專利名稱：基于振動(dòng)信號(hào)頻譜分析的gis故障診斷系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種輸變電設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)技木，尤其涉及ー種氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備(GIS)的故障診斷系統(tǒng)及方法，屬于GIS故障監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備(GIS)誕生于20世紀(jì)70年代初，其是將斷路器、隔離開關(guān)、快速接地開關(guān)、電流互感器、避雷器、母線、套管和電纜終端等電氣元件封閉組合在接地的金屬外殼中，內(nèi)部充以O(shè). 3^0. 4MPa的SF6氣體作為絕緣介質(zhì)。GIS的作用相當(dāng)于ー個(gè)開關(guān)站，其具有體積小、占地面積小、運(yùn)行可靠性高、不受外界環(huán)境影響、配置靈活、維護(hù)工作量小、檢修周期長(zhǎng)、無(wú)電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，深受電カ公司的青 睞，在城市電網(wǎng)建設(shè)和改造中得到大量使用。由于SF6氣體的強(qiáng)負(fù)電性，因此具有良好的絕緣性能，目前的超高壓及特高壓設(shè)備主要以SF6作為絕緣介質(zhì)。然而SF6氣體中一旦由于混入水分、雜質(zhì)、顆?；蛘咂渌蛟斐删植繄?chǎng)強(qiáng)過于集中，其絕緣性能會(huì)急劇下降，因此對(duì)GIS的生產(chǎn)エ藝、條件、環(huán)境均有較高的要求。但是在GIS的制造和組裝過程中，不可避免會(huì)留下缺陷，這就為GIS留下了故障隱患。在電カ需求量日益增長(zhǎng)的今天，對(duì)重要的電氣設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，不但能保證供電的連續(xù)性、保證設(shè)備長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行，更是電カ行業(yè)提高經(jīng)濟(jì)效益的必要環(huán)節(jié)。由于GIS設(shè)備的制造、運(yùn)輸、安裝以及運(yùn)行過程中開關(guān)、刀閘的分合振動(dòng)等原因，在內(nèi)部會(huì)形成金屬微粒、粉末和水分等導(dǎo)電性雜質(zhì)，這是引發(fā)GIS設(shè)備故障的主要原因。目前存在以下幾種GIS故障診斷方法I、超高頻檢測(cè)法，可以根據(jù)放電脈沖的波形特征和UHF信號(hào)的頻譜特征進(jìn)行故障診斷，具有良好的檢測(cè)靈敏度，但超高頻傳感器本身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)無(wú)法抑制來自變電站內(nèi)高頻段的干擾，這就使得檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性受到了嚴(yán)重影響。2、高頻接地電流法，利用精心制作的傳感器可以在很寬的頻率范圍內(nèi)保持很好的傳輸特性，但地線需穿過線圈，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)安裝極其不方便。3、光測(cè)量法，不存在抗干擾的問題，但靈敏度很低，需要運(yùn)用大量傳感器，故此方法實(shí)用性不強(qiáng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在缺陷，而提出ー種易于實(shí)現(xiàn)、診斷準(zhǔn)確的基于振動(dòng)信號(hào)頻譜分析的Gis故障診斷系統(tǒng)及方法。 該GIS故障診斷系統(tǒng)包括振動(dòng)加速度傳感器、電荷放大器、數(shù)據(jù)采集儀和PC機(jī)，其中振動(dòng)加速度傳感器固定于GIS箱體的外表面，振動(dòng)加速度傳感器的輸出端連接電荷放大器，電荷放大器通過BNC電氣轉(zhuǎn)換接ロ連接數(shù)據(jù)采集儀，數(shù)據(jù)采集儀通過網(wǎng)線接ロ連接PC機(jī)。所述振動(dòng)加速度傳感器是采用磁鐵吸附固定于GIS箱體的外表面，該振動(dòng)加速度傳感器包括三個(gè)振動(dòng)加速度傳感器，三個(gè)振動(dòng)加速度傳感器分別固定于GIS箱體外表面的X、Y和Z軸方向上。上述GIS故障診斷系統(tǒng)的診斷方法，包括如下步驟步驟I :設(shè)定采樣頻率為10kHz，采樣時(shí)間為I秒；步驟2 :在GIS穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)采集GIS的振動(dòng)信號(hào)；步驟3 :對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采樣，在采樣數(shù)據(jù)中以整數(shù)倍周期截取振動(dòng)信號(hào)；步驟4 :對(duì)截取的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行小波降噪；步驟5 :對(duì)降噪后的信號(hào)段進(jìn)行頻譜分析； 步驟6 :計(jì)算50Hz頻率處的能量，將該能量定義為特征ー；計(jì)算100Hz、200Hz、300Hz頻率處能量的能量和，將該能量和定義為特征ニ ；步驟7 :當(dāng)特征ー較正常狀態(tài)減小50%以上時(shí)，轉(zhuǎn)入步驟8，否則轉(zhuǎn)入步驟3 ；步驟8 :當(dāng)特征ニ較正常狀態(tài)增大100%以上時(shí)，轉(zhuǎn)入步驟9，否則轉(zhuǎn)入步驟3 ；步驟9 :計(jì)算特征ニ與特征ー的比值，將該比值定義為特征三；步驟10 :將特征三與設(shè)定的閾值比較，當(dāng)特征三小于閾值時(shí)，轉(zhuǎn)入步驟3，否則判定GIS發(fā)生故障。