孫澤明,龐培川,張芊,孫善源,侯志強,張軒瑞,李軍浩

(西安交通大學(xué)電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室,710049,西安)

由于氣體絕緣組合開關(guān)(GIS)具有占地面積小、不受大氣環(huán)境影響、安裝方便以及安全性高等優(yōu)點,因此被廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中[1-2]。隨著GIS安裝數(shù)量的增加,由GIS故障引起的電力事故隨之增多。對投運的GIS設(shè)備進行現(xiàn)場耐壓試驗,可以有效地診斷其絕緣狀態(tài),保證安全運行[3-6]。在耐壓試驗過程中,對GIS擊穿點的有效定位可以快速判斷故障氣室,為后續(xù)維修提供依據(jù)[7-8]。

目前,對于GIS故障點的定位主要采用超聲波法、特高頻法或二者結(jié)合的方法[9-12]。此類定位方法是在GIS各個氣室的外殼上布置傳感器,通過檢測比較GIS故障時各傳感器接收到信號的幅值或時延來確定放電點的位置。但是,隨著電壓等級的提升,GIS設(shè)備的長度增加至幾十米甚至上百米,現(xiàn)場使用超聲波或特高頻法進行定位時,需要布置大量的傳感器,費時費力[7]。此外,與GIS外殼緊密接觸的傳感器容易受到現(xiàn)場干擾信號的影響,實際應(yīng)用中常出現(xiàn)定位失敗[13-15]。所以,急需一種實施簡單、定位準確的GIS擊穿點現(xiàn)場定位方法。

本文利用聲波傳感器,與GIS無接觸式測量可聽聲波,通過空間定位算法,實現(xiàn)了GIS沖擊耐壓試驗時擊穿點的有效定位。本文方法大大降低了現(xiàn)場定位難度和定位成本,為GIS的現(xiàn)場擊穿定位提供了一種新的思路。

1 擊穿點定位方法

1.1 定位系統(tǒng)

GIS內(nèi)部絕緣缺陷發(fā)生擊穿時,會引起缺陷周圍介質(zhì)的劇烈振動,產(chǎn)生高幅值的聲波信號[7,16],該聲波信號包含人耳可聽的頻段范圍(0.01～20 kHz)?？陕犅暡ㄏ啾扔诔暡?>20 kHz)在傳播中信號衰減較小[17],所以可利用傳感器與待測設(shè)備無接觸地進行信號測量,使聲波傳感器免受GIS擊穿時的強電磁信號干擾。

基于可聽聲波的GIS擊穿點定位系統(tǒng)如圖1所示。利用駐極體電容式聲波傳感器,測量GIS擊穿時產(chǎn)生的可聽聲波信號,然后通過A/D采集器將傳感器輸出的電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,傳輸至上位機進行分析,基于空間定位算法得到擊穿點的位置。本文所使用傳感器的測量范圍為0.01～20 kHz,靈敏度為45.96 mV/Pa,動態(tài)測量范圍可達140 dB。傳感器的工作溫度為-20～70 ℃,空氣濕度小于90%。

圖1 擊穿點定位系統(tǒng)示意圖

1.2 定位算法

當定位系統(tǒng)與GIS擊穿點位于同一水平平面、或二者之間的距離遠大于水平高度差時,在誤差允許的范圍內(nèi)僅需要確定GIS擊穿點相對于定位系統(tǒng)某點的兩個維度的坐標,即可確定擊穿點的準確位置,實現(xiàn)GIS擊穿點的二維定位。

在平面直角坐標系中,設(shè)第k個聲波傳感器的坐標為(xk,yk),聲源點S的坐標為(x,y)。令聲速為v,GIS擊穿時聲波信號的發(fā)出時間為t0,聲波信號到達第k個聲波傳感器的時間為tk,則有如下方程成立

(v(tk-t0))2=(x-xk)2+(y-yk)2

(1)

將式(1)改寫為極坐標方程,有

(v(tk-t0))2=(rcosθ-xk)2+(rsinθ-yk)2

(2)

