基于時頻檢測的GIS設備異常振動分析

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(1. 國網四川省電力公司電力科學研究院，四川 成都 610041；2. 華北電力大學電氣與電子工程學院，北京 102206)

基于時頻檢測的GIS設備異常振動分析

馬啟瀟1，劉書弟2，何宇航1，周電波1，何良1，姚曉1

(1. 國網四川省電力公司電力科學研究院，四川 成都 610041；2. 華北電力大學電氣與電子工程學院，北京 102206)

對振動信號進行時頻分析可以準確地定位振動源，進而分析GIS設備異常振動的成因并評價設備運行狀況。采用振動寬頻測試系統檢測了某220 kV變電站GIS設備的異常狀況，通過對測得振動信號進行頻譜分析和連續小波分析，研究了振動信號的時頻特性，揭示了振動信號在GIS設備中的傳播衰減過程；同時利用振動信號小波熵分析了振動信號的時間延遲，從而對振動源進行了精確定位。

GIS設備;振動;頻譜分布;時頻分析;定位

0 引 言

近年來，隨著GIS設備的大量應用，GIS設備異常振動的情況出現得越來越頻繁，異常振動的定位和準確評價異常振動對GIS設備運行狀態的影響成為設備運維面臨的新難題。異常振動大部分是由于GIS設備內部的機械故障或放電引起，但是GIS設備外部構架應力分布以及環境因素的變化也會引起GIS振動。因此對GIS設備進行振動檢測有利于及時發現設備的潛在缺陷[1-2]。

由于GIS振動信號在金屬部件中傳播的衰減很小，因此測點的選擇可以具有一定的靈活性。利用GIS設備的振動信號對其機械故障進行診斷，可以很好地解決高壓隔離問題，有助于實現對GIS設備的非侵入式狀態監測，已成為高壓斷路器機械狀態監測的最合適的方法之一。數十年來，各國學者和工程技術人員在GIS設備機械故障的振動診斷方面開展了大量的研究工作，取得了一些成果，但一直未有重大突破，還需要不斷地深入研究。目前中國的堅強智能電網建設對電網安全穩定運行有著迫切的需求，如何利用振動診斷對GIS設備機械狀態進行檢測成為了新的挑戰[3-5]。

下面對220 kV GIS設備的異常振動進行了多點檢測。通過對振動信號進行頻譜和連續小波分析，研究了振動信號的時域和頻域分布特征；利用小波熵求得振動信號時延，對振動源進行準確定位，并最終進行了現場確認。

1 GIS 振動現場測試

在某變電站主變壓器進線GIS管道處，時而出現較明顯的應力釋放聲音。該段封閉管線長近100 m，由于存在大范圍異響，無法準確判斷產生異響的位置。因此采用振動寬頻測量系統在GIS管道的一端布置了3個振動測點，對產生的GIS管體異響進行檢測。

現場GIS管道測點布置如圖1所示，圖中可見3個測點統一布置在GIS管道的水平側面。在GIS管道左側的垂直拐彎處有個伸縮節，測點1距離伸縮節左側0.35 m，測點2距離測點1約1.6 m ，測點3距離測點2約4 m 。測點1到測點2之間，以及測點2到測點3之間均有1處GIS支撐結構。

振動寬頻測試系統的檢測單元采用了PCA的超聲波探頭，超聲信號經放大濾波單元進行了相應處理。整個檢測系統的頻響曲線如圖2所示，圖中可見測試系統在5～100 kHz之間具有較好的頻響特性。系統的采樣率設為1 MS/s,可完整地記錄GIS異響振動信號。

圖1 GIS外殼上振動傳感器的布置

圖2 振動測試系統的頻響曲線

2 測試結果分析

將測點1作為觸發通道，同時捕捉GIS出現異響時3個振動測點出現的振動信號。出現異響時3個測點所測得振動信號見圖3，圖中可見該次GIS管道異響產生2次振動信號。第1次出現的振動信號幅值較小，測點1處的峰值約為2.5 V，持續時間也較短，約為10 ms；第2次出現的振動信號幅值較大，峰值接近5 V，持續時間約為20 ms：由此可見該次GIS管體異響，出現了兩次應力釋放，由于時間間隔較短，通過人耳無法分辨。此外從振動信號的時域波形可見，測點1和測點2處所測振動信號幅值相當，約為5 V；測點3的信號幅值有所減小，約為4 V。從波形起始時間可見3個測點所測信號有一定時延。

對3個測點所測得的振動信號進行頻譜分析，如圖4所示。圖中可見GIS異響產生振動信號的頻譜主要分布在20～50 kHz，低于20 kHz 和高于50 kHz的分量較少。從測點1到測點3, 40～50 kHz 的分量逐漸減小。測點1處頻譜峰值約為0.25 V，測點2的頻譜峰值稍有減小，約為0.2 V；測點3衰減較大，頻譜峰值只有0.1 V左右。

綜合振動信號的時域波形頻譜分布特征，可初步推斷GIS異響的振動源應靠近測點1處。

圖3 3個測點的振動時域信號

圖4 GIS外殼上振動信號的頻譜分布

對振動信號的頻譜分析有助于現場分析振動源的位置。圖5為GIS設備內部放電激發的超聲波振動信號的頻譜分析結果。圖中可見放電激發的超聲波振動信號頻譜分量主要分布在20～80 kHz，50 kHz以上還有很大的頻譜分量[3]。由此可見由于應力釋放產生的異響振動信號與放電激發的振動信號在超聲波段的頻譜分布差異明顯。

