本發(fā)明涉及一種電氣設(shè)備故障診斷技術(shù)，特別是涉及一種基于振動(dòng)信號(hào)的GIS局部放電類型識(shí)別系統(tǒng)及方法，屬于GIS設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障診斷領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

GIS設(shè)備，即氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備(Gas Insulated Switchgear)，誕生于20世紀(jì)60年代中期，它將斷路器、隔離開關(guān)、快速(接地)開關(guān)、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(guò)渡元件等全部組合在一個(gè)全封閉的金屬外殼內(nèi)，殼內(nèi)用于絕緣和滅弧的介質(zhì)是0.35～0.6MPa的SF₆氣體。

隨著技術(shù)的不斷成熟，GIS設(shè)備占地面積與體積越來(lái)越小，運(yùn)行也越來(lái)越可靠，早期投運(yùn)的GIS設(shè)備的故障率和維護(hù)工作量也明顯低于同時(shí)期的其他類型的開關(guān)設(shè)備，因此，在城網(wǎng)改造中被大量使用。

隨著近幾年我國(guó)GIS設(shè)備使用量迅速增加和早期投運(yùn)的GIS設(shè)備運(yùn)行年限的增長(zhǎng)，GIS設(shè)備的故障率有增加的趨勢(shì)，并遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出了IEC所建議的GIS設(shè)備事故率不超過(guò)0.1間隔/百臺(tái)·年的要求。

GIS設(shè)備由諸多電氣設(shè)備組合而成，但故障情況又與各獨(dú)立電氣設(shè)備的故障不盡相同，且故障率要遠(yuǎn)低于獨(dú)立電氣設(shè)備的故障率，長(zhǎng)時(shí)間的高壓環(huán)境也成為許多GIS設(shè)備故障的誘因。GIS設(shè)備從設(shè)計(jì)、制造、安裝到運(yùn)行需要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的流程控制以確保GIS設(shè)備的運(yùn)行質(zhì)量，但諸多工序中的任一環(huán)節(jié)都可能成為GIS設(shè)備故障的潛在隱患，根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)《高壓開關(guān)設(shè)備典型故障案例匯編》中的案例介紹，大約有80％的故障在制造及安裝環(huán)節(jié)引入。盡管GIS設(shè)備擁有較高的運(yùn)行可靠性，但長(zhǎng)期運(yùn)行的GIS設(shè)備，難免會(huì)有材質(zhì)劣化，以及連接部件在電動(dòng)力作用下松動(dòng)或變形的情況發(fā)生。GIS設(shè)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(cè)方法包括特高頻法、超聲波法等等，其中特高頻法會(huì)受到氣體成分的影響，同時(shí)受環(huán)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(shí)別方法對(duì)于提高供電可靠性有重大意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的主要目的在于，克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種簡(jiǎn)單易行、方便可靠的基于振動(dòng)信號(hào)的GIS局部放電類型識(shí)別系統(tǒng)及方法，具有產(chǎn)業(yè)上的利用價(jià)值。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：

一種基于振動(dòng)信號(hào)的GIS局部放電類型識(shí)別系統(tǒng)，包括依次相連的振動(dòng)傳感器、數(shù)據(jù)采集儀和PC機(jī)，所述振動(dòng)傳感器固定安裝在GIS設(shè)備的殼體外殼面上。

其中，所述振動(dòng)傳感器，用于實(shí)時(shí)采集GIS設(shè)備的振動(dòng)信號(hào)，并將振動(dòng)信號(hào)傳輸給數(shù)據(jù)采集儀；所述數(shù)據(jù)采集儀，用于接收振動(dòng)信號(hào)，并依次經(jīng)降噪、濾波和A/D變換處理后將振動(dòng)信號(hào)傳輸給PC機(jī)；所述PC機(jī)，用于接收數(shù)據(jù)采集儀輸出的振動(dòng)信號(hào)，并進(jìn)行放電類型的判斷及輸出判斷結(jié)果。

本發(fā)明進(jìn)一步設(shè)置為：所述振動(dòng)傳感器為鐵磁性傳感器，通過(guò)吸附在GIS設(shè)備的氣室法蘭處的固定螺母上進(jìn)行固定安裝。

