故障诊断技术——基于异常振动分析的GIS机械缺陷诊断
【技术领域】
[0001] 本发明设及机械故障诊断技术领域尤其设及一种基于异常振动分析的GIS机械缺陷诊断系统及方法。
[0002] 气体绝缘金属封闭开关设备(Gas Insulated Switchgear,GIS)广泛应用于各电 压等级的变电站中具有诸多优点比如占地面积小、检修周期长、元件全部密封不受环境 干扰、运行可靠性高技术先进并且经济优越。虽然GIS具有很多的优点但是也存在一些问 题例如：由于GIS的全部元件都封装在金属箱里结构紧凑内部电器元件多难W及时发 现和准确定位出现的故障；一旦出现故障鉴于其复杂的结构不易拆卸很难实现现场维 修。如果发生故障GIS-般有2周的停电时间然而现实情况下检修需要两周W上的时间来 完成。因此很有必要对GIS的运行状况进行实时的监测。
[0003] GIS的异常机械振动在运行变电站时有发生异常振动会对GIS运行状态产生不利 影响并且产成的超标噪声，MGA6烟气分析仪会影响运行人员及变电站附近人员工作及生活。同时异常振 动会对现场GIS局部放电超声波检测造成干扰进而影响GIS运行状态的准确评估。
[0004] 目前存在W下几种GIS故障诊断方法：
[0005] 1.SF6气体检测法
[0006] 通过抽取GIS内部的SF6气体分析所含分解物来判断是否发生放电故障及放电强 度。但此方法不是实时检测法甚至不是快速检测法。气体检测法灵敏度很低并且对于某 些机械故障类型并不适用取气工作安全风险高不能作为长期的检测方法使用。
[0007] 2.高频接地电流法
[000引利用带有铁渔氧等磁忍材料的罗可夫斯基线圈作为传感器测量故障高频信号。 但底线需要穿过线圈给现场使用带来了不便。
[0009] 3.超局频检测法
[0010] 可W根据放电脉冲的波形特征和UHF信号的频率特征进行故障诊断具有良好的 检测灵敏度但超高频传感器本身的结构设计无法抑制来自变电站内高频段的干扰运就 使得检测结果的准确性受到了严重影响。
【发明内容】
[0011] 本发明的目的就是为了解决上述问题提出了一种基于异常振动分析的GIS机械 缺陷诊断系统及方法该系统及方法通过分析异常振动信号对采集到的振动信号应用小 波降噪处理得到对应的频谱图从而掌握不同机械故障类型下的振动信号特性可为GIS 的故障检测和诊断提供更为全面的补充有利于发现GIS潜在故障及故障定位。
[0012] 为实现上述目的本发明的具体方案如下：
[0013] 基于异常振动分析的GIS机械缺陷诊断系统包括:加速度传感器、电荷放大器、数 据采集仪和数据处理装置；
[0014] 所述加速度传感器固定于GIS壳体表面的测量点位置处加速度传感器、电荷放大 器、数据采集仪和数据处理装置依次串联连接；
[0015] 数据处理装置对测量的振动信号进行小波降噪后最终得到各测量点振动信号的 频谱图通过分析频谱图各频率段信号成分确定GIS机械故障类型。
[0016] 在GIS的外壳表面进行加速度传感器的布点布点位置应均匀的分布在可粘贴的 G IS壳体表面。
[0017] 通过分析频谱图各频率段信号成分确定GIS机械故障类型具体如下：
[001引由局部放电引起的振动振动主频率在5~30Ifflz之间；
[0019] GIS中由于电极表面不平整出现毛刺或由于绝缘子中有气穴存在在电场作用下 造成局部放电集中而发生放电运种放电产生的电磁波引起外壳的振动振动主频率在 20K化~eoifflz之间；
[0020] 在lOOHz处磁致伸缩引发的振动接近于电动力所引发的振动但电动力引发的振 动在高频信号300HzW上时非常微弱而铁忍的磁致伸缩作用引发的振动仍然非常强烈由 磁致伸缩作用引发的铁忍的振动振动信号在600Hz频率处依然很强烈。
[0021] 由于导体中交流电流产生的交变电动力引起的母线振动其振动频率主要为 lOOHz；
[0022] 由静电力引起的振动其振动频率主要为1 OOHz。
[0023] -种基于异常振动分析的GIS机械缺陷诊断系统的方法包括：
