TDZIA-10/25型空气断路器故障分析_免费论文范文下载_笔杆网
TDZIA-10/25型空气断路器故障分析
5、国内外研究现状
5.1、国内外研究现状
1.2.1 高压 SF6断路器发展状况 由于SF6气体具有优异的灭弧和绝缘性能,同时它化学性能稳定且无毒性。可以 说,SF6的使用,引起高中压开关及其设备的一场大革命。几十年的实践证明,SF6 气体具有优异的灭弧和绝缘性能,无可争议,目前仍没有另一种介质可以与之相比。 1947年美国开始工业产生SF6气体,并于1953年首先用于开关设备、用于断路器, SF6断路器在原理上与平常充气断路器相同。 高压开关设备是SF6气体主要的使用场合。根据IECI-04)号技术提供 的资料,全世界SF6气体的年产量介于吨之间,其中吨用于高压 电器及设备。就是说,高压电器及设备占了约一半SF6气体量。我国在高压开关及其 他方面的SF6用量每年约为600-800吨。生产110-500kV SF6断路器及GIS设备用量气 体最多。我国己能制造SF6气体,并能满足高压开关设备的需求量。 SF6断路器的发展从高压35 kV,245 kV和800 kV直到特高压1100 kV。经历了双 压式(60年代)——单压式(70年代)——热膨胀式(80年代)——二次技术智能化(90年 代)的过程。双压式结构复杂且产量低,紧接的研究工作放在提高容量和取消压缩机 上,经过研究,人们利用开断过程中压缩气体的方式,取消了压缩机,从而出现了 单压式断路器。单压式(压气式)目前已用到550 kV及1100 kV级;热膨胀式原理方兴 未艾,现己做到110-245 kV级,正向420kV努力;二次智能化集微电子技术、传感技 4 术、计算机技术等于一体,实现开关智能控制和保护,变"定期维护"为"状态维护" 。 现在所运行的SF6断路器主要用单压式灭弧方式,单压式的灭弧特点是利用开断 过程中压缩SF6气体来熄弧,故开断能力强。单压式断路器在灭弧结构上呈现两种不 同形式,一种为压气式定开趾灭弧室结构,另一为压气式变开距单向吹弧灭弧室结 构。定开距灭弧室结构具有开断电流大的优势,而变开距灭弧室结构则有断口电压 高的优势。 单压式断路器的外型结构可分为落地罐式断路器和绝缘子支柱式断路器两种, 这两种形式都有很大的发展。开断电流从20kA增大至63kA,断口电压从最开始的 72kV提高至360kV,420kV及目前最高的550kV。
5.2、国内对断路器故障诊断的研究现状
相对于国外一些发达国家,我国在断路器状态监测方面的研究起步比较晚, 直到 20 世纪 90 年代才迅速发展起来。从目前来看,国内对断路器状态监测的研 究主要集中在以下几个方面:断路器行程、速度的监测,合分线圈电流的监测, 机械振动信号的监测以及开断电流的监测[10-12]。其中机械振动信号蕴含着丰富的 断路器状态信息,只要利用合适的信号处理方法,就能准确判断断路器的运行状 态,所以受到研究工作者的广泛关注。 目前常用的振动信号处理方法有[13-15]:(1) 利用振动事件出现时间的变化对断 路器进行故障诊断,用于确定振动事件出现时间所使用的方法主要有动态时间规 整法、微分法、时域包络法等;(2) 利用 Wigner-Ville 分布得到振动信号能量在时 频空间的分布图,通过该分布图可以知道振动信号的频率组成以及频率和幅值随 时间的动态变化情况;(3) 利用小波分解对振动信号进行分解,提取可以反映断路 器状态变化的特征参数;(4) 根据信号奇异性检测理论对断路器动作时的振动信号 进行小波分解,得到奇异性指数,该奇异性指数可以反应断路器状态的变化。这 - 3 - 黑龙江大学硕士学位论文 些先进的信号分析方法被引入到断路器的故障诊断当中,从而极大的促进了断路 器状态监测的发展。 随着研究的不断深入,我国也陆续推出了一系列高压断路器状态监测装置, 例如:杭州西湖电子研究所研制的 XD1002 高压断路器在线检测装置能够对 10~1000KV 高压断路器的机械特性参数进行实时在线监测。上海来扬电气科技有 限责任公司研制的 LYGKH-8010 高压断路器动特性测试仪。宁波理工监测科技股 份有限公司的 MCM2000 断路器动作特性在线监测系统能够长期在线监测断路器 的机械特性,并能够远程获得断路器的实时运行状况信息等。