本發(fā)明進(jìn)一步設(shè)置為：所述振動(dòng)傳感器為5個(gè)，包括均垂直于GIS設(shè)備的氣室法蘭處的法蘭面進(jìn)行固定安裝的4個(gè)振動(dòng)傳感器和沿GIS設(shè)備的氣室徑向固定安裝的1個(gè)振動(dòng)傳感器。

本發(fā)明還提供一種基于振動(dòng)信號(hào)的GIS局部放電類型識(shí)別方法，包括以下步驟：

1)在GIS設(shè)備的殼體外殼面上固定安裝振動(dòng)傳感器，將振動(dòng)傳感器的輸出端連接于數(shù)據(jù)采集儀，將數(shù)據(jù)采集儀的輸出端連接至PC機(jī)；

2)啟動(dòng)GIS設(shè)備處于運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)振動(dòng)傳感器實(shí)時(shí)采集GIS設(shè)備的振動(dòng)信號(hào)，設(shè)定振動(dòng)信號(hào)采樣頻率為25600Hz，采樣時(shí)間為2.5s；

3)通過(guò)數(shù)據(jù)采集儀對(duì)振動(dòng)傳感器采集到的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行小波降噪處理；

4)通過(guò)數(shù)據(jù)采集儀對(duì)小波降噪處理后的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行濾波和A/D變換處理，只保留1500Hz-6400Hz頻段的振動(dòng)信號(hào)輸出給PC機(jī)；

5)PC機(jī)對(duì)1500Hz-6400Hz頻段的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行小波時(shí)頻變換，根據(jù)小波時(shí)頻變換后的時(shí)間序列，計(jì)算每個(gè)時(shí)間點(diǎn)1750Hz-2000Hz頻段能量占1500Hz-2000Hz頻段能量的占比m；

m＝E_{1750Hz-2000Hz}/E_{1500Hz-2000Hz}，

其中，E_{1750Hz-2000Hz}為1750Hz-2000Hz頻段能量，其為1750Hz-2000Hz頻段各個(gè)頻率點(diǎn)振幅的平方和，計(jì)算公式為式中，A為振幅，f為頻率；

其中，E_{1500Hz-2000Hz}為1500Hz-2000Hz頻段能量，其為1500Hz-2000Hz頻段各個(gè)頻率點(diǎn)振幅的平方和，計(jì)算公式為式中，A為振幅，f為頻率；

6)設(shè)振動(dòng)信號(hào)總采樣點(diǎn)數(shù)為N，N個(gè)總采樣點(diǎn)數(shù)中每個(gè)采樣點(diǎn)都對(duì)應(yīng)一個(gè)占比m值；分別取n₁＝N_(m＞0.5)/N，n₂＝N_(m＞0.8)/N；

其中，n₁為總采樣點(diǎn)數(shù)N中能量占比m大于0.5的采樣點(diǎn)數(shù)與總采樣點(diǎn)數(shù)的比值，N_(m＞0.5)為N個(gè)總采樣點(diǎn)數(shù)中m＞0.5的振動(dòng)信號(hào)總個(gè)數(shù)，n₂為總采樣點(diǎn)數(shù)N中能量占比m大于0.8的采樣點(diǎn)數(shù)與總采樣點(diǎn)數(shù)的比值，N_(m＞0.8)為N個(gè)總采樣點(diǎn)數(shù)中m＞0.8的振動(dòng)信號(hào)總個(gè)數(shù)；

7)建立兩個(gè)動(dòng)態(tài)閾值λ₁和λ₂，λ₁＝20E_{1500Hz-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(dòng)態(tài)閾值；E_{1500Hz-6400Hz}為局部放電振動(dòng)信號(hào)1500Hz-6400Hz頻段總能量，其為1500Hz-6400Hz頻段各個(gè)頻率點(diǎn)振幅的平方和，計(jì)算公式為式中，A為振幅，f為頻率；

將步驟6)計(jì)算得到的n₁、n₂與動(dòng)態(tài)閾值相比較來(lái)進(jìn)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(dāng)n₁＞λ₁且n₂＞λ₂時(shí)，判斷放電類型為盆子沿面放電；

