互感器振動對GIS超聲波局部放電檢測的影響

凌衛(wèi)家， 張 浩， 管敏淵

(1. 國網(wǎng)浙江省電力公司， 浙江 杭州 310007； 2. 國網(wǎng)浙江省電力公司湖州供電公司， 浙江 湖州 313000)

互感器振動對GIS超聲波局部放電檢測的影響

凌衛(wèi)家1， 張 浩2， 管敏淵2

(1. 國網(wǎng)浙江省電力公司， 浙江 杭州 310007； 2. 國網(wǎng)浙江省電力公司湖州供電公司， 浙江 湖州 313000)

超聲波局部放電檢測是氣體絕緣組合電器(GIS)的重要帶電檢測方法，但是該方法易受到電氣設(shè)備機(jī)械振動的影響。本文分析了互感器的鐵心和繞組等部件的固有振動原理，指出了其主要振動分量為100Hz頻率分量，將造成超聲檢測信號中出現(xiàn)100Hz頻率成分，可能被誤判為懸浮電位放電。運用希爾伯特-黃變換分析了機(jī)械振動引起的GIS超聲實測信號，獲取了該信號的時頻特征；結(jié)合現(xiàn)場檢測經(jīng)驗，指出了機(jī)械振動引起超聲局部放電檢測異常的綜合診斷方法。根據(jù)以上分析，提出了使用GIS超聲波局部放電檢測提高工程安裝質(zhì)量、重視與初始檢測結(jié)果比較、綜合診斷GIS設(shè)備的機(jī)械振動等相應(yīng)對策。

氣體絕緣組合電器； 帶電檢測； 局部放電； 超聲波檢測； 互感器振動

1 引言

氣體絕緣全封閉組合電器(Gas Insulated Switchgear，GIS)具有占地面積小、不受外界環(huán)境干擾、運行可靠性高、檢修周期長、維護(hù)工作量少、安裝迅速等優(yōu)點，已得到了廣泛采用。由于GIS內(nèi)部空間小，包含設(shè)備多，它一旦發(fā)生故障，將嚴(yán)重危及電網(wǎng)的安全穩(wěn)定。其全封閉結(jié)構(gòu)使技術(shù)人員無法直接檢測GIS的內(nèi)部情況，開倉檢查難度較大，所以GIS的帶電檢測對及時發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部缺陷、避免事故發(fā)生有著重要意義[1-10]。GIS的超聲波局部放電檢測具有抗電磁干擾、定位缺陷方便等優(yōu)點而受到重視[6]。GIS內(nèi)部發(fā)生局部放電時，將產(chǎn)生沖擊性振動，形成超聲波信號。超聲檢測法是在GIS的金屬外殼上放置超聲波傳感器來檢測局部放電引起的超聲波信號。超聲檢測不受電磁信號的干擾，但是會受到機(jī)械振動信號的干擾。電氣設(shè)備在正常運行中，由于受到電磁力的作用，機(jī)械振動如運行中變壓器的振動等，是無法完全消除的[11-13]。現(xiàn)場檢測和文獻(xiàn)報道中已經(jīng)出現(xiàn)多起由于互感器機(jī)械振動造成GIS超聲波局部放電檢測信號異常的案例[9,14,15]，但是目前對GIS中互感器的振動原理及其頻率特性缺乏深入研究，現(xiàn)場檢測時的綜合診斷方法和應(yīng)對措施均存在較大不足。

本文從理論上推導(dǎo)了互感器的機(jī)械振動原理，運用希爾伯特-黃變換(Hilbert-Huang Transformation, HHT)分析了機(jī)械振動形成的超聲信號的時頻特征，將信號的這些特征和現(xiàn)場檢測經(jīng)驗結(jié)合起來，提出了多項有效對策。本文結(jié)果對提高GIS超聲局部放電檢測的準(zhǔn)確性、提升檢測結(jié)果的分析水平都有著較為重要的指導(dǎo)意義。

2 振動原理

2.1 理論分析

運行中變壓器的振動現(xiàn)象已有詳細(xì)分析，此處僅對其做概括性介紹。鐵心中交變磁通引發(fā)的硅鋼片的磁致伸縮，以及由電磁力造成的繞組機(jī)械振動是變壓器的兩個主要振動源[11,16]。

