吳旭濤,趙晉飛,馬云龍,,何寧輝,,馬波,李軍浩
(1.國網(wǎng)寧夏電力有限公司電力科學(xué)研究院,銀川 750011;2.西安交通大學(xué)電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710049)
近年來,電力系統(tǒng)的規(guī)模不斷擴(kuò)大、輸電容量不斷增加,這對(duì)電力系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性也提出了越來越高的要求[1-5]。SF6斷路器具有開斷能力強(qiáng)、安全可靠性高、節(jié)省占地面積、易于維護(hù)、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),在高電壓等級(jí)的輸電線路中的被廣泛采用。然而GIS 設(shè)備因其采用全金屬封閉結(jié)構(gòu),其內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜和龐大,一旦發(fā)生故障,影響范圍大且難以準(zhǔn)確定位及快速搶修,影響故障后的設(shè)備投運(yùn),導(dǎo)致嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。因此,及時(shí)有效發(fā)現(xiàn)GIS 設(shè)備內(nèi)部潛伏性缺陷并準(zhǔn)確判斷GIS 設(shè)備內(nèi)部缺陷類型及位置,對(duì)保障GIS 設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義[6-9]。
設(shè)備運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)信號(hào)可以有效反映機(jī)械狀態(tài),是表征設(shè)備機(jī)械特征的重要參數(shù)[10-12]。因?yàn)檎駝?dòng)信號(hào)具有不受電磁輻射干擾的優(yōu)點(diǎn),所以受到專家學(xué)者的廣泛關(guān)注,被應(yīng)用于各類電力設(shè)備的機(jī)械缺陷診斷并取得了成功應(yīng)用。馬宏忠團(tuán)隊(duì)研究了三相分箱式和共箱式GIS 的振動(dòng)產(chǎn)生機(jī)理,并對(duì)GIS 母線筒的模態(tài)特性進(jìn)行了仿真分析[13-14]。劉寶穩(wěn)基于AlexNET 模型斷路器分合閘時(shí)的機(jī)械故障進(jìn)行識(shí)別[15];高凱通過溫升下的振動(dòng)信號(hào)特征提出了檢測(cè)觸頭接觸程度的方法[16]。趙洪山利用粒子濾波算法對(duì)GIS 振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析,結(jié)合自適應(yīng)閾值方法實(shí)現(xiàn)了GIS 機(jī)械缺陷的診斷[17]。吳旭濤利用有限元模型研究了螺栓松動(dòng)時(shí)的GIS 振動(dòng)信號(hào)傳遞特性[18]。上述研究通過對(duì)GIS 運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行處理,實(shí)現(xiàn)了對(duì)GIS 機(jī)械狀態(tài)的診斷。汲勝昌團(tuán)隊(duì)研究了變壓器的振動(dòng)機(jī)理和特性,并提出了一套基于掃頻阻抗的變壓器機(jī)械缺陷診斷方案[19],但該方法還僅僅應(yīng)用于變壓器,并未在GIS 上進(jìn)行嘗試。振動(dòng)頻響法最早是在變壓器上進(jìn)行應(yīng)用的,即通過機(jī)械或電激勵(lì)的方法使得變壓器繞組產(chǎn)生振動(dòng),同時(shí)在油箱表面布置測(cè)點(diǎn)采集振動(dòng)信號(hào),進(jìn)而通過激勵(lì)與響應(yīng)的函數(shù)關(guān)系(振動(dòng)頻響函數(shù))進(jìn)行繞組狀態(tài)的診斷[20]。