當(dāng)n₁＜λ₁且n₂＜λ₂時(shí)，判斷放電類型為尖刺放電；

否則，判斷放電類型不明。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有的有益效果是：

1、本發(fā)明提供的基于振動(dòng)信號(hào)的GIS局部放電類型識(shí)別系統(tǒng)，其振動(dòng)信號(hào)的采集與GIS設(shè)備沒(méi)有電氣聯(lián)系，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于操作，經(jīng)濟(jì)而實(shí)用。

2、本發(fā)明提供的基于振動(dòng)信號(hào)的GIS局部放電類型識(shí)別方法，特征頻段采用高頻部分，能夠排除低頻振動(dòng)干擾，檢測(cè)可靠性高。

上述內(nèi)容僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了更清楚的了解本發(fā)明的技術(shù)手段，下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明一種基于振動(dòng)信號(hào)的GIS局部放電類型識(shí)別系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；

圖2為本發(fā)明一種基于振動(dòng)信號(hào)的GIS局部放電類型識(shí)別系統(tǒng)中振動(dòng)傳感器的分布示意圖；

圖3為本發(fā)明一種基于振動(dòng)信號(hào)的GIS局部放電類型識(shí)別方法的流程圖；

圖4為本發(fā)明放電類型識(shí)別方法所測(cè)取的振動(dòng)信號(hào)圖；

圖5為本發(fā)明放電類型識(shí)別方法所變換的尖刺放電小波時(shí)頻譜圖；

圖6為本發(fā)明放電類型識(shí)別方法所變換的盆子沿面放電小波時(shí)頻譜圖；

圖7為本發(fā)明放電類型識(shí)別方法所建立的局部放電類型的識(shí)別圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合說(shuō)明書附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。

本發(fā)明提供一種基于振動(dòng)信號(hào)的GIS局部放電類型識(shí)別系統(tǒng)，如圖1所示，包括依次相連的振動(dòng)傳感器、數(shù)據(jù)采集儀和PC機(jī)。所述振動(dòng)傳感器，用于實(shí)時(shí)采集GIS設(shè)備的振動(dòng)信號(hào)，并將振動(dòng)信號(hào)傳輸給數(shù)據(jù)采集儀；所述數(shù)據(jù)采集儀，用于接收振動(dòng)信號(hào)，并依次經(jīng)降噪、濾波和A/D變換處理后將振動(dòng)信號(hào)傳輸給PC機(jī)；所述PC機(jī)，用于接收數(shù)據(jù)采集儀輸出的振動(dòng)信號(hào)，并進(jìn)行放電類型的判斷及輸出判斷結(jié)果。

所述振動(dòng)傳感器為鐵磁性傳感器，通過(guò)吸附在GIS設(shè)備10的氣室法蘭處的固定螺母上進(jìn)行固定安裝，如圖2所示。圖2中的振動(dòng)傳感器為5個(gè)，包括均垂直于GIS設(shè)備的氣室法蘭處的法蘭面進(jìn)行固定安裝的4個(gè)振動(dòng)傳感器和沿GIS設(shè)備的氣室徑向固定安裝的1個(gè)振動(dòng)傳感器，其中4個(gè)振動(dòng)傳感器分別為圖2中所示的1#、2#、3#和5#，1個(gè)振動(dòng)傳感器為4#。

本發(fā)明還提供一種基于振動(dòng)信號(hào)的GIS局部放電類型識(shí)別方法，如圖3所示，包括以下步驟：

1)在GIS設(shè)備的殼體外殼面上固定安裝振動(dòng)傳感器，將振動(dòng)傳感器的輸出端連接于數(shù)據(jù)采集儀，將數(shù)據(jù)采集儀的輸出端連接至PC機(jī)；

2)啟動(dòng)GIS設(shè)備處于運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)振動(dòng)傳感器實(shí)時(shí)采集GIS設(shè)備的振動(dòng)信號(hào)，設(shè)定振動(dòng)信號(hào)采樣頻率為25600Hz，采樣時(shí)間為2.5s；

3)通過(guò)數(shù)據(jù)采集儀對(duì)振動(dòng)傳感器采集到的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行小波降噪處理；

4)通過(guò)數(shù)據(jù)采集儀對(duì)小波降噪處理后的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行濾波和A/D變換處理，只保留1500Hz-6400Hz頻段的振動(dòng)信號(hào)輸出給PC機(jī)；