磁致伸縮是鐵磁材料的尺寸在磁通密度變化時發(fā)生相應(yīng)變化的一種物理現(xiàn)象。硅鋼片尺寸和磁通密度瞬時值存在一種近似的二次關(guān)系[11,16，17]，而磁通密度與外加電壓存在線性關(guān)系。因此，變壓器鐵心尺寸ΔL與交流電壓的平方成正比，即

ΔL=KM(Ucosωt)2

(1)

式中，KM為一個常系數(shù)；U和ω分別為交流電壓的幅值和角頻率。鐵心尺寸變化對應(yīng)的振動加速度aM可以表示為：

(2)

式(2)表明磁致伸縮引起的鐵心振動基頻為100Hz。大電流設(shè)備，如電流互感器和高壓導(dǎo)體的屏蔽罩采用高磁導(dǎo)率材料，也存在100Hz頻率的磁致伸縮現(xiàn)象。

變壓器繞組處在強(qiáng)磁場中，當(dāng)繞組中通過交變電流時，變壓器繞組將發(fā)生周期性振動。繞組振動加速度的幅值aW與繞組電流iW的平方成正比[11,16，17]，即

(3)

兩個50Hz工頻分量相乘后得到的交流分量為100Hz分量，因此，繞組振動信號的基頻也是100Hz。鐵心和繞組振動信號的基頻均為工頻的兩倍(100Hz)，磁致伸縮現(xiàn)象的非線性和諧波電流等因素將造成振動信號中出現(xiàn)部分高頻分量[11,16，17]。

2.2 對超聲檢測的影響

GIS腔體內(nèi)局部放電會產(chǎn)生沖擊振動，超聲檢測是在腔體外壁上安裝超聲波傳感器，檢測局部放電振動傳播出來的超聲波信號[8,18,19]。電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《DL/T 1250-2013 氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備帶電超聲局部放電檢測應(yīng)用導(dǎo)則》(以下簡稱《導(dǎo)則》)要求超聲局部放電檢測儀具有超聲原始信號的連續(xù)測量模式分析功能，超聲信號的50Hz頻率相關(guān)性和100Hz頻率相關(guān)性分別是診斷電暈放電和懸浮電位放電的重要依據(jù)[20]。

懸浮電位放電是一種均勻電場或稍不均勻電場中的放電。在均勻電場或稍不均勻電場中，放電基本沒有極性特征，一般在電壓正半周和負(fù)半周的上升階段均會發(fā)生擊穿。擊穿引起的機(jī)械振動可以被超聲波檢測儀檢測到，導(dǎo)致超聲信號具有兩倍工頻的周期性變化特征，在連續(xù)測量模式下顯示出較大的100Hz頻率成分。電暈放電是一種不均勻電場中的放電，在不均勻電場中，放電具有極性特征，通常在電壓的正半周或者負(fù)半周的上升階段才會發(fā)生擊穿，導(dǎo)致超聲信號具有工頻的周期性變化特征，在連續(xù)測量模式下顯示出較大的50Hz頻率成分。

互感器是一種小型特殊變壓器，也具有鐵心和繞組等振動部件。這兩種部件振動的主要頻率分量均為100Hz分量，將造成GIS互感器氣室的超聲波檢測信號中出現(xiàn)100Hz頻率成分。由于該100Hz頻率與GIS超聲局部放電檢測中懸浮電位放電的典型頻率相重合[21]，當(dāng)互感器振動較為強(qiáng)烈時，GIS超聲信號中將出現(xiàn)較大的100Hz頻率成分，此信號易被誤判為懸浮放電。

3 實測結(jié)果和時頻分析

3.1 現(xiàn)場實測

本文通過GIS電壓互感器氣室的超聲波局部放電現(xiàn)場檢測來研究互感器機(jī)械振動對超聲信號的影響。檢測儀器為興泰公司的PD-208超聲局部放電檢測儀，選用采樣頻率為100kHz，檢測頻率范圍為10～100kHz。如果電壓互感器各部件緊密固定，其振動幅度極小。正常電壓互感器氣室的現(xiàn)場超聲檢測結(jié)果如圖1所示，圖1(b)中的頻率成分1和頻率成分2分別表示50Hz頻率成分和100Hz頻率成分，它們可通過對超聲原始信號的包絡(luò)線進(jìn)行頻譜分析得到，表征超聲原始信號的周期性變化特征。時域測量模式下的正常超聲信號波形非常穩(wěn)定，在連續(xù)測量模式下基本沒有50Hz和100Hz頻率成分。