圖5 GIS中放電激發超聲波的頻譜分布

圖6 3個測點振動信號的小波時頻分析

利用連續小波變換分析3個測點所測GIS異響振動信號，分析結果如圖6所示，圖中可見3個測點振動信號各頻譜分量隨時間的變化。第1次出現的振動信號的頻譜分量主要分布在20～25 kHz，比第2次出現的振動信號頻譜分布范圍窄。從測點1和測點2的時頻分布圖可見隨著持續時間延長，振動信號的高頻分量逐步衰減。對比3個測點的振動信號時頻分布也可見隨著傳播距離的增大，振動信號在25 kHz以上的分量出現顯著地衰減，而20～25 kHz的分量衰減較小。進一步說明異常振動源靠近測點1處。

3 GIS異常振動源的定位

為了進一步分析GIS異響的原因，需對振動源進行定位。通過3個測點時域信號特征和頻譜分布特征，大致推斷振動源應靠近測點1處。再根據振動信號的時延進行精確定位，通過3個傳感器求得彼此之間的時延，并結合超聲波信號在金屬鋁中的傳播速度，可最終確定振動源的位置。

3個測點GIS異響振動信號的波頭展開圖如圖7所示。以振動信號第1個最大峰值點的時刻為信號到達時刻，圖中可見測點1信號到達時間為12.98 ms，測點2到達時間為13.76 ms,測點3處到達時間為15.27 ms。由此可見測點1到測點2之間時延為0.78 ms，測點2到測點3之間時延為1.51 ms。由于以第1個最大峰值點的時刻為信號到達時刻求取的時延誤差太大，根據前述兩個時延無法確定振動源的位置，需用新的算法重新確定信號時延。

圖7 3個測點振動信號的到達時間

為了提高振動信號時延求取的精度，通過對振動信號的連續小波變換系數在頻域1～50 kHz上進行積分，得到振動信號在時域上的小波熵。3個測點振動信號的時域小波熵如圖8所示。圖中可見3個測點振動信號小波熵的上升沿均很陡峭，尤其是測點3處的振動信號小波熵相較于時域波形上升沿有較大的改善，便于確定信號的到達時間。展開振動信號小波熵的波頭起始部分，如圖9所示。以首先到達小波熵峰值的三分之一處的時刻為振動信號的到達時間。圖9中所示測點1的到達時間是12.85 ms；測點2的到達時間為13.75 ms；測點3的到達時間為15.99 ms。由此求得測點1和測點2之間的時延為0.9 ms，測點2與測點3之間的時延為2.24 ms。根據這兩個時延可確定GIS異響振動源位于測點1的左側；再根據GIS的結構布置推斷，振動源應位于GIS管體左端的伸縮節處。

圖8 3個測點振動信號的時域小波熵分布

圖9 基于小波熵的振動信號時延估計

為了進一步確定定位結論，進行了仔細的現場查勘。從伸縮節下端GIS底座上的滑動連接部位，可清晰地發現存在2 cm左右的劃痕，如圖10所示，這是GIS管體與底座之間發生了相對位移的印證。通過對現場GIS管體的分析發現，由于該段GIS管體過長，夏季晝夜溫差較大，熱脹冷縮使管體上的伸縮節或波紋管發生形變，而該類形變逐漸累積體現在GIS管體的左右兩端。由于GIS管體在左右兩端沒有可調節形變的結構，因此在波紋管應力釋放時，將使GIS管體發生一定程度的位移，產生異響。

圖10 GIS底座上的劃痕

4 結 語

利用振動寬頻測試系統對現場GIS異響振動進行了多點同步檢測。檢測發現GIS異響振動信號持續時間在20 ms左右，主要頻譜分布在20～50 kHz；而放電激發的振動超聲波信號頻譜分布在20～80 kHz。通過連續小波變化，分析了異響振動信號在GIS管體上的傳播衰減特性，隨著距離的增大，振動信號25 kHz以上的分量出現顯著地衰減，而20～25 kHz之間的分量衰減較小。最后根據振動信號小波熵準確地求取了各測點振動信號的時延，以此對振動源進行了準確定位，找到了異響產生的原因；并進行了現場確認。研究表明振動時頻檢測能準確分析振動信號時域和頻域特征，精確定位振動源，有助于評估GIS異響對設備運行狀態的影響。

[1] 程林.特高壓GIS/HGIS設備振動診斷方法研究[J].電力建設，2009，30(7)：17-19.

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[5] M.J.Sablik,G.L.Burkhardt,H.Kwun, et al. A Model for the Effect of Stress on the Low-frequency Harmonic Content of the Magnetic Induction in Ferromagnetic Materials[J]. Journal of Applied Physics,1988,63(8):3930-3932.

The vibration source can be accurately located by the time-frequency analysis that can analyze the causes of abnormal vibration of GIS and evaluate the equipment operating conditions. The wideband vibration testing system is used to detect the abnormal vibration of 220 kV GIS equipment. By means of spectrum analysis and continuous wavelet analysis of the measured vibration signals, the time domain and frequency domain characteristics of the vibration signal are studied. The analysis results show1the propagation attenuation characteristics of the vibration signal on GIS. The time delay of vibration signal is obtained by the wavelet entropy, therefore the vibration source is accurately located.

GIS; vibration; spectrum distribution; time-frequency analysis; location

TM595

B

1003-6954(2017)06-0064-04

馬啟瀟(1986)，碩士、工程師，現從事變電站電氣設備帶電檢測工作。

2017-07-11)