原文发表在《高压电器》2025年第1期。
https://www.chndoi.org/Resolution/Handler?doi=10.13296/j.1001-1609.hva.2025.01.006
基于Savitzky-Golay滤波器的有载分接开关振动信号包络线提取方法研究
王丽丽，高树国，刘宏亮，赵军，邢超，孙路，相晨萌
(国网河北省市电力有限公司电力科学研究院，石家庄 050000)
一 内容简介
分接开关切换过程中各触头依次分合碰撞产生振动信号，信号特征反映了碰撞能量和触头刚度。为进一步研究触头碰撞动力学特性，文中首先建立M型分接开关四触头的碰撞动力学模型，计算了静触头刚度对模型响应特性的影响规律；其次模拟了静触头弹簧松弛故障，获得了弹簧0.6 mm线径和1.0 mm线径对应的振动信号；然后提出基于Savitzky-Golay滤波器的包络线计算方法，提取奇—偶切换和偶—奇切换时振动信号的平均包络线；最后计算了2种线径静弹簧对应的平均包络线的相关系数。研究结果表明触头碰撞系统的固有频率随分接开关静触头刚度下降而下降，触头碰撞的响应速度降低，振动信号的第一个峰值出现的时刻推迟，且平均包络线的相关系数仅为1.6，说明触头刚度变化后振动信号出现了明显变化。研究结论可用于有载分接开关触头状况的诊断。
二 主要内容
作为电力变压器中唯一的运动部件，分接开关(on-load tap changer，OLTC)在工作过程中承受显著的机、电、热应力，具有较高的故障率，主要为电气和机械故障。CIGRE的统计结果显示，30%的变压器故障来自于分接开关，且故障率随工作年限逐年递增。因此对有载分接开关的工作状态进行状态检测具有重要意义。
分接开关的常用的检测方法主要有：定期的吊芯维护检修、动态电阻测试等。上述方法为离线检测方法，需要将变压器停运，不能动态掌握分接开关实时的工作状态。而有载分接开关在切换时需要进行一系列的机械运动，包括连杆、齿轮箱、枪机机构、触头等零部件都会有相应的动作，进而产生相应的振动信号，因此基于振动信号的分接开关状态检测方法得到了广泛的研究。Zensol利用希尔伯特变换提取振动信号包络线，并将其与未发生故障的信号包络线进行对比分析，从而检测分接开关的故障；P Kang引入了连续小波变换计算奇异指数的方法，确定有载分接开关的振动信号的跃变点，并进行小波时频分析，提取有载分接开关振动的时频特征；汲胜昌等首先利用了希尔伯特变换提取有载分接开关振动信号的包络，并利用奇异指数提取包络峰值，提出了触头磨损、烧蚀或螺丝松动对应的特征值；吕亮等对冲击脉冲包络的状态及其数量进行了统计，发现当完整的脉冲个数变少时，即可表明有载分接开关的触头发生了较为严重的磨损故障；王丰华等提出在经验模态分解算法中添加掩模系数，并利用窄带噪声避免模态混叠，以希尔伯特能量谱为基础，提出三维曲面相似度的特征量；E Simas引入遗传算法，在有载分接开关一阶仿真模型基础上，计算出不同状态下分接开关的振幅、阻尼比等特征量。Q Li计算了振动信号的离散功率谱，并引入隐马尔可夫模型，构建了有载分接开关状态库。樊家昊等提出了利用递归法分析OLTC切换过程中的振动信号；潘志城等提出了时频域振动特征的真空有载分接开关状态检测方法；马宏忠等提出一种基于改进排列熵和K-means的分接开关机械故障诊断方法，并对触头松动、弹簧性能下降等缺陷进行了研究；从以上研究现状可知，目前对基于振动信号的分接开关状态检测的研究主要集中在对分接开关进行故障模拟，从切换的振动信号中提取振动特征用于状态诊断，缺乏对有载分接开关振动信号产生机理、碰撞动力学模型及信号特征与结构参数之间的关联的研究。
针对上述问题，文中建立有载分接开关四触头碰撞的动力学模型，分析了静弹簧刚度对触头动力学响应的影响；然后搭建了M型分接开关的试验平台，获得了弹簧0.6 mm线径和1.0 mm线径对应的振动信号；然后提取奇—偶切换和偶—奇切换时振动信号的平均包络线；最后计算了2种线径对应的平均包络线的相关系数。
1 分接开关触头碰撞的动力学模型及响应特性
1.1 单触头的碰撞力学模型
1.2 多触头动力学模型
1.3 响应特性
1.4 静触头刚度对响应特性的影响
2 分接开关振动信号的试验研究
2.1 试验平台介绍
2.2 不同静触头刚度的模拟
3 分接开关振动特征提取及聚类方法
3.1 基于Savitzky-Golay滤波器的包络线提取方法
3.2 不同弹簧刚度对应的包络线相似系数
三 结论
文中建立了M型分接开关4对触头碰撞动力学模型，计算了静触头弹簧刚度对振动信号的影响规律。搭建了M型开关实验平台，模拟了静触头弹簧松弛故障，获得了触头松动后各档位切换的振动信号，提出了基于Savitzky-Golay滤波器的平均包络线提取计算方法。获得的结论如下：
1)分接开关静触头松弛后，动静触头碰撞系统的固有频率降低，对触头碰撞的响应速度降低，振动信号的第一个峰值出现的时刻推迟；
2)利用Savitzky-Golay滤波器可以提取分接开关切换振动信号的包络线，并消除高频分量对包络线的影响；
3)分接开关静触头刚度变化前后平均包络线的相关系数降低，平均值仅为1.689。
文中的研究内容揭示了动静触头碰撞振动信号产生规律及特点，可为基于振动信号的有载分接开关状态评估提供基础。
作者简介
王丽丽(1986—)，女，硕士，高级工程师，主要从事电气设备状态检测与故障诊断研究(通信作者)(E-mail：wanglilisjz@163.com)。
本文索引
王丽丽，高树国，刘宏亮，等. 基于Savitzky-Golay滤波器的有载分接开关振动信号包络线提取方法研究[J]. 高压电器，2025, 61(1)：54-62.
WANG Lili，GAO Shuguo，LIU Hongliang，et al. Study on envelope extraction method of vibration signal of oltc based on Savitzky-Golay filter[J]. High Voltage Apparatus，2025, 61(1)：54-62.
《高压电器》，CN 61-1127/TM，ISSN 1001-1609，邮发代号：52-36，1958年创刊，月刊，国内外公开发行，刊名由当时的人大常委会副委员长、中国科学院院长郭沫若同志亲笔题写。陕西省科技期刊精品期刊。
《高压电器》入选的数据库有：中文核心期刊、中国科技核心期刊、中国科学引文数据库（CSCD）核心刊、RCCSE中国核心学术期刊、世界期刊影响力指数（WJCI）报告。另外，《高压电器》还被国际著名的Scopus数据库收录，同时被俄罗斯的《文摘杂志》（AJ，VINITI）、英国的《科学文摘》（SA）及日本科学技术振兴机构数据库（JST）等著名期刊检索机构列为来源期刊。
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