技術(shù)效果I、系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于工程實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)成本較低。2、方法中選擇的振動(dòng)信號(hào)頻譜特征量能準(zhǔn)確反映GIS故障，特征明顯，重復(fù)性好，診斷具有較高的準(zhǔn)確性和可靠性。


圖I為本發(fā)明的診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。圖2為振動(dòng)加速度傳感器的安裝位置示意圖。圖3為本發(fā)明的診斷方法流程圖。圖4 Ca)為小波降噪前的振動(dòng)信號(hào)時(shí)域頻譜圖；圖4 (b)為小波降噪后的振動(dòng)信號(hào)時(shí)域頻譜圖。圖5 (a)、圖5 (b)、圖5 (C)分別為GIS正常運(yùn)行時(shí)X、Y和Z軸方向上的振動(dòng)信號(hào)頻譜圖。圖6為GIS各種內(nèi)部故障時(shí)的振動(dòng)頻譜示意圖，圖中框內(nèi)標(biāo)號(hào)1表示局部放電引起的振動(dòng)；2表示異物振動(dòng)；3表示電磁力、磁致伸縮引起的振動(dòng)；4表示靜電カ引起的振動(dòng)；5表示操作引起的振動(dòng)；6表示對(duì)地短路引起的振動(dòng)。
具體實(shí)施例方式下面對(duì)本發(fā)明作進(jìn)ー步說明。本發(fā)明GIS故障診斷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖I所示，包括振動(dòng)加速度傳感器、電荷放大器、數(shù)據(jù)采集儀和PC機(jī)，其中振動(dòng)加速度傳感器通過磁鐵牢固地吸附(固定)于GIS箱體的外表面，振動(dòng)加速度傳感器的輸出端連接電荷放大器，電荷放大器通過BNC電氣轉(zhuǎn)換接ロ連接數(shù)據(jù)采集儀，數(shù)據(jù)采集儀通過網(wǎng)線接ロ連接PC機(jī)。振動(dòng)加速度傳感器與電荷放大器相配合進(jìn)行振動(dòng)信號(hào)測(cè)量，數(shù)據(jù)采集儀用于采集和記錄檢測(cè)到的振動(dòng)信號(hào)，PC機(jī)用于對(duì)數(shù)據(jù)采集儀輸出的信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理和故障診斷，并顯示診斷結(jié)果。為了全面監(jiān)測(cè)GIS表面的振動(dòng)，采用三個(gè)振動(dòng)加速度傳感器分別固定于GIS箱體外表面的X、Y和Z軸方向上,具體固定位置如圖2所不。本發(fā)明GIS故障診斷方法的流程如圖3所示，具體包括如下步驟步驟I :設(shè)定采樣頻率為10kHz，采樣時(shí)間為I秒；步驟2 :在GIS穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)開始采集GIS的振動(dòng)信號(hào)；步驟3 :對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采樣，在采樣數(shù)據(jù)中，根據(jù)采樣時(shí)間、采樣頻率、采樣點(diǎn)數(shù)，以整數(shù)倍周期截取振動(dòng)信號(hào)；步驟4 :對(duì)整周期截取的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行小波降噪；步驟5 :對(duì)降噪后的信號(hào)段進(jìn)行頻譜分析；步驟6 :計(jì)算50Hz頻率處的能量，將該能量定義為特征ー；計(jì)算100Hz、200Hz、300Hz頻率處能量的能量和，將該能量和定義為特征ニ ；步驟7 :當(dāng)特征ー較正常狀態(tài)減小50%以上時(shí)，轉(zhuǎn)入步驟8，否則轉(zhuǎn)入步驟3 ；步驟8 :當(dāng)特征ニ較正常狀態(tài)增大100%以上時(shí)，轉(zhuǎn)入步驟9，否則轉(zhuǎn)入步驟3 ；步驟9 :計(jì)算特征ニ與特征ー的比值，將該比值定義為特征三；步驟10 :將特征三與設(shè)定的閾值比較，當(dāng)特征三小于閾值時(shí)，轉(zhuǎn)入步驟3，否則判定GIS發(fā)生故障。下面提供本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例以江蘇省電カ公司江東門110KV變電所的GIS為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，按要求搭建硬件系統(tǒng)，硬件選擇如下振動(dòng)加速度傳感器采用CA-YD-103，電荷放大器采用KD5002，數(shù)據(jù)采集儀采用Nicolet7700，PC機(jī)采用筆記本電腦。