GIS机械振动和局部放电融合检测系统研究.pdf
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1、GIS机械振动和局部放电融合检测系统研究蒋科若1,姜炯挺1,杨帆2,陶炳权1,俞佳捷1,李军浩3(1.国网浙江省电力有限公司宁波供电公司,浙江 宁波315000;2.国网浙江省电力有限公司,杭州310007;3.西安交通大学,西安710049)摘要:气体绝缘组合开关潜在性的绝缘缺陷和机械缺陷是导致其发生故障的主要原因,因此同步检测GIS设备内部绝缘状态和机械状态,对电力系统的正常运行具有重要的现实意义。文中从GIS的实际检测需求出发,设计振动超声融合传感器,搭建融合检测系统。系统基于小波包算法实现对融合信号的分离与去噪,并利用振动基频信号获取工频电压相位,作为局部放电PRPD(partial
2、discharge phase distribution)谱图的相位参考信息,检测系统可综合实现振动超声融合信号采集、调理转换、处理分析等功能。在实体GIS设备上开展了隔离开关接触不良机械振动局部放电联合检测试验,试验结果表明GIS设备隔离开关接触不良缺陷程度越高,机械振动信号中100 Hz基频分量和300 Hz异常分量越大,且隔离开关严重接触不良状态下会产生600、900 Hz的异常分量,并伴随有悬浮放电信号,PRPD谱图显示放电幅值稳定且较高,放电相位固定,特征明显。文中研制的振动超声融合检测系统可实现对GIS机械振动、超声局放信号的时空同步检测,进而综合分析GIS的机械状态和绝缘状态,实
3、现对于缺陷类型、缺陷程度的精准诊断;系统便携性强,提高了现场对于电力设备的巡检效率,为现场GIS便携式精准检测提供了新方案。关键词:气体绝缘组合开关;机械振动;超声局放;融合检测系统Research on Mechanical Vibration and Partial Discharge Fusion Detection System of GISJIANG Keruo1,JIANG Jiongting1,YANG Fan2,TAO Bingquan1,YU Jiajie1,LI Junhao3(1.State Grid Zhejiang Electric Power Co.,Ltd.Nin
4、gbo Power Supply Company,Zhejiang Ningbo 315000,China;2.State GridZhejiang Electric Power Co.,Ltd.,Hangzhou 310007,China;3.Xi an Jiaotong University,Xi an 710049,China)Abstract:The potential insulation and mechanical defects of gas insulated substation(GIS)are the main reasons forits failure.Therefo
5、re,the simultaneous detection of the internal insulation and mechanical state of GIS equipment isof practical significance for the normal operation of power network.Based on the actual detection requirements ofGIS,the vibration ultrasonic fusion sensor is designed and a fusion detection system is se
6、t up.The system realizesthe separation and denoising of the fused signal based on the wavelet packet algorithm,and obtains the power frequency voltage phase by the use of vibration fundamental frequency signal of GIS as a reference information for thepartial discharge phase resolved partial discharg
7、e(PRPD)spectrum.The detection system can comprehensively realize such functions as vibration ultrasonic fusion signal acquisition,conditioning conversion and treatment analysis.The joint detection test of mechanical vibration due due to weak contact partial discharge of disconnector is carriedout on
8、 the actual GIS equipment.The test results show that the higher degree of weak contact defect of disconnectorof GIS equipment,the greater the 100 Hz fundamental frequency component and 300 Hz abnormal component in themechanical vibration signal,and the 600 Hz and 900 Hz abnormal components will be g
