基于異常振動分析的gis機械缺陷診斷系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設及機械故障診斷技術(shù)領(lǐng)域，尤其設及一種基于異常振動分析的GIS機械 缺陷診斷系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設備(Gas Insulated Switchgear,GIS)廣泛應用于各電 壓等級的變電站中，具有諸多優(yōu)點，比如占地面積小、檢修周期長、元件全部密封不受環(huán)境 干擾、運行可靠性高，技術(shù)先進并且經(jīng)濟優(yōu)越。雖然GIS具有很多的優(yōu)點，但是也存在一些問 題，例如：由于GIS的全部元件都封裝在金屬箱里，結(jié)構(gòu)緊湊，內(nèi)部電器元件多，難W及時發(fā) 現(xiàn)和準確定位出現(xiàn)的故障；一旦出現(xiàn)故障，鑒于其復雜的結(jié)構(gòu)，不易拆卸，很難實現(xiàn)現(xiàn)場維 修。如果發(fā)生故障，GIS-般有2周的停電時間，然而現(xiàn)實情況下檢修需要兩周W上的時間來 完成。因此，很有必要對GIS的運行狀況進行實時的監(jiān)測。
[0003] GIS的異常機械振動在運行變電站時有發(fā)生，異常振動會對GIS運行狀態(tài)產(chǎn)生不利 影響，并且產(chǎn)成的超標噪聲，會影響運行人員及變電站附近人員工作及生活。同時，異常振 動會對現(xiàn)場GIS局部放電超聲波檢測造成干擾，進而影響GIS運行狀態(tài)的準確評估。
[0004] 目前存在W下幾種GIS故障診斷方法：
[0005] 1.SF6氣體檢測法
[0006] 通過抽取GIS內(nèi)部的SF6氣體分析所含分解物來判斷是否發(fā)生放電故障及放電強 度。但此方法不是實時檢測法，甚至不是快速檢測法。氣體檢測法靈敏度很低，并且對于某 些機械故障類型并不適用，取氣工作安全風險高，不能作為長期的檢測方法使用。
[0007] 2.高頻接地電流法
[000引利用帶有鐵漁氧等磁忍材料的羅可夫斯基線圈作為傳感器，測量故障高頻信號。 但底線需要穿過線圈，給現(xiàn)場使用帶來了不便。
[0009] 3.超局頻檢測法
[0010] 可W根據(jù)放電脈沖的波形特征和UHF信號的頻率特征進行故障診斷，具有良好的 檢測靈敏度，但超高頻傳感器本身的結(jié)構(gòu)設計無法抑制來自變電站內(nèi)高頻段的干擾，運就 使得檢測結(jié)果的準確性受到了嚴重影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 本發(fā)明的目的就是為了解決上述問題，提出了一種基于異常振動分析的GIS機械 缺陷診斷系統(tǒng)及方法，該系統(tǒng)及方法通過分析異常振動信號，對采集到的振動信號應用小 波降噪處理，得到對應的頻譜圖，從而掌握不同機械故障類型下的振動信號特性，可為GIS 的故障檢測和診斷提供更為全面的補充，有利于發(fā)現(xiàn)GIS潛在故障及故障定位。
[0012] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的具體方案如下：
[0013] 基于異常振動分析的GIS機械缺陷診斷系統(tǒng)，包括:加速度傳感器、電荷放大器、數(shù) 據(jù)采集儀和數(shù)據(jù)處理裝置；
[0014] 所述加速度傳感器固定于GIS殼體表面的測量點位置處，加速度傳感器、電荷放大 器、數(shù)據(jù)采集儀和數(shù)據(jù)處理裝置依次串聯(lián)連接；
[0015] 數(shù)據(jù)處理裝置對測量的振動信號進行小波降噪后，最終得到各測量點振動信號的 頻譜圖，通過分析頻譜圖各頻率段信號成分，確定GIS機械故障類型。
[0016] 在GIS的外殼表面進行加速度傳感器的布點，布點位置應均勻的分布在可粘貼的 G IS殼體表面。