GIS 也可以看作是一個(gè)復(fù)雜多自由度機(jī)械結(jié)構(gòu),其在一定的外加激勵(lì)力作用下也會(huì)產(chǎn)生特定的振動(dòng)響應(yīng)。當(dāng)對(duì)GIS 受到力錘式的機(jī)械脈沖激勵(lì)或多頻率的電激勵(lì)時(shí),會(huì)在外殼上產(chǎn)生特定的振動(dòng)響應(yīng)。通過檢測(cè)GIS 在寬頻機(jī)械或電激勵(lì)下的振動(dòng)響應(yīng),就能判斷其是否存在結(jié)構(gòu)變形等機(jī)械缺陷,這種方法也是傳統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)模態(tài)分析方法在電力設(shè)備中的擴(kuò)展應(yīng)用。
基于上述振動(dòng)頻響法的思路,本文通過對(duì)GIS施加不同頻率機(jī)械力激勵(lì)的方法進(jìn)行激振,同時(shí)檢測(cè)此時(shí)母線筒的振動(dòng)響應(yīng)信號(hào),在保證激勵(lì)不變的情況下,對(duì)比分析GIS 正常及存在機(jī)械缺陷時(shí)的振動(dòng)頻率響應(yīng)特性,從而提出一種GIS 機(jī)械狀況的診斷方法,這對(duì)于保證GIS 的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有指導(dǎo)意義。
1)機(jī)械激勵(lì):借助于試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析的方法進(jìn)行,即人為地對(duì)GIS 外殼施加動(dòng)態(tài)機(jī)械激勵(lì),然后采集GIS 母線筒多點(diǎn)的振動(dòng)頻率響應(yīng)信號(hào)[21-26]。這種動(dòng)態(tài)機(jī)械激勵(lì)以輸入激勵(lì)力的信號(hào)特征有多種形式,包括:正弦掃描(多個(gè)頻率的激勵(lì)依次施加)、穩(wěn)態(tài)隨機(jī)(包括白噪聲、寬帶噪聲或偽隨機(jī),同時(shí)輸出多個(gè)頻率的激勵(lì)力,對(duì)被測(cè)設(shè)備進(jìn)行激勵(lì))、瞬態(tài)激勵(lì)(如采用力錘敲擊的方式,所施加的實(shí)際上是一個(gè)脈沖力的形式,其頻域分布較寬)等。此外,由于GIS 中斷路器操動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的暫態(tài)振動(dòng),相當(dāng)于一個(gè)暫態(tài)的機(jī)械激勵(lì),會(huì)導(dǎo)致GIS 本體產(chǎn)生振動(dòng)響應(yīng),對(duì)其進(jìn)行分析有望檢測(cè)GIS 存在的機(jī)械缺陷。
2)多頻正弦波激勵(lì):采用多頻率合成的大電流發(fā)生器,直接在GIS 母線上施加不同頻率的大電流,然后測(cè)量此時(shí)外殼上多點(diǎn)的振動(dòng)信號(hào),得到其振動(dòng)頻率響應(yīng)。
工程中常采用基于大功率三極管的信號(hào)放大技術(shù)和基于SPWM 的開關(guān)電源技術(shù)兩種方式實(shí)現(xiàn)多頻率大功率信號(hào)合成?;诖蠊β嗜龢O管的信號(hào)放大技術(shù)先用數(shù)模變換產(chǎn)生與所需信號(hào)波形相同的小信號(hào)(功率小,電壓低),然后利用大功率三極管的放大特性對(duì)該信號(hào)進(jìn)行功率放大。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是信號(hào)高保真,因?yàn)槿龢O管工作在線性區(qū),放大前后的信號(hào)可以保持高度一致,信號(hào)波形很純凈,幾乎不存在干擾。三極管工作在線性區(qū)的缺點(diǎn)是工作效率很低,而發(fā)熱很高。當(dāng)采用這種原理的電源帶無功負(fù)載時(shí),發(fā)熱問題將更為嚴(yán)重,所以這種工作方式的電源帶無功能力很差,一般不超過其總?cè)萘康?0%;另外一種實(shí)現(xiàn)方法是使用SPWM 工作方式的開關(guān)電源,其利用大功率IGBT元件來實(shí)現(xiàn)多頻率信號(hào)的輸出,可以有效解決功耗發(fā)熱和帶無功問題,但其缺點(diǎn)是輸出信號(hào)中存在因開關(guān)過程引入的高頻干擾。由于GIS 設(shè)備本身可等效于一電容元件,在實(shí)驗(yàn)時(shí)需要大量的無功,所以用SPWM 工作方式的電源更符合要求。