圖1 正常電壓互感器的現(xiàn)場超聲檢測圖Fig.1 Ultrasonic-based detection results of normal PT

電壓互感器各部件固定較好時，電壓互感器會存在輕微振動，其氣室的現(xiàn)場超聲檢測結(jié)果如圖2所示。時域測量模式下的超聲信號波形基本穩(wěn)定，連續(xù)測量模式下有極小的100Hz頻率成分，該頻率與電壓互感器的典型振動頻率一致。這種狀態(tài)下的電壓互感器一般也可以認(rèn)為處于正常狀態(tài)。

當(dāng)電壓互感器在裝配時，如果其鐵心、繞組或其他部件有松動，那么其100Hz振動強(qiáng)度將顯著增強(qiáng)。圖3為電壓互感器強(qiáng)烈振動時，其氣室的現(xiàn)場超聲檢測結(jié)果?？梢姡跁r域測量模式下的超聲信號波形不再穩(wěn)定，在連續(xù)測量模式下有很大的100Hz頻率成分。

圖2 輕微振動電壓互感器的現(xiàn)場超聲檢測圖Fig.2 Ultrasonic-based detection results of PT vibrating slightly

圖3 強(qiáng)烈振動電壓互感器的現(xiàn)場超聲檢測圖Fig.3 Ultrasonic-based detection results of PT vibrating strongly

各部件固定良好的互感器，在連續(xù)測量模式下，互感器的典型振動將導(dǎo)致超聲檢測信號幅值比背景值稍大，但仍屬于低值范圍且無顯著增長趨勢，沒有或僅有少量的100Hz頻率成分。如果互感器安裝時緊固不足，如屏蔽罩、鐵心、繞組以及外殼連接等部件松動將導(dǎo)致互感器振動加劇，造成超聲檢測信號幅值顯著增大，并包含較大的100Hz頻率成分。在本地電網(wǎng)現(xiàn)場檢測以及相關(guān)文獻(xiàn)報道中，均已出現(xiàn)多起互感器振動對GIS超聲局部放電檢測造成影響的案例[9,14,15]。

如果GIS超聲檢測異常信號僅由機(jī)械振動造成，被測設(shè)備內(nèi)部暫未發(fā)生局部放電，這時根據(jù)現(xiàn)場檢測經(jīng)驗和檢測案例報道總結(jié)出以下特征：

(1) 連續(xù)測量模式中100Hz頻率成分占主導(dǎo)，基本沒有50Hz頻率成分，時域波形測量模式也具有明顯而又穩(wěn)定的100Hz周期性。

(2) 基于非機(jī)械原理的高頻脈沖電流檢測、超高頻局部放電檢測以及SF6氣體化學(xué)成分分析等方法均不能檢測到異常。

3.2 HHT分析

HHT[22]是一種適用于非平穩(wěn)和非線性信號的動態(tài)時頻分析方法，它能夠給出信號的時間-頻率-能量的分布特征，得到每個時刻超聲信號包絡(luò)線的各頻率分量的瞬時值。GIS超聲局部放電信號是典型的非線性、非平穩(wěn)信號，運用HHT分析超聲信號特征，具體步驟為：

(1) 首先對局部放電超聲信號進(jìn)行HHT，得到反映原始信號變化趨勢的包絡(luò)線信號，濾除信號中的高頻分量。

(2) 對包絡(luò)線信號s(t)進(jìn)行經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解(Empirical Mode Decomposition，EMD)，可以從該包絡(luò)線中分解出從高頻到低頻的多個固有模態(tài)函數(shù)(Intrinsic Mode Function, IMF)[22]，即

(4)

式中，rn(t)為殘余函數(shù)，代表信號的平均變化趨勢；cj(t)為固有模態(tài)函數(shù)分量，包含包絡(luò)線信號不同時間特征尺度的成分，其尺度依次由小到大，頻率依次從高到低。

對每一個固有模態(tài)函數(shù)分量作HHT，可以得到信號的瞬時參數(shù)譜dj(t)：

(5)

