一種基于振動信號的GIS局部放電類型識別系統及方法與流程
2024-03-06 08:42:15
本發明涉及一種電氣設備故障診斷技術，特別是涉及一種基于振動信號的GIS局部放電類型識別系統及方法，屬於GIS設備狀態監測及故障診斷領域。
背景技術：
GIS設備，即氣體絕緣金屬封閉開關設備(Gas Insulated Switchgear)，誕生於20世紀60年代中期，它將斷路器、隔離開關、快速(接地)開關、電流互感器、電壓互感器、避雷器、母線(三相或單相)、連接管和過渡元件等全部組合在一個全封閉的金屬外殼內，殼內用於絕緣和滅弧的介質是0.35～0.6MPa的SF6氣體。
隨著技術的不斷成熟，GIS設備佔地面積與體積越來越小，運行也越來越可靠，早期投運的GIS設備的故障率和維護工作量也明顯低於同時期的其他類型的開關設備，因此，在城網改造中被大量使用。
隨著近幾年我國GIS設備使用量迅速增加和早期投運的GIS設備運行年限的增長，GIS設備的故障率有增加的趨勢，並遠遠高出了IEC所建議的GIS設備事故率不超過0.1間隔/百臺·年的要求。
GIS設備由諸多電氣設備組合而成，但故障情況又與各獨立電氣設備的故障不盡相同，且故障率要遠低於獨立電氣設備的故障率，長時間的高壓環境也成為許多GIS設備故障的誘因。GIS設備從設計、製造、安裝到運行需要經過嚴格的流程控制以確保GIS設備的運行質量，但諸多工序中的任一環節都可能成為GIS設備故障的潛在隱患，根據國家電網《高壓開關設備典型故障案例彙編》中的案例介紹，大約有80％的故障在製造及安裝環節引入。儘管GIS設備擁有較高的運行可靠性，但長期運行的GIS設備，難免會有材質劣化，以及連接部件在電動力作用下鬆動或變形的情況發生。GIS設備故障類型繁多，但以局部放電故障最為常見，目前常見的檢測方法包括特高頻法、超聲波法等等，其中特高頻法會受到氣體成分的影響，同時受環境中的電磁噪聲影響較大，超聲波存在可靠性不高、誤差較大等缺陷；因此尋找好的放電類型識別方法對於提高供電可靠性有重大意義。
技術實現要素：
本發明的主要目的在於，克服現有技術中的不足，提供一種簡單易行、方便可靠的基于振動信號的GIS局部放電類型識別系統及方法，具有產業上的利用價值。
為了達到上述目的，本發明所採用的技術方案是：
一種基于振動信號的GIS局部放電類型識別系統，包括依次相連的振動傳感器、數據採集儀和PC機，所述振動傳感器固定安裝在GIS設備的殼體外殼面上。
其中，所述振動傳感器，用於實時採集GIS設備的振動信號，並將振動信號傳輸給數據採集儀；所述數據採集儀，用於接收振動信號，並依次經降噪、濾波和A/D變換處理後將振動信號傳輸給PC機；所述PC機，用於接收數據採集儀輸出的振動信號，並進行放電類型的判斷及輸出判斷結果。
本發明進一步設置為：所述振動傳感器為鐵磁性傳感器，通過吸附在GIS設備的氣室法蘭處的固定螺母上進行固定安裝。
本發明進一步設置為：所述振動傳感器為5個，包括均垂直於GIS設備的氣室法蘭處的法蘭面進行固定安裝的4個振動傳感器和沿GIS設備的氣室徑向固定安裝的1個振動傳感器。
本發明還提供一種基于振動信號的GIS局部放電類型識別方法，包括以下步驟：
1)在GIS設備的殼體外殼面上固定安裝振動傳感器，將振動傳感器的輸出端連接於數據採集儀，將數據採集儀的輸出端連接至PC機；
2)啟動GIS設備處於運行狀態，通過振動傳感器實時採集GIS設備的振動信號，設定振動信號採樣頻率為25600Hz，採樣時間為2.5s；
3)通過數據採集儀對振動傳感器採集到的振動信號進行小波降噪處理；
4)通過數據採集儀對小波降噪處理後的振動信號進行濾波和A/D變換處理，只保留1500Hz-6400Hz頻段的振動信號輸出給PC機；