3)采用衰減振蕩沖擊電流激勵(lì):這種方法是一種等效于多頻率正弦波電流激勵(lì)的方法,采用沖擊電流的產(chǎn)生回路,電容器充電后對(duì)被試GIS 放電,使得該沖擊電流產(chǎn)生回路工作在欠阻尼狀態(tài),從而產(chǎn)生衰減的振蕩沖擊電流,調(diào)整合理的電路參數(shù)可改變振蕩頻率,從而等效于不同頻率正弦波的激勵(lì)。
上述3 種方法,機(jī)械領(lǐng)域一般都是采用第一種方式,但這種方法一般是在外殼表面激勵(lì),與GIS實(shí)際上是導(dǎo)桿流過大電流而受力存在差別,且由于GIS 設(shè)備剛度和質(zhì)量重,對(duì)機(jī)械激勵(lì)裝置要求輸出的激勵(lì)要求較高。第2 種方法是一種較常規(guī)的方式,已經(jīng)應(yīng)用于變壓器、電容器等設(shè)備的振動(dòng)頻率響應(yīng)測(cè)試,由于需要輸出大電流,對(duì)設(shè)備功率要求較高,一般大功率多頻輸出設(shè)備還包含有高頻變壓器,整個(gè)裝置的體積大、重量重,在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)存在困難。第3 種方法是一種等效的方法,輸出的是一種振蕩衰減的電流,但一般持續(xù)時(shí)間較短,且實(shí)際電流逐漸減小,是一種幅值變化的多頻激勵(lì)方式。
上述3 種方法基本原理都是類似的,可根據(jù)實(shí)際進(jìn)行選擇使用。為測(cè)量不同頻率力激勵(lì)下的GIS振動(dòng)信號(hào),在實(shí)驗(yàn)室搭建了如圖1 所示的振動(dòng)測(cè)試平臺(tái)。該平臺(tái)由多頻激勵(lì)產(chǎn)生裝置、252 kV GIS、振動(dòng)加速度傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、信號(hào)采集系統(tǒng)組成。整個(gè)平臺(tái)可以分為激勵(lì)回路和振動(dòng)測(cè)試回路。
圖1 振動(dòng)測(cè)試平臺(tái)Fig.1 Vibrationtest platform
激勵(lì)回路:可按上述3 種方式進(jìn)行選取,從原理上得到的結(jié)果是類似的。本文選取的是多頻率的類正弦波電流激勵(lì),使得GIS 導(dǎo)桿分別流過不同頻率的電流信號(hào),激勵(lì)其振動(dòng)。
振動(dòng)測(cè)試回路:將振動(dòng)加速度傳感器粘貼于GIS 外殼上,然后通過數(shù)據(jù)線和采集卡將傳感器連接至信號(hào)采集系統(tǒng)。
振動(dòng)傳感器可以分為振動(dòng)位移傳感器、振動(dòng)速度傳感器、振動(dòng)加速度傳感器。振動(dòng)位移傳感器是基于電器感應(yīng)原理進(jìn)行測(cè)量,易受到電磁輻射的干擾,不適合用于電力設(shè)備振動(dòng)信號(hào)的測(cè)量;振動(dòng)速度傳感器頻響范圍較小,無法滿足斷路器分合閘振動(dòng)信號(hào)的測(cè)量要求;振動(dòng)加速度傳感器具有靈敏度高、頻響范圍寬、抗電磁干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn),常被用于各類振動(dòng)信號(hào)測(cè)量。實(shí)驗(yàn)過程中采用的振動(dòng)加速度傳感器主要參數(shù)見表1。