5.3、城轨车辆的故障诊断研究现状
对轨道交通车辆的故障诊断研宄,国外已经开展了大量的工作。美国、加拿 大、澳大利亚共同研究了道旁监测网络系统;欧洲主要发展了车载监测诊断技术; 日本除开发车载检测装置外,还开发了很多面向机车车辆检修的仪器和装备,应 用在检修基地[18]。目前,国外高速列车都装有相应的列车监测与诊断系统,例如 日本新干线200系动车组的M0N1监控系统,400系动车组的M0N4监控系统, 德国的ICE2.2高速列车的DAVID诊断系统等。自20世纪90年代以来,各国新 造地铁车辆,在牵引和制动方面都采用微机控制盒诊断技术[19]。 我国铁路自20世纪90年代起,积极开展了对制动系统的故障分析工作,逐 步对铁路基础车辆的制造和运用形成了 一系列行之有效的方法,对机车车辆控制 5 北京交通大学硕士学位论文绪论 和故障诊断技术有了比较明确的认识。但是,由于我国的城市轨道交通起步晚, 虽然对铁路车辆的研究比较丰富,但是对于城市轨道车辆空气制动系统的故障诊 断研宄工作却非常有限。 .文献[3]对北京地铁13号线列车的制动系统故障原因进行了分析,并提出了相 应的有效的预防措施。 文献[20]针对广州地铁3号线列车的EP2002制动系统,分析了其常见的故障 及故障原因。 文献[2丨]针对广州地铁5号线制动系统频繁出现的"制动检测继电器状态错误" 现象,分析了故障原因,并提出了针对性的改进方案。 文献[22]分析和总结了引起地铁动车组空气制动不能缓解的原因,并提出了相 应的诊断方法及改进措施。 文献[23]采用了 FTA方法对上海地铁车辆一号线延长线的制动系统进行了可 靠性分析,得出了导致制动系统故障的可能因素和薄弱缓解,为制动系统维修提 供了重要依据。 文献[24]根据分析地铁列车空气制动系统称重阀和均衡阀的关系,建立对地铁 列车空气制动系统的故障判别方法。 目前,我国城市轨道交通车辆制动系统的故障诊断方法比较单一传统。基本 采用的就是查表法,即列出所有的故障现象和可能的故障原因,确定检查项目, 编制成表,按表检查。或者是运用故障树方法,分析制动系统特定故障的故障原 因,将制动系统故障和各层原因之间用逻辑门符号连接起来,得到表达逻辑关系 的故障树,进行故障诊断。 从而可以看出,我国在针对城市轨道交通车辆空气制动系统领域的故障诊断 方法还存在很多问题: 1.对城市轨道交通车辆制动系统的故障诊断研究起步晚,成果有限。目前我国 多数城市轨道交通车辆的空气制动系统都是引进国外的系统,开展研究起步相对 来说比较晚,形成以及取得的成果很有限。 2.虽然故障诊断技术在其他领域己经相当成熟,并且取得了很可观的研究成 果。但是在城市轨道交通车辆领域,尤其是其空气制动系统领域尚未成熟,需要 借鉴以及创新的地方还有很多。 目前,空气制动系统的故障及故障原因基本是通过物理逻辑或者专家经验得 出的,针对城市轨道交通车辆空气制动系统的故障仿真研究工作还很少:。 1.3.3 贝TH?斯网络的研究现状 6 北京交通大学硕士学位论文绪论 在贝叶斯(Reverend Thomas Bayes)的论文《关于概率性问题求解的评论》 中最早提出了贝叶斯理论,为贝叶斯学派贡献了奠基性的工作,贝叶斯理论也是 贝叶斯网络的重要理论基础之一。但当时的贝叶斯方法存在许多不足,并没有得 到重视和理解。 直至1958年,英国最悠久的统计杂志Biometrika重新全文刊登了贝叶斯的论 文,20世纪50年代,以罗宾斯(Robbins H)为代表,提出了经验贝叶斯方法和 经典方法相结合,贝叶斯方法才引起统计界的广泛注意。 1988年,Judea Pear丨给出了贝叶斯网络的明确定义,自此,贝叶斯网络成为 近几十年来的研宄热点。