由于在實際測量過程中,很難得到聲波信號的發(fā)出時間t0,只能得到聲波信號到達兩個聲波傳感器的時間差(或稱時延),因此式(2)可以改寫成基于時延的公式,以圖2中的聲波傳感器A1和A2為例,有

(v(t1-t0))2=(rcosθ-x1)2+(rsinθ-y1)2

(3)

(v(t2-t0))2=(rcosθ-x2)2+(rsinθ-y2)2

(4)

設(shè)Δ1,2為聲波信號到達兩個傳感器的時間差,則有

Δ1,2=t1-t2=

(5)

由式(5)可知,通過該定位算法確定聲源點的二維坐標時,未知量為聲源點到極坐標原點的距離r(下文簡稱方位距離)和聲源點偏離極坐標軸的角度θ(下文簡稱方位角),即得到兩個未知量的一個,就可以解得另一個未知量。

θ1,2=arccos(vΔ1,2/A1A2)

(6)

利用該方法求得脈沖信號到達兩個傳感器連線中點的角度θ后,將θ帶入式(5),即可得到聲源點相對于兩傳感器連線中點o的極坐標。為便于理解,本文定位結(jié)果以平面直角坐標系下GIS擊穿點相對于定位系統(tǒng)中心的二維坐標表示。

圖2 方位角的確定方法示意圖

1.3 基于峰值-閾值法的時延計算

在沖擊電壓試驗中,GIS擊穿時發(fā)出的可聽聲波(下文簡稱GIS擊穿可聽聲波)具有明顯的、區(qū)別于背景聲波的高幅值脈沖,如圖3所示,其頻域波形主要集中在2～8 kHz,區(qū)別于變電站中無大型設(shè)備工作時的背景聲波(<2 kHz)。該信號能夠作為GIS擊穿點定位的有效信息。試驗結(jié)果表明,現(xiàn)場GIS擊穿可聽聲波信號的幅值在85 dB以上,為了避免背景噪聲對定位結(jié)果的影響,應(yīng)控制試驗現(xiàn)場的背景噪音幅值在83 dB以下。

圖3 沖擊電壓下的GIS擊穿可聽聲波時域波形

在確定GIS擊穿聲波信號到達各傳感器的時延后,為了提高定位效率、減少計算參考點選取時引入的誤差,本文先使用能量譜和窗口法對聲波信號進行預(yù)處理,最后采用峰值-閾值法來選擇聲波信號的時延計算參考點。

由費馬最短光程原理可知,信號的起始點是沿最短光程、歷經(jīng)最小傳播時間最先到達的子波的波前反映[8-9]。該點被認為是聲波到達聲波傳感器的有效信號點,并且在數(shù)據(jù)處理和分析中具有最高的可信度。所以在確定時延Δ1,2時,一般在各傳感器采集到的第一個高幅值脈沖上選取計算參考點。

為獲得準確的時延Δ1,2,需要選擇兩個聲波傳感器采集到的相同的波形片段,但是由于傳感器的自身誤差和人工選擇誤差,最終導(dǎo)致所選的波形片段不可能完全一致。因此,為了提高工作效率,一般選擇兩個聲波傳感器采集到的相似波形上達到某閾值(如峰值)的信號點作為時延計算的參考點。

綜上所述,在選擇時延計算的參考點時,可以在信號的第一個高幅值脈沖波形的峰值附近設(shè)置閾值,選擇最先到達閾值的信號點作為計算參考點。這樣的選擇既利用了費馬最短光程原理中起始信號最準確的理論,又利用了高幅值脈沖信號在峰值附近容易選取參考點的特點,從而簡單有效地篩選出可信的計算參考點。結(jié)合這種篩選方法的特點,本文將該方法稱為峰值-閾值法。