表1 振動(dòng)加速度傳感器參數(shù)Table 1 Parameters of vibration acceleration sensor
本文使用的GIS 振動(dòng)信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)界面見圖2。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)測(cè)量頻率調(diào)節(jié)、測(cè)量時(shí)長調(diào)節(jié)、時(shí)域波形顯示、自動(dòng)觸發(fā)采集、自動(dòng)保存、頻域分析等功能。
圖2 振動(dòng)信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)Fig.2 Vibration signal measurement system
測(cè)量得到的振動(dòng)信號(hào)見圖3。
圖3 振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)Fig.3 Vibration response signal
目前,常用的振動(dòng)信號(hào)處理方法是基于快速傅里葉變換的頻域分析法??焖俑道锶~變換是將振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為一系列不同頻率正弦函數(shù)的組合,得到信號(hào)的不同頻率分量。掃頻電流激勵(lì)下的振動(dòng)信號(hào)為非穩(wěn)態(tài)信號(hào),信號(hào)的頻率分量隨時(shí)間不斷變化,快速傅里葉變換只能顯示信號(hào)包含的頻率分量,并不能有效展現(xiàn)信號(hào)頻率隨時(shí)間的變化規(guī)律。本文除頻域分析外,還采用小波時(shí)頻分析對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行處理。小波變換的公式為
可以看出,小波基函數(shù)ψ有兩個(gè)變量:尺度a和平移量τ。尺度a控制小波函數(shù)的伸縮,對(duì)應(yīng)于頻率;平移量τ控制小波函數(shù)的平移,對(duì)應(yīng)于時(shí)間。經(jīng)過小波變換后,既可以得到信號(hào)包含的頻率分量,又可以得到信號(hào)頻率隨時(shí)間的變化規(guī)律。
梯度矩陣(matrix of oriented gradient,MOG)是通過計(jì)算圖片像素值變化速率來提取特征值。因此,他可以描述圖像的形狀特征和像素的變化情況。具體計(jì)算步驟如下:
1)計(jì)算梯度。設(shè)某圖片的像素值見圖4,以該圖片為例介紹梯度的計(jì)算方法。
圖4 圖片的像素值Fig.4 Pixel value of the image
設(shè)像素點(diǎn)Pc的梯度值為Gc,那么Gc的幅值|Gc|和相角φ可以按照以下步驟計(jì)算為
2)計(jì)算梯度向量。將圖片中每16×16 個(gè)像素矩陣設(shè)為一個(gè)像素元胞。將0°~360°等分為9 個(gè)間隔,每個(gè)間隔為40°。根據(jù)像素梯度的X分量GcX和相角φ,可以把像素的梯度分別劃分到各個(gè)區(qū)間內(nèi)。以圖3 中的Pc為例,GcX=11>0,0°<φ=36°<40°,|Gc|=13.6。因此,Pc屬于第1 個(gè)間隔,將他的梯度幅值按比例放入0°與40°,具體分配比例見圖5。在像素元胞內(nèi)不斷重復(fù)以上步驟,將元胞內(nèi)所有像素點(diǎn)的梯度幅值分別寫入相應(yīng)的間隔,就可以得到一個(gè)1×9 的向量,該向量就是像素元胞的梯度向量。
圖5 梯度幅值分配Fig.5 Gradient amplitude distribution
3)歸一化。為了消除信號(hào)中背景噪聲的影響,對(duì)上述步驟得到的梯度向量進(jìn)行歸一化處理。將2×2 即4 個(gè)像素元胞設(shè)為一個(gè)像素塊。將像素塊內(nèi)的4 個(gè)像素元胞的梯度向量組合成一個(gè)1×36 的向量,然后用向量中每個(gè)元素除以該向量的模,便可以得到歸一化之后的梯度向量(normalized gradient vector,NGV)。在整個(gè)圖片上重復(fù)上述步驟,便可以得到該圖片的歸一化梯度矩陣(normalized gradient matrix,NGM)。
