基于振动信号的GIS设备局部放电检测方法

摘要

本发明涉及一种基于振动信号的GIS设备局部放电检测方法，该方法执行以下步骤：1）在所述GIS设备的壳体外部安装振动传感器；2）采集所述振动传感器的振动信号；3)对采集到的振动信号进行4层小波包分解变换，得到顺序均分的16个子频段以及各个子频段的能量值e1，e2，…，e16；4）计算局部放电指数k=E1/E进行局部放电判断，其中E1=e3+e4+e5+e6，E=e3+e4+…+e16。本发明的检测方法不但灵敏度高，而且反馈及时迅速。

说明书

技术领域

本发明涉及一种电气设备故障诊断技术，尤其涉及一种气体绝缘金属封闭开关设 备（GIS）的局部放电检测方法，属于GIS状态监测及故障诊断领域。

背景技术

GIS设备，即六氟化硫封闭式组合电器，国际上称为“气体绝缘开关设备”（Gas InsulatedSwitchgear），诞生于20世纪60年代中期，它将断路器、隔离开关、快速（接地）开 关、电流互感器、电压互感器、避雷器、母线（三相或单相）、连接管和过渡元件等全部组合在 一个全封闭的金属外壳内，壳内用于绝缘和灭弧的介质是0.35～0.6MPa的SF6气体。随着技 术的不断成熟，GIS设备占地面积与体积越来越小，运行也越来越可靠，早期投运的GIS的故 障率和维护工作量也明显低于同时期的其他类型的开关设备，因此，在城网改造中被大量 使用。

随着近几年我国GIS使用量迅速增加和早期投运的GIS运行年限的增长，GIS的故 障率有增加的趋势，并远远高出了IEC所建议的GIS事故率不超过0.1间隔/百台*年的要求。

GIS由诸多电气设备组合而成，但故障情况又与各独立电气设备的故障不尽相同， 且故障率要远低于独立电气设备的故障率，长时间的高压环境也成为许多GIS故障的诱因。 GIS设备从设计、制造、安装到运行需要进过严格的流程控制以确保GIS的运行质量，但诸多 工序中的任一环节都可能成为GIS故障的潜在隐患，根据国家电网《高压开关设备典型故障 案例汇编》中的案例介绍，大约有80%的故障在制造及安装环节引入。尽管GIS拥有较高的运 行可靠性，但长期运行的GIS，难免会有材质劣化，以及连接部件在电动力作用下松动或变 形的情况发生。GIS故障类型繁多，但以局部放电故障最为常见，目前常见的检测方法包括 特高频法、超声波法等等，其中特高频法会受到气体成分的影响，同时受环境中的电磁噪声 影响较大，超声波存在可靠性不高、误差较大等缺陷，因此寻找好的检测方法对于提高供电 可靠性有重大意义。

发明内容

本发明要解决技术问题是：克服上述技术的缺点，提供一种基于振动信号的灵敏 度高、检测及时、反馈迅速的GIS设备局部放电检测方法。

为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案是：一种基于振动信号的GIS设备 局部放电检测方法，执行以下步骤：

1）在所述GIS设备的壳体外部安装振动传感器；

2）启动所述GIS设备，待到启动后的GIS设备运行稳定时，采集所述振动传感器的振动 信号，采样频率为25600Hz，采样时间为2.5s，采集到的振动信号的频率范围是0～ 12800Hz；

3)对采集到的振动信号进行4层小波包分解变换，得到顺序均分的16个子频段以及各 个子频段的能量值e₁，e₂，…，e₁₆；

4）计算局部放电指数k=E₁/E，其中E₁=e₃+e₄+e₅+e₆，E=e₃+e₄+…+e₁₆；

若k32%，则所述GIS设备未发生局部放电；

若32%<k<35%，则所述GIS设备发生局部轻度放电；

若35%k<45%，则所述GIS设备发生局部中度放电；

若k45%，则所述GIS设备发生局部严重放电。

本发明带来的有益效果是：本发明通过检测振动信号的方式实现对GIS设备的局 部放电故障进行检测，在检测时与GIS设备没有电气联系，结构简易，成本较低，而且本发明 采集到的振动信号进行小波包分解处理后，根据不同频段能量占比进行分析，采用的特征 频段为高频部分，能够排除低频振动干扰，检测可靠性高。本发明可以持续对GIS设备进行 长期监测，可以在第一时间了解GIS设备出现局部放电状况，从而为GIS设备的监测提供了 一个实时有效的手段。

上述技术方案的进一步改进是：对步骤2）采集到的振动信号先进行降噪处理后再 执行步骤3），从而可以消除噪声的干扰。可采用小波变换等常规降噪方法。

优选的，步骤1）中安装振动传感器时，将所述振动传感器吸附在GIS设备的连接法 兰处的固定螺母上。本发明将振动传感器安装于各连接法兰处的固定螺母上，可以使各传 感器取得的振动信号具有可比性与统一性，尽量减小测量误差，从而提高系统的可靠性。