[0024] (1)在GIS的外壳表面进行加速度传感器的布点布点位置应均匀的分布在可粘贴 的壳体表面；
[0025] (2)测量GIS振动信号对测得的振动信号按整周期进行截取；
[0026] (3)采用小波分析方法对截取后的信号进行降噪处理；
[0027] (4)对降噪后的信号段进行频谱分析得到各测量点振动信号的频谱图；
[0028] (5)根据得到的信号频谱图确定每一个测量点振动信号的主要频率成分及各频 率成分所占的百分比；
[0029] (6)分别W测量点的主要频率成分和频率成分所占的百分比为横、纵坐标轴建立 直角坐标系在所述直角坐标系上绘出每一个测量点的主要频率成分及各频率成分所占的 百分比的折线图；
[0030] (7)根据所述折线图判断测量点是否存在振动信号异常分布的情况;如果有则判 断该测量点存在振动异常根据该测量点的振动信号频率分布情况确定可能出现的GIS故 障原因。
[0031] 所述步骤(3)中采用小波分析方法对截取后的信号进行降噪处理的方法具体为：
[0032] 假定带噪声的振动信号Si为有用信号fi和高斯白噪声信号ei的和；
[0033] 求取带噪声的振动信号Si的小波系数设定阔值λ保存高于阀值λ的系数而将低 于阀值λ的每一项系数均设定为零；
[0034] 处理后的小波系数记为信号fi的估计值。
[0035] 所述步骤(7)中由于GIS设备所受的力与电流和磁场强度的乘积及漏磁通与电流 成正比其振动的加速度正比于负载电流的平方故振动信号的基频是负载电流基频的2 倍即100化；当GIS信号中的高频成分增多当高频信号所占比重增大到超出lOOHz频率所 占比重时判断该测量点存在振动异常。
[0036] 本发明的有益效果：
[0037] 本发明所提出的基于异常振动分析的GIS诊断技术研究为发现GIS的机械缺陷或 潜在故障提供一种重要而可行的检测手段对保障GIS可靠运行具有重要意义。
[0038] 由于信号与噪声在时域和频域两种模态下存在差异采用小波降噪技术能够实现 理想的信噪分离进而达到有效的除噪效果。采用频谱分析方法确定振动信号频谱特征量 能准确反映 GIS故障具有较高的准确性和可靠性。
[0039] 基于现场检测证实GIS机械故障检测诊断可W通过振动信号的采集准确有效的 处理。
【附图说明】
[0040] 图1为GIS异常振动信号分布示意图；
[0041] 图2为小波降噪效果图；
[0042] 图3为测量CH1通道的信号频谱；
[0043] 图4为测量C肥通道的信号频谱；
[0044] 图5为测量C册通道的信号频谱；
[0045] 图6为测量CH4通道的信号频谱；
[0046] 图7为信号频谱组成折线图。
【具体实施方式】：
[0047] 下面结合附图对本发明进行详细说明：
[004引如图1所示GIS外壳的振动信号主要是由其内部输电设备的振动传导过来的运 些输电设备包括断路器、隔离开关、互感器、母线因而在外壳上的振动信号就具有运些设 备振动信号的振动特征。图1中1.表示局部放电引起的振动2.表示异物振动3.表示电磁 力、磁致伸缩引起的振动4.表示静电力引起的振动5.表示操作引起的振动6 .表示对地 短路引起的振动。
[0049] 局部放电引起的振动。
[0050] 鉴于异物比起壳体来太小可W忽略摩擦力的作用异物(颗粒或是导线）由于受 到交变电场作用会发生运动当电压升高到一定程度杂质所受到的电场力超过自身重力 时导致异物漂浮运动于二电极之间撞击金属外壳引起振动；同样在电场作用下金属 颗粒或其他缺陷会引发局部电场集中而导致放电同样可能引起外壳振动运些振动频率 特性有很高的识别性振动主频率在5~30Ifflz之间。
[0化1]异物振动。
[0052] GIS中由于电极表面不平整出现毛刺或由于绝缘子中有气穴存在在电场作用下 造成局部放电集中而发生放电运种放电产生的电磁波引起外壳振动加速度一般为10-5~ 10-3个重力加速度运种振动加速度出现在电源电压的固定相位上该相位几乎与局部放电 的电讯号出现的相位相同。振动的频率主要20Ifflz~eOIfflz之间。