1)余弦相似度。余弦相似度(COS-Similarity)通過計(jì)算兩個(gè)向量的夾角來描述兩個(gè)向量之間的差異。這種相似性主要考慮方向而不是兩個(gè)矢量的幅度一致性。NGM 被重構(gòu)為一維向量,稱為NGM-Vector。在使用方向信息時(shí),他也可以使用NGM 中每個(gè)元素的幅度信息。余弦相似度計(jì)算方法為
2)差值平方和相似度。
差值平方和相似度(D-Similarity)通過計(jì)算兩個(gè)NGM 之間的差異值來衡量相似度。假設(shè)P(圖片的像素矩陣)的大小為m×n。
差值平方和相似度計(jì)算方法為
為探究不同機(jī)械狀態(tài)下的GIS 振動(dòng)情況,本文在實(shí)驗(yàn)室252 kV GIS 上模擬了隔離開關(guān)接觸不良缺陷,見圖6。隔離開關(guān)的分合是由拐臂的轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的,通過調(diào)整隔離開關(guān)的拐臂角度即可調(diào)整隔離開關(guān)動(dòng)靜觸頭的接觸程度。當(dāng)拐臂位于圖6 中上黑色線條所在角度時(shí),隔離開關(guān)接觸良好;當(dāng)拐臂位于圖10 中下黑色線條所在角度時(shí),隔離開關(guān)接觸不良。
圖6 隔離開關(guān)缺陷模擬示意圖Fig.6 Simulation schematic diagram of disconnect or defect
1)隔離開關(guān)接觸良好。
激勵(lì)平臺(tái)輸出的激勵(lì)力頻率為200~1 000 Hz 時(shí),不同頻率下GIS 振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)的時(shí)頻圖見圖7。圖中右邊顏色柱由下到上代表振動(dòng)幅值由小到大。由圖7 可知,不同激勵(lì)頻率下,GIS 振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)的頻譜幾乎一致,響應(yīng)信號(hào)的主頻為1 200 Hz,持續(xù)時(shí)間為1 s;在1 500 Hz、1 700 Hz 處也出現(xiàn)了峰值,持續(xù)時(shí)間為0.7 s。
圖7 時(shí)頻圖Fig.7 Time frequency diagram
2)隔離開關(guān)接觸不良。
隔離開關(guān)接觸不良時(shí),激勵(lì)力頻率同樣為200~1 000 Hz,不同頻率GIS 振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)時(shí)頻圖見圖8。由圖8 可知,不同電流頻率下,GIS 振動(dòng)信號(hào)的頻譜幾乎一致,振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)的主頻為850 Hz,持續(xù)時(shí)間為0.3 s;在1 200 Hz、1 500 Hz、1 700 Hz 處出現(xiàn)了峰值,其中1 200 Hz 持續(xù)時(shí)間為1 s,1 500 Hz 和1 700 Hz 持續(xù)時(shí)間為0.7 s。
圖8 時(shí)頻圖Fig.8 Time frequency diagram
對(duì)比隔離開關(guān)接觸良好和接觸不良時(shí)的振動(dòng)特性,可以看出,GIS 振動(dòng)頻率響應(yīng)只與機(jī)械狀態(tài)有關(guān),不隨激勵(lì)頻率的變化而變化。這是由一般機(jī)械激勵(lì)力持續(xù)時(shí)間短,在GIS 外殼建立穩(wěn)態(tài)振動(dòng)之前,機(jī)械激勵(lì)力的作用已經(jīng)消失。GIS 的振動(dòng)是瞬態(tài)激勵(lì)下的非受迫振動(dòng),表現(xiàn)出GIS 的固有振動(dòng)頻率。因此,GIS 的振動(dòng)頻率響應(yīng)只與其內(nèi)部的機(jī)械狀態(tài)有關(guān)。