1999年,Judea Pearl教授被授予IJCAI杰出研究成果奖, 前微软总裁Bill Gates在洛杉机时报曾说过:微软公司未来的进一步发展将在于它 在贝叶斯网络方面研宄的领先性。可见贝叶斯网络作为一种不确定性推理方法的 重要性[25-26]。 20世纪80年代,贝叶斯网络幵始用于专家系统的知识表达,20世纪90年代, 贝叶斯网络开始用于数据挖掘、机器学习和预测。 近年来,贝叶斯方法在人工智能的大部分领域得到快速发展,并且出现了专 门研究贝叶斯理论的组织和学术刊物ISBA。 目前,国外的许多学者以及研宄机构(微软、惠普、斯坦福大学、奥尔堡大 学、莫纳什大学等)都对贝叶斯网络进行了深入研究,大都集中在贝叶斯网络建 造、贝叶斯网络推理、贝叶斯网络学习、贝叶斯网络应用等方面,并取得了丰硕 的研究成果[27_28]。 国内,清华大学对贝叶斯网络的推理、学习以及在数据挖掘等应用方面进行 了深入研究重庆大学则对贝叶斯网络推理、学习方面进行了一定的研究[31]。 1.4论文章节安排 第一章绪论。简要介绍论文的研究背景以及我国城市轨道交通车辆空气制动 系统故障诊断相关领域的研宄现状,总结了现阶段我国城市轨道交通车辆空气制 动系统故障诊断方面存在的一些主要问题,分析了其研究的重要性。最后给出了 本文的章节安排。 第二章城轨车辆空气制动系统研究及仿真。简要介绍了城轨车辆空气制动系 统的组成单元并详细阐述了制动控制单元各气动阀的结构与作用原理。.然后围绕 各气动阀的结构与作用原理使用AMESim软件进行仿真模拟,搭建城轨车辆空气 制动仿真系统’,为研宄空气制动系统故障关联关系提供支持。 第三章贝叶斯网络基础理论。由贝叶斯网络的基础理论一一概率论引入,介 7 北京交通大学硕士学位论文绪论 绍了贝叶斯网络的定义和推理方法。最后详细阐述了贝叶斯网络在故障诊断领域 的应用方法以及诊断贝叶斯网络的推理过程。 第四章城轨车辆空气制动系统故障诊断。建立城市轨道交通车辆空气制动系 统的故障树,并进一步构建该系统故障诊断的贝叶斯网络。通过联合树推理算法 对城轨车辆空气制动系统的故障关联关系进行推理,得出其最有可能发生故障的 原因,并提出维修策略。 第五章基于FullBNT工具箱的故障诊断推理。介绍MATLAB贝叶斯网络工 具箱(FullBNT工具箱)进行贝叶斯网络构建和推理的基本过程。根据第四章建立 的城轨车辆空气制动系统故障诊断贝叶斯网络,编制了推理程序,通过典型算例 计算说明基于贝叶斯网络的城轨车辆空气制动系统故障诊断方法的有效性。 第六章结论与展望。 8 北京交通大学硕士学位论文 城轨车辆空气制动系统研究及仿真 2城轨车辆空气制动系统研究及仿真 人为地使行驶的列车减速或阻止其加速称为制动。对于城市轨道交通车辆来 说,为了使运行中的列车减速或停车,须要制动;为了使防止列车在下坡道时速 度增加导致车速过大,须要制动;为了避免已经停止的列车因为重力或者风力吹 动而溜车,需要制动。因此,列车制动系统的安全可靠对于列车运行安全以及及 时准确的完成运行任务都具有十分重要的意义。 本章围绕城轨车辆空气制动系统核心制动控制单元(BCU)对系统各个部分 组成做一一介绍,对制动控制单元各气动阀结构与作用原理进行分析,并在此基 础上搭建基于AMESim的城轨车辆空气制动系统仿真模型,研宄空气制动系统不 同制动工况下各压力测试点压力变化情况。同时,在本文第四章中归纳与总结城 轨车辆空气制动系统故障类型、故障表现、故障特点时需要运用搭建的仿真模型 对故障原因与故障表征之间的关联关系进行确认,并在此基础上绘制城轨车辆空 气制动系统故障树。 2.1城轨车辆空气制动系统分析 参考文献[32]中介绍了上海地铁DC01型列车的KBGM模拟式电气指令制动 系统,它由德国克诺尔(Knorr)制动机公司生产。该系统用一条列车线贯通整列 车,形成连续回路,其电气指令采用脉冲宽度调制(PWM),可进行无级控制。