基于振動法進(jìn)行GIL擊穿性放電定位方法的研究

侯平印，　段繼洲，　曾林翠，　白世軍，　張庫娃，　張永強，　王邦建

西安西電開關(guān)電氣有限公司　西安　710077

基于振動法進(jìn)行GIL擊穿性放電定位方法的研究

侯平印，段繼洲，曾林翠，白世軍，張庫娃，張永強，王邦建

西安西電開關(guān)電氣有限公司西安710077

摘要：研究了GIL發(fā)生擊穿性放電時對母線外殼表面產(chǎn)生振動信號的特征,以及使用振動信號進(jìn)行GIL發(fā)生擊穿性放電定位的方法及機(jī)理。對振動傳感器的選型、振動信號的數(shù)據(jù)采集、振動信號的傳輸通信機(jī)制、振動信號處理的關(guān)鍵算法、傳輸與分析的軟硬件設(shè)計和上位機(jī)設(shè)計進(jìn)行了較為詳細(xì)的描述。

關(guān)鍵詞：GIL； 擊穿性放電； 振動； 壓電薄膜傳感器； 電磁干擾

Abstract：This paper has conducted a srudy on the vibration signal characteristics on the bus shell surface as GIL suffers a breakdown discharge, and the method and mechanism to position the breakdown discharge on GIL by vibration signal. It also gives a more detailed description on the lectotype of vibrating sensor, data acquisition of vibration signals, transmission communication mechanism of vibration signal and key algorithms for vibration signal processing, design of hardware and software for transmission and analysis and design of host computer.

Key Words：GIL; Breakdown Discharge; Vibration; Piezoelectric Thin Film Sensor;

Electromagnetic Interference

近年來，隨著高壓、特高壓電網(wǎng)的建設(shè)，GIL(剛性氣體絕緣輸電線路)設(shè)備已全面應(yīng)用于電力系統(tǒng)中。GIL以其輸送容量大、性能穩(wěn)定、可靠性高、空間占用小等優(yōu)點，在電站中的使用量逐漸增加，每條GIL從數(shù)十米到數(shù)百米甚至數(shù)千米。標(biāo)準(zhǔn)要求GIL安裝完成后、投運前要進(jìn)行短時工頻耐受電壓試驗，以檢驗產(chǎn)品的安裝質(zhì)量，保證投運后的可靠運行。對于較長的GIL線路，一旦在安裝過程中因工作疏忽造成短時工頻耐壓試驗發(fā)生擊穿性放電，很難確定放電發(fā)生的準(zhǔn)確位置，給維修或更換帶來很大困難。準(zhǔn)確定位放電發(fā)生的位置，可以有效判斷需檢修或更換的母線節(jié)段，提高檢修效率，節(jié)約人力、物力和財力。

1GIL貫穿性放電的機(jī)理及研究方法

GIL母線發(fā)生擊穿性放電時，會產(chǎn)生沖擊波，其類型包括縱波和橫波?？v波通過氣體傳到母線外殼表面，橫波則會通過固體介質(zhì)傳到外殼并在其表面?zhèn)鞑?，使外殼產(chǎn)生一定程度的振動。因此通過監(jiān)測母線外殼表面的振動信號，即可相應(yīng)地反映出貫穿性放電發(fā)生的位置和強度，可對發(fā)生放電的部位進(jìn)行準(zhǔn)確定位。

要實現(xiàn)對母線貫穿性放電部位的定位，首先需要完成母線貫穿性放電與GIL外殼振動信號特性關(guān)系的研究；其次研究振動信號的傳輸通信機(jī)制；再次研究振動信號處理的關(guān)鍵算法；最后實現(xiàn)振動信號采集、傳輸與處理的軟硬件設(shè)計和上位機(jī)設(shè)計,以實現(xiàn)對母線貫穿性放電的實時監(jiān)測和定位。

2放電定位檢測系統(tǒng)

系統(tǒng)監(jiān)測方法是通過在母線外殼安裝振動傳感器采集振動信號，結(jié)合通信傳輸機(jī)制，并使用上位機(jī)實現(xiàn)對振動信號的處理和分析，最終在監(jiān)控終端進(jìn)行顯示。

由于進(jìn)行GIL耐壓試驗時，操作人員與設(shè)備之間要保持一定的安全距離，所以本系統(tǒng)在信號傳輸上采用Zigbee無線傳輸技術(shù)，充分利用其短距離、低功耗、低速率、低成本、復(fù)雜度低、自組路徑的特點。研究思路及框架如圖1所示。

圖1　研究思路及框架

2.1　系統(tǒng)總體方案

系統(tǒng)為分布式振動信號檢測系統(tǒng)，為保證對其局部放電發(fā)生部分的準(zhǔn)確定位，則每10~20m安裝一個振動傳感器。因此，對于長度為1~2km左右的母線，系統(tǒng)共需要約100個現(xiàn)場傳感器，每個傳感器對應(yīng)一個信號采集與Zigbee發(fā)送裝置，可以實現(xiàn)簡單的信號采集。接收到的信號送入計算機(jī)處理系統(tǒng)，并通過程序?qū)崿F(xiàn)可視化。系統(tǒng)總體方案及Zigbee通信傳輸系統(tǒng)如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)總體方案及Zigbee通訊傳輸系統(tǒng)