进一步的，所述振动传感器为铁磁性传感器。这样不但安装方便而且可以保证与 连接法兰面紧密贴合，防止传感器与连接法兰面之间出现间隙，从而进一步提高可靠性。

上述技术方案的进一步改进是：步骤3)进行4层小波包分解变换时，对采集到的振 动信号选取0～12800Hz频率范围进行4层小波包分解变换。这样结果更准确。

具体实施方式

实施例

本实施例的基于振动信号的GIS设备局部放电检测方法，执行以下步骤：

1）在所述GIS设备的壳体外部安装振动传感器；

2）启动所述GIS设备，待到启动后的GIS设备运行稳定时，采集所述振动传感器的振动 信号，采样频率为25600Hz，采样时间为2.5s；

3)对采集到的振动信号进行4层小波包分解变换，得到顺序均分的16个子频段以及各 个子频段的能量值e₁，e₂，…，e₁₆；对振动信号进行4层小波包分解变换是现有技术，通过小 波包分解变换可以很容易的得到各个子频段的能量值。

另外进行4层小波包分解变换时，对步骤2）采集到的振动信号选取0～12800Hz频 率范围进行4层小波包分解变换。此时，顺序均分的16个子频段分别为0～800Hz，800～ 1600Hz，…，12000～12800Hz。

4）计算局部放电指数k=E₁/E，其中E₁=e₃+e₄+e₅+e₆，E=e₃+e₄+…+e₁₆；即计算特征频 段1600-4800Hz的能量E₁和频段1600Hz-12800H的能量E。

若k32%，则所述GIS设备未发生局部放电；

若32%<k<35%，则所述GIS设备发生局部轻度放电；

若35%k<45%，则所述GIS设备发生局部中度放电；

若k45%，则所述GIS设备发生局部严重放电。

本实施例在检测时与GIS设备没有电气联系，结构简易，成本较低，而且本发明采 集到的振动信号进行小波包分解处理后，根据不同频段能量占比进行分析，采用的特征频 段为高频部分（即只利用大于1600Hz以上的部分），能够排除低频振动干扰，检测可靠性高。

本实施例还可以作以下改进：

（1）对步骤2）采集到的振动信号先进行降噪处理后再执行步骤3），从而可以消除噪声 的干扰。

（2）步骤1）中安装振动传感器时，将所述振动传感器吸附在GIS设备的连接法兰处 的固定螺母上。本实施例将振动传感器安装于各连接法兰处的固定螺母上，可以使各传感 器彩信的振动信号具有可比性与统一性，能够尽量减小测量误差，从而提高系统的可靠性。

本实施例中所述振动传感器优选铁磁性传感器。这样不但安装方便而且可以保证 与连接法兰面紧密贴合，防止传感器与连接法兰面之间出现间隙，从而进一步提高可靠性。

为了验证本发明的效果，申请人特进行以下验证试验。

实验GIS设备采用正泰公司生产的252kV高压组合电器ZF-16，并分别设定尖刺放 电与绝缘子闪络两种放电类型进行验证。

实验中先测取正常情况下GIS设备的振动信号，经计算在正常情况下，当电压不同 时，1600Hz以上振动分量情况基本不变，因此此处选取35kV下的振动信号为正常比对信号。

设置局部放电故障分别加压至放电，并根据放电量逐步升高电压，测量不同放电 量下的振动信号，对测量到的信号降噪后进行4层小波包分解，计算1600-4800Hz频率范围 内的能量与1600-12800Hz频率范围内能量的比值，不同缺陷以及电压下的放电情况如表1 所示。

表1

放电类型 施加电压 放电量 1600-4800Hz频段能量和E₁1600-12800Hz频段的能量和E E₁/E 正常状态 35.0kV 0 25.01 81.10 30.83% 尖刺 19.1kV 1153.8pC 25.33 80.84 31.35% 尖刺 20.8kV 1204.5pC 26.14 80.10 32.63% 尖刺 23.5kV 2580.3pC 29.26 82.20 35.60% 尖刺 28.1kV 7531.8pC 48.58 100.42 48.38% 绝缘盆子 24.9kV 1632.8pC 27.48 83.52 32.90% 绝缘盆子 28.3kV 2074.0pC 31.35 86.95 36.06% 绝缘盆子 30.4kV 2671.2pC 34.63 90.54 38.25% 绝缘盆子 33.5kV 3209.7pC 70.80 129.00 54.88%

从表1可以看出，当GIS设备发生局部放电后，1600-4800Hz频段能量显著上升，在1600- 12800Hz频段中的能量占比显著上升，当放电量高于2500pC小于3000pC时，k分别为35.60% 与36.06%、38.25%，高于35%，当放电量为高于3000pC时，k分别为48.38%与54.88%，因此通过 此方法能够判断当前GIS设备的局部放电程度。通过以上实验可以看出，本发明可对GIS设 备局部放电进行准确地判断。

本发明不局限于上述实施例所述的具体技术方案，除上述实施例外，本发明还可 以有其他实施方式。凡采用等同替换形成的技术方案，均为本发明要求的保护范围。