一种大负荷开关柜温升振动模拟试验评价方法与流程

本发明涉及大负荷开关柜技术领域，具体涉及一种大负荷开关柜温升振动模拟试验评价方法。

背景技术：

在电力系统中，开关柜的出厂试验已有相关的规定，但通常仅开展耐压、局放、机械操作等试验。然而现场运行中开关柜(尤其是大负荷的开关柜)发热振动问题突出，尤其是母线桥异常噪声频发，导致开关柜烧损故障时有发生。为此，电网对开关柜的电气性能抽检要求提高，今年来已逐步推进开关柜温升的抽检试验。然而，温升试验仅仅考核了开关柜的电气回路及散热特性，对于振动特性并未得到考验，考虑柜体振动由三相电流的电动力引发，导体因为施加大的三相交流电载荷导致其周围会产生强大的磁场和电场，导体在电磁力的作用下产生的振动，会引起一些安全隐患，例如损坏绝缘套管，引起母排以及其固定装置变得不牢固，严重时会使其变形或断裂。因此有必要在温升抽检试验的同时，增加开关柜振动的试验项目，以全面衡量开关柜的电气和柜体机械性能。

针对上述问题，众多学者主要开展了温升的研究。典型的评估方法有现场试验法、仿真法等。现场试验法为最直接的评估方法，目前工程上通过开展1.1倍额定电流的三相短路温升试验来考核开关柜柜体以及整个导电回路的温升情况，可以有效发现开关柜的回路及散热问题，但无开关柜振动测试项目，无法提前发现开关柜的结构和安装问题。在改善大电流母线桥工作噪音的研究中，徐莎，金先龙，庞峰等学者建立母线桥三维有限元模型，对工况下的母线桥进行三维涡流场计算，得到磁感应强度和电磁力等在母线桥中的分布规律，并给出改善措施，但未考虑开关柜本身的振动问题。

因此,有必要开发一种大负荷开关柜温升振动模拟试验评价方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供了一种大负荷开关柜温升振动模拟试验评价方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种大负荷开关柜温升振动模拟试验评价方法，所述评价方法包括：

步骤一，建立大负荷开关柜温升振动模拟试验系统；

步骤二，根据大负荷开关柜的结构进行温度测点和振动测点的布置；

步骤三，对温升数据进行采集，对振动测试信号进行滤波并频率分析处理；

步骤四，评估被试开关柜的电气和柜体机械性能。

进一步的，在所述步骤一中，所述大负荷开关柜温升振动模拟试验系统包括大电流发生装置、连接母排、被试开关柜、温度巡检装置、振动测试装置。

进一步的，所述振动测试装置包括探头、采集卡、labview处理模块和可视化图窗，所述探头布置于被试开关柜上，用于提取振动测试信号，所述探头通过传输电缆与采集卡连接，采集卡通过网线与labview处理模块连接，在labview处理模块上以指定的采样频率进行采样后，在可视化图窗中进行图像输出。

进一步的，所述探头采用加速度传感器。

进一步的，在所述步骤二中，所述温度测点参照《3.6kv～40.5kv交流金属封闭开关设备和控制设备》和《高压开关设备和控制设备标准的共用技术要求》进行布置。

进一步的，在所述步骤二中，所述振动测点的布置，对于仅有大负荷开关柜的情况，在大负荷开关柜柜体的后上和后下部位分别布置一个测点，在大负荷开关柜前柜门上部布置一个测点。

进一步的，在所述步骤二中，所述振动测点的布置，对于大负荷开关柜含有母线桥的情况，在大负荷开关柜柜体的后上和后下部位分别布置一个测点，在大负荷开关柜前柜门上部布置一个测点，在母线桥的桥墩上下板以及桥架前后板进行测点布置。

进一步的，在所述步骤三中，通过采集卡和labview处理模块对振动测试信号进行滤波和频率分析；

求被试开关柜各振动测点的磁感应强度及其分量后，电磁力有导体电流密度和磁通密度矢量的乘积来表示，如下式所示：

式中：f为电磁力，单位n；v为导体体积，单位m³；j为导体电流密度，单位a/m²；b为磁感应强度，单位t；

对振动测试信号进行fft频谱分析，并设计陷波器对干扰信号进行滤除，根据二阶iir滤波器其系统传递函数进行陷波器的参数设置，所述二阶iir滤波器其系统传递函数为：

式中，ω0＝2πf0/fs为陷波数字频率，单位为rad；f0为陷波频率，单位为hz；fs为取样频率单位为hz；r为常数；根据此公式进行陷波器的参数设置。

进一步的，所述labview处理模块包括定时设置模块、记录设置模块、触发设置模块和数据显示模块，定时设置模块用于设置采样率、采样时钟源和采样模式，所述记录设置模块用于设置记录模式、文件存储路径和实际采样频率，所述触发设置模块用于控制信号采集的起始，所述数据显示模块用于进行陷波器设置、波形显示、告警信息和停止功能。