[0017] 通過分析頻譜圖各頻率段信號成分，確定GIS機械故障類型具體如下：
[001引由局部放電引起的振動，振動主頻率在5~30Ifflz之間；
[0019] GIS中由于電極表面不平整出現(xiàn)毛刺，或由于絕緣子中有氣穴存在，在電場作用下 造成局部放電集中而發(fā)生放電，運種放電產(chǎn)生的電磁波引起外殼的振動，振動主頻率在 20K化~eoifflz之間；
[0020] 在lOOHz處，磁致伸縮引發(fā)的振動接近于電動力所引發(fā)的振動，但電動力引發(fā)的振 動在高頻信號300HzW上時非常微弱，而鐵忍的磁致伸縮作用引發(fā)的振動仍然非常強烈，由 磁致伸縮作用引發(fā)的鐵忍的振動，振動信號在600Hz頻率處依然很強烈。
[0021] 由于導體中交流電流產(chǎn)生的交變電動力引起的母線振動，其振動頻率主要為 lOOHz；
[0022] 由靜電力引起的振動，其振動頻率主要為1 OOHz。
[0023] -種基于異常振動分析的GIS機械缺陷診斷系統(tǒng)的方法，包括：
[0024] (1)在GIS的外殼表面進行加速度傳感器的布點，布點位置應均勻的分布在可粘貼 的殼體表面；
[0025] (2)測量GIS振動信號，對測得的振動信號按整周期進行截??；
[0026] (3)采用小波分析方法對截取后的信號進行降噪處理；
[0027] (4)對降噪后的信號段進行頻譜分析，得到各測量點振動信號的頻譜圖；
[0028] (5)根據(jù)得到的信號頻譜圖，確定每一個測量點振動信號的主要頻率成分及各頻 率成分所占的百分比；
[0029] (6)分別W測量點的主要頻率成分和頻率成分所占的百分比為橫、縱坐標軸建立 直角坐標系，在所述直角坐標系上繪出每一個測量點的主要頻率成分及各頻率成分所占的 百分比的折線圖；
[0030] (7)根據(jù)所述折線圖判斷測量點是否存在振動信號異常分布的情況;如果有，則判 斷該測量點存在振動異常，根據(jù)該測量點的振動信號頻率分布情況，確定可能出現(xiàn)的GIS故 障原因。
[0031] 所述步驟(3)中采用小波分析方法對截取后的信號進行降噪處理的方法具體為：
[0032] 假定帶噪聲的振動信號Si為有用信號fi和高斯白噪聲信號ei的和；
[0033] 求取帶噪聲的振動信號Si的小波系數(shù)，設定闊值λ，保存高于閥值λ的系數(shù)，而將低 于閥值λ的每一項系數(shù)均設定為零；
[0034] 處理后的小波系數(shù)記為信號fi的估計值。
[0035] 所述步驟(7)中，由于GIS設備所受的力與電流和磁場強度的乘積及漏磁通與電流 成正比，其振動的加速度正比于負載電流的平方，故振動信號的基頻是負載電流基頻的2 倍，即100化；當GIS信號中的高頻成分增多，當高頻信號所占比重增大到超出lOOHz頻率所 占比重時，判斷該測量點存在振動異常。
[0036] 本發(fā)明的有益效果：
[0037] 本發(fā)明所提出的基于異常振動分析的GIS診斷技術(shù)研究為發(fā)現(xiàn)GIS的機械缺陷或 潛在故障提供一種重要而可行的檢測手段，對保障GIS可靠運行具有重要意義。
[0038] 由于信號與噪聲在時域和頻域兩種模態(tài)下存在差異，采用小波降噪技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn) 理想的信噪分離，進而達到有效的除噪效果。采用頻譜分析方法確定振動信號頻譜特征量 能準確反映 GIS故障，具有較高的準確性和可靠性。
[0039] 基于現(xiàn)場檢測，證實GIS機械故障檢測診斷可W通過振動信號的采集準確有效的 處理。
【附圖說明】
[0040] 圖1為GIS異常振動信號分布示意圖；
[0041] 圖2為小波降噪效果圖；
[0042] 圖3為測量CH1通道的信號頻譜；
[0043] 圖4為測量C肥通道的信號頻譜；
[0044] 圖5為測量C冊通道的信號頻譜；
[0045] 圖6為測量CH4通道的信號頻譜；
[0046] 圖7為信號頻譜組成折線圖。
