一种基于振动信号的GIS局部放电类型识别系统及方法与流程

本发明涉及一种电气设备故障诊断技术，特别是涉及一种基于振动信号的GIS局部放电类型识别系统及方法，属于GIS设备状态监测及故障诊断领域。

背景技术：

GIS设备，即气体绝缘金属封闭开关设备(Gas Insulated Switchgear)，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设备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设备使用量迅速增加和早期投运的GIS设备运行年限的增长，GIS设备的故障率有增加的趋势，并远远高出了IEC所建议的GIS设备事故率不超过0.1间隔/百台·年的要求。

GIS设备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设备故障的诱因。GIS设备从设计、制造、安装到运行需要经过严格的流程控制以确保GIS设备的运行质量，但诸多工序中的任一环节都可能成为GIS设备故障的潜在隐患，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设备拥有较高的运行可靠性，但长期运行的GIS设备，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设备故障类型繁多，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；因此寻找好的放电类型识别方法对于提高供电可靠性有重大意义。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于，克服现有技术中的不足，提供一种简单易行、方便可靠的基于振动信号的GIS局部放电类型识别系统及方法，具有产业上的利用价值。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种基于振动信号的GIS局部放电类型识别系统，包括依次相连的振动传感器、数据采集仪和PC机，所述振动传感器固定安装在GIS设备的壳体外壳面上。

其中，所述振动传感器，用于实时采集GIS设备的振动信号，并将振动信号传输给数据采集仪；所述数据采集仪，用于接收振动信号，并依次经降噪、滤波和A/D变换处理后将振动信号传输给PC机；所述PC机，用于接收数据采集仪输出的振动信号，并进行放电类型的判断及输出判断结果。

本发明进一步设置为：所述振动传感器为铁磁性传感器，通过吸附在GIS设备的气室法兰处的固定螺母上进行固定安装。

本发明进一步设置为：所述振动传感器为5个，包括均垂直于GIS设备的气室法兰处的法兰面进行固定安装的4个振动传感器和沿GIS设备的气室径向固定安装的1个振动传感器。

本发明还提供一种基于振动信号的GIS局部放电类型识别方法，包括以下步骤：

1)在GIS设备的壳体外壳面上固定安装振动传感器，将振动传感器的输出端连接于数据采集仪，将数据采集仪的输出端连接至PC机；

2)启动GIS设备处于运行状态，通过振动传感器实时采集GIS设备的振动信号，设定振动信号采样频率为25600Hz，采样时间为2.5s；

3)通过数据采集仪对振动传感器采集到的振动信号进行小波降噪处理；

4)通过数据采集仪对小波降噪处理后的振动信号进行滤波和A/D变换处理，只保留1500Hz-6400Hz频段的振动信号输出给PC机；

5)PC机对1500Hz-6400Hz频段的振动信号进行小波时频变换，根据小波时频变换后的时间序列，计算每个时间点1750Hz-2000Hz频段能量占1500Hz-2000Hz频段能量的占比m；

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

其中，E_{1750Hz-2000Hz}为1750Hz-2000Hz频段能量，其为1750Hz-2000Hz频段各个频率点振幅的平方和，计算公式为式中，A为振幅，f为频率；

其中，E_{1500Hz-2000Hz}为1500Hz-2000Hz频段能量，其为1500Hz-2000Hz频段各个频率点振幅的平方和，计算公式为式中，A为振幅，f为频率；

6)设振动信号总采样点数为N，N个总采样点数中每个采样点都对应一个占比m值；分别取n₁＝N_(m＞0.5)/N，n₂＝N_(m＞0.8)/N；

其中，n₁为总采样点数N中能量占比m大于0.5的采样点数与总采样点数的比值，N_(m＞0.5)为N个总采样点数中m＞0.5的振动信号总个数，n₂为总采样点数N中能量占比m大于0.8的采样点数与总采样点数的比值，N_(m＞0.8)为N个总采样点数中m＞0.8的振动信号总个数；

7)建立两个动态阈值λ₁和λ₂，λ₁＝20E_{1500Hz-6400Hz}，λ₂＝2λ₁-1.31；

其中，λ₁、λ₂为判断尖刺放电与盆子沿面放电的动态阈值；E_{1500Hz-6400Hz}为局部放电振动信号1500Hz-6400Hz频段总能量，其为1500Hz-6400Hz频段各个频率点振幅的平方和，计算公式为式中，A为振幅，f为频率；