[0053] 引起互感器铁忍和绕组振动的内在原因主要有:①铁忍振动是由于娃钢片的接缝 处和叠片之间有漏磁场造成电磁吸引力所致。②在电磁场作用娃钢片由于磁致伸缩效应 导致铁忍振动。③线应间、线饼间、绕组间有电流流过时动态电磁力的存在引起绕组振 动。
[0054] 互感器的振动在空载情况下和短路情况下主要分别由铁忍的磁致伸缩和绕组在 电动力的激励下产生的；在负载情况下互感器的振动可W认为是两种作用的叠加。在 100化处磁致伸缩引发的振动比较相近于电动力所引发的但电动力引发的振动在高频信 号(300化W上)非常微弱而铁忍的磁致伸缩作用仍然非常强烈此时铁屯、振动(磁致伸缩） 现象产生互感器大多数的高频信号。100化附近是电动力主振频率区由电动力引发的振动 信号在200Hz300Hz频率范围时信号都比较微弱300化W上的谐波大多衰减到零振动幅 值一般为5Χ10-3~10^1个重力加速度。相比于电动力引发的振动信号磁致伸缩引发的信 号幅值偏小一般为5 Χ10-4~10-2个重力加速度但其振动信号在600Hz频率处依然很强 烈信号更加多样。
[0055] GIS内部的振动源除了 W上几种外还有由于开关操作等引起的外壳振动。运种机 械振动的频率比较低一般在几百化范围内振动强度则超过上述几种振动强度数倍甚至 数十倍。GIS母线的安装结构是支持绝缘子通过金属窝头套在导电杆来起支撑作用但由于 长时间负荷电流的振动影响金属窝头与逐渐松动的导电杆的间隙逐渐变大放电现象逐 渐加剧最终引发对地短路现象由此而产生的异响和振动均异于常态幅值最高可达上百 重力加速度。由于导体中交流电流产生的交变电动力引起母线振动所W其振动频率主要 为lOOHz。
[0056] 静电力引起的振动。
[0057] GIS内部电流通过导体时产生的静电力与二倍基频成正比。此类振动频率主要为 lOOHz振动加速度值大约为百分之一个重力加速度。
[0058] 振动信号经GIS筒体管道衰减、传递到外壳表面。在筒体表面通过
安装传感器来 监测、采集筒体振动信号将所得的振动信号利用小波降噪算法加 W处理最后通过频谱分 析及时发现故障隐患从而最大可能地降低GIS大型事故发生概率。
[0059] 基于小波降噪的振动信号处理
[0060] 由于信号与噪声在时域和频域两种模态下存在差异GIS有效的状态监测与故障 诊断即可利用运种差异实现理想的信噪分离进而达到有效的除噪效果。
[0061] 假定带噪声的振动信号
[0062] si = fi+ei (1)
[0063] 式中fi为真实信号ei为方差的高斯白噪声即（0,〇2)si为含有噪声的信号。令 I为fi的估计值则构造估计模型黨的均方差为
[0064]
( 2 )
[0065] 极少数小波系数受有用信号fi的影响而所有小波系数中的任何一项均受到白噪 声ei的不同影响。
[0066] 取定一个阀值λ保存高于阀值λ的系数而将低于阀值λ的每一项系数均设定为 零。处理后的小波系数记为信号fi的估计值。
[0067] 所W建立小波降噪模型过程可分为W下步骤：
[0068] 1)计算信号Si的小波系数wj,k。
[0069] 2)阔值计算
[0070]
( 3 )
[0071] 式中η为输出样本的长度。
[0072] 将信号Si中的每一个元素取绝对值即I S I。取阀值处理后的小波系数ru如果I S >λ则令
[0073] ru = si即（S) ( I S I-λ) (4)
[0074] 否则 τμ = 〇;
[00对把Wj,k代入式（4)得离
[0076] 3)对g进行小波重构得到f(ti)的估计信号二W·''苗即为降噪后的信号W为 小波分解算子。
[0077] 对于上述降噪模型0=wTf则f(ti)的估计值的均方差为
[007引
：（5 )
[0079] 因此f(ti)的估计误差取决于·|;的值式(4)求得的潑值为Θ的理想估计值。由式(5) 可得到f(ti)均方意义下的理想估计值。
[0080] 其中f(ti)是有用信号Θ是重构后的信号f是重构前的信号。
[0081 ]图2所示为小波降噪后的效果图。
[0082] 3GIS异常振动信号的测量
