[发明专利]基于振-电信号融合的断路器操作机构机械寿命预测方法

说明书

本发明为基于振‑电信号融合的断路器操作机构机械寿命预测方法，包括第一步，采集万能式断路器储能过程中电机的电流信号与储能操作机构的振动信号，得到状态监测数据；提取电流信号的时域特征以及振动信号的时域和频域特征，筛选出关键退化特征；第二步，对所有关键退化特征进行统计学分析，得到退化起始点；第三步，采用PCA方法对退化期的关键退化特征进行降维与融合，选择贡献率最大的主成分作为融合特征，将归一化后的融合特征作为综合健康指标；第四步，利用多种一元回归函数模型拟合随着动作次数的增加，综合健康指标的退化过程；选择拟合误差最小的函数模型作为预测模型。该方法提取多种信号特征进行融合，从多角度全方位反映退化状态。

技术领域

本发明属于万能式断路器剩余寿命在线预测技术领域，具体地说是一种基于振-电信号融合的断路器操作机构机械寿命预测方法。

背景技术

万能式断路器是低压配电系统中容量最大的断路器，被广泛应用于配电系统的总进线处或重要设备处。在内外部因素作用下，万能式断路器的健康状态在运行过程中会呈现出衰退趋势，当衰退达到一定程度时，则无法完成正常功能，因而需要了解断路器的实时健康状态并预测剩余寿命，从而提高断路器运行的可靠性。针对断路器可靠性的调查结果显示，机械故障在各种故障诱因中的占比最大，考虑到万能式断路器的运行原理，储能操作机构可靠运行是断路器正常分合闸的前提，故储能操作机构最容易发生机械故障，储能操作机构也是万能式断路器正常运行的关键，对于万能式断路器剩余寿命预测即可等效为储能操作机构的剩余寿命预测。如果能在储能操作机构性能退化过程中，根据监测信息及时准确地预测其剩余寿命，不仅能够极大提高断路器运行的可靠性，避免故障的发生，同时能够有效的降低停机时间，减少维修周期，简化维修步骤，从而降低维修成本。

目前，对断路器剩余寿命预测的研究多集中于高压断路器故障，研究对象多为其触头系统以及分合闸操作附件，且都是针对单一信号进行分析研究，如赵莉华等(赵莉华，金浩文，黄小龙，等.基于电机电流的负荷开关操作机构状态诊断研究[J].高压电器，2020，56(06)：302-308.)研究了储能电机电流的特征量对操作机构状态的影响，实现对储能操作机构的故障诊断；豆龙江(豆龙江.断路器弹簧操作机构故障机理分析及诊断方法研究[D].北京：华北电力大学，2019.)利用振动信号进行了对断路器弹簧操作机构故障机理分析及诊断方法研究；赵书涛等(赵书涛，许文杰，李云鹏，等.基于优选泛特征的真空断路器弹簧机构储能状态辨识方法[J/OL].高电压技术.)基于优选振动信号泛特征的断路器弹簧机构储能状态辨识方法；上述研究主要集中在显性故障诊断上，而对于储能过程的研究尚不够深入。

储能操作机构可靠运行是断路器正常分合闸的前提，即储能的任意环节出现问题都会对断路器分合闸操作产生影响，且万能式断路器储能操作机构在实际运行期间，其机械性能会因磨损、卡涩等发生退化，此时并未产生故障，因此对储能操作机构的性能退化趋势进行实时预测，进而预测剩余寿命非常有必要，能够避免发生故障。

现有的剩余寿命预测方法多为人工智能方法，此类方法通常需要大量训练样本，利用典型的退化数据作为训练样本集建立预测模型，进而预测待测样本的剩余寿命，该方法适用于积累的数据量充足且完整的情况，而万能式断路器的剩余寿命预测缺乏大量数据，因此现有的人工智能方法难以适用于本申请。

而统计数据模型方法主要有维纳理论、回归分析等，如孙曙光等(Sun S G,Wang QF,Du T H,et al.Quantitative Evaluation of electrical life ofAC contactorbased on initial characteristic parameters[J].IEEE Transactions onInstrumentation and Measurement,2021,70:1-10.)利用Spearman秩相关系数分析接触器电气参量特征与寿命的相关性，对各特征进行融合，得到寿命综合评价指标，最后建立基于一元回归分析的寿命预测模型。利用自身的历史数据，实现当前时刻剩余寿命的预测，该方法不需要先验数据积累，基于历史退化数据建立预测模型，并利用状态监测数据对模型参数进行离线估计和在线更新。