故障診斷技術——基于異常振動分析的GIS機械缺陷診斷
【技術領域】
[0001] 本發明設及機械故障診斷技術領域尤其設及一種基于異常振動分析的GIS機械缺陷診斷系統及方法。
[0002] 氣體絕緣金屬封閉開關設備(Gas Insulated Switchgear,GIS)廣泛應用于各電 壓等級的變電站中具有諸多優點比如占地面積小、檢修周期長、元件全部密封不受環境 干擾、運行可靠性高技術先進并且經濟優越。雖然GIS具有很多的優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構緊湊內部電器元件多難W及時發 現和準確定位出現的故障；一旦出現故障鑒于其復雜的結構不易拆卸很難實現現場維 修。如果發生故障GIS-般有2周的停電時間然而現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測。
[0003] GIS的異常機械振動在運行變電站時有發生異常振動會對GIS運行狀態產生不利 影響并且產成的超標噪聲，MGA6煙氣分析儀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 動會對現場GIS局部放電超聲波檢測造成干擾進而影響GIS運行狀態的準確評估。
[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內部的SF6氣體分析所含分解物來判斷是否發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場使用帶來了不便。
[0009] 3.超局頻檢測法
[0010] 可W根據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構設計無法抑制來自變電站內高頻段的干擾運就 使得檢測結果的準確性受到了嚴重影響。
【發明內容】
[0011] 本發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 缺陷診斷系統及方法該系統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現GIS潛在故障及故障定位。
[0012] 為實現上述目的本發明的具體方案如下：
[0013] 基于異常振動分析的GIS機械缺陷診斷系統包括:加速度傳感器、電荷放大器、數 據采集儀和數據處理裝置；
[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、數據采集儀和數據處理裝置依次串聯連接；
[0015] 數據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生放電運種放電產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處磁致伸縮引發的振動接近于電動力所引發的振動但電動力引發的振 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的振動仍然非常強烈由 磁致伸縮作用引發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取；
[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該測量點的振動信號頻率分布情況確定可能出現的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的小波系數設定闊值λ保存高于閥值λ的系數而將低 于閥值λ的每一項系數均設定為零；
[0034] 處理后的小波系數記為信號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] 本發明的有益效果：
[0037] 本發明所提出的基于異常振動分析的GIS診斷技術研究為發現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下存在差異采用小波降噪技術能夠實現 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] 下面結合附圖對本發明進行詳細說明：
[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、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(顆粒或是導線）由于受 到交變電場作用會發生運動當電壓升高到一定程度雜質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生放電運種放電產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化處磁致伸縮引發的振動比較相近于電動力所引發的但電動力引發的振動在高頻信 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） 現象產生互感器大多數的高頻信號。100化附近是電動力主振頻率區由電動力引發的振動 信號在200Hz300Hz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。相比于電動力引發的振動信號磁致伸縮引發的信 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內部的振動源除了 W上幾種外還有由于開關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振動強度則超過上述幾種振動強度數倍甚至 數十倍。GIS母線的安裝結構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象逐 漸加劇最終引發對地短路現象由此而產生的異響和振動均異于常態幅值最高可達上百 重力加速度。由于導體中交流電流產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內部電流通過導體時產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GIS筒體管道衰減、傳遞到外殼表面。在筒體表面通過