圖4 利用峰值-閾值法確定時延示意圖

1.4 傳感器布置方式的選擇

利用兩個聲波傳感器計算方位角θ時,常出現(xiàn)誤差較大的定位結(jié)果。所以為了提高定位精度,本文增加傳感器數(shù)量,選擇了如圖5所示的4種傳感器布置方式。根據(jù)傳感器布置方式的特點,將4種布置方式分別稱為矩形布置、L形布置、I形布置、一形布置。

按照圖5所示的布置方式,將傳感器布置在0.2 m×0.2 m的區(qū)域內(nèi),即設(shè)置傳感器間距為0.2 m;設(shè)置定位裝置的定位中心為坐標系的原點,即圖中的o點;在平面直角坐標系下設(shè)置擊穿點的坐標為(2.5 m,6.0 m),滿足式(6)的近似要求;選擇沖擊電壓下的GIS尖-板類型擊穿聲波作為聲源;時延計算參考點的選取使用峰值-閾值法。

試驗結(jié)果表明,4種布置方式對于方位距離的定位結(jié)果很不理想,平均定位誤差均大于40%,但是對于方位角的定位結(jié)果卻很準確,這在一些研究中也有所體現(xiàn)[18-20]。因此,本文對于GIS擊穿點的二維定位圍繞其方位角的定位結(jié)果進行。

當使用4個聲波傳感器,傳感器A1A2A3、A2A3A4可以組成雙重一形布置方式,如圖6所示,此時方位角的平均定位誤差增大至20.1%,方位距離的平均定位誤差為94.1%。經(jīng)分析,兩個一形布置系統(tǒng)的定位誤差在運算中累積最終增大了定位結(jié)果總誤差,所以不能在同一個定位系統(tǒng)中利用兩個方位角求解方位距離。

(a)矩形布置(b)L形布置

(c)I形布置(d)一形布置圖5 聲波傳感器四種布置方式示意圖

圖6 傳感器雙重一形布置方式示意圖

為了更加清晰地分析和比較圖5所示的各布置方式的方位角定位誤差,本文對各種布置方式下的多組定位結(jié)果做歸一化分析。即將各種布置方式下最小的定位誤差定義為誤差等級0,把各自最大的定位誤差定義為誤差等級10,并以誤差等級為自變量、方位角的定位誤差為應(yīng)變量繪制關(guān)系曲線,最終對該曲線進行線性擬合,得到各種布置方式下的方位角定位誤差曲線。

歸一化分析后的結(jié)果如圖7所示,4種布置方式中除了L形布置方式外的其他3種布置方式的方位角定位誤差均能控制在7%以下,即利用矩形布置、I形布置、一形布置方式能夠較為準確地得到GIS擊穿點S相對于傳感器矩陣中心o的方位角。

由于傳感器一形布置方式的方位角定位誤差最小,并且只需要使用3個聲波傳感器,所以本文選擇該方式應(yīng)用于現(xiàn)場試驗。在獲得聲源點相對與定位系統(tǒng)中心的準確方位角后,測量得到GIS和定位系統(tǒng)的相對距離,最終通過軟件分析可得GIS擊穿點的準確二維坐標。例如,在獲得圖2中的θ1,2后,通過測量得到SP的長度,即可通過計算得到GIS擊穿點S相對于o點的二維坐標為(SP,SP/tanθ1,2)。

對各街道在早06：00—21：00的交通指數(shù)采用系統(tǒng)聚類方法聚類后得到圖5所示聚類樹. 聚類樹圖中各編號對應(yīng)街道可見表3.

圖7 歸一化分析后的方位角定位誤差曲線圖

2 定位案例

2.1 單定位系統(tǒng)

為驗證定位系統(tǒng)的有效性,本文對如圖8所示的330 kV電壓等級的GIS進行擊穿點定位測試。設(shè)置GIS和定位系統(tǒng)的相對距離為6 m,定位系統(tǒng)使用3個聲波傳感器的一形布置方式確定擊穿點的方位角。試驗時,GIS內(nèi)充有0.4 MPa的SF6氣體,對該GIS進行正常的負極性沖擊電壓耐壓試驗,當沖擊電壓峰值設(shè)置為-600 kV時,GIS發(fā)生擊穿。為獲得該定位系統(tǒng)的定位精度,在GIS擊穿后間隔10 min對GIS施加負極性沖擊電壓使之擊穿,從而得到定位系統(tǒng)的定位誤差分布。

