收站、傳感器、信號調理電路、顯示器、鍵盤等組成，工控機(1)通過A/D模數(shù)轉換器與振動信號采集單元(2)的振動信號調理電路相連，振動信號調理電路連接有振動傳感器，采集振動信號。工控機(1)通過A/D模數(shù)轉換器還可與電機電流信號單元(3)的電流信號調理電路相連，電流信號調理電路連接有電流傳感器，采集電機電流信號。工控機(1)通過A/D模數(shù)轉換器還可與轉軸轉速采集單元(4)的轉速信號調理電路相連，轉速信號調理電路連接有轉速傳感器，采集轉軸轉速信號。工控機(1)通過網卡與數(shù)據(jù)接收站(5)相連，工控機(1)通過I/O輸入輸出接口和繼電器與有載分接開關輔助接點相連，用于控制信號采集，工控機(1)連接有顯示器和鍵盤，顯示器可以是LCD顯示器，鍵盤可以是矩陣鍵盤。工控機(1)還與電源模塊相連，獲取工作電源。

如圖4所示，振動信號采集采集處理模塊主要包括：振動傳感器接口電路、可編程放大器、抗混疊濾波器、A/D轉換電器、自檢電路、FPGA、DSP等電路組成。

傳感器接口電路為振動傳感器提供匹配接口，將振動信號轉換為電壓信號，輸出信號經過高通濾波器，濾除信號中的直流分量。振動傳感器接口電路如圖5所示，使用恒流源二極管CR220設計恒流源驅動電路，+24VDC供電，CR220輸出額定電流為2.2mA。圖中V1和V2為保護二極管。IOUT+和IOUT-為傳感器驅動輸入和信號輸出復用端，振動傳感器的靈敏度為100mV/g，輸出信號為±5V信號，其直流偏置電壓為+12V。振動傳感器輸出電壓信號經過隔直電容C1，濾除信號中的直流分量，電阻R2和電容C1構成RC高通濾波電路，C1的容值為22uF，R2的阻值取3.6kΩ，得到高通濾波器的截止頻率為2.01Hz，高通濾波器消除頻率低于2.01Hz的信號成分，避免這些頻率的信號影響整個增益的設置和信號的頻譜分析。經過高通濾波器濾波的振動信號輸出到LM124電壓跟隨器的同相輸入端，LM124具有1MHz帶寬，電壓跟隨器連接到單刀雙擲開關的常閉端，經過自檢電路輸出到可編程放大器的同相輸入端。

可編程放大器接收FPGA的命令，調節(jié)信號的放大倍數(shù)，每路振動信號都設置有獨立的可編程放大器。如圖6所示，REF引腳設定輸出信號的偏置電壓，此處接地，偏置電壓為0。FPGA通過數(shù)據(jù)線A0、A1設置可編程放大器的增益系數(shù)，在/WR的下降沿，將增益系數(shù)寫到相應可編程放大器的增益鎖存器中。

抗混疊濾波電路使用集成連續(xù)時間濾波器，濾除信號中的高頻干擾信號，防止采集的振動信號產生混疊。抗混疊濾波器選用MAXIM公司的MAX274，該芯片為集成連續(xù)時間濾波器，由4個二階濾波器組成?？?5V或±5V供電。由于MAX274內部沒有時鐘信號，設計的濾波器沒有時鐘噪聲，因而該濾波器適用于振動分析。使用MAXIM公司提供的MAX274軟件計算MAX274外接電阻的阻值。在軟件中設置濾波器的階數(shù)、采樣頻率和截止頻率，就可以得到 濾波器的頻率響應圖和外接電阻的阻值。MAX274中濾波器內部原理圖如圖7所示。R1、R2、R3、R4為四個外接電阻，IN為信號輸入端，LPO為低通濾波器輸出引腳，BPO為帶通濾波器輸出引腳。FC引腳接地時，RY/RX＝5∶1。在設計濾波器時，應了解振動傳感器輸出信號的有效頻率范圍。按照振動信號抗混疊濾波要求，設置濾波器的階數(shù)和截止頻率。