安裝傳感器來 監測、采集筒體振動信號將所得的振動信號利用小波降噪算法加 W處理最后通過頻譜分 析及時發現故障隱患從而最大可能地降低GIS大型事故發生概率。
[0059] 基于小波降噪的振動信號處理
[0060] 由于信號與噪聲在時域和頻域兩種模態下存在差異GIS有效的狀態監測與故障 診斷即可利用運種差異實現理想的信噪分離進而達到有效的除噪效果。
[0061] 假定帶噪聲的振動信號
[0062] si = fi+ei (1)
[0063] 式中fi為真實信號ei為方差的高斯白噪聲即（0,〇2)si為含有噪聲的信號。令 I為fi的估計值則構造估計模型黨的均方差為
[0064]
( 2 )
[0065] 極少數小波系數受有用信號fi的影響而所有小波系數中的任何一項均受到白噪 聲ei的不同影響。
[0066] 取定一個閥值λ保存高于閥值λ的系數而將低于閥值λ的每一項系數均設定為 零。處理后的小波系數記為信號fi的估計值。
[0067] 所W建立小波降噪模型過程可分為W下步驟：
[0068] 1)計算信號Si的小波系數wj,k。
[0069] 2)闊值計算
[0070]
( 3 )
[0071] 式中η為輸出樣本的長度。
[0072] 將信號Si中的每一個元素取絕對值即I S I。取閥值處理后的小波系數ru如果I S >λ則令
[0073] ru = si即（S) ( I S I-λ) (4)
[0074] 否則 τμ = 〇;
[00對把Wj,k代入式（4)得離
[0076] 3)對g進行小波重構得到f(ti)的估計信號二W·''苗即為降噪后的信號W為 小波分解算子。
[0077] 對于上述降噪模型0=wTf則f(ti)的估計值的均方差為
[007引
：（5 )
[0079] 因此f(ti)的估計誤差取決于·|;的值式(4)求得的潑值為Θ的理想估計值。由式(5) 可得到f(ti)均方意義下的理想估計值。
[0080] 其中f(ti)是有用信號Θ是重構后的信號f是重構前的信號。
[0081 ]圖2所示為小波降噪后的效果圖。
[0082] 3GIS異常振動信號的測量
[0083] 利用傳感器獲取振動信號放大器或變換器用來加工輸出信號二者共同組成振 動信號測量單元。振動測試傳感器(又名拾振器）是一種敏感元件能夠將振動信號變換為 電參量。振動測試傳感器能夠將被測的振動物理量轉換成W電量(電壓、電荷)或電參數(電 阻、電容、電感等)為主要形式的信號。
[0084] 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 殼體表面具體分布情況如下。
[0085] 4試驗結果及分析
[0086] 對測量的振動信號進行小波降噪后最終得到各通道振動信號的頻譜圖如下所 不為通道CH1-CH4的f目號頻譜圖3-圖6所不。
[0087] 由W上圖形可W看出：在CH1通道所測得的振動信號中800化和700Hz為最大幅值 頻率點主要振動信號都集中在4000化頻率范圍內且都是在lOOHz整數倍的頻率點處出現 峰值情況最低峰值點為lOOHz。振動信號幅值在lOOHz-4000化范圍內分布較為分散集中 程度較C肥-CH4通道的信號集中程度較低。
[008引在CH2通道所測得的振動信號中幅值最大的頻率點在lOOHz處而且在1300化、 800化和700Hz等頻率點處出現幅值稍低的次峰值。主要振動信號都集中在3000化頻率范圍 內且都是在lOOHz整數倍的頻率點處出現峰值情況最低峰值點為lOOHz。振動信號幅值在 lOOHz-3000化范圍內分布較為分散集中程度較CH3、CH4通道的信號集中程度較低比CH1 通道的信號集中程度高。
[0089]在CH3通道所測得的振動信號中峰值幅值最大的頻率點在lOOHz處次峰值出現 在300Hz處。主要振動信號都集中在1200化頻率范圍內且都是在lOOHz整數倍的頻率點處 出現峰值情況最低峰值點為lOOHz。振動信號分布較CH1、C肥通道的信號要更為集中。 [0090]在畑4通道所測得的振動信號與畑3的振動信號高度相似最高峰值都出現在 100化處且信號都集中在1200化頻率范圍W內振動信號分布較CHUCH2通道的信號要更 為集中。W下表格列出了 4個測量通道CH1-CH4的測量信號中各主要頻率成分所占的百分比 重。
[0091 ]表1 CH1-CH4信號各主要頻率成分所占的百分比 [00921
[0093] 根據W上表格畫出信號頻率組成折線圖如圖7所示直觀的反映出各頻率成分的 組成大小。
[0094] 綜上所述可W得到W下結論：
[0095] 在W上4個測量點中1號測量點所測的振動信號出現最為嚴重的異常分布情況2 號測量點的振動信號頻率分布存在輕微的異常3號和4號測量點的振動信號頻率分布符合 理論分析情況為正常情況。所W可W-次推測在1號測量點的附近存在振動異常引起噪 聲的異常情況宜對1號測量點附近的設備進行檢修W杜絕故障的發生。根據1號點的振動 信號頻率分布情況在700HZ-1200化頻率范圍內有幅值較大的信號存在有較大可能是由 于GIS內部結構出現松動或者互感器設備中的鐵忍或繞組發生松動或變形引起的振動與噪 聲的異常需要進行進一步的驗證。
