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(1. 國(guó)網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都 610041；2. 華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206)

基于時(shí)頻檢測(cè)的GIS設(shè)備異常振動(dòng)分析

馬啟瀟1，劉書(shū)弟2，何宇航1，周電波1，何良1，姚曉1

(1. 國(guó)網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都 610041；2. 華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206)

對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻分析可以準(zhǔn)確地定位振動(dòng)源，進(jìn)而分析GIS設(shè)備異常振動(dòng)的成因并評(píng)價(jià)設(shè)備運(yùn)行狀況。采用振動(dòng)寬頻測(cè)試系統(tǒng)檢測(cè)了某220 kV變電站GIS設(shè)備的異常狀況，通過(guò)對(duì)測(cè)得振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析和連續(xù)小波分析，研究了振動(dòng)信號(hào)的時(shí)頻特性，揭示了振動(dòng)信號(hào)在GIS設(shè)備中的傳播衰減過(guò)程；同時(shí)利用振動(dòng)信號(hào)小波熵分析了振動(dòng)信號(hào)的時(shí)間延遲，從而對(duì)振動(dòng)源進(jìn)行了精確定位。

GIS設(shè)備;振動(dòng);頻譜分布;時(shí)頻分析;定位

0 引 言

近年來(lái)，隨著GIS設(shè)備的大量應(yīng)用，GIS設(shè)備異常振動(dòng)的情況出現(xiàn)得越來(lái)越頻繁，異常振動(dòng)的定位和準(zhǔn)確評(píng)價(jià)異常振動(dòng)對(duì)GIS設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的影響成為設(shè)備運(yùn)維面臨的新難題。異常振動(dòng)大部分是由于GIS設(shè)備內(nèi)部的機(jī)械故障或放電引起，但是GIS設(shè)備外部構(gòu)架應(yīng)力分布以及環(huán)境因素的變化也會(huì)引起GIS振動(dòng)。因此對(duì)GIS設(shè)備進(jìn)行振動(dòng)檢測(cè)有利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備的潛在缺陷[1-2]。

由于GIS振動(dòng)信號(hào)在金屬部件中傳播的衰減很小，因此測(cè)點(diǎn)的選擇可以具有一定的靈活性。利用GIS設(shè)備的振動(dòng)信號(hào)對(duì)其機(jī)械故障進(jìn)行診斷，可以很好地解決高壓隔離問(wèn)題，有助于實(shí)現(xiàn)對(duì)GIS設(shè)備的非侵入式狀態(tài)監(jiān)測(cè)，已成為高壓斷路器機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)的最合適的方法之一。數(shù)十年來(lái)，各國(guó)學(xué)者和工程技術(shù)人員在GIS設(shè)備機(jī)械故障的振動(dòng)診斷方面開(kāi)展了大量的研究工作，取得了一些成果，但一直未有重大突破，還需要不斷地深入研究。目前中國(guó)的堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)建設(shè)對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行有著迫切的需求，如何利用振動(dòng)診斷對(duì)GIS設(shè)備機(jī)械狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)成為了新的挑戰(zhàn)[3-5]。

下面對(duì)220 kV GIS設(shè)備的異常振動(dòng)進(jìn)行了多點(diǎn)檢測(cè)。通過(guò)對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行頻譜和連續(xù)小波分析，研究了振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域和頻域分布特征；利用小波熵求得振動(dòng)信號(hào)時(shí)延，對(duì)振動(dòng)源進(jìn)行準(zhǔn)確定位，并最終進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)。

1 GIS 振動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

在某變電站主變壓器進(jìn)線GIS管道處，時(shí)而出現(xiàn)較明顯的應(yīng)力釋放聲音。該段封閉管線長(zhǎng)近100 m，由于存在大范圍異響，無(wú)法準(zhǔn)確判斷產(chǎn)生異響的位置。因此采用振動(dòng)寬頻測(cè)量系統(tǒng)在GIS管道的一端布置了3個(gè)振動(dòng)測(cè)點(diǎn)，對(duì)產(chǎn)生的GIS管體異響進(jìn)行檢測(cè)。