9、enerated in the serious weakcontact state of disconnector,accompanied by the suspended discharge signal.The PRPD spectrum shows that thedischarge amplitude is stable and high,the discharge phase is fixed and the characteristics are obvious.The vibration第59卷第8期:015401632023年 8月16日High Voltage Apparat
10、usVol.59,No.8:01540163Aug.16,2023DOI:10.13296/j.10011609.hva.2023.08.018_收稿日期:20230328;修回日期:20230521基金项目:国网浙江省电力有限公司科技项目资助(5211NB230002)。Project Supported by Science and Technology Project of State Grid Zhejiang Electric Power Co.,Ltd.(5211NB230002).0引言气体绝缘组合开关(gas insulated substation,GIS)具有结构紧凑、环境
11、友好、可靠性高等优点,在电力系统中广泛应用1。随着其投入使用量增加,GIS的故障时有发生。据统计,GIS发生故障的主要原因是其内部存在潜在性的绝缘和机械缺陷2。此外,在实际工程中,机械故障与绝缘故障具有一定关联性,如对于GIS隔离开关而言,机械故障是放电故障的前期征兆,而放电故障是设备机械故障的重要表征3。因此GIS状态评估需结合机械状态与绝缘状态进行综合判断,同步检测GIS内部绝缘状态和机械状态,可及时发现其内部潜在性缺陷,对保障电力网络的正常运行具有重要的现实意义。当GIS内部存在绝缘缺陷时,绝缘介质击穿产生的局部放电往往伴随着超声波的发出,因此检测超声信号可以反映GIS内部的绝缘状态3。
12、目前国内外学者对于超声检测进行了深入研究,取得了丰富的研究成果。1980年英国开普勒大学牵头设计出一款内置超声传感器用于局部放电检测,试验结果发现该传感器可以极大地减少电磁对放电信号的干扰4-5。20世纪90年代初,有学者针对不同缺陷开展试验和超声局部放电理论的研究,试验表明超声检测具有较高的检测灵敏度,可以用于GIS内部缺陷的诊断6。基于理论研究,清华大学、上海交通大学等国内试验室相继推出超声局放检测仪等设备,具有良好的检测效果,通过标定甚至可以对放电量进行定量分析7-8。华北电力大学李卫国等人基于超声波传播的时间差,在电力设备上安置超声阵列,并采用粒子群优化等算法,实现对局放源的精准定位9
13、。除了常见的GIS内部绝缘缺陷,导致GIS故障的缺陷类型中,触头接触不良、紧固件松动、弹簧触指松动等机械性缺陷也占据着较大的比例10。潜在的机械缺陷在负载电流的交变电动力下会产生异常机械运动,因而可通过检测振动信号可以判断GIS设备内部的机械状态。在20世纪90年代,日本MUKAIYAMA Y针对GIS开关触头的异常振动进行研究,研究结果表明检测触头异常振动可以表征其内部的机械缺陷11。国内西安交通大学李军浩等人基于研制的GIS振动检测系统对550 kV GIS隔离开关不同接触状态进行振动检测,试验结果表明,隔离开关触头接触不良时,振动信号频域谱(frequencydomain spectru
14、m,FDS)在 50 Hz 与 200 Hz 频率点存在异常振动分量,通过提取FDS中的分量信息可对隔离开关触头接触状态进行评估12。清华大学丁登伟等人基于小波时频变换建立了GIS振动信号频谱分布特征库和振动声学指纹,研究结果发现断路器故障时产生的异常振动信号包含大量高次谐波分量,振动声学指纹显示异常,振动信号频谱可以有效发现由内部缺陷引起的异常机械振动13。综上所述,目前国内外学者对于GIS运行状态的检测多局限于单一物理量检测手段14-16,已有的检测系统只能对设备单一的电气或机械状态进行测量和分析,与GIS设备机械电气交互影响的运行特点不相符,难以实现GIS设备运行状态的全面检测与评估。针
15、对于此,文中基于前期提出的新型振动超声融合传感器设计方案,研制了融合传感器,搭建了GIS振动超声融合检测系统。检测系统由融合传感器信号调理单元信号采集单元上位机的整体化硬件构成。软件后处理基于小波包变换进行融合信号的分离和去噪,利用振动信号提取超声信号的相位信息,对分离的信号进行特征提取与分析。进一步提出了GIS融合诊断方法,综合GIS的机械状态和绝缘状态对设备运行状态进行诊断。利用研制的融合检测系统在实体GIS上进行了隔离开关接触不良缺陷的检测试验,试验结果表明该检测系统可准确诊断GIS的机械状态和绝缘状态,并能够综合机械和绝缘状态水平对缺陷的严重程度进行综合判断,提高了GIS状态评估水平。
16、1系统硬件设计振动超声融合检测系统由融合传感器进行机械振动、超声局放信号的同时同地采集,信号调理单元实现阻抗转换和滤波放大,信号采集单元进 ultrasonic fusion detection system developed in this paper can realize the timespace simultaneous detection of mechanical vibration and ultrasonic partial discharge signals of GIS,and then comprehensively analyze the mechanicaland
17、 insulation state of GIS so as to realize the accurate diagnosis of defect types and detect degree.The system hasstrong portability,improves the patrol inspection efficiency of power equipment at site,and provides a new schemefor portable and accurate detection of GIS at site.Key words:GIS;mechanica