进一步的，在所述步骤四中，评估柜体的机械性能，要求被试开关柜在温升试验结束后分别在1.1i、1.0i、0.8i、0.6i、0.5i的三相工频电流下测试振动加速度值a，要求a的值不超过2.0g，且在这四个电流下振动测试信号的主要频率成分无明显变化。

本发明的有益效果：由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

基于现有的温升试验平台进行改进，在节省试验成本的同时增加了对设备关键性能的考核指标；

增加了基于labview平台的振动测试数据采集和处理模块，加强了开关柜出厂试验对质量的把控；

根据计算结果，对大负荷开关柜的出厂试验和现场运维提供了技术指导，为大负荷开关柜的振动治理提供依据。

附图说明

图1为本发明实施例中一种大负荷开关柜温升振动模拟试验评价方法的步骤流程图；

图2为本发明实施例中振动测试装置的结构框图；

图3为本发明实施例中labview处理模块的结构框图；

图4为本发明实施例中振动测试信号波形；

图5为本发明实施例中振动测试信号滤波后频率分布；

图6为本发明实施例中振动测点在不同电流下振动测试结果。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。

参照图1-6所示，本发明的优选实施例，一种大负荷开关柜温升振动模拟试验评价方法，所述评价方法包括：

步骤一，建立大负荷开关柜温升振动模拟试验系统；

步骤二，根据大负荷开关柜的结构进行温度测点和振动测点的布置；

步骤三，对温升数据进行采集，对振动测试信号进行滤波并频率分析处理；

步骤四，评估被试开关柜的电气和柜体机械性能。

本发明的评价方法基于现有的温升试验平台进行改进，在节省试验成本的同时增加了对设备关键性能的考核指标；增加了基于labview平台的振动测试数据采集和处理模块，加强了开关柜出厂试验对质量的把控；根据计算结果，对大负荷开关柜的出厂试验和现场运维提供了技术指导，为大负荷开关柜的振动治理提供依据。

在本实施例中，在所述步骤一中，所述大负荷开关柜温升振动模拟试验系统包括大电流发生装置、连接母排、被试开关柜、温度巡检装置、振动测试装置。

在本实施例中，所述振动测试装置包括探头、采集卡、labview处理模块和可视化图窗，所述探头布置于被试开关柜上，用于提取振动测试信号，所述探头通过传输电缆与采集卡连接，采集卡通过网线与labview处理模块连接，在labview处理模块上以指定的采样频率进行采样后，在可视化图窗中进行图像输出。

在本实施例中，所述探头采用加速度传感器。采用加速度传感器进行信号提取，加速度传感器常见的多为磁吸式传感器，在靠近柜体时，会受到明显工频磁场的干扰，因此需排除试验电流对传感器的工频干扰，必要时可采用声级计进行辅助测试。

在本实施例中，在所述步骤二中，所述温度测点参照《3.6kv～40.5kv交流金属封闭开关设备和控制设备》和《高压开关设备和控制设备标准的共用技术要求》进行布置。

在本实施例中，在所述步骤二中，所述振动测点的布置，对于仅有大负荷开关柜的情况，在大负荷开关柜柜体的后上和后下部位分别布置一个测点，在大负荷开关柜前柜门上部布置一个测点。对于仅有大负荷开关柜的情况，要求两个测点分布于柜体的后上和后下部位，因为此部位距导电回路较近，对于侧面，由于开关柜实际运行时左右都有相邻柜子布置，因此不予布点，同时在前柜门上部布置一个测点作为参考，前柜门受振动影响最小。

在本实施例中，在所述步骤二中，所述振动测点的布置，对于大负荷开关柜含有母线桥的情况，在大负荷开关柜柜体的后上和后下部位分别布置一个测点，在大负荷开关柜前柜门上部布置一个测点，在母线桥的桥墩上下板以及桥架前后板进行测点布置。对于含母线桥的情况，由于实际运行及试验中表明振动情况更为明显，受材质、力矩、支撑间距影响更大，因此增加了母线桥的桥墩上下板以及桥架前后板，根据目前桥的长度，每个独立的钢板需布置一个测点，的测点布置，这在实际测试中是很有必要的。