它 的制动方式共有三种,即再生制动、电阻制动和空气(摩擦)制动,分别为第一、 第二与第三优先制动,其中空气制动是列车完成制动过程的基础。KBGM模拟式 电气指令制动系统由供气单元、微机制动控制单元(MBCU)、制动控制单元 (B⑶)、防滑系统以及单元制动机五部分组成,以制动控制单元为核心,如图2-1 所示。 9 北京交通大学硕士学位论文 城轨车辆空气制动系统研究及仿真 EBCU 0 1司控器 . .1 1.1 I I 1. j.i.i. .1 _紧急按钮 ,I _ ?__ I 0 0 |l 1 C ,II . .— .1 1.1 nn. 1.1.1. ".| 丨 空气压縮机 I ] ^S 紧急阔^ I 1 制动储风虹 ■ ] f \ 空气弹黃 ^ fvvvw^ ~I—I— 50L I ( 、 1 (P) ^ ) 总风虹 100L 称重阔 ‘ (\ ) y 250L I"" ~? 1Q -a 1 k^ 均衡阀 BCU丫 单元制动机 单元制动机 , X . Z X ^^ ^K J V. J ^ ^ V, J 图2-1 KBGM模拟式电气指令制动系统组成 Figure 2-1 Component of KBGM brake system
5.4、故障诊断技术的国内外研究现状
词。故障诊断作为一门学科, 却是从20世纪60年代以后才发展起来的。 . 对设备的故障诊断技术最早起源于美国。1961年,美国执行Apollo计划之后 出现了一连串的设备故障。1967年,在美国航天局(NASA)的倡导下,诞生了 由美国海军研宄局(ONR)主持的美国社会机械故障预防组(MFPG),主要从事 3 北京交通大学硕士学位论文绪论 故障机理探索、检验、诊断和预防技术以及可靠性理论的研究[4]。欧洲方面则成立 了以莱斯特大学哲学博士、主任工程师R.A.Cotlacot为主席的英国机械健康监测中 心(UK Mechanical Health Monitor Center),主要开展机械故障诊断技术方面的研 宄[5_6]。20世纪70年代,、在一些技术先进的国家开始研宄状态维修方法和诊断设 备,例如美国的波音?伏尔特公司、瑞典的SKF轴承公司、日本的富士电机制造 株式会社等。 目前,在美国,航空、航天、核工业,以及军事部门中的诊断技术在世界上 占有领先地位。例如EQ&Gddaho公司开发出核反应堆事故诊断和处理系统 (REACTOR);卡内基梅隆大学推出汽轮发电机监测与诊断系统(PDS)。而曰本 以及欧洲的一些发达国家也开始进行设备故障诊断技术的研究和应用[7]。其中,英 国在摩擦磨损、汽车、飞机发动机监测和诊断方面的诊断技术具有领先优势,如 IRD Mech-analysis公司提出了 Spike energy spectrum方法能精确地测定低频振动; 日本则在铁路、钢铁、化工以及其他民用工业的诊断领域处于技术领先地位[8]。 我国对故障诊断技术的研宄起步较晚,但近年来也得到了迅速的发展。华中 理工大学设计开发了用于汽轮机组状态监测和故障诊断的智能系统DEST[9];哈尔 滨工业大学联合上海发电设备成套设计研究所共同幵发研制了用于汽轮发电机组 的故障诊断专家系统MMMD[-210];清华大学开发研制了用于锅炉设备的故障诊断 专家系统[11_12]等。我国军方在一些重要系统和装备的研制中提出了明确的测试性 要求,制定《装备测试性大纲》(GJB-)、《测试与诊断术语》(GJB-)等国家军用标准。国内军用测试系统也随着军事设备对测试诊断技术的 要求逐步幵展研宄[13]。 故障诊断是一个十分活跃的研宄领域,已有众多可行的成熟的方法。主要包 含以下三方面的内容: (1)故障检测:判断系统中是否发生故障及检测出故障发生的时刻; (2)故障隔离:检测出故障后确定故障的位置和类型; (3)故障辨识:分离故障后确定故障的大小和时变性。 近几十年来,随着研究的逐渐深入,提出了众多可行的诊断方法。现有的故 障诊断方法,概括起来可以分为以下三类: 1.