特征機(jī)械波在電力設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)中的應(yīng)用

胡興海，胡立信，劉欽，林文杰，蔡怡然

(1.興義供電局，興義 562400;2.廈門紅相電力設(shè)備股份有限公司，廈門 361001)

0 前言

根據(jù)頻率的不同，機(jī)械波可分為次聲波、聲波、超聲波。頻率小于20 Hz 的機(jī)械波稱為次聲波，頻率在20 Hz～20 kHz 范圍的機(jī)械波稱為聲波，頻率大于20 kHz 的機(jī)械波稱為超聲波。

不同頻段機(jī)械波產(chǎn)生、傳播和接收等特征預(yù)知或分析物體情況［1］;利用聲波的傳輸速度，可以定位爆炸點(diǎn);利用超聲波頻率高、能量大、方向性強(qiáng)特征，可非侵入式地檢查金屬或非金屬材料內(nèi)部缺陷(如氣孔、裂紋等)大小、位置。因此，同樣可利用機(jī)械波在電力設(shè)備中的傳播特性，利用這些特征可實(shí)現(xiàn)從體外檢測(cè)及診斷電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，預(yù)知故障隱患，提高工作效率，并保證電網(wǎng)的安全運(yùn)行。

1 信號(hào)處理及驗(yàn)證

電力設(shè)備運(yùn)行及所處的環(huán)境，均存在不同程度的噪聲、電磁波等干擾，同時(shí)電力設(shè)備運(yùn)行過(guò)程產(chǎn)生的機(jī)械波具有非線性、非平穩(wěn)的特點(diǎn)。若要快速、高效的分析判斷電力設(shè)備運(yùn)行狀況，需消除機(jī)械波中冗余無(wú)用的信號(hào)，凸顯信號(hào)中易于識(shí)別的特征量(包括幅值、頻率、波形等)。

機(jī)械波信號(hào)處理主要有希爾伯特－黃、傅里葉變換、Winger－Ville 分布、小波變換等時(shí)頻域分析方法，其中常用的是小波變換分析方法。小波變換主要優(yōu)勢(shì)是能夠通過(guò)小波基分別對(duì)時(shí)域和頻域進(jìn)行分析，突出不同時(shí)域段和不同頻域段中機(jī)械波的細(xì)節(jié)特征，克服傳統(tǒng)傅里葉變換只能預(yù)知周期性信號(hào)特征的缺點(diǎn)［2］。常用的小波變換基本公式如下:

假設(shè)一個(gè)平方可積的函數(shù)為θ (t)，通過(guò)傅立葉變換，可獲得可容許條件θ (ω):

式(1)中稱θ (t)為基本小波函數(shù)。將基本小波函數(shù)θ (t)進(jìn)行伸縮或平移即可得到連續(xù)小波基函數(shù):

其中，α 為伸縮因子，β 為平移因子。并且可得任意函數(shù)的連續(xù)小波變換為:

在連續(xù)小波變換當(dāng)中，其中的變換因子即尺度及平移因子是連續(xù)變量，但是，在實(shí)際應(yīng)用中，通常將φα，β(t)中的連續(xù)變量α 和β 取做整數(shù)離散形式，將φα，β(t)表示為:

從上可得到離散小波函數(shù)為:

觀察以上離散小波函數(shù)φj，k(t)，可知離散小波函數(shù)是由小波函數(shù)2j整數(shù)倍放大、縮小再經(jīng)過(guò)k 平移得到 {φj.k(t)}，j，k ∈Z。

為了驗(yàn)證小波變換在機(jī)械波特征信號(hào)提取及分析的有效性，采用Matlab 模擬隨機(jī)產(chǎn)生的機(jī)械波［3］，并通過(guò)小波變化，分解機(jī)械波，獲得特征曲線，如圖1～圖4。圖1 模擬的原始機(jī)械波基本無(wú)特征可言，無(wú)法從此原始機(jī)械波分析判斷故障。通過(guò)小波變換，從圖2－圖4 中可以看出模擬機(jī)械波各個(gè)頻段的時(shí)域特征，局部化的特征為電力設(shè)備故障類型分辨及故障診斷帶來(lái)了豐富的、有價(jià)值的有效信息。因此，小波變換是一種適合分析電力設(shè)備機(jī)械波特征的分析方法。

圖1 原始機(jī)械波

圖2 一次變換

圖3 二次變換

圖4 三次變換

2 應(yīng)用及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)例

2.1 絕緣子機(jī)械波檢測(cè)分析

為了獲得絕緣子的機(jī)械波特征，通過(guò)向絕緣子底部發(fā)射特殊波段的激勵(lì)機(jī)械波，再利用接收器獲得絕緣子內(nèi)部結(jié)構(gòu)反饋的機(jī)械波，利用分析軟件提取反饋機(jī)械波的頻譜特征，分析特征頻譜是否與正常的絕緣子頻譜一樣，即可實(shí)現(xiàn)絕緣子內(nèi)外是否有裂紋，裂紋的大小程度、裂紋的位置，機(jī)械強(qiáng)度是否降低或老化等故障隱患。［4～6］