[0096] 5 結論
[0097] 由該次振動檢測數據的分析，現場可W基本斷定GIS內部結構出現松動且初步定 位異常振動位于互感器設備。在停電檢修中發現由于B相電壓互感器支撐槽鋼緊固不牢 造成互感器產生振動。檢修結果證實基于異常振動分析可W有效的檢測GIS機械缺陷。
[0098] 本發明所提出的基于異常振動分析的GIS診斷技術研究為發現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。
[0099] 上述雖然結合附圖對本發明的【具體實施方式】進行了描述但并非對本發明保護范 圍的限制所屬領域技術人員應該明白在本發明的技術方案的基礎上本領域技術人員不 需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發明的保護范圍W內。
【主權項】
1. 基于異常振動分析的GIS機械缺陷診斷系統其特征是包括:加速度傳感器、電荷放 大器、數據采集儀和數據處理裝置； 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、 數據采集儀和數據處理裝置依次串聯連接； 數據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。2. 如權利要求1所述的基于異常振動分析的GIS機械缺陷診斷系統其特征是在GIS的 外殼表面進行加速度傳感器的布點布點位置應均勾的分布在可粘貼的GIS殼體表面。3. 如權利要求1所述的基于異常振動分析的GIS機械缺陷診斷系統其特征是通過分 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： 由局部放電引起的振動振動主頻率在5~30KHz之間； GIS中由于電極表面不平整出現毛刺或由于絕緣子中有氣穴存在在電場作用下造成 局部放電集中而發生放電這種放電產生的電磁波引起外殼的振動振動主頻率在20KHz~ 60KHz之間； 在100Hz處磁致伸縮引發的振動接近于電動力所引發的振動但電動力引發的振動在 高頻信號300Hz以上時非常微弱而鐵芯的磁致伸縮作用引發的振動仍然非常強烈由磁致 伸縮作用引發的鐵芯的振動振動信號在600Hz頻率處依然很強烈。4. 如權利要求1所述的基于異常振動分析的GIS機械缺陷診斷系統其特征是由于導 體中交流電流產生的交變電動力引起的母線振動其振動頻率主要為100Hz; 由靜電力引起的振動其振動頻率主要為100Hz。5. -種如權利要求1所述的基于異常振動分析的GIS機械缺陷診斷系統的方法，其特征 是包括： (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勾的分布在可粘貼的殼 體表面； (2) 測量GIS振動信號對測得的振動信號按整周期進行截取； (3) 采用小波分析方法對截取后的信號進行降噪處理； (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； (5) 根據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； (6) 分別以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； (7) 根據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該測量點的振動信號頻率分布情況確定可能出現的GIS故障原 因。6. 如權利要求5所述的基于異常振動分析的GIS機械缺陷診斷系統的方法其特征是 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： 假定帶噪聲的振動信號81為有用信號h和高斯白噪聲信號ei的和； 求取帶噪聲的振動信號81的小波系數設定閾值λ保存高于閥值λ的系數而將低于閥 值λ的每一項系數均設定為零； 處理后的小波系數記為信號h的估計值。7.如權利要求5所述的基于異常振動分析的GIS機械缺陷診斷系統的方法其特征是 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 100Hz;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100Hz頻率所占比重 時判斷該測量點存在振動異常。
【專利摘要】本發明公開了一種基于異常振動分析的GIS機械缺陷診斷系統及方法包括：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、數據采集儀和數據處理裝置依次串聯連接；數據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。本發明有益效果：本發明所提出的基于異常振動分析的GIS診斷技術研究為發現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。
【公開號】CN105629100
【申請號】CN201510971986
【發明人】孫慶生, 曹濤
【申請人】國網安徽省電力公司合肥供電公司, 國家電網公司
【公開日】2016年6月1日
【申請日】2015年12月18日
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