在本实施例中，在所述步骤三中，通过采集卡和labview处理模块对振动测试信号进行滤波和频率分析；

大负荷开关柜振动主要是由电磁力引起的，主要振动部位为母排。母排的振动及稳定性等问题也均与所受电磁力息息相关。考虑母排材料非线性特性采用有限元法对其电磁力进行计算。求被试开关柜各振动测点的磁感应强度及其分量后，电磁力有导体电流密度和磁通密度矢量的乘积来表示，如下式所示：

式中：f为电磁力，单位n；v为导体体积，单位m³；j为导体电流密度，单位a/m²；b为磁感应强度，单位t；

考虑到j以及b皆为工频50hz信号，因此电动力信号频率应为100hz或100hz的倍频，为此，对振动测试信号进行fft频谱分析，并设计陷波器对干扰信号进行滤除，根据二阶iir滤波器其系统传递函数进行陷波器的参数设置，所述二阶iir滤波器其系统传递函数为：

式中，ω0＝2πf0/fs为陷波数字频率，单位为rad；f0为陷波频率，单位为hz；fs为取样频率单位为hz；r为常数；根据此公式进行陷波器的参数设置。

在本实施例中，所述labview处理模块包括定时设置模块、记录设置模块、触发设置模块和数据显示模块，定时设置模块用于设置采样率、采样时钟源和采样模式，所述记录设置模块用于设置记录模式、文件存储路径和实际采样频率，所述触发设置模块用于控制信号采集的起始，所述数据显示模块用于进行陷波器设置、波形显示、告警信息和停止功能。

在本实施例中，在所述步骤四中，评估柜体的机械性能，要求被试开关柜在温升试验结束后分别在1.1i、1.0i、0.8i、0.6i、0.5i的三相工频电流下测试振动加速度值a，要求a的值不超过2.0g，且在这四个电流下振动测试信号的主要频率成分无明显变化。

为便于对本发明的理解，以下提供一个较为具体的开关柜温升振动模拟试验及评价实施例：

本测试为验证某变电站新建工程10kv开关柜主回路电气性能及柜体机械强度性能。

参考《3.6kv～40.5kv交流金属封闭开关设备和控制设备》(dl/t404-2018)、《高压开关设备和控制设备标准的共用技术要求》(dl/t593-2016)，对该3150a的大负荷开关柜进行温升试验布置，建立大负荷开关柜温升振动模拟试验系统。其中电流源采用大电流发生装置；连接母排采用125x10mm三排，首端长2米尾端长0.5米；搭设部分长度的母线桥；温升记录采用热电偶探头和温升巡检仪；对于温度传感器的布点位置按照表1所示进行，采用温度巡检仪进行记录。对该大负荷开关柜进行振动试验布置：振动测试采用振动传感器、采集卡、labview处理模块组合的振动测试模块；开关柜本体的前后部进行测点布置，母线桥对其桥墩后部、桥墩上部、桥墩上部靠前和靠后位置共四个测点进行布置。

对温升数据进行采集，以一小时内温升值变动范围在1k内作为温升试验稳定的标志；温升试验结束后，在1.1i、1.0i、0.8i、0.6i、0.5i的三相工频电流下测试开关柜的振动值，每个测点每次至少测试三次；采样频率为100000，信号采集时间为1s，对振动测试信号进行滤波并频率分析处理，设置陷波器对50hz以及150hz信号进行滤波处理，获得排除工频干扰后的信号波形及频率，图4为振动测试信号波形；图5为振动测试信号滤波后频率分布；本次测试结果如表1和表2所示。

表1温升试验测点及值

表2振动测点测量结果

本实施案例中各个测点的温升值如表1所示，且未超过规定的限值，因此温升试验是合格的。在对信号进行处理后，得到振动最为剧烈的测点的振动值如图6所示，可见在其最大幅值为1.2566g，低于2.0g，表明该开关柜的柜体机械性能满足要求。

在不出现冲突的前提下，本领域技术人员可以将上述附加技术特征自由组合以及叠加使用。

可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换，例如通过典型部件松动导致的振动测试信号频率分析，可以用来进行现场开关柜振动故障原因判别。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。