将步骤6)计算得到的n₁、n₂与动态阈值相比较来进行放电类型的判断，放电类型包括尖刺放电和盆子沿面放电；

当n₁＞λ₁且n₂＞λ₂时，判断放电类型为盆子沿面放电；

当n₁＜λ₁且n₂＜λ₂时，判断放电类型为尖刺放电；

否则，判断放电类型不明。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：

1、本发明提供的基于振动信号的GIS局部放电类型识别系统，其振动信号的采集与GIS设备没有电气联系，结构简单，易于操作，经济而实用。

2、本发明提供的基于振动信号的GIS局部放电类型识别方法，特征频段采用高频部分，能够排除低频振动干扰，检测可靠性高。

上述内容仅是本发明技术方案的概述，为了更清楚的了解本发明的技术手段，下面结合附图对本发明作进一步的描述。

附图说明

图1为本发明一种基于振动信号的GIS局部放电类型识别系统的结构框图；

图2为本发明一种基于振动信号的GIS局部放电类型识别系统中振动传感器的分布示意图；

图3为本发明一种基于振动信号的GIS局部放电类型识别方法的流程图；

图4为本发明放电类型识别方法所测取的振动信号图；

图5为本发明放电类型识别方法所变换的尖刺放电小波时频谱图；

图6为本发明放电类型识别方法所变换的盆子沿面放电小波时频谱图；

图7为本发明放电类型识别方法所建立的局部放电类型的识别图。

具体实施方式

下面结合说明书附图，对本发明作进一步的说明。

本发明提供一种基于振动信号的GIS局部放电类型识别系统，如图1所示，包括依次相连的振动传感器、数据采集仪和PC机。所述振动传感器，用于实时采集GIS设备的振动信号，并将振动信号传输给数据采集仪；所述数据采集仪，用于接收振动信号，并依次经降噪、滤波和A/D变换处理后将振动信号传输给PC机；所述PC机，用于接收数据采集仪输出的振动信号，并进行放电类型的判断及输出判断结果。

所述振动传感器为铁磁性传感器，通过吸附在GIS设备10的气室法兰处的固定螺母上进行固定安装，如图2所示。图2中的振动传感器为5个，包括均垂直于GIS设备的气室法兰处的法兰面进行固定安装的4个振动传感器和沿GIS设备的气室径向固定安装的1个振动传感器，其中4个振动传感器分别为图2中所示的1#、2#、3#和5#，1个振动传感器为4#。

本发明还提供一种基于振动信号的GIS局部放电类型识别方法，如图3所示，包括以下步骤：

1)在GIS设备的壳体外壳面上固定安装振动传感器，将振动传感器的输出端连接于数据采集仪，将数据采集仪的输出端连接至PC机；

2)启动GIS设备处于运行状态，通过振动传感器实时采集GIS设备的振动信号，设定振动信号采样频率为25600Hz，采样时间为2.5s；

3)通过数据采集仪对振动传感器采集到的振动信号进行小波降噪处理；

4)通过数据采集仪对小波降噪处理后的振动信号进行滤波和A/D变换处理，只保留1500Hz-6400Hz频段的振动信号输出给PC机；

5)PC机对1500Hz-6400Hz频段的振动信号进行小波时频变换，根据小波时频变换后的时间序列，计算每个时间点1750Hz-2000Hz频段能量占1500Hz-2000Hz频段能量的占比m；

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

其中，E_{1750Hz-2000Hz}为1750Hz-2000Hz频段能量，其为1750Hz-2000Hz频段各个频率点振幅的平方和，计算公式为式中，A为振幅，f为频率；

其中，E_{1500Hz-2000Hz}为1500Hz-2000Hz频段能量，其为1500Hz-2000Hz频段各个频率点振幅的平方和，计算公式为式中，A为振幅，f为频率；

6)设振动信号总采样点数为N，N个总采样点数中每个采样点都对应一个占比m值；分别取n₁＝N_(m＞0.5)/N，n₂＝N_(m＞0.8)/N；

其中，n₁为总采样点数N中能量占比m大于0.5的采样点数与总采样点数的比值，N_(m＞0.5)为N个总采样点数中m＞0.5的振动信号总个数，n₂为总采样点数N中能量占比m大于0.8的采样点数与总采样点数的比值，N_(m＞0.8)为N个总采样点数中m＞0.8的振动信号总个数；

7)建立两个动态阈值λ₁和λ₂，λ₁＝20E_{1500Hz-6400Hz}，λ₂＝2λ₁-1.31；

其中，λ₁、λ₂为判断尖刺放电与盆子沿面放电的动态阈值；E_{1500Hz-6400Hz}为局部放电振动信号1500Hz-6400Hz频段总能量，其为1500Hz-6400Hz频段各个频率点振幅的平方和，计算公式为式中，A为振幅，f为频率；

将步骤6)计算得到的n₁、n₂与动态阈值相比较来进行放电类型的判断，放电类型包括尖刺放电和盆子沿面放电；

当n₁＞λ₁且n₂＞λ₂时，判断放电类型为盆子沿面放电；

当n₁＜λ₁且n₂＜λ₂时，判断放电类型为尖刺放电；

否则，判断放电类型不明。

本发明的放电类型识别方法是通过小波时频法对振动信号进行变换，计算各时间点下频段1750Hz-2000Hz频段能量占1500Hz-2000Hz频段能量的比值，根据动态阈值判断GIS发生局部放电类型。

可采用型号为252kV ZF-16的GIS设备，分别对尖刺放电(针尖放电)与金属颗粒盆子沿面放电这两种放电类型进行识别。

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。

如图4所示为测量得到的振动信号，将振动信号进行小波时频变换，得到如图5和图6所示的小波时频谱图；通过计算取n₁与n₂，并以n₁为横坐标、n₂为纵坐标作图，通过动态阈值的设定以及比较，得到如图7所示的可准确判断局部放电类型的识别图。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。