基于信号处理的方法 基于信号处理的方法,是以传感器技术和动态测试技术为基础,以信号处理 技术为手段的常规的诊断方法。通常是利用信号模型,直接分析可测彳寻的信号, 提取幅值、方差、频率等特征值,从而实现故障检测。 主要方法:频谱域分析方法、时域特征参数和波形分析方法、时序分析方法、 时频分析方法、幅值域方法、时差域方法、包络域方法等 4 北京交通大学硕士学位论文绪论 优缺点:简单,易于实现。但是由于设备故障征兆与故障原因之间存在不确 定性关系,因而容易出现故障漏判或故障错判现象。 2.基于解析模型的方法[17] 基于解析模型的方法,是在明确被诊断对象的数学模型基础之上,按照一定 的数学方法对被测信息进行处理诊断。 主要方法:状态估计方法、等价空间方法、过程参数估计方法等 优缺点:基于解析模型的方法在理论与实际应用领域都得到了深入广泛的研 究。通过建立监测对象的精确数学模型,运用解析函数、数理统计等数学方法, 使状态监测过程深入对象系统的本质,实现故障实时、动态诊断。但在实际应用 过程中,要想构建对象的精确数学模型往往都是比较困难的,加上大型复杂设备 的非线性特征,这就使得基于解析模型的诊断方法的适用范围和效果受到了诸多 限制。 3[8] .基于知识的诊断方法基于知识的故障诊断方法,不需要建立精确的数学模型,具有"智能"的特 性,因此,这也是一种很有生命力的方法。 主要方法:基于专家系统的故障诊断方法、基于数据融合的故障诊断方法、 基于模糊数学的故障诊断方法、基于神经网络的故障诊断方法、基于故障树的故 障诊断方法、基于贝叶斯网络的故障诊断方法等。 优缺点:基于知识的诊断方法,对诊断技术的研究不再离散的进行,而是直 接从知识角度出发,系统的研宄诊断过程以及诊断技术,包括:信息检测到特征 提取、状态识别到故障分析、千预决策到维修计划等等,都实现知识引导。使诊 断技术不只是领域内少数专业人员掌握,也成为一般人员所能掌握使用的工具。
5.5、机组故障诊断研究现状
Zogg&@建立了两个热泵系统运行监测系统:FuzzyWatch 和 HeatWatch。 FuzzyWatch 通过动态灰箱模型鉴别参数,然后用统计方法、模糊逻辑和神经网络 理论再进 行故障分类。HeatWatch 通过稳态模型鉴别物理参数并计算热泵的特征 值 。HeatWatch 系统计算了蒸发器和冷凝器的传热系数 k,但与 Neuenschwander 不同,Zogg 并未测量流速。除了蒸发器和冷凝器结垢故障,同时 Zogg 也诊断了 制冷剂循环、压缩机、膨胀阀 等部件故障。 姜益强等人 &@ 建立了 基于 BP 神经网络的空气源热泵机组的故障诊断模型, 并用来自于模拟实验的征兆实例和领域专家的知识对神经网络进行了训练。他们 对 5 种热泵机组故障:制冷剂泄漏,压缩机排气阀泄漏,液体管受阻,冷凝器结 污、受阻和蒸发器结污、受阻,与这些故障的征兆之间的关系进行了整理。所采 用的 7 个系统变量为:蒸发温度、冷凝温度、吸气过热温度、液体过冷温度、排 气温度、通过冷凝器的水流温差、通过蒸发器的气流温 差。 王志毅等人 &@ 采用人工神经网络的方法对 热泵空调的 5种常见故障进行了诊 断。其中 ,这 5 种常见故障包括:吸排气阀片内漏、膨胀阀开度过大、系统脏堵、 循环水流量小、风机停转。他们选 取了 8 个系统运行变量来反映系统运行状态: 吸气压力,排气压力,吸气温度,排气温度,膨胀阀前、后温度,板式换热器进、 出口温度。与传统故障诊断方法相比,基于模糊神经网络的故障诊断方法对单一 故障具有很好的识别能力,可以提高诊断精度。但这种方法目前只适用于热泵空 PCA - 40 - 调单一故障的诊断。随后,王志毅等人又利用人工神经网络采用感知器学习算法 对热泵空调水侧换热器污垢故障进行了诊断 &@ 。实验测 点有 4 个:吸气压力,排 气压力,板式换热器供、回水温 度。 