断路器机械特性的在线监测的研究

目录

1 绪论 (1)

1.1断路器机械特性在线监测的目的及意义 (1)

1.2断路器机械特性在线监测的发展现状 (2)

1.3本课题的主要研究工作 (3)

2断路器机械特性在线监测原理 (4)

2.1高压断路器的简介 (4)

2.1.1高压断路器的概念、特点及组成结构 (4)

2.1.2高压断路器的操动结构与机械寿命 (5)

2.1.3高压断路器的机械故障类型介绍 (6)

2.2高压断路器机械特性在线监测 (7)

2.2.1断路器合闸、分闸线圈电流监测 (8)

2.2.2断路器操动机构行程及速度的监测 (11)

2.2.3断路器振动信号的监测 (11)

3 断路器在线监测中的小波应用 (12)

3.1 小波分析的概念 (12)

3.2小波函数的选取 (14)

3.3小波去噪 (16)

3.4利用小波处理断路器行程信号 (17)

3.4.1合闸过程 (18)

3.4.2分闸过程 (20)

3.5 小波降噪和傅里叶降噪法 (21)

3.5.1傅里叶降噪法 (21)

3.5.2小波降噪法 (22)

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 (24)

3.7结论 (25)

4 总结和展望 (26)

4.1总结 (26)

4.2展望 (26)

参考文献 (27)

致谢.............................................................................................. 错误！未定义书签。

1 绪论

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。

操动机构开断

元件

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

（a）拒动

（b）误动

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。

K

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

)(dt

dw iR u += （2-1） 式中，w 为线圈的磁链，Li w =，于是，上式可变为

))(()(dt

dS dS dL i dt di L iR dt dLi

iR u ++=+= v dS

dL i dt di L iR u )()(

++= （2-2） 式中dS dL 可由图2-4示求出，不同S 处的dS dL 即为曲线在S 处的斜率tan ?；v 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。

（1）铁芯触动阶段

在t=t 0~t 1的时间段，t 0为断路器分（合）命令到达时刻，是断路器分、合时

间计时起点；t 1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0=v ，L=L 0为常数则式（2-2）可改为

)(0dt

di L iR U += （2-3） 带入起始条件0t t =时0i =可得

)]exp(1[0

t L R R U i --= （2-4） 这是指数上升曲线，对应图2-4中0t ~1t 的电流波形起始部分。

（2）铁芯运动阶段

在12~t t t =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v >0，L 也不再是常数，i 将按照式（2-2）变化。通常v >0，

dS dL >0,)(dt di L 表现为随时间不断增大的反电势，通常大于U ，故dt

di 为负值，即i 在铁芯运动后迅速下降，直到铁芯停止运动，v 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=t 2~t 3间，铁芯已停止运动v =0，i 的变化类似于式（2-3），但L=Lm （S=Sm

时的电感）时有

)]exp(1[t L R R U i m

--= （2-5）

因0L L m >,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。2t 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，03~t t 或23~t t 可以反映操作传动系统运动的情况。

（4）电流切断阶段

t=t 3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t 1，t 2，t 3，I 1，I 2，I 3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I 1，I 2，I 3三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。

t 01t 110>10ms t 1- t 0<10ms (a)正常波形 （b ）铁芯吸力不足获阻力过大

00

（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)()(2R L t ∈ψ,其中)(2R L 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)(w ψ。当)(w ψ满足容许条件：

∞<=?dw R w w c /'2)

(ψψ （3-1）

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

)(1),(a

b x a b a -=ψψ)0);,(≠∈a R b a （3-2） 其中a 为尺度函数，b 为平移参数。以上函数是由小波母函数)(x ψ生成的依赖与参数（a ，b ）的连续小波函数，简称小波。

对于任意的函数或者信号)(x f ，其小波变换定义为：

dx a

b x x f a dx x x f b a W R b a R R b a f )()(1)()(),(),(),(-=

=??ψψ （3-3） 由上式可以看出，作为积分核的小波变换函数)(),(x b a ψ，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a 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

根据母小波的选取原则，以db5作为母小波。db5即Daubechies 小波，该小波是由世界著名的小波分析学者Inrid Daubechies 构造的小波函数，一般简写为dbN ，N 是小波的阶数。小波函数)(t ψ和尺度函数)(t ?中的支撑区为2N —l ，

)(t ? 消失矩为N 。

除N=l 外，dbN 不具有对称性。dbN 没有明确的表达式(除N=1)，但转换函数h 的平方模是很明确的。

令∑-=--=101)(N m k N k C y p 其中 C k N k

--1为二项式系数，则有 jkw N k k e h w m --=∑=120

2021)( Daubechies 小波具有以下特点：

（1）在时域上是有限支撑的，即()t ψ长度有限。而且高阶原点距()0,0~;p

t dt p N t ψ==?N 值越大，()t ψ的长度越长。

（2）在频域上()w ψ在w =0处有N 阶零点。

（3）()t ψ和它的整数位移正交归一，即k dt k t t δψψ=-?)()(。

（4）小波函数()t ψ可以有所谓的“尺度函数”()t φ求出来。尺度函数()t φ为低通函数，长度有限，支撑域在12~0-=N t 范围内。 ()t ψ是(2)t φ的位加权和：

)2()(k t g t k

k -=∑φψ （3-4）

K 值从2-2N 到1，N 值不同，权重k g 也不同。由于()t φ为有限支撑，所以式

（3-4）中求出来的()t ψ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k j W ,?。，然后对k j W ,?进行重构，就可以

重构原始信号。

硬阈值法：

?????<≥=λ

||0,λ||,?,,,,k j k j k j k j W W W W 软阈值法：

?????<≥-=λλλ||,0||),|)(|(?,,,,,k j k j k j k j k j W W W W sign W 其中N log 2σλ=，σ为小波高频系数的标准差，

N 为小波分解的层数，k j W ,

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限制难以在实际中使用，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。

(mm)

(ms)

图3-2 合闸行程—时间特性曲线

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

(mm/ms)

图3-3直接求取的速度图形