現(xiàn)場(chǎng)GIS管道測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示，圖中可見(jiàn)3個(gè)測(cè)點(diǎn)統(tǒng)一布置在GIS管道的水平側(cè)面。在GIS管道左側(cè)的垂直拐彎處有個(gè)伸縮節(jié)，測(cè)點(diǎn)1距離伸縮節(jié)左側(cè)0.35 m，測(cè)點(diǎn)2距離測(cè)點(diǎn)1約1.6 m ，測(cè)點(diǎn)3距離測(cè)點(diǎn)2約4 m 。測(cè)點(diǎn)1到測(cè)點(diǎn)2之間，以及測(cè)點(diǎn)2到測(cè)點(diǎn)3之間均有1處GIS支撐結(jié)構(gòu)。

振動(dòng)寬頻測(cè)試系統(tǒng)的檢測(cè)單元采用了PCA的超聲波探頭，超聲信號(hào)經(jīng)放大濾波單元進(jìn)行了相應(yīng)處理。整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的頻響曲線如圖2所示，圖中可見(jiàn)測(cè)試系統(tǒng)在5～100 kHz之間具有較好的頻響特性。系統(tǒng)的采樣率設(shè)為1 MS/s,可完整地記錄GIS異響振動(dòng)信號(hào)。

圖1 GIS外殼上振動(dòng)傳感器的布置

圖2 振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的頻響曲線

2 測(cè)試結(jié)果分析

將測(cè)點(diǎn)1作為觸發(fā)通道，同時(shí)捕捉GIS出現(xiàn)異響時(shí)3個(gè)振動(dòng)測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)的振動(dòng)信號(hào)。出現(xiàn)異響時(shí)3個(gè)測(cè)點(diǎn)所測(cè)得振動(dòng)信號(hào)見(jiàn)圖3，圖中可見(jiàn)該次GIS管道異響產(chǎn)生2次振動(dòng)信號(hào)。第1次出現(xiàn)的振動(dòng)信號(hào)幅值較小，測(cè)點(diǎn)1處的峰值約為2.5 V，持續(xù)時(shí)間也較短，約為10 ms；第2次出現(xiàn)的振動(dòng)信號(hào)幅值較大，峰值接近5 V，持續(xù)時(shí)間約為20 ms：由此可見(jiàn)該次GIS管體異響，出現(xiàn)了兩次應(yīng)力釋放，由于時(shí)間間隔較短，通過(guò)人耳無(wú)法分辨。此外從振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域波形可見(jiàn)，測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)2處所測(cè)振動(dòng)信號(hào)幅值相當(dāng)，約為5 V；測(cè)點(diǎn)3的信號(hào)幅值有所減小，約為4 V。從波形起始時(shí)間可見(jiàn)3個(gè)測(cè)點(diǎn)所測(cè)信號(hào)有一定時(shí)延。

對(duì)3個(gè)測(cè)點(diǎn)所測(cè)得的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，如圖4所示。圖中可見(jiàn)GIS異響產(chǎn)生振動(dòng)信號(hào)的頻譜主要分布在20～50 kHz，低于20 kHz 和高于50 kHz的分量較少。從測(cè)點(diǎn)1到測(cè)點(diǎn)3, 40～50 kHz 的分量逐漸減小。測(cè)點(diǎn)1處頻譜峰值約為0.25 V，測(cè)點(diǎn)2的頻譜峰值稍有減小，約為0.2 V；測(cè)點(diǎn)3衰減較大，頻譜峰值只有0.1 V左右。

綜合振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域波形頻譜分布特征，可初步推斷GIS異響的振動(dòng)源應(yīng)靠近測(cè)點(diǎn)1處。

圖3 3個(gè)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)時(shí)域信號(hào)

圖4 GIS外殼上振動(dòng)信號(hào)的頻譜分布

對(duì)振動(dòng)信號(hào)的頻譜分析有助于現(xiàn)場(chǎng)分析振動(dòng)源的位置。圖5為GIS設(shè)備內(nèi)部放電激發(fā)的超聲波振動(dòng)信號(hào)的頻譜分析結(jié)果。圖中可見(jiàn)放電激發(fā)的超聲波振動(dòng)信號(hào)頻譜分量主要分布在20～80 kHz，50 kHz以上還有很大的頻譜分量[3]。由此可見(jiàn)由于應(yīng)力釋放產(chǎn)生的異響振動(dòng)信號(hào)與放電激發(fā)的振動(dòng)信號(hào)在超聲波段的頻譜分布差異明顯。