18、l vibration;ultrasonic partial discharge;fusion detection system开关设备蒋科若,姜炯挺,杨 帆,等.GIS机械振动和局部放电融合检测系统研究 1552023年8月第59卷第8期行A/D转换,最终将数字信号传输至上位机,进行信号的处理与分析,检测系统整体见图1。图1振动超声融合检测系统Fig.1Vibrationultrasonic fusion detection system1.1振动超声融合传感器压缩式压电加速度传感器目前广泛应用于轴承、航天器等设备的机械振动检测,测量时质量块在惯性加速度的作用下施加于压电材料上,其输出的电荷
19、量与被测加速度成正比,从而实现振动加速度的测量17。压电式超声传感器目前多用于电力设备的故障检测和定位中,其原理是基于压电陶瓷的声电特性,贴紧被探测物体表面,声发源产生的超声波引起压电材料内部晶格形变,造成极化状态改变,输出电信号,从而实现超声信号的检测18。文中基于上述压缩式压电加速度传感器和压电式超声传感器内部结构的相似性,从各自的工作原理出发,设计了新型振动超声融合传感器,其内部结构见图2。图2振动超声融合传感器Fig.2Vibrationultrasonic fusion sensor新型融合传感器设计的核心是实现了超声传感器背衬与加速度传感器质量块的融合,既可作为质量块在测量加速度信
20、号时提供惯性力的作用,亦可在接收超声波信号时作为吸声背衬将穿透过压电陶瓷的超声波散射吸收,防止超声波反射回压电陶瓷引起二次激发,影响传感器的接收性能和信号分辨率19。文中制成的背衬质量块实际应用测试中具有良好的加速度输出响应以及优异的超声波接收性能。为校验新型融合传感器的振动加速度和超声信号检测性能,根据GB/T 20485.212007和GB/T198012005分别对融合传感器的振动加速度和超声信号检测性能进行校准20-21。性能检测结果见表1,性能参数对比表明新型振动超声融合传感器与商用单参量传感器相比在振动加速度和超声信号检测上具有更高的灵敏度和更相匹配的检测频段,融合传感器可用于GI
21、S机械振动和超声局放的检测。表1融合传感器主要参数Table 1Main parameters of the fusion sensor性能指标振动检测频段/Hz振动灵敏度/(mVg-1)测量范围/g超声检测频段/kHz超声平均灵敏度/dB谐振频率/kHz融合传感器参数14 00012115201209846某商用振动传感器125001065某商用超声传感器3014075501.2信号调理单元融合传感器输出的电荷信号微弱,且传感器输出阻抗高达10 M以上,带负载能力差,不适合直接采集信号;现场GIS检测过程中复杂的电磁环境产生的高频干扰信号会降低传感器输出信号的信噪比22-23。因此,融合传感
22、器后续的信号调理单元的主要作用是:阻抗变换与电荷转换,将传感器高阻抗电荷输出转变成低阻抗电压输出;信号放大,将传感器输出的微弱电信号进行放大;信号去噪,滤除GIS现场的高频干扰信号,提高信噪比。从信号调理单元的功用出发,文中设计了信号调理单元,包含电荷转换电路、有源滤波电路和输出放大电路。传感器的高阻抗电荷输出首先经过电荷转换电路成为低阻抗的电压输出,并对信号进行初步放大,反馈电容使用精密聚苯乙烯电容,其具有良好的稳定性和较高的绝缘电阻,可有效减少噪声引入24;有源滤波电路根据检测需要设计为二阶有源低通滤波电路,截止频率为120 kHz,滤除高频干扰;输出放大电路对信号进行进一步放大。实际应用
23、过程中,为避免噪声干扰带来的直流偏置,因此在调理电路中加入无源直流滤波电路,信号调理电路设计原理见图3(a)。最终设计得到的信号调理单元放大倍数为100倍(40 dB),3 dB截止频率为150 kHz,可满足振动、超声信号的检测需求,其放大增益见图3(b)。1.3数据采集单元为提高振动超声融合检测系统的便携性,本 156文在调理单元后加入数据采集单元,其作用是实现A/D转换、数字I/O输出,将融合传感器经过信号调理的电压输出信号转换为数字信号,完成自动采集并送到上位机中进行分析、处理,且设置有5 V供电端口以便于供给信号调理单元。数据采集单元见图4。图4数据采集单元Fig.4Data acq
24、uisition module融合信号输出为宽频信号,已有研究证明,GIS存在机械缺陷时振动信号频率为14 000 Hz25,内部绝缘缺陷激发的超声波信号频率为20120 kHz26-27,根据奈奎斯特采样定理及检测现场工程应用,采集设备采样率一般为最高信号频率的56倍才能采集到完整信号,因此文中选用的采集单元采样率为500 kHz1 MHz可调,采样点数为65 536个,采集时间根据采样频率为60120 ms可调,可完成多个工频周期的采集,符合局部放电的检测需求。1.4上位机上位机选择平板电脑作为主控设备,相比于PC电脑更利于现场应用的便携。上位机需要满足软件的快速运行和现场长时间检测需求。
25、根据国网公司Q/GDW 11034.82015 电力设备带电检测系统仪器技术规范 标准,明确指出检测系统仪器单次工作时间不得低于4 h28。融合检测系统各单元搭建均遵循低功耗的原则,现场使用时间可达8 h。2系统软件设计融合检测系统软件基于Labview平台开发,利用小波包算法对融合信号进行分离与去噪,对机械振动与超声局放信号分别进行特征提取与分析,利用振动信号提取工频电压相位信息,最终对机械振动信号与超声局放信号进行综合分析。2.1基于小波包的信号分离与去噪采集单元获得的融合信号中包含振动信号与超声信号,因此需对二者信号进行分离,便于后续特征提取与分析。传统的滤波处理基于简单的频谱分析,需兼
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