根據(jù)cj(t)和dj(t)，可得到一個解析信號Hj(t)：

在對畜禽養(yǎng)殖過程中飼料是其不可或缺的重要因素。一般情況下，在對畜禽進(jìn)行管理過程中常常發(fā)現(xiàn)很多畜禽指標(biāo)不合格的現(xiàn)象發(fā)生。畜禽得不到充足的飼料時在一定程度上會造成自身生長發(fā)育不健全的現(xiàn)象發(fā)生，很多畜禽養(yǎng)殖戶一般都使用青飼料來作為補(bǔ)充畜禽的重要營養(yǎng)物，然而，這種飼料的轉(zhuǎn)化率卻非常低，長時間使用這種飼料在一定程度上對畜禽的健康生長將會帶來不同程度的影響。飼料營養(yǎng)不充足在一定程度上對畜牧養(yǎng)殖也會產(chǎn)生不利影響。因此，相關(guān)工作人員應(yīng)該以一種與時俱進(jìn)的心態(tài)積極創(chuàng)造更多創(chuàng)新型、高效的管理方案，只有這樣才能夠保證畜牧業(yè)健康、穩(wěn)定向前發(fā)展。

Hj(t)=cj(t)+jdj(t)=hj(t)ejθ(t)

(6)

式中

(7)

這樣，HHT提供了一個定義瞬時幅度hj(t)與瞬時相位θ(t)的函數(shù)[22]。

在HHT中，可用式(8)定義瞬時頻率：

(8)

匯總所有固有模態(tài)函數(shù)的希爾伯特譜，獲知每個時刻超聲信號包絡(luò)線的各頻率分量瞬時值。圖4(a)和圖4(b)分別為超聲信號的原始波形和包絡(luò)線波形，取四個工頻周期進(jìn)行分析。超聲信號的原始波形包含大量的高頻分量，求包絡(luò)線后可得到較為穩(wěn)定的低頻特征波形。包絡(luò)線波形具有明顯的周期性特征，兩端由于HHT的邊界效應(yīng)出現(xiàn)上翹。

圖4 超聲信號的原始波形和包絡(luò)線Fig.4 Original and envelope curves of ultrasonic signal

圖5(a)為超聲信號包絡(luò)線的二維希爾伯特譜，給出了信號幅值與時間和頻率的關(guān)系。在整個時間段上，100Hz頻率處一直有較強(qiáng)和穩(wěn)定的信號。圖5(b)為超聲信號包絡(luò)線的HHT邊際譜，可認(rèn)為是在希爾伯特譜的時頻平面上，各頻率點的振幅在時間總體上的累積[22]。除去邊際譜兩端由于邊界效應(yīng)引起的上翹，100Hz分量在整個時間段上占據(jù)絕對主導(dǎo)。

圖5 超聲信號的HHT時頻幅值譜和邊際譜Fig.5 HHT time-frequency amplitude spectrum and marginal spectrum of ultrasonic signal

另外，在經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解后得到的第五個固有模態(tài)函數(shù)IMF5及其瞬時頻率如圖6所示。可見IMF5信號具有較強(qiáng)而又穩(wěn)定的100Hz頻率成分。

圖6 第五固有模態(tài)函數(shù)及其瞬時頻率Fig.6 Fifth intrinsic mode function and instantaneous frequency

傳統(tǒng)的快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform, FFT)只能得到超聲信號中100Hz分量在所測時間內(nèi)的平均值，機(jī)械振動和懸浮電位放電引起的超聲信號都會出現(xiàn)較大的100Hz分量，所有難以對兩者進(jìn)行區(qū)分。HHT能夠得到所測信號的全部動態(tài)頻率特征，通過分析100Hz分量隨時間變化的情況，可以對機(jī)械振動和懸浮電位放電引起的超聲信號進(jìn)行區(qū)分。其中機(jī)械振動引起的超聲信號中100Hz分量很平穩(wěn)，而懸浮放電由于放電存在隨機(jī)性，其超聲信號中100Hz分量波動稍大。

4 應(yīng)對措施

(1) 當(dāng)超聲檢測中只有50Hz頻率成分時，可以初步判定設(shè)備內(nèi)部存在尖端放電等極性局部放電，需給予足夠重視。但是，當(dāng)超聲檢測中出現(xiàn)較大的100Hz頻率成分時，設(shè)備內(nèi)部的強(qiáng)烈機(jī)械振動或者懸浮電位放電都是可能的原因，需做進(jìn)一步診斷。

(2) GIS設(shè)備，特別是GIS中的互感器，其緊固要求應(yīng)適當(dāng)高于對敞開式設(shè)備的要求?！秾?dǎo)則》要求GIS投運前的交流耐壓試驗通過后，應(yīng)降壓進(jìn)行一次超聲局部放電檢測[20]。建議將超聲檢測作為檢驗GIS基建工程安裝質(zhì)量的一項關(guān)鍵指標(biāo)，從源頭上控制GIS內(nèi)部的機(jī)械振動強(qiáng)度。