按本發(fā)明的診斷方法步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中采集的GIS正常運(yùn)行狀態(tài)的原始振動(dòng)信號(hào)如圖4 (a)所示，對(duì)原始振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行小波降噪，降噪后的振動(dòng)信號(hào)如圖4 (b)所示，對(duì)比圖4 (a)和圖4 (b)可以明顯看出降噪效果。GIS正常運(yùn)行時(shí)X、Y和Z軸方向上的振動(dòng)信號(hào)分別如圖5 (a)、(b)、(C)所示，t匕較圖5 (a)、(b)、(c)可以發(fā)現(xiàn)，在GIS正常運(yùn)行時(shí)的信號(hào)頻譜中，主要在50Hz處振動(dòng)最明顯且能量最大，而100Hz、200Hz、300Hz處的能量相對(duì)較小。經(jīng)過計(jì)算，被測(cè)GIS的振動(dòng)信號(hào)特征頻率處的能量值(歸ー化)如表I所示。表I
權(quán)利要求
1.ー種基于振動(dòng)信號(hào)頻譜分析的GIS故障診斷系統(tǒng)，其特征在于包括振動(dòng)加速度傳感器、電荷放大器、數(shù)據(jù)采集儀和PC機(jī)，其中振動(dòng)加速度傳感器固定于GIS箱體的外表面，振動(dòng)加速度傳感器的輸出端連接電荷放大器，電荷放大器通過BNC電氣轉(zhuǎn)換接ロ連接數(shù)據(jù)采集儀，數(shù)據(jù)采集儀通過網(wǎng)線接ロ連接PC機(jī)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于振動(dòng)信號(hào)頻譜分析的GIS故障診斷系統(tǒng)，其特征在于所述振動(dòng)加速度傳感器是采用磁鐵吸附固定于GIS箱體的外表面。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的基于振動(dòng)信號(hào)頻譜分析的GIS故障診斷系統(tǒng)，其特征在于所述振動(dòng)加速度傳感器包括三個(gè)振動(dòng)加速度傳感器，三個(gè)振動(dòng)加速度傳感器分別固定于GIS箱體外表面的X、Y和Z軸方向上。
4.ー種基于權(quán)利要求I所述的基于振動(dòng)信號(hào)頻譜分析的GIS故障診斷系統(tǒng)的診斷方法，其特征在干 該方法包括如下步驟 步驟I :設(shè)定采樣頻率為10kHz，采樣時(shí)間為I秒； 步驟2 :在GIS穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)采集GIS的振動(dòng)信號(hào)； 步驟3 :對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采樣，在采樣數(shù)據(jù)中以整數(shù)倍周期截取振動(dòng)信號(hào)； 步驟4 :對(duì)截取的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行小波降噪； 步驟5 :對(duì)降噪后的信號(hào)段進(jìn)行頻譜分析； 步驟6 :計(jì)算50Hz頻率處的能量，將該能量定義為特征ー；計(jì)算100Hz、200Hz、300Hz頻率處能量的能量和，將該能量和定義為特征ニ ； 步驟7 :當(dāng)特征ー較正常狀態(tài)減小50%以上時(shí)，轉(zhuǎn)入步驟8，否則轉(zhuǎn)入步驟3 ； 步驟8 :當(dāng)特征ニ較正常狀態(tài)增大100%以上時(shí)，轉(zhuǎn)入步驟9，否則轉(zhuǎn)入步驟3 ； 步驟9 :計(jì)算特征ニ與特征ー的比值，將該比值定義為特征三； 步驟10 :將特征三與設(shè)定的閾值比較，當(dāng)特征三小于閾值時(shí)，轉(zhuǎn)入步驟3，否則判定GIS發(fā)生故障。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于振動(dòng)信號(hào)頻譜分析的GIS故障診斷系統(tǒng)及方法，屬于GIS故障監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。該系統(tǒng)包括依次串接的振動(dòng)加速度傳感器、電荷放大器、數(shù)據(jù)采集儀和PC機(jī)，振動(dòng)加速度傳感器包括分別固定于GIS箱體外表面X、Y和Z軸方向上的三個(gè)振動(dòng)傳感器。該系統(tǒng)的診斷方法是利用三個(gè)振動(dòng)傳感器采集X、Y和Z軸方向上的GIS振動(dòng)信號(hào)，對(duì)整周期截取的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行小波降噪，再進(jìn)行頻譜分析，分別計(jì)算出50Hz處能量以及100Hz、200Hz、300Hz處能量和，將計(jì)算值與正常狀態(tài)相比較，根據(jù)比較結(jié)果再結(jié)合閾值來判定GIS故障。本方法工程實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，特征明顯，能有效診斷GIS故障。
文檔編號(hào)G01R31/00GK102735968SQ20121019472
公開日2012年10月17日 申請(qǐng)日期2012年6月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月13日
發(fā)明者張贏, 徐天樂, 李凱, 李勇, 王春亮, 王春寧, 陳楷, 陳靜民, 馬宏忠 申請(qǐng)人:江蘇省電力公司南京供電公司, 河海大學(xué)