5)PC機對1500Hz-6400Hz頻段的振動信號進行小波時頻變換，根據小波時頻變換後的時間序列，計算每個時間點1750Hz-2000Hz頻段能量佔1500Hz-2000Hz頻段能量的佔比m；
m＝E1750Hz-2000Hz/E1500Hz-2000Hz，
其中，E1750Hz-2000Hz為1750Hz-2000Hz頻段能量，其為1750Hz-2000Hz頻段各個頻率點振幅的平方和，計算公式為式中，A為振幅，f為頻率；
其中，E1500Hz-2000Hz為1500Hz-2000Hz頻段能量，其為1500Hz-2000Hz頻段各個頻率點振幅的平方和，計算公式為式中，A為振幅，f為頻率；
6)設振動信號總採樣點數為N，N個總採樣點數中每個採樣點都對應一個佔比m值；分別取n1＝N(m＞0.5)/N，n2＝N(m＞0.8)/N；
其中，n1為總採樣點數N中能量佔比m大於0.5的採樣點數與總採樣點數的比值，N(m＞0.5)為N個總採樣點數中m＞0.5的振動信號總個數，n2為總採樣點數N中能量佔比m大於0.8的採樣點數與總採樣點數的比值，N(m＞0.8)為N個總採樣點數中m＞0.8的振動信號總個數；
7)建立兩個動態閾值λ1和λ2，λ1＝20E1500Hz-6400Hz，λ2＝2λ1-1.31；
其中，λ1、λ2為判斷尖刺放電與盆子沿面放電的動態閾值；E1500Hz-6400Hz為局部放電振動信號1500Hz-6400Hz頻段總能量，其為1500Hz-6400Hz頻段各個頻率點振幅的平方和，計算公式為式中，A為振幅，f為頻率；
將步驟6)計算得到的n1、n2與動態閾值相比較來進行放電類型的判斷，放電類型包括尖刺放電和盆子沿面放電；
當n1＞λ1且n2＞λ2時，判斷放電類型為盆子沿面放電；
當n1＜λ1且n2＜λ2時，判斷放電類型為尖刺放電；
否則，判斷放電類型不明。
與現有技術相比，本發明具有的有益效果是：
1、本發明提供的基于振動信號的GIS局部放電類型識別系統，其振動信號的採集與GIS設備沒有電氣聯繫，結構簡單，易於操作，經濟而實用。
2、本發明提供的基于振動信號的GIS局部放電類型識別方法，特徵頻段採用高頻部分，能夠排除低頻振動幹擾，檢測可靠性高。
上述內容僅是本發明技術方案的概述，為了更清楚的了解本發明的技術手段，下面結合附圖對本發明作進一步的描述。
附圖說明
圖1為本發明一種基于振動信號的GIS局部放電類型識別系統的結構框圖；
圖2為本發明一種基于振動信號的GIS局部放電類型識別系統中振動傳感器的分布示意圖；
圖3為本發明一種基于振動信號的GIS局部放電類型識別方法的流程圖；
圖4為本發明放電類型識別方法所測取的振動信號圖；
圖5為本發明放電類型識別方法所變換的尖刺放電小波時頻譜圖；
圖6為本發明放電類型識別方法所變換的盆子沿面放電小波時頻譜圖；
圖7為本發明放電類型識別方法所建立的局部放電類型的識別圖。
具體實施方式
下面結合說明書附圖，對本發明作進一步的說明。
本發明提供一種基于振動信號的GIS局部放電類型識別系統，如圖1所示，包括依次相連的振動傳感器、數據採集儀和PC機。所述振動傳感器，用於實時採集GIS設備的振動信號，並將振動信號傳輸給數據採集儀；所述數據採集儀，用於接收振動信號，並依次經降噪、濾波和A/D變換處理後將振動信號傳輸給PC機；所述PC機，用於接收數據採集儀輸出的振動信號，並進行放電類型的判斷及輸出判斷結果。
所述振動傳感器為鐵磁性傳感器，通過吸附在GIS設備10的氣室法蘭處的固定螺母上進行固定安裝，如圖2所示。圖2中的振動傳感器為5個，包括均垂直於GIS設備的氣室法蘭處的法蘭面進行固定安裝的4個振動傳感器和沿GIS設備的氣室徑向固定安裝的1個振動傳感器，其中4個振動傳感器分別為圖2中所示的1#、2#、3#和5#，1個振動傳感器為4#。