圖8 330 kV GIS現(xiàn)場試驗示意圖

GIS的解體結(jié)果表明,擊穿點相對于定位器系統(tǒng)中心的方位角為80.86°,二維坐標為(0.97 m,6 m)。定位系統(tǒng)的平均定位誤差為5.1%,最好定位結(jié)果為(0.93 m,6 m),定位誤差為0.3%。

GIS擊穿聲波幅值與負極性擊穿電壓的關(guān)系曲線如圖9所示,二者近似呈線性關(guān)系。設(shè)可聽聲波信號的幅值為U、GIS的擊穿電壓值為Ub,擬合結(jié)果為U=-161-1.1Ub。所以,在利用本文的傳感器系統(tǒng)進行高電壓等級GIS的擊穿點定位時,應(yīng)根據(jù)GIS的電壓等級將傳感器系統(tǒng)合理地遠離GIS本體,以保證傳感器采集到信號合適且易于處理的聲波波形。由于GIS擊穿時會向外輻射高頻電磁干擾,將傳感器系統(tǒng)遠離GIS能夠減少電磁干擾對傳感器的影響。

圖9 330 kV GIS擊穿電壓與聲波信號幅值關(guān)系

2.2 雙定位系統(tǒng)

利用單個傳感器一形布置的定位系統(tǒng),能夠獲得GIS擊穿點準確的方位角,如圖10所示,在GIS兩側(cè)同一水平線上布置兩個一形布置定位系統(tǒng),組成雙定位系統(tǒng)。兩個定位系統(tǒng)的定位中心分別為O1和O2,SO1O2中與邊O1O2相連的夾角∠SO1O2和∠SO2O1即θ1和θ2,其中θ1和θ2可以通過定位系統(tǒng)準確得到,O1O2的長度可以人為設(shè)置,最終求解SO1O2,即可得到準確的方位角θ和方位距離r。

圖10 雙定位系統(tǒng)定位方法示意圖

在330 kV和500 kV電壓等級GIS進行沖擊耐壓試驗時,使用雙定位系統(tǒng)進行GIS擊穿點的定位。試驗結(jié)果表明,該定位方法對方位角的平均定位誤差為3.2%,對方位距離的平均定位誤差為4.5%,滿足實際應(yīng)用的要求。

為了方便對比雙定位系統(tǒng)與單定位系統(tǒng)的二維定位結(jié)果,選取各定位系統(tǒng)具有代表性的定位結(jié)果,以各定位系統(tǒng)方位角的定位誤差為橫坐標、方位距離的定位誤差為縱坐標,繪制各定位系統(tǒng)的定位誤差分布。如圖11所示,通過對比可得,雙定位系統(tǒng)的二維定位誤差范圍比單定位系統(tǒng)要小得多,并且雙定位系統(tǒng)對于方位距離r和方位角θ的定位誤差都控制在了5.0%以下。綜上所述,使用兩個一形布置定位系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)GIS擊穿點準確的二維定位。

圖11 各定位系統(tǒng)的定位誤差分布

3 定位結(jié)果的影響因素

3.1 GIS擊穿聲波信號的衰減

GIS擊穿聲波的幅值隨距離的衰減規(guī)律如圖12所示,設(shè)擊穿聲波幅值為U,傳感器距離擊穿點的距離為L,擬合結(jié)果為U=159.3/L0.45。當聲波傳感器距離GIS擊穿點0.5 m時,聲波信號幅值接近傳感器最大輸出幅值而飽和;距離3 m時,聲波信號幅值衰減至傳感器量程的一半。本文所用傳感器的最佳輸出量程為±200 mV,結(jié)合定位裝置在1/3～2/3量程內(nèi)的定位結(jié)果較為準確這一普遍規(guī)律,聲波傳感器與GIS本體的距離應(yīng)控制在1.4～6.9 m之間,以保證采集到準確且易于處理的聲波信號。