曹亮等人 &@ 针对空气源热泵的除霜问题,利用人工神经网络建立了一种简单 的除霜诊断模型,结合一个实例证实了该诊断方法的可行性,并提出由于机组的 某些特性会发生变化,应及时地对网络进行修正以提高除霜诊断的准 确度。 文献[93~96]提出了一些从测量信号来计算得出传热参数,来进行换热器故障 诊断的方法。Neuenschwander&@建立了换热器的详细模型,通过传热系数 k 的变 化可检测出换热器结垢 故障。Thomson 等人&@用 SPC 方法,利用制冷剂质量流速 来检测换热器结垢故障,这种方法能同时检测发生在两个换热器的结垢故障。 Weyer 等人&@提出一种基于灰色模型的方法来检测换热器故障。他们建立了一个 换热器的物理模型和一个换热器表面老化故障的灰色模型,通过检测换热系数的 突变并利 用 CUSUM(coefficients using a cumulative sum)测试来检测故障。
5.6、故障管理工具的研究现状
国内外软件公司开发了故障管理工具,其工作就是处理开发过程中所产生的 各种故障。通过建立故障控制规则、制定有效的工作流程、设置合理的用户权限 来保证故障得以规范的执行[24],使开发过程朝着既定的方向前行。表 1-1 对常见 的故障管理工具进行了对比分析。 - 5 - 黑龙江大学硕士学位论文 表 1-1 常用故障管理工具对比分析 Comparative Analysis Table 1-1 Common Fault Management Tools 工具名称 Butterfy ClearQuest Synergy/Change StartTeam 出品厂商 Hansky IBM Telelogic Borland 适合的软件开价格合理,适合费用较为昂贵,价格适中,适价格适中,适合中等规模 发机构范围较广比较适宜大型开合中等规模软件机构 发机构使用伸用软件机构使用 和其他工具的与 Hansky 系 列可 以 和 IBM与 Telelogic 的和 微 软 Source 集成产品无缝集成,Rational系列产SYNERGY/CM 完全集成 此外还可与市品进行无缝集成CodeControl接口兼容, 场上许多主流从而能够同支持该接口 产品进行集成, 非常方便的众多工具平台进行无 缝集成,此外还与特定开 发工具进行集成,如 Microsoft, IBM 、 Borland的主流开发工具 用户界面 界面友好 界面复杂 界面友好 界面复杂 流程定制 支持用户定制提供流程的灵活提供两种己定制的工允许开发团队制定贯穿 流程并提供三定制功能,能满作流,可满足大部分组 种已定制的流足绝大部分项目织的需求。他们也能很整个生命周期的规范化 程的共性需求方便地被修改以满足流程 任何组织地需求 使用平台 Windows ,LinuWindows,Unix Windo , Solaris ,Windows ,Unix x,SolarisUnix,IBM-A1X,Red Hat Linux 这一工具的应用提高了软件公司的工作效率,为公司按时完成任务,提交高质量 的软件产品提供了支持。但是这些工具在使用过程中也存在着一些问题: (1)工具各有侧重,都是着重解决问题的于某一方面,没有能够从整体角度对 问题进行全面的思考解决,而且不同厂商的工具之间数据交换的通畅性也会影响 问题解决的顺利程度。 (2)工具均注重对解决问题的执行,却没有对解决问题的过程以及其性能进行 反馈式的研究,[25]因此对于那些致力于提高过程性能的软件机构而言,工具只是 帮助他们解决了出现的问题,而无法帮助他们对解决问题的过程进行性能分析和 6 第 1 章绪论 评判,而对过程性能的认识不足将直接影响到对过程性能的改进和提升。 针对这些工具在实际工作中所暴露出来的不足,本课题将通过对故障管理工 具进行研究和设计,并在 ClearQuest 的基础上进行二次开发,解决以上问题,针 对具体的企业应用,建立适合公司应用的流程,用以达到控制与管理故障的目的。
5.7、轴承故障特征选择的研究现状