本發明還提供一種基于振動信號的GIS局部放電類型識別方法，如圖3所示，包括以下步驟：
1)在GIS設備的殼體外殼面上固定安裝振動傳感器，將振動傳感器的輸出端連接於數據採集儀，將數據採集儀的輸出端連接至PC機；
2)啟動GIS設備處於運行狀態，通過振動傳感器實時採集GIS設備的振動信號，設定振動信號採樣頻率為25600Hz，採樣時間為2.5s；
3)通過數據採集儀對振動傳感器採集到的振動信號進行小波降噪處理；
4)通過數據採集儀對小波降噪處理後的振動信號進行濾波和A/D變換處理，只保留1500Hz-6400Hz頻段的振動信號輸出給PC機；
5)PC機對1500Hz-6400Hz頻段的振動信號進行小波時頻變換，根據小波時頻變換後的時間序列，計算每個時間點1750Hz-2000Hz頻段能量佔1500Hz-2000Hz頻段能量的佔比m；
m＝E1750Hz-2000Hz/E1500Hz-2000Hz，
其中，E1750Hz-2000Hz為1750Hz-2000Hz頻段能量，其為1750Hz-2000Hz頻段各個頻率點振幅的平方和，計算公式為式中，A為振幅，f為頻率；
其中，E1500Hz-2000Hz為1500Hz-2000Hz頻段能量，其為1500Hz-2000Hz頻段各個頻率點振幅的平方和，計算公式為式中，A為振幅，f為頻率；
6)設振動信號總採樣點數為N，N個總採樣點數中每個採樣點都對應一個佔比m值；分別取n1＝N(m＞0.5)/N，n2＝N(m＞0.8)/N；
其中，n1為總採樣點數N中能量佔比m大於0.5的採樣點數與總採樣點數的比值，N(m＞0.5)為N個總採樣點數中m＞0.5的振動信號總個數，n2為總採樣點數N中能量佔比m大於0.8的採樣點數與總採樣點數的比值，N(m＞0.8)為N個總採樣點數中m＞0.8的振動信號總個數；
7)建立兩個動態閾值λ1和λ2，λ1＝20E1500Hz-6400Hz，λ2＝2λ1-1.31；
其中，λ1、λ2為判斷尖刺放電與盆子沿面放電的動態閾值；E1500Hz-6400Hz為局部放電振動信號1500Hz-6400Hz頻段總能量，其為1500Hz-6400Hz頻段各個頻率點振幅的平方和，計算公式為式中，A為振幅，f為頻率；
將步驟6)計算得到的n1、n2與動態閾值相比較來進行放電類型的判斷，放電類型包括尖刺放電和盆子沿面放電；
當n1＞λ1且n2＞λ2時，判斷放電類型為盆子沿面放電；
當n1＜λ1且n2＜λ2時，判斷放電類型為尖刺放電；
否則，判斷放電類型不明。
本發明的放電類型識別方法是通過小波時頻法對振動信號進行變換，計算各時間點下頻段1750Hz-2000Hz頻段能量佔1500Hz-2000Hz頻段能量的比值，根據動態閾值判斷GIS發生局部放電類型。
可採用型號為252kV ZF-16的GIS設備，分別對尖刺放電(針尖放電)與金屬顆粒盆子沿面放電這兩种放電類型進行識別。
先測取正常情況下GIS設備的振動信號，經計算在正常情況下，當電壓不同時，1600Hz以上振動分量情況基本不變，因此此處選取35kV下的振動信號為正常比對信號。
如圖4所示為測量得到的振動信號，將振動信號進行小波時頻變換，得到如圖5和圖6所示的小波時頻譜圖；通過計算取n1與n2，並以n1為橫坐標、n2為縱坐標作圖，通過動態閾值的設定以及比較，得到如圖7所示的可準確判斷局部放電類型的識別圖。
以上顯示和描述了本發明的基本原理、主要特徵及優點。本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原理，在不脫離本發明精神和範圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明範圍內。本發明要求保護範圍由所附的權利要求書及其等效物界定。