5)PC機(jī)對(duì)1500Hz-6400Hz頻段的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行小波時(shí)頻變換，根據(jù)小波時(shí)頻變換后的時(shí)間序列，計(jì)算每個(gè)時(shí)間點(diǎn)1750Hz-2000Hz頻段能量占1500Hz-2000Hz頻段能量的占比m；

m＝E_{1750Hz-2000Hz}/E_{1500Hz-2000Hz}，

其中，E_{1750Hz-2000Hz}為1750Hz-2000Hz頻段能量，其為1750Hz-2000Hz頻段各個(gè)頻率點(diǎn)振幅的平方和，計(jì)算公式為式中，A為振幅，f為頻率；

其中，E_{1500Hz-2000Hz}為1500Hz-2000Hz頻段能量，其為1500Hz-2000Hz頻段各個(gè)頻率點(diǎn)振幅的平方和，計(jì)算公式為式中，A為振幅，f為頻率；

6)設(shè)振動(dòng)信號(hào)總采樣點(diǎn)數(shù)為N，N個(gè)總采樣點(diǎn)數(shù)中每個(gè)采樣點(diǎn)都對(duì)應(yīng)一個(gè)占比m值；分別取n₁＝N_(m＞0.5)/N，n₂＝N_(m＞0.8)/N；

其中，n₁為總采樣點(diǎn)數(shù)N中能量占比m大于0.5的采樣點(diǎn)數(shù)與總采樣點(diǎn)數(shù)的比值，N_(m＞0.5)為N個(gè)總采樣點(diǎn)數(shù)中m＞0.5的振動(dòng)信號(hào)總個(gè)數(shù)，n₂為總采樣點(diǎn)數(shù)N中能量占比m大于0.8的采樣點(diǎn)數(shù)與總采樣點(diǎn)數(shù)的比值，N_(m＞0.8)為N個(gè)總采樣點(diǎn)數(shù)中m＞0.8的振動(dòng)信號(hào)總個(gè)數(shù)；

7)建立兩個(gè)動(dòng)態(tài)閾值λ₁和λ₂，λ₁＝20E_{1500Hz-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(dòng)態(tài)閾值；E_{1500Hz-6400Hz}為局部放電振動(dòng)信號(hào)1500Hz-6400Hz頻段總能量，其為1500Hz-6400Hz頻段各個(gè)頻率點(diǎn)振幅的平方和，計(jì)算公式為式中，A為振幅，f為頻率；

將步驟6)計(jì)算得到的n₁、n₂與動(dòng)態(tài)閾值相比較來(lái)進(jìn)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(dāng)n₁＞λ₁且n₂＞λ₂時(shí)，判斷放電類型為盆子沿面放電；

當(dāng)n₁＜λ₁且n₂＜λ₂時(shí)，判斷放電類型為尖刺放電；

否則，判斷放電類型不明。

本發(fā)明的放電類型識(shí)別方法是通過(guò)小波時(shí)頻法對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行變換，計(jì)算各時(shí)間點(diǎn)下頻段1750Hz-2000Hz頻段能量占1500Hz-2000Hz頻段能量的比值，根據(jù)動(dòng)態(tài)閾值判斷GIS發(fā)生局部放電類型。

可采用型號(hào)為252kV ZF-16的GIS設(shè)備，分別對(duì)尖刺放電(針尖放電)與金屬顆粒盆子沿面放電這兩種放電類型進(jìn)行識(shí)別。

先測(cè)取正常情況下GIS設(shè)備的振動(dòng)信號(hào)，經(jīng)計(jì)算在正常情況下，當(dāng)電壓不同時(shí)，1600Hz以上振動(dòng)分量情況基本不變，因此此處選取35kV下的振動(dòng)信號(hào)為正常比對(duì)信號(hào)。

如圖4所示為測(cè)量得到的振動(dòng)信號(hào)，將振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行小波時(shí)頻變換，得到如圖5和圖6所示的小波時(shí)頻譜圖；通過(guò)計(jì)算取n₁與n₂，并以n₁為橫坐標(biāo)、n₂為縱坐標(biāo)作圖，通過(guò)動(dòng)態(tài)閾值的設(shè)定以及比較，得到如圖7所示的可準(zhǔn)確判斷局部放電類型的識(shí)別圖。

以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征及優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說(shuō)明書中描述的只是說(shuō)明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會(huì)有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。