滚动轴承故障诊断的实质是模式识别,模式识别能否成功,很大程度上取决于特 征选择效果的好坏。特征选择的基本任务是研究如何从大量的特征参数中挑出那些对 识别最为有效的特征,从而降低特征空间的维数并提高故障识别率。特征选择包括两 步:第一,特征评价;第二,阈值确定。其中阈值确定尤为重要。 在轴承故障特征选择中有很多特征评价方法比如互信息[25]、费舍尔准则[26],决策 树[27],基于距离特征评价技术[28,29]等等。距离特征评价技术由于具有较强的特征评价 能力且避免了在高维特征空间进行搜索带来的计算负担而得到广泛的应用。文献 [28,29]将基于距离特征评价技术应用于轴承故障特征选择中,选择评价因子值最大的 前几个特征作为敏感特征;F-score特征评价技术已在医学领域的模式识别[30-33]、股票 预测[34]、电机故障诊断[35]中得到了成功的应用。文献[34,35]通过比较所有特征的评价 因子值的大小,剔除较小的因子值来确定阈值,但是这种这种在无先验知识情况下, 仅凭经验甚至盲目进行阈值确定的方法很难保证能够有效分离无贡献或贡献不大的 特征,最大限度保留对故障敏感的特征。针对这一缺点,文献[31,33]采用求取全部特 征的评价因子均值作为阈值确定方法。但是该方法依然存在着一定的盲目性。大量文 献检索结果发现,F-score特征评价技术在轴承故障特征选择中的研究和应用还未见报 道;支持向量机作为特征选择中的阈值确定方法,与距离特征评价技术、F-score特征 评价技术相结合的轴承故障特征选择方法也未曾见诸各类报道。
5.8、电力变压器故障预测研究现状
关于充油电气设备的故障预测研究,国内外很多学者有较多的研究成果[6-16],目 前变压器故障预测绝大部分都是基于变压器油中溶解气体分析(DGA)技术,研究 方法主要有利用支持向量机、决策树方法和蒙特卡洛模拟法算法、灰色理论预测模 型以及灰色理论模型和人工神经网络、模糊论、粗糙集等相结合的方法。下面就这 些理论方法下面分别予以介绍。
5.9、断路器的研究现状
1.2.1 断路器的结构及原理1.2.1 断路器的结构及原理 断路器是一种能够关合、承载、开断正常回路条件下的电流,并且能够及 时关合、在规定的时间内承载以及开断异常回路条件下的电流的开关装置。 图 1.2 是 40.5KV 真空断路器的实物图。柜子上面放置的是三个灭弧室,分 别各与一相输电线路相连。操作机构置于柜子内部。 图 1.2 40.5KV 真空断路器实物图 图 1.3 是断路器的工作原理图。 图 1.3 断路器的工作原理图 灭弧室与操作机构固定在同一固定不动的支架上。灭弧室包含有动触头与 静触头,动、静触头分别与输电线路的两端相连。在正常的情况下,静触头与 3 灭弧室的的外壳固结在一起,动触头与操作机构的可动部件固结在一起,并可 以由操作机构驱动其往上或往下运动。当操作机构驱动动触头往上运动,使动、 静触头接触时,断路器处于合闸状态,此时输电线路被接通;当操作机构驱动 动触头往下运动,使动、静触头分离时,断路器处于分闸状态,此时输电线路 被断开。
5.10、高压断路操动技术的研究现状
1.2.1 高压断路器操动机构1.2.1 高压断路器操动机构 操动技术是高压断路器的关键技术之一,直接决定了高压断路器的机械动作特性 和机械可靠性。目前,应用于高压断路器中的操动机构主要包括电磁操动机构、弹簧 操动机构、气动操动机构、液压操动机构、液压弹簧机构和永磁操动机构等。这些操 动机构的操动原理不同,运动系统各异,分别适用于不同电压等级和灭弧特性的高压 断路器中。 电磁操动机构以电磁能作为操动激励,电磁系统主要由合闸线圈、合闸铁芯和磁 轭等部件组成,其利用合闸电流流经合闸线圈产生的电磁力驱动合闸铁芯运动并为分 闸弹簧储能,通过分闸弹簧储存的势能实现断路器的分闸操作。电磁操动机构最早并 广泛应用于油断路器中,因其需要大体积电磁铁、大容量电源和大截面电缆来获得较 大的操作功,故主要应用于110kV以下的中小断路器上[12]。