(3) 改進(jìn)互感器氣室的超聲局部放電檢測結(jié)果的判斷標(biāo)準(zhǔn)，不同類型氣室的超聲信號異常判斷標(biāo)準(zhǔn)宜體現(xiàn)差異性。在檢測中，建議開展超聲信號幅值以及100Hz頻率成分的初值差分析，剔除設(shè)備初始振動強(qiáng)度對后續(xù)檢測的影響，積極運用HHT等時頻分析方法對異常信號進(jìn)行動態(tài)時頻分析。

(4) 由于局部放電對設(shè)備造成的損害遠(yuǎn)大于機(jī)械振動，所以判斷超聲異常信號是否由局部放電引起對檢修決策有重要價值。建議對超聲信號異常氣室采用超高頻局部放電檢測、高頻脈沖電流檢測、SF6氣體成分分析等非機(jī)械原理檢測方法進(jìn)行綜合檢測，排除機(jī)械振動的影響，確診是否存在懸浮電位放電。

5 結(jié)論

(1) 理論分析結(jié)果表明，互感器中鐵心和繞組等部件存在以100Hz為典型頻率的固有機(jī)械振動，該頻率與GIS超聲檢測的懸浮放電典型頻率重合。在部件松動時，機(jī)械振動顯著加劇，100Hz頻率成分增大，極易影響GIS超聲局部放電檢測結(jié)果。

(2) 現(xiàn)場檢測和相關(guān)報道均出現(xiàn)了多起由于設(shè)備機(jī)械振動影響GIS超聲檢測的案例，HHT的時頻分析結(jié)果顯示，由機(jī)械振動引起的GIS超聲信號在整個時間軸上都含有較強(qiáng)且穩(wěn)定的100Hz頻率成分。

(3) 如果超聲局部放電檢測結(jié)果中100Hz頻率成分占據(jù)主導(dǎo)，建議采用超高頻局部放電檢測、高頻脈沖電流檢測、SF6氣體成分分析等非機(jī)械原理檢測方法進(jìn)行綜合復(fù)測。如果復(fù)測結(jié)果正常，則可初步判定異常信號僅由機(jī)械振動引起。

(4) 如果判定超聲信號異常僅是由于機(jī)械振動引起，并且信號幅值超標(biāo)有限，建議采用縮短帶電檢測周期、觀察異常信號發(fā)展趨勢的策略，等待設(shè)備具備停電條件時進(jìn)行檢修。

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Impact of instrument transformer vibration on GIS ultrasonic-based partial discharge detection

LING Wei-jia1, ZHANG Hao2, GUAN Min-yuan2

(1. State Grid Zhejiang Electric Power Company, Hangzhou 310007, China;2. Huzhou Power Supply Company of State Grid Zhejiang Electric Power Company, Huzhou 313000, China)

Ultrasonic-based partial discharge detection is an important on-line detection method for gas insulated switchgear (GIS), but this method is easily affected by mechanical vibration of electrical equipment. The vibrations of the iron core and winding in instrument transformer are analyzed in this paper, which points out that the dominant vibration is at 100Hz frequency. In the ultrasonic-based detection, the appearance of 100Hz frequency component is usually considered as a signal to indicate the suspended discharge. The time-frequency characteristic of the GIS ultrasonic signal caused by mechanical vibration is extracted with Hilbert-Huang Transform (HHT). Combined with the theoretical analysis and field experiences, the impact of mechanical vibrations on the ultrasonic-based detection and its corresponding diagnostic method are presented. Finally, several corresponding countermeasures are presented, including the use of ultrasonic-based detection to improve the installation quality, the comparison of the test results with their initial values and the comprehensive diagnosis of GIS equipment vibrations.

gas insulated switchgear; on-line detection; partial discharge; ultrasonic-based detection; instrument transformer vibration

2015-07-23

國網(wǎng)浙江省電力公司科技項目(5211UZ160016；5211JY15001V)

凌衛(wèi)家(1962-)， 男， 江蘇籍， 高級工程師， 碩士， 研究方向為電網(wǎng)生產(chǎn)運行； 張 浩(1970-)， 男， 浙江籍， 高級工程師， 碩士， 研究方向為電網(wǎng)生產(chǎn)運行。

TM83

A

1003-3076(2016)05-0074-07