A/D轉換電路對輸入的多路振動信號進行16位同步采集(至少6路同步)，工程應用中，采樣頻率一般采用信號最高有效頻率的3～5倍。在本文描述的振動信號采集處理模塊中，振動信號采集頻率為96kHz，A/D轉換芯片選用AD公司的AD7656，該芯片包含6路相互獨立的16位、高速、低功耗、逐次逼近型A/D轉換器，芯片的最高采樣率可達250kHz。

供電電壓±5V～±15V?？梢砸圆⑿泻痛械姆绞脚c外接電路接口，輸出信號兼容3.3V或5V電平，因而該芯片很容易與微處理器或DSP接口。AD7656外圍電路如圖8所示，每個CONVST信號控制兩路A/D轉換器同時進行轉換。AD7656的參考電壓由外部接入，參考電壓值為+2.5V。Vdrive引腳為邏輯輸出電平，此處Vdrive接3.3V，即A/D轉換器與其它芯片接口電平為3.3V。H/S SEL引腳設置AD7576的工作模式，當H/S SEL引腳接地時，由CONVST引腳觸發(fā)A/D轉換，當H/S SEL引腳接3.3V時，由芯片內部的控制寄存器觸發(fā)A/D轉換。此處H/S SEL引腳接低電平。RANGE為輸入信號電壓范圍設置引腳，接+3.3V時，輸入信號范圍為±2*Vref。接地時，輸入信號范圍為±4*Vref。此處RANGE引腳接3.3V，輸入信號范圍為±5V。W/B接低電平，A/D轉換器并行數(shù)據(jù)總線DB[0：15]傳輸數(shù)據(jù)。由FPGA生成A/D轉換控制時序，并讀取轉換結果存放在FPGA內部RAM中。A/D轉換時序圖如圖9所示。整個采樣過程由FPGA根據(jù)系統(tǒng)要求統(tǒng)一調度，由同步信號觸發(fā)A/D轉換，當FPGA檢測到同步信號到來時，向A/D轉換芯片相應通道發(fā)出CONVST信號，采集固定點數(shù)的振動信號。在FPGA內部生成雙口RAM作為數(shù)據(jù)緩存，DSP從雙口RAM中讀取采樣數(shù)據(jù)。

自檢電路為振動信號采集處理模塊提供測試的基準電壓，用于BIT檢 測。振動信號的自檢電路原理示意圖如圖10所示。通過IN1和IN2控制SPDT開關的狀態(tài)，分別選擇輸出信號為+2.5V、0V(地)或VB(振動信號)，實現(xiàn)電路的自檢測和振動信號測量。通過采集地電平信號，可以對系統(tǒng)的零點進行校驗。單刀雙擲開關選用MAXIM公司的MAX333，該芯片包含四個單刀雙擲模擬開關，供電電壓為±4.5V～±20V，此處接±5V電源，邏輯輸入兼容CMOS/TTL電平。

FPGA產生A/D轉換控制時序，讀取A/D轉換產生的數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)存放在FPGA內部的RAM中。FPGA對可編程放大器進行控制，確保被采信號處于合適的電壓區(qū)間，從而提高采樣精度。

DSP從FPGA中讀取采樣數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行預處理，通過對數(shù)據(jù)進行快速傅里葉變換提取振動信號的特征值，利用故障診斷模型算法進行分析，將分析結果存放在FPGA內部的RAM中供主控板讀取。

本發(fā)明通過FPGA對A/D轉換進行控制，相比CPU控制A/D轉換方式，提高了采樣頻率和實時性；通過采用抗混疊濾波技術，可靈活設置濾波器的階數(shù)和截止頻率，提高了濾波器的阻帶下降斜率，增強了信號抗干擾能力；通過DSP提取振動信號的特征值，進行實時分析，減小了產生的數(shù)據(jù)量，減輕了對后端記錄設備的壓力，提高了故障維護的時效性；當轉動部件出現(xiàn)故障時，通過考察振動信號的頻率成分、振幅和相位變化，即振動信號的頻譜中出現(xiàn)異常分量，根據(jù)異常分量的特征值比對進行故障判斷和定位。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。