【具體實施方式】：
[0047] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進行詳細說明：
[004引如圖1所示，GIS外殼的振動信號主要是由其內(nèi)部輸電設備的振動傳導過來的，運 些輸電設備包括斷路器、隔離開關(guān)、互感器、母線，因而在外殼上的振動信號就具有運些設 備振動信號的振動特征。圖1中，1.表示局部放電引起的振動，2.表示異物振動，3.表示電磁 力、磁致伸縮引起的振動，4.表示靜電力引起的振動，5.表示操作引起的振動，6 .表示對地 短路引起的振動。
[0049] 局部放電引起的振動。
[0050] 鑒于異物比起殼體來太小，可W忽略摩擦力的作用，異物(顆?；蚴菍Ь€）由于受 到交變電場作用，會發(fā)生運動，當電壓升高到一定程度，雜質(zhì)所受到的電場力超過自身重力 時，導致異物漂浮，運動于二電極之間，撞擊金屬外殼引起振動；同樣，在電場作用下，金屬 顆粒或其他缺陷會引發(fā)局部電場集中而導致放電，同樣可能引起外殼振動，運些振動頻率 特性有很高的識別性，振動主頻率在5~30Ifflz之間。
[0化1]異物振動。
[0052] GIS中由于電極表面不平整出現(xiàn)毛刺，或由于絕緣子中有氣穴存在，在電場作用下 造成局部放電集中而發(fā)生放電，運種放電產(chǎn)生的電磁波引起外殼振動加速度一般為10-5~ 10-3個重力加速度，運種振動加速度出現(xiàn)在電源電壓的固定相位上，該相位幾乎與局部放電 的電訊號出現(xiàn)的相位相同。振動的頻率主要20Ifflz~eOIfflz之間。
[0053] 引起互感器鐵忍和繞組振動的內(nèi)在原因主要有:①鐵忍振動是由于娃鋼片的接縫 處和疊片之間有漏磁場，造成電磁吸引力所致。②在電磁場作用，娃鋼片由于磁致伸縮效應 導致鐵忍振動。③線應間、線餅間、繞組間有電流流過時，動態(tài)電磁力的存在，引起繞組振 動。
[0054] 互感器的振動在空載情況下和短路情況下，主要分別由鐵忍的磁致伸縮和繞組在 電動力的激勵下產(chǎn)生的；在負載情況下，互感器的振動可W認為是兩種作用的疊加。在 100化處，磁致伸縮引發(fā)的振動比較相近于電動力所引發(fā)的，但電動力引發(fā)的振動在高頻信 號(300化W上)非常微弱，而鐵忍的磁致伸縮作用仍然非常強烈，此時鐵屯、振動(磁致伸縮） 現(xiàn)象產(chǎn)生互感器大多數(shù)的高頻信號。100化附近是電動力主振頻率區(qū)，由電動力引發(fā)的振動 信號在200Hz，300Hz頻率范圍時，信號都比較微弱，300化W上的諧波大多衰減到零，振動幅 值一般為5Χ10-3~10^1個重力加速度。相比于電動力引發(fā)的振動信號，磁致伸縮引發(fā)的信 號幅值偏小，一般為5 Χ10-4~10-2個重力加速度，但其振動信號在600Hz頻率處依然很強 烈，信號更加多樣。
[0055] GIS內(nèi)部的振動源除了 W上幾種外，還有由于開關(guān)操作等引起的外殼振動。運種機 械振動的頻率比較低，一般在幾百化范圍內(nèi)，振動強度則超過上述幾種振動強度數(shù)倍甚至 數(shù)十倍。GIS母線的安裝結(jié)構(gòu)是支持絕緣子通過金屬窩頭套在導電桿來起支撐作用，但由于 長時間負荷電流的振動影響，金屬窩頭與逐漸松動的導電桿的間隙逐漸變大，放電現(xiàn)象逐 漸加劇，最終引發(fā)對地短路現(xiàn)象，由此而產(chǎn)生的異響和振動均異于常態(tài)，幅值最高可達上百 重力加速度。由于導體中交流電流產(chǎn)生的交變電動力引起母線振動，所W其振動頻率主要 為lOOHz。
[0056] 靜電力引起的振動。
[0057] GIS內(nèi)部電流通過導體時產(chǎn)生的靜電力與二倍基頻成正比。此類振動頻率主要為 lOOHz，振動加速度值大約為百分之一個重力加速度。
[0058] 振動信號經(jīng)GIS筒體管道衰減、傳遞到外殼表面。在筒體表面，通過