圖5 GIS中放電激發(fā)超聲波的頻譜分布

圖6 3個(gè)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)信號(hào)的小波時(shí)頻分析

利用連續(xù)小波變換分析3個(gè)測(cè)點(diǎn)所測(cè)GIS異響振動(dòng)信號(hào)，分析結(jié)果如圖6所示，圖中可見(jiàn)3個(gè)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)信號(hào)各頻譜分量隨時(shí)間的變化。第1次出現(xiàn)的振動(dòng)信號(hào)的頻譜分量主要分布在20～25 kHz，比第2次出現(xiàn)的振動(dòng)信號(hào)頻譜分布范圍窄。從測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)2的時(shí)頻分布圖可見(jiàn)隨著持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)，振動(dòng)信號(hào)的高頻分量逐步衰減。對(duì)比3個(gè)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)信號(hào)時(shí)頻分布也可見(jiàn)隨著傳播距離的增大，振動(dòng)信號(hào)在25 kHz以上的分量出現(xiàn)顯著地衰減，而20～25 kHz的分量衰減較小。進(jìn)一步說(shuō)明異常振動(dòng)源靠近測(cè)點(diǎn)1處。

3 GIS異常振動(dòng)源的定位

為了進(jìn)一步分析GIS異響的原因，需對(duì)振動(dòng)源進(jìn)行定位。通過(guò)3個(gè)測(cè)點(diǎn)時(shí)域信號(hào)特征和頻譜分布特征，大致推斷振動(dòng)源應(yīng)靠近測(cè)點(diǎn)1處。再根據(jù)振動(dòng)信號(hào)的時(shí)延進(jìn)行精確定位，通過(guò)3個(gè)傳感器求得彼此之間的時(shí)延，并結(jié)合超聲波信號(hào)在金屬鋁中的傳播速度，可最終確定振動(dòng)源的位置。

3個(gè)測(cè)點(diǎn)GIS異響振動(dòng)信號(hào)的波頭展開(kāi)圖如圖7所示。以振動(dòng)信號(hào)第1個(gè)最大峰值點(diǎn)的時(shí)刻為信號(hào)到達(dá)時(shí)刻，圖中可見(jiàn)測(cè)點(diǎn)1信號(hào)到達(dá)時(shí)間為12.98 ms，測(cè)點(diǎn)2到達(dá)時(shí)間為13.76 ms,測(cè)點(diǎn)3處到達(dá)時(shí)間為15.27 ms。由此可見(jiàn)測(cè)點(diǎn)1到測(cè)點(diǎn)2之間時(shí)延為0.78 ms，測(cè)點(diǎn)2到測(cè)點(diǎn)3之間時(shí)延為1.51 ms。由于以第1個(gè)最大峰值點(diǎn)的時(shí)刻為信號(hào)到達(dá)時(shí)刻求取的時(shí)延誤差太大，根據(jù)前述兩個(gè)時(shí)延無(wú)法確定振動(dòng)源的位置，需用新的算法重新確定信號(hào)時(shí)延。

圖7 3個(gè)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)信號(hào)的到達(dá)時(shí)間

