CN102735968B - 基于振动信号频谱分析的gis故障诊断系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于振动信号频谱分析的GIS故障诊断系统及方法，属于GIS故障监测领域。该系统包括依次串接的振动加速度传感器、电荷放大器、数据采集仪和PC机，振动加速度传感器包括分别固定于GIS箱体外表面X、Y和Z轴方向上的三个振动传感器。该系统的诊断方法是利用三个振动传感器采集X、Y和Z轴方向上的GIS振动信号，对整周期截取的振动信号进行小波降噪，再进行频谱分析，分别计算出50Hz处能量以及100Hz、200Hz、300Hz处能量和，将计算值与正常状态相比较，根据比较结果再结合阈值来判定GIS故障。本方法工程实现简单，特征明显，能有效诊断GIS故障。

Description

基于振动信号频谱分析的GIS故障诊断系统及方法

技术领域

本发明涉及一种输变电设备状态在线监测技术，尤其涉及一种气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）的故障诊断系统及方法，属于GIS故障监测领域。

背景技术

气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）诞生于20世纪70年代初，其是将断路器、隔离开关、快速接地开关、电流互感器、避雷器、母线、套管和电缆终端等电气元件封闭组合在接地的金属外壳中，内部充以0.3~0.4MPa的SF6气体作为绝缘介质。

GIS的作用相当于一个开关站，其具有体积小、占地面积小、运行可靠性高、不受外界环境影响、配置灵活、维护工作量小、检修周期长、无电磁干扰等优点，深受电力公司的青睐，在城市电网建设和改造中得到大量使用。

由于SF6气体的强负电性，因此具有良好的绝缘性能，目前的超高压及特高压设备主要以SF6作为绝缘介质。然而SF6气体中一旦由于混入水分、杂质、颗粒或者其他原因造成局部场强过于集中，其绝缘性能会急剧下降，因此对GIS的生产工艺、条件、环境均有较高的要求。但是在GIS的制造和组装过程中，不可避免会留下缺陷，这就为GIS留下了故障隐患。在电力需求量日益增长的今天，对重要的电气设备进行实时的状态监测，不但能保证供电的连续性、保证设备长期安全稳定运行，更是电力行业提高经济效益的必要环节。

由于GIS设备的制造、运输、安装以及运行过程中开关、刀闸的分合振动等原因，在内部会形成金属微粒、粉末和水分等导电性杂质，这是引发GIS设备故障的主要原因。

目前存在以下几种GIS故障诊断方法：

1、超高频检测法，可以根据放电脉冲的波形特征和UHF信号的频谱特征进行故障诊断，具有良好的检测灵敏度，但超高频传感器本身的结构设计无法抑制来自变电站内高频段的干扰，这就使得检测结果的准确性受到了严重影响。

2、高频接地电流法，利用精心制作的传感器可以在很宽的频率范围内保持很好的传输特性，但地线需穿过线圈，导致现场安装极其不方便。

3、光测量法，不存在抗干扰的问题，但灵敏度很低，需要运用大量传感器，故此方法实用性不强。

发明内容

本发明针对现有技术存在缺陷，而提出一种易于实现、诊断准确的基于振动信号频谱分析的GIS故障诊断系统及方法。

该GIS故障诊断系统包括振动加速度传感器、电荷放大器、数据采集仪和PC机，其中：振动加速度传感器固定于GIS箱体的外表面，振动加速度传感器的输出端连接电荷放大器，电荷放大器通过BNC电气转换接口连接数据采集仪，数据采集仪通过网线接口连接PC机。

所述振动加速度传感器是采用磁铁吸附固定于GIS箱体的外表面，该振动加速度传感器包括三个振动加速度传感器，三个振动加速度传感器分别固定于GIS箱体外表面的X、Y和Z轴方向上。

上述GIS故障诊断系统的诊断方法，包括如下步骤：

步骤1：设定采样频率为10kHz，采样时间为1秒；

步骤2：在GIS稳定运行时采集GIS的振动信号；

步骤3：对振动信号进行采样，在采样数据中以整数倍周期截取振动信号；

步骤4：对截取的振动信号进行小波降噪；

步骤5：对降噪后的信号段进行频谱分析；

步骤6：计算50Hz频率处的能量，将该能量定义为特征一；计算100Hz、200Hz、300Hz频率处能量的能量和，将该能量和定义为特征二；

步骤7：当特征一较正常状态减小50%以上时，转入步骤8，否则转入步骤3；

步骤8：当特征二较正常状态增大100%以上时，转入步骤9，否则转入步骤3；

步骤9：计算特征二与特征一的比值，将该比值定义为特征三；

步骤10：将特征三与设定的阈值比较，当特征三小于阈值时，转入步骤3，否则判定GIS发生故障。

技术效果：

1、系统组成结构简单，易于工程实现，实现成本较低。

2、方法中选择的振动信号频谱特征量能准确反映GIS故障，特征明显，重复性好，诊断具有较高的准确性和可靠性。

附图说明

图1为本发明的诊断系统结构框图。

图2为振动加速度传感器的安装位置示意图。

图3为本发明的诊断方法流程图。

图4（a）为小波降噪前的振动信号时域频谱图；图4（b）为小波降噪后的振动信号时域频谱图。

图5（a）、图5（b）、图5（c）分别为GIS正常运行时X、Y和Z轴方向上的振动信号频谱图。

图6为GIS各种内部故障时的振动频谱示意图，图中框内标号：1表示局部放电引起的振动；2表示异物振动；3表示电磁力、磁致伸缩引起的振动；4表示静电力引起的振动；5表示操作引起的振动；6表示对地短路引起的振动。