[0083] 利用传感器获取振动信号放大器或变换器用来加工输出信号二者共同组成振 动信号测量单元。振动测试传感器(又名拾振器）是一种敏感元件能够将振动信号变换为 电参量。振动测试传感器能够将被测的振动物理量转换成W电量(电压、电荷)或电参数(电 阻、电容、电感等)为主要形式的信号。
[0084] 在GIS的外壳表面进行加速度传感器的布点布点位置应均匀的分布在可粘贴的 壳体表面具体分布情况如下。
[0085] 4试验结果及分析
[0086] 对测量的振动信号进行小波降噪后最终得到各通道振动信号的频谱图如下所 不为通道CH1-CH4的f目号频谱图3-图6所不。
[0087] 由W上图形可W看出：在CH1通道所测得的振动信号中800化和700Hz为最大幅值 频率点主要振动信号都集中在4000化频率范围内且都是在lOOHz整数倍的频率点处出现 峰值情况最低峰值点为lOOHz。振动信号幅值在lOOHz-4000化范围内分布较为分散集中 程度较C肥-CH4通道的信号集中程度较低。
[008引在CH2通道所测得的振动信号中幅值最大的频率点在lOOHz处而且在1300化、 800化和700Hz等频率点处出现幅值稍低的次峰值。主要振动信号都集中在3000化频率范围 内且都是在lOOHz整数倍的频率点处出现峰值情况最低峰值点为lOOHz。振动信号幅值在 lOOHz-3000化范围内分布较为分散集中程度较CH3、CH4通道的信号集中程度较低比CH1 通道的信号集中程度高。
[0089]在CH3通道所测得的振动信号中峰值幅值最大的频率点在lOOHz处次峰值出现 在300Hz处。主要振动信号都集中在1200化频率范围内且都是在lOOHz整数倍的频率点处 出现峰值情况最低峰值点为lOOHz。振动信号分布较CH1、C肥通道的信号要更为集中。 [0090]在畑4通道所测得的振动信号与畑3的振动信号高度相似最高峰值都出现在 100化处且信号都集中在1200化频率范围W内振动信号分布较CHUCH2通道的信号要更 为集中。W下表格列出了 4个测量通道CH1-CH4的测量信号中各主要频率成分所占的百分比 重。
[0091 ]表1 CH1-CH4信号各主要频率成分所占的百分比 [00921
[0093] 根据W上表格画出信号频率组成折线图如图7所示直观的反映出各频率成分的 组成大小。
[0094] 综上所述可W得到W下结论：
[0095] 在W上4个测量点中1号测量点所测的振动信号出现最为严重的异常分布情况2 号测量点的振动信号频率分布存在轻微的异常3号和4号测量点的振动信号频率分布符合 理论分析情况为正常情况。所W可W-次推测在1号测量点的附近存在振动异常引起噪 声的异常情况宜对1号测量点附近的设备进行检修W杜绝故障的发生。根据1号点的振动 信号频率分布情况在700HZ-1200化频率范围内有幅值较大的信号存在有较大可能是由 于GIS内部结构出现松动或者互感器设备中的铁忍或绕组发生松动或变形引起的振动与噪 声的异常需要进行进一步的验证。
[0096] 5 结论
[0097] 由该次振动检测数据的分析，现场可W基本断定GIS内部结构出现松动且初步定 位异常振动位于互感器设备。在停电检修中发现由于B相电压互感器支撑槽钢紧固不牢 造成互感器产生振动。检修结果证实基于异常振动分析可W有效的检测GIS机械缺陷。
[0098] 本发明所提出的基于异常振动分析的GIS诊断技术研究为发现GIS的机械缺陷或 潜在故障提供一种重要而可行的检测手段对保障GIS可靠运行具有重要意义。
[0099] 上述虽然结合附图对本发明的【具体实施方式】进行了描述但并非对本发明保护范 围的限制所属领域技术人员应该明白在本发明的技术方案的基础上本领域技术人员不 需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围W内。
【主权项】