為了提高振動(dòng)信號(hào)時(shí)延求取的精度，通過(guò)對(duì)振動(dòng)信號(hào)的連續(xù)小波變換系數(shù)在頻域1～50 kHz上進(jìn)行積分，得到振動(dòng)信號(hào)在時(shí)域上的小波熵。3個(gè)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域小波熵如圖8所示。圖中可見(jiàn)3個(gè)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)信號(hào)小波熵的上升沿均很陡峭，尤其是測(cè)點(diǎn)3處的振動(dòng)信號(hào)小波熵相較于時(shí)域波形上升沿有較大的改善，便于確定信號(hào)的到達(dá)時(shí)間。展開(kāi)振動(dòng)信號(hào)小波熵的波頭起始部分，如圖9所示。以首先到達(dá)小波熵峰值的三分之一處的時(shí)刻為振動(dòng)信號(hào)的到達(dá)時(shí)間。圖9中所示測(cè)點(diǎn)1的到達(dá)時(shí)間是12.85 ms；測(cè)點(diǎn)2的到達(dá)時(shí)間為13.75 ms；測(cè)點(diǎn)3的到達(dá)時(shí)間為15.99 ms。由此求得測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)2之間的時(shí)延為0.9 ms，測(cè)點(diǎn)2與測(cè)點(diǎn)3之間的時(shí)延為2.24 ms。根據(jù)這兩個(gè)時(shí)延可確定GIS異響振動(dòng)源位于測(cè)點(diǎn)1的左側(cè)；再根據(jù)GIS的結(jié)構(gòu)布置推斷，振動(dòng)源應(yīng)位于GIS管體左端的伸縮節(jié)處。

圖8 3個(gè)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域小波熵分布

圖9 基于小波熵的振動(dòng)信號(hào)時(shí)延估計(jì)

為了進(jìn)一步確定定位結(jié)論，進(jìn)行了仔細(xì)的現(xiàn)場(chǎng)查勘。從伸縮節(jié)下端GIS底座上的滑動(dòng)連接部位，可清晰地發(fā)現(xiàn)存在2 cm左右的劃痕，如圖10所示，這是GIS管體與底座之間發(fā)生了相對(duì)位移的印證。通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)GIS管體的分析發(fā)現(xiàn)，由于該段GIS管體過(guò)長(zhǎng)，夏季晝夜溫差較大，熱脹冷縮使管體上的伸縮節(jié)或波紋管發(fā)生形變，而該類形變逐漸累積體現(xiàn)在GIS管體的左右兩端。由于GIS管體在左右兩端沒(méi)有可調(diào)節(jié)形變的結(jié)構(gòu)，因此在波紋管應(yīng)力釋放時(shí)，將使GIS管體發(fā)生一定程度的位移，產(chǎn)生異響。

圖10 GIS底座上的劃痕

4 結(jié) 語(yǔ)

利用振動(dòng)寬頻測(cè)試系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)GIS異響振動(dòng)進(jìn)行了多點(diǎn)同步檢測(cè)。檢測(cè)發(fā)現(xiàn)GIS異響振動(dòng)信號(hào)持續(xù)時(shí)間在20 ms左右，主要頻譜分布在20～50 kHz；而放電激發(fā)的振動(dòng)超聲波信號(hào)頻譜分布在20～80 kHz。通過(guò)連續(xù)小波變化，分析了異響振動(dòng)信號(hào)在GIS管體上的傳播衰減特性，隨著距離的增大，振動(dòng)信號(hào)25 kHz以上的分量出現(xiàn)顯著地衰減，而20～25 kHz之間的分量衰減較小。最后根據(jù)振動(dòng)信號(hào)小波熵準(zhǔn)確地求取了各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)信號(hào)的時(shí)延，以此對(duì)振動(dòng)源進(jìn)行了準(zhǔn)確定位，找到了異響產(chǎn)生的原因；并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)。研究表明振動(dòng)時(shí)頻檢測(cè)能準(zhǔn)確分析振動(dòng)信號(hào)時(shí)域和頻域特征，精確定位振動(dòng)源，有助于評(píng)估GIS異響對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的影響。

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The vibration source can be accurately located by the time-frequency analysis that can analyze the causes of abnormal vibration of GIS and evaluate the equipment operating conditions. The wideband vibration testing system is used to detect the abnormal vibration of 220 kV GIS equipment. By means of spectrum analysis and continuous wavelet analysis of the measured vibration signals, the time domain and frequency domain characteristics of the vibration signal are studied. The analysis results show1the propagation attenuation characteristics of the vibration signal on GIS. The time delay of vibration signal is obtained by the wavelet entropy, therefore the vibration source is accurately located.

GIS; vibration; spectrum distribution; time-frequency analysis; location

TM595

B

1003-6954(2017)06-0064-04

馬啟瀟(1986)，碩士、工程師，現(xiàn)從事變電站電氣設(shè)備帶電檢測(cè)工作。

2017-07-11)