由于GIS 振動(dòng)頻譜不受激勵(lì)力的頻率影響,因此激勵(lì)力的頻率為200 Hz 時(shí),測(cè)量隔離開關(guān)接觸良好和接觸不良時(shí)的振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)各10 次,并計(jì)算每次振動(dòng)與隔離開關(guān)接觸良好時(shí)第1 次振動(dòng)的相似度。結(jié)果見圖9。可以看出,隔離開關(guān)接觸不良時(shí)與正常狀態(tài)下的相似度差異明顯,其余弦相似度在0.5~0.6 之間,與正常狀態(tài)下的相似度差值為約為0.2,變化率為27%;隔離開關(guān)接觸不良后差值平方和相似度在0.25~0.3 之間,變化率約為50%。
圖9 時(shí)頻圖相似度Fig.9 Similarity of time frequency diagram
如圖9 所示,當(dāng)隔離開關(guān)接觸不良時(shí)相似度會(huì)顯著降低,變化率在20%~50%。因此,本文基于時(shí)頻圖梯相似度提出了一套用于隔離開關(guān)接觸不良缺陷的檢測(cè)方案,方法如下:
通過可輸出多頻率的機(jī)械激勵(lì)發(fā)生裝置對(duì)GIS施加多個(gè)頻率的力作用,同時(shí)測(cè)量隔離開關(guān)處的振動(dòng)信號(hào),并計(jì)算該振動(dòng)信號(hào)的時(shí)頻圖與正常情況的相似度。當(dāng)COS-Similarity ∈[0.7,0.8]且D-Similarity ∈[0.4,0.5],隔離開關(guān)正常無故障;當(dāng)COS-Similarity ∈[0.5,0.6]且D-Similarity ∈[0.25,0.3],隔離開關(guān)可能接觸不良。
基于多頻機(jī)械激勵(lì)產(chǎn)生裝置和振動(dòng)采集系,本文搭建了GIS 振動(dòng)頻率響應(yīng)試驗(yàn)平臺(tái),實(shí)現(xiàn)了GIS在多頻激勵(lì)力作用下振動(dòng)頻率響應(yīng)的測(cè)量,該平臺(tái)也可模擬實(shí)際運(yùn)行中常見的隔離開關(guān)接觸不良缺陷。根據(jù)在多頻力激勵(lì)下GIS 振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)的特點(diǎn),利用小波時(shí)頻分析的方法,對(duì)振動(dòng)信號(hào)的時(shí)頻域特征進(jìn)行分析。主要結(jié)論如下:
1)在不同頻率激勵(lì)力作用下,GIS 振動(dòng)只與內(nèi)部機(jī)械狀態(tài)有關(guān),不隨電流頻率的變化而變化。
2)基于時(shí)頻圖的梯度矩陣相似度,本文提出了一種適用于診斷GIS 機(jī)械缺陷的方法。
3)給出了振動(dòng)信號(hào)的時(shí)頻圖與正常情況相比時(shí)時(shí)頻圖梯度矩陣相似度的取值范圍,能夠?qū)Ω綦x開關(guān)接觸不良缺陷進(jìn)行有效診斷。
在今后的研究中,將繼續(xù)對(duì)各種不同的多頻激勵(lì)方式進(jìn)行對(duì)比,分析所獲得的振動(dòng)頻率響應(yīng)信號(hào)的異同,提出相應(yīng)的激勵(lì)設(shè)備參數(shù)、激勵(lì)方式選擇方法及技術(shù)改進(jìn)方案等。此外,還應(yīng)進(jìn)一步對(duì)各類常見的GIS 機(jī)械缺陷進(jìn)行模擬,實(shí)現(xiàn)多種機(jī)械缺陷的檢測(cè)與識(shí)別方法,推進(jìn)多頻激勵(lì)方式檢測(cè)GIS 的機(jī)械狀況的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。