1. 基于异常振动分析的GIS机械缺陷诊断系统其特征是包括:加速度传感器、电荷放 大器、数据采集仪和数据处理装置； 所述加速度传感器固定于GIS壳体表面的测量点位置处加速度传感器、电荷放大器、 数据采集仪和数据处理装置依次串联连接； 数据处理装置对测量的振动信号进行小波降噪后最终得到各测量点振动信号的频谱 图通过分析频谱图各频率段信号成分确定GIS机械故障类型。2. 如权利要求1所述的基于异常振动分析的GIS机械缺陷诊断系统其特征是在GIS的 外壳表面进行加速度传感器的布点布点位置应均勾的分布在可粘贴的GIS壳体表面。3. 如权利要求1所述的基于异常振动分析的GIS机械缺陷诊断系统其特征是通过分 析频谱图各频率段信号成分确定GIS机械故障类型具体如下： 由局部放电引起的振动振动主频率在5~30KHz之间； GIS中由于电极表面不平整出现毛刺或由于绝缘子中有气穴存在在电场作用下造成 局部放电集中而发生放电这种放电产生的电磁波引起外壳的振动振动主频率在20KHz~ 60KHz之间； 在100Hz处磁致伸缩引发的振动接近于电动力所引发的振动但电动力引发的振动在 高频信号300Hz以上时非常微弱而铁芯的磁致伸缩作用引发的振动仍然非常强烈由磁致 伸缩作用引发的铁芯的振动振动信号在600Hz频率处依然很强烈。4. 如权利要求1所述的基于异常振动分析的GIS机械缺陷诊断系统其特征是由于导 体中交流电流产生的交变电动力引起的母线振动其振动频率主要为100Hz; 由静电力引起的振动其振动频率主要为100Hz。5. -种如权利要求1所述的基于异常振动分析的GIS机械缺陷诊断系统的方法，其特征 是包括： (1) 在GIS的外壳表面进行加速度传感器的布点布点位置应均勾的分布在可粘贴的壳 体表面； (2) 测量GIS振动信号对测得的振动信号按整周期进行截取； (3) 采用小波分析方法对截取后的信号进行降噪处理； (4) 对降噪后的信号段进行频谱分析得到各测量点振动信号的频谱图； (5) 根据得到的信号频谱图确定每一个测量点振动信号的主要频率成分及各频率成 分所占的百分比； (6) 分别以测量点的主要频率成分和频率成分所占的百分比为横、纵坐标轴建立直角 坐标系在所述直角坐标系上绘出每一个测量点的主要频率成分及各频率成分所占的百分 比的折线图； (7) 根据所述折线图判断测量点是否存在振动信号异常分布的情况;如果有则判断该 测量点存在振动异常根据该测量点的振动信号频率分布情况确定可能出现的GIS故障原 因。6. 如权利要求5所述的基于异常振动分析的GIS机械缺陷诊断系统的方法其特征是 所述步骤(3)中采用小波分析方法对截取后的信号进行降噪处理的方法具体为： 假定带噪声的振动信号81为有用信号h和高斯白噪声信号ei的和； 求取带噪声的振动信号81的小波系数设定阈值λ保存高于阀值λ的系数而将低于阀 值λ的每一项系数均设定为零； 处理后的小波系数记为信号h的估计值。7.如权利要求5所述的基于异常振动分析的GIS机械缺陷诊断系统的方法其特征是 所述步骤(7)中由于GIS设备所受的力与电流和磁场强度的乘积及漏磁通与电流成正比 其振动的加速度正比于负载电流的平方故振动信号的基频是负载电流基频的2倍即 100Hz;当GIS信号中的高频成分增多当高频信号所占比重增大到超出100Hz频率所占比重 时判断该测量点存在振动异常。
【专利摘要】本发明公开了一种基于异常振动分析的GIS机械缺陷诊断系统及方法包括：加速度传感器固定于GIS壳体表面的测量点位置处加速度传感器、电荷放大器、数据采集仪和数据处理装置依次串联连接；数据处理装置对测量的振动信号进行小波降噪后最终得到各测量点振动信号的频谱图通过分析频谱图各频率段信号成分确定GIS机械故障类型。本发明有益效果：本发明所提出的基于异常振动分析的GIS诊断技术研究为发现GIS的机械缺陷或潜在故障提供一种重要而可行的检测手段对保障GIS可靠运行具有重要意义。
【公开号】CN105629100
【申请号】CN201510971986
【发明人】孙庆生, 曹涛
【申请人】国网安徽省电力公司合肥供电公司, 国家电网公司
【公开日】2016年6月1日
【申请日】2015年12月18日
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