电磁操动机构作为高压断 路器中出现较早的操动机构,具有结构简单、零部件数量相对较少(零件数约120个)、 制造成本较低等优点,但其动作速度不高、合闸时间长以及对大功率直流电源需求高 等缺点限制了其在高电压等级断路器中的进一步发展。 弹簧操动机构以弹性势能作为操动激励,主要由合闸弹簧、分闸弹簧和储能电动 机组成,利用合闸弹簧中储存的弹性势能驱动断路器合闸并为分闸弹簧储能,通过分 闸弹簧储存的势能实现断路器的分闸操作,其中合闸弹簧中的势能由小功率储能电动 机提供。弹簧操动机构对电源的要求不高,动作速度快、耐气候条件好、工作稳定, 目前广泛应用于12~40.5kV断路器和126~252kV自能式灭弧室SF6断路器中。然而弹簧 2
5.11、断路器热分析研究现状
数值仿真分析技术建立在场域分析技术与计算机技术的基础上的。科技发展日新 月异,作为技术支撑的场域分析技术与计算机技术进步巨大,使用范围也愈加广泛。 随着数值仿真分析技术的发展,20 世纪 90 年代,电气设备的发热问题成为该项技术 的研究热点。国外学者在这方面起步较早,国内学者的研究则起步较晚。起初,国内 外学者使用数值仿真分析的主要研究对象并不是断路器,而且变压器与电机等设备。 低压断路器的温度场仿真分析是在至 90 年代末和新世纪初才开始的[22]。 国外方面,最著名的低压断路器热分析模型是在 2000 年出现的。它是学者 M.Lindmayer 建立的。该模型对断路器内部结构做了一定简化。仿真模型的强大之处 在于:断路器内部对流传热及内部结构间的相互影响均被考虑在计算模型中。至于温 升试验中的连接导体则以热阻和边界条件来处理,接触电阻阻值以测量样机得到。此 外断路器导热系数和电阻率的温变规律也在模型仿真范围之内[23]。在 M.Lindmayer 的 基础上,Rockwell 公司的 Frei 和 Weichert 在热计算方面做了大量工作并取得了一定研 究成果。他们仿真所用的断路器模型较之 M.Lindmayer 所建模型更加完善。通过大量 的仿真工作,他们在热阻与接触电阻计算方面取得了显著成果[24]。 国外学者研究低压电器热分析的同时,国内很多学者在低压电器热分析研究方面 - 4 - 河北工业大学硕士学位论文 也取得了很大进步。 2006 年,浙江大学叶鹏使用 Ansys 软件对断路器双金属片的热问题进行了一定的 分析研究,通过仿真分析得到了断路器双金属片的温度场分布、位移场分布,以及温 度、位移的瞬态变化,为断路器的过流脱扣保护研究提供了一定理论支持[25]。2009 年,杭申控股杭州枝江开关股份有限公司戴水东通过分析各种结构的影响,对断路器 功耗进行试验研究。通过多回路结构分析方法,他给出了计算万能式断路器内部功耗 的方法,并给出了具体计算公式,提出了一种行之有效的降低断路器主回路有功电流 功耗和铜耗的方法[26]。2011 年,周超利用 Ansys 软件建立了断路器内部电流流经部位 的整体模型,并进行热分析,得到器件内部的工作温度分布,依据温度结果对双金属 片的变形结果进行了计算,并对比计算结果与实验结果,提出了改进的方案,达到整 体温度分布合理,缩短产品的设计时间,提高设计水平[27]。2012 年,河北工业大学姚 翠平就小型断路器的触头机构与电磁脱扣机构进行了动态仿真与分析,得到了不同短 路电流、不同气隙下的动静触头上的电动斥力与电磁脱扣器的动、静态特性[21]。同年, 上海诺雅克电气有限公司周勇分析了小型断路器电磁脱扣系统特殊机构的工作原理, 分析并解决了动静触头动态吸力特性与反力弹簧的配合问题,为确定电磁脱扣系统的 线圈匝数和反力弹簧参数提供了理论依据与技术支撑[28]。 虽然国内外学者在断路器热分析方面已经做了许多行之有效的工作,但是对实际 工作中断路器的能量损耗并未特别关注。现阶段,以计算小型断路器能量损耗为目的 的文献资料极少。
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