具体实施方式

下面对本发明作进一步说明。

本发明GIS故障诊断系统的结构如图1所示，包括振动加速度传感器、电荷放大器、数据采集仪和PC机，其中：振动加速度传感器通过磁铁牢固地吸附（固定）于GIS箱体的外表面，振动加速度传感器的输出端连接电荷放大器，电荷放大器通过BNC电气转换接口连接数据采集仪，数据采集仪通过网线接口连接PC机。振动加速度传感器与电荷放大器相配合进行振动信号测量，数据采集仪用于采集和记录检测到的振动信号，PC机用于对数据采集仪输出的信号数据进行存储、数据处理和故障诊断，并显示诊断结果。

为了全面监测GIS表面的振动，采用三个振动加速度传感器分别固定于GIS箱体外表面的X、Y和Z轴方向上，具体固定位置如图2所示。

本发明GIS故障诊断方法的流程如图3所示，具体包括如下步骤：

步骤1：设定采样频率为10kHz，采样时间为1秒；

步骤2：在GIS稳定运行时开始采集GIS的振动信号；

步骤3：对振动信号进行采样，在采样数据中，根据采样时间、采样频率、采样点数，以整数倍周期截取振动信号；

步骤4：对整周期截取的振动信号进行小波降噪；

步骤5：对降噪后的信号段进行频谱分析；

步骤6：计算50Hz频率处的能量，将该能量定义为特征一；计算100Hz、200Hz、300Hz频率处能量的能量和，将该能量和定义为特征二；

步骤7：当特征一较正常状态减小50%以上时，转入步骤8，否则转入步骤3；

步骤8：当特征二较正常状态增大100%以上时，转入步骤9，否则转入步骤3；

步骤9：计算特征二与特征一的比值，将该比值定义为特征三；

步骤10：将特征三与设定的阈值比较，当特征三小于阈值时，转入步骤3，否则判定GIS发生故障。

下面提供本发明的一个实施例：

以江苏省电力公司江东门110KV变电所的GIS为实验对象，按要求搭建硬件系统，硬件选择如下：振动加速度传感器采用CA-YD-103，电荷放大器采用KD5002，数据采集仪采用Nicolet7700，PC机采用笔记本电脑。

按本发明的诊断方法步骤进行实验，实验中采集的GIS正常运行状态的原始振动信号如图4（a）所示，对原始振动信号进行小波降噪，降噪后的振动信号如图4（b）所示，对比图4（a）和图4（b）可以明显看出降噪效果。

GIS正常运行时X、Y和Z轴方向上的振动信号分别如图5（a）、（b）、（c）所示，比较图5（a）、（b）、（c）可以发现，在GIS正常运行时的信号频谱中，主要在50Hz处振动最明显且能量最大，而100Hz、200Hz、300Hz处的能量相对较小。经过计算，被测GIS的振动信号特征频率处的能量值（归一化）如表1所示。

表1

理论分析可知，GIS内部出现故障时振动信号主要表现在高频信号，如图6所示，从而基频50Hz处能量会相对减小，并且高频100Hz、200Hz、300Hz处的能量和会显著增大，其比重必然会超过故障时基频处的能量值，因此可以设定阈值为1，当100Hz、200Hz、300Hz处的能量和与50Hz处能量的比值达到或大于1时，判定GIS内部发生故障。

Claims (1)

1.一种基于振动信号频谱分析的GIS故障诊断方法，其特征在于：

该方法包括如下步骤：

步骤1：设定采样频率为10kHz，采样时间为1秒；

步骤2：在GIS稳定运行时采集GIS的振动信号；

步骤3：对振动信号进行采样，在采样数据中以整数倍周期截取振动信号；

步骤4：对截取的振动信号进行小波降噪；

步骤5：对降噪后的信号段进行频谱分析；

步骤6：计算50Hz频率处的能量，将该能量定义为特征一；计算100Hz、200Hz、300Hz频率处能量的能量和，将该能量和定义为特征二；

步骤7：当特征一较正常状态减小50%以上时，转入步骤8，否则转入步骤3；

步骤8：当特征二较正常状态增大100%以上时，转入步骤9，否则转入步骤3；

步骤9：计算特征二与特征一的比值，将该比值定义为特征三；

步骤10：将特征三与设定的阈值进行比较，当特征三小于阈值时，转入步骤3，否则判定GIS发生故障。