2.2　傳感器的選型

考慮到傳感器工作在具有強電磁干擾的環(huán)境中，而測試振動信號的大小及特征值是關(guān)鍵，所以傳感器的選擇主要考慮五方面的因素： ① 量程；② 靈敏度；③ 測量頻率范圍；④ 輸出類型；⑤ 抗電磁干擾能力。通過在母線導(dǎo)體內(nèi)構(gòu)造一個尖端放電的缺陷,并分別對各種傳感器(見表1)進(jìn)行靈敏度及抗干擾能力試驗，試驗設(shè)備選用了一臺220kV的GIS母線，如圖3所示。試驗方法是升壓至導(dǎo)體放電，同時監(jiān)測放電時系統(tǒng)所監(jiān)測到的放電波形。

圖3　220kV的GIS母線及內(nèi)部尖端放電模型

通過試驗比較，有源傳感器由于其與GIS設(shè)備在放電瞬間存在著壓差，極易產(chǎn)生傳感器被擊穿的情況，而無源傳感器能有效解決干擾及擊穿的問題。所以，通過綜合比較，最終選擇了SDT1-028K型自屏蔽無源壓電薄膜傳感器。

2.3　通信方式

由于GIS在耐壓試驗時的安全規(guī)定，不能采用導(dǎo)線連接,操作人員與GIS設(shè)備需保持一定的距離，所以，采用無線的信號傳輸技術(shù)是唯一選擇。另外，近年來無線網(wǎng)絡(luò)得到了迅速的發(fā)展，各種無線傳輸網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)也日漸規(guī)范化了，與通信行業(yè)的CDMA網(wǎng)絡(luò)或GSM網(wǎng)絡(luò)比較來說，Zigbee協(xié)議主要是為工業(yè)現(xiàn)場自動化控制數(shù)據(jù)傳輸而建立，具有高可靠性、低成本、低功耗、高安全性的特點，目前已被廣泛應(yīng)用和推廣，非常適合于需要遠(yuǎn)距離、低速率、低功耗通信的應(yīng)用場合。TI公司已經(jīng)推出了完全兼容Zigbee 2007協(xié)議的芯片CC2530，同時也開發(fā)出了相關(guān)的軟件協(xié)議棧，為本方案中搭建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)提供了豐富的資源和支持。

表1　傳感器的靈敏度及抗干擾能力對照表

Zigbee發(fā)射采用鋰電池的供電方式，采集到的數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳遞到計算機(jī)設(shè)備進(jìn)行計算和處理。

2.4　系統(tǒng)硬件設(shè)計

采用Zigbee模塊自帶的單片機(jī)實現(xiàn)對現(xiàn)場信號的實時采樣，采樣信號會通過一個簡單的信號調(diào)理電路后進(jìn)入單片機(jī)。信號調(diào)理電路包括低通濾波、減法器和放大電路，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　信號調(diào)理電路

原始電壓信號依次經(jīng)過濾波、電平調(diào)整和放大電路后，進(jìn)入單片機(jī)進(jìn)行AD采樣，采樣頻率為每信號周期80~100個點。若采樣值超過某閾值之后，則啟動Zigbee發(fā)送程序之后的采樣值。電源模塊采用 3.7V，容量為 4400mAh 的鋰電池供電。電池電壓需通過電壓轉(zhuǎn)換模塊，如圖5所示，才可以用來給單片機(jī)和傳感器供電。

圖5　電源部分電路

采集到的信號經(jīng)過無線網(wǎng)絡(luò)傳遞到計算機(jī)后臺，并需通過程序分析計算，幫助操作人員判斷母線放電發(fā)生的部位和程度。

2.5　系統(tǒng)軟件設(shè)計

Zigbee采集終端和接收端的程序流程如圖6所示。

振動信號處理和分析采用短時能量法。本系統(tǒng)中并不涉及復(fù)雜的振動信號故障診斷和評估，因此特征提取采用簡單的短時能量法即可滿足需求，通過提取一個振動周期內(nèi)的信號峰值和短時能量累加值對放電部位進(jìn)行定位。

短時能量函數(shù)定義為：

=x2(n)ω(n)

(1)

圖6　Zigbee采集終端和接收端的程序流程圖

式中：ω(n)為滑動窗函數(shù)，n=0，…，M-1；S(n)為信號在時刻n的局部能量；x(i)為采集的振動能量值；M為采樣數(shù)。

3試驗驗證

試驗?zāi)Ｐ瓦x用工頻750kV試驗變壓器和模擬GIS母線的局放測試設(shè)備，試驗設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖7所示，通過缺陷預(yù)設(shè)、傳感器的布置如圖8所示。

圖7　試驗設(shè)備結(jié)構(gòu)圖

圖8　試驗工裝、缺陷預(yù)設(shè)及傳感器布置示意圖

4結(jié)束語

對于GIL(剛性氣體絕緣輸電線路)設(shè)備來說，由于其母線較長，在發(fā)生貫穿性放電以后，對放電位置的準(zhǔn)確定位是非常重要的，其方法也有很多種。筆者給出了一種通過采集低頻振動信號進(jìn)行GIL母線放電定位的方法，通過選擇合適的振動傳感器，并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、濾波及上位機(jī)分析，可對產(chǎn)生放電的部位進(jìn)行準(zhǔn)確定位。對于提高變電站GIL和GIS的檢修效率，以及節(jié)約人力、物力和財力方面有現(xiàn)實的意義。

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文章編號：1674-540X(2015)04-033-06

中圖分類號：TM855

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

作者簡介：第一 侯平印(1962-)，男，大學(xué)本科，研究員級高工，從事高壓開關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)工作

收稿日期：2015年5月