根據(jù)大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，絕緣子反饋機(jī)械波的判斷準(zhǔn)則為:反饋機(jī)械波頻譜波峰在2.5 kHz～6 kHz 之間，可判斷絕緣子處于正常運(yùn)行狀態(tài);若反饋機(jī)械波頻譜波峰出現(xiàn)在2 kHz 以下，說(shuō)明被測(cè)絕緣子底部法蘭附近存在故障隱患，如裂紋或氣隙缺陷;若反饋機(jī)械波頻譜波峰出現(xiàn)在8 kHz～10 kHz，說(shuō)明被測(cè)絕緣子上部法蘭附近存在故障隱患，如裂紋或氣隙缺陷。

如圖5，反饋機(jī)械波的頻譜波幅集中在3 kHz～4.5 kHz 范圍，且其余頻段未發(fā)現(xiàn)明顯的波幅，因此可判斷此絕緣子處于正常運(yùn)行狀態(tài)。如圖6為110 kV 戶外支柱絕緣子的反饋機(jī)械波頻譜，反饋機(jī)械波頻譜中除了在3 kHz～6 kHz 范圍有波幅外，在1.7 kHz 還存在一個(gè)明顯的波幅，說(shuō)明此絕緣子存在損傷，且損傷位置位于絕緣子下法蘭附近，建議及時(shí)安排檢修。

圖5 正常絕緣子反饋機(jī)械波

圖6 異常絕緣子反饋機(jī)械波

2.2 分接開關(guān)機(jī)械波檢測(cè)

通過(guò)檢測(cè)分接開關(guān)的機(jī)械波，提取有效的機(jī)械特征量，在時(shí)域和頻域范圍內(nèi)診斷分接開關(guān)處于正常階段、異常階段、故障階段，預(yù)知分接開關(guān)的故障隱患及故障類型，減少分接開關(guān)造成的事故發(fā)生率，對(duì)有載調(diào)壓變壓器的安全運(yùn)行尤其重要。［7－8］

在分接開關(guān)切換過(guò)程有驅(qū)動(dòng)電機(jī)啟動(dòng)階段、儲(chǔ)能彈簧加載階段、選擇開關(guān)動(dòng)作階段、切換開關(guān)動(dòng)作階段及制動(dòng)器動(dòng)作階段，其中除了切換開關(guān)動(dòng)作階段，其余階段分接開關(guān)產(chǎn)生的機(jī)械波幅值均較小，基本只有變壓器本體、驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其聯(lián)接傳動(dòng)桿部件的少量振動(dòng)，機(jī)械波均較為平緩，帶有少量的振動(dòng)波幅，因此在時(shí)域上分析分接開關(guān)切換過(guò)程的機(jī)械波，可判斷分接開關(guān)是否處于正常狀態(tài)。經(jīng)過(guò)小波變換獲得的分接開關(guān)時(shí)域機(jī)械波中可以看出在分接開關(guān)(OLTC)切換動(dòng)作時(shí)刻外，其余階段存在有規(guī)律的機(jī)械波。有規(guī)律的機(jī)械波各個(gè)波峰大小基本一樣，且兩個(gè)波峰的時(shí)間間隔也基本一致。根據(jù)此機(jī)械波特征，結(jié)合歷史檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)，可判斷為是驅(qū)動(dòng)電機(jī)傳動(dòng)部件的齒輪控制機(jī)構(gòu)的軸和箱的潤(rùn)滑劑不足，導(dǎo)致齒輪之間的摩擦增大，出現(xiàn)規(guī)律性的機(jī)械波。針對(duì)此現(xiàn)象，建議下次停電檢修時(shí)重點(diǎn)關(guān)注。

分接開關(guān)正常切換過(guò)程產(chǎn)生的機(jī)械波在頻域上的特征是主要的功率頻譜幅值集中在8 kHz 以下，8 kHz 以上的功率頻譜幅值較少，通過(guò)功率頻譜的幅值位置變化，即可判斷分接開關(guān)是否處于正常狀態(tài)。正常功率頻譜幅值主要集中在低頻段，高頻段幾乎無(wú)明顯的功率頻譜幅值;當(dāng)分接開關(guān)儲(chǔ)能彈簧出現(xiàn)弱化后，獲得的機(jī)械波功率頻譜特征為高頻段的功率頻譜幅值所占比例明顯增大，功率頻譜轉(zhuǎn)移明顯，與正常功率頻譜分布明顯差異，因此可判斷分接開關(guān)已經(jīng)存在儲(chǔ)能彈簧弱化現(xiàn)象。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，不同電力設(shè)備產(chǎn)生的機(jī)械波是不一樣的，且其機(jī)械波特征表現(xiàn)形式也是不同，即可在時(shí)域展現(xiàn)，也可在頻域展現(xiàn)。因此，若要發(fā)現(xiàn)不同電力設(shè)備的機(jī)械波特征，還需深入研究電力設(shè)備機(jī)械波產(chǎn)生、傳輸、處理等方面內(nèi)容，積累更多的故障機(jī)械波特征，實(shí)現(xiàn)電力設(shè)備故障的高效率檢測(cè)。

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