圖12 GIS擊穿聲波幅值隨距離的衰減規(guī)律

3.2 傳感器系統(tǒng)的位置

傳感器系統(tǒng)在不同位置對同一GIS擊穿聲波的定位結(jié)果如圖13所示。以擊穿點(1,6)為例,圖13中擊穿點下方的(1,6)為擊穿點坐標,坐標下方的數(shù)字0.7%為該擊穿點的定位誤差。

根據(jù)前文所述,傳感器系統(tǒng)距離擊穿點的縱向距離不小于橫向距離的兩倍時,即圖13中(y/x)≥2時,由算法引入的誤差可以忽略不計。如圖13所示,方位角的定位誤差隨著y/x的增大而減小,所以當待測GIS較長時,應(yīng)適當增加傳感器系統(tǒng)與GIS本體的距離。

圖13 傳感器系統(tǒng)不同布置位置的定位誤差示意圖

3.3 遮擋物的影響

在GIS與傳感器系統(tǒng)之間無遮擋物時,如圖14a所示,采集到的聲波波形較尖銳,具有明顯的脈沖性質(zhì)。在GIS與傳感器之間設(shè)置木質(zhì)遮擋物,遮擋物均勻分布有0.5 cm×50 cm的孔洞,采集到的聲波波形如圖14b所示?？缭秸系K物后,GIS擊穿聲波波形變得平緩,幅值也相應(yīng)降低。

(a)無遮擋波形

(b)有遮擋波形圖14 遮擋物對聲波波形的影響

經(jīng)分析,上述現(xiàn)象是由于在聲波跨越障礙物時,跨過的聲波是原始聲波在障礙物附近新產(chǎn)生的球面波[7,21],這使得聲波波形畸變,變得更加平滑。這樣的改變會對數(shù)據(jù)處理帶來影響,造成定位不準確和定位失敗。試驗結(jié)果表明,遮擋前后的平均定位誤差由4.1%增加到了16.9%。所以,在利用聲波進行GIS擊穿點定位時,應(yīng)該盡量保證GIS本體與傳感器系統(tǒng)之間無遮擋物。

4 結(jié) 論

本文基于空間可聽聲波,研究了GIS擊穿點的二維定位方法,提出了獲取聲波到達不同傳感器時延的峰值-閾值法。本文所使用的定位系統(tǒng)與待測GIS無物理接觸,避免了GIS擊穿時對傳感器系統(tǒng)的強電學(xué)干擾。該定位系統(tǒng)使用3或6個聲波傳感器,即可實現(xiàn)整臺GIS的擊穿點定位,降低了現(xiàn)場應(yīng)用的定位難度和定位成本。

研究結(jié)果表明:GIS在沖擊電壓擊穿時會向外輻射可聽聲波,該聲波的時域波形具有明顯的高幅值脈沖,頻域波形主要分布在2～8 kHz,能夠明顯地區(qū)別于背景噪聲,并且為GIS擊穿點的定位提供可用信息。

本文選擇傳感器的一形布置方式搭建了GIS擊穿點定位系統(tǒng),應(yīng)用結(jié)果表明:單定位系統(tǒng)的平均定位誤差為5.1%,但需要額外測量定位系統(tǒng)與GIS的相對距離;雙定位系統(tǒng)的二維定位誤差小于5%,滿足現(xiàn)場的實際需要。

GIS擊穿點的定位結(jié)果受聲波傳播衰減、傳感器系統(tǒng)位置和遮擋物的影響,所以在實際應(yīng)用中應(yīng)盡量保證試驗場地空曠、減少背景噪音,布置傳感器系統(tǒng)與GIS本體中心的距離在1.4～6.9 m,并且使二者的縱向距離不小于橫向距離的兩倍,從而提高定位精度,得到可信的定位結(jié)果。