應(yīng)用LabVIEW軟件開發(fā)的氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備聲振聯(lián)合檢測系統(tǒng)

王永泉,楊朝旭,周淳,張濤,陶思宇

(1.西安交通大學(xué)機械結(jié)構(gòu)強度與振動國家重點實驗室,710049,西安;2.西安交通大學(xué)陜西省先進飛行器服役環(huán)境與控制重點實驗室,710049,西安;3.西安交通大學(xué)航天航空學(xué)院,710049,西安;4.西安子國微科技有限公司,710065,西安)

氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備(GIS)由斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)和母線等零部件組成,并且封裝在充有SF6高壓絕緣氣體的金屬外殼中[1]。由于GIS設(shè)備具有結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小和可靠性高等優(yōu)點,因此在電力行業(yè)得到廣泛應(yīng)用[2]。但是GIS設(shè)備在制造、運輸和投入使用環(huán)節(jié)中容易產(chǎn)生異物等缺陷,一旦出現(xiàn)故障,將導(dǎo)致整個電力系統(tǒng)發(fā)生嚴重故障[3]。為了降低GIS設(shè)備故障概率攀升而影響電網(wǎng)的穩(wěn)定程度,需要定期開展檢修工作。傳統(tǒng)GIS設(shè)備檢修工作繁雜,采用拆解GIS設(shè)備的檢查方法會造成停電時間長等問題,而且效率較低[4]。目前,國內(nèi)外針對GIS內(nèi)部缺陷的檢測方法主要是局部放電檢測法。該方法以檢測GIS局部放電發(fā)生時產(chǎn)生的電脈沖、電磁波、超聲波、光及SF6氣體分解化學(xué)物質(zhì)等為基礎(chǔ),可分為電學(xué)檢測法、聲學(xué)檢測法、光學(xué)檢測法和化學(xué)檢測法等。

自20世紀80年代以來,國內(nèi)外研究機構(gòu)對常用的局部放電檢測技術(shù),如脈沖電流法、特高頻(UHF)法和超聲波測量法檢測GIS缺陷開展了大量研究[5-8]。脈沖電流法測量頻率低、抗干擾能力較弱,不適宜在現(xiàn)場應(yīng)用。特高頻法的靈敏度依賴于傳感器的可靠性。對GIS進行特高頻局部放電檢測的傳感器分為內(nèi)置式和外置式兩種,內(nèi)置式需要傳感器內(nèi)置傳感耦合器以保證測量精度,外置式對測量環(huán)境要求較高。超聲波測量法抗電磁干擾性強,并且對自由金屬顆粒具有極高的檢測靈敏度。聲發(fā)射(AE)是材料局部能量快速釋放過程中釋放瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象[9]。聲發(fā)射檢測技術(shù)屬于超聲波測量法,基本原理是利用傳感器接收聲發(fā)射源信號,經(jīng)過信號放大和數(shù)據(jù)采集,對采集到的數(shù)據(jù)進行分析處理,最后獲得材料內(nèi)部缺陷特性等信息。聲發(fā)射檢測技術(shù)具有適用高頻段、動態(tài)特性好和信號源來自測量對象本身的特點。振動是GIS運行過程中出現(xiàn)缺陷狀態(tài)而引發(fā)的現(xiàn)象。研究表明,振動現(xiàn)象會導(dǎo)致振動信號幅值增加、頻域分量增多[10]。振動檢測技術(shù)通過對振動信號計算分析,可以有效實現(xiàn)GIS帶電檢測,具有抗電磁干擾性強和對低頻信號靈敏度高的特點。

綜上,聲振聯(lián)合檢測兼顧低頻和高頻兩種測量方法的優(yōu)點。本文采用聲發(fā)射和振動聯(lián)合檢測的方法進行GIS內(nèi)部異物缺陷檢測,該方法可以在GIS運行或?qū)嶒灂r應(yīng)用,對GIS內(nèi)部不會產(chǎn)生任何影響,是一種實時、動態(tài)、無損的檢測方法。

目前,GIS故障檢測系統(tǒng)裝置多為單一的聲發(fā)射局部放電檢測儀,而且商用系統(tǒng)成本普遍較高,存在體積大、可擴展性弱且不能二次開發(fā)的問題。為了滿足GIS設(shè)備檢測工作對檢測裝置便攜式的要求以及檢測系統(tǒng)對數(shù)據(jù)采集、存儲、分析和可擴展性等功能的需求,開發(fā)一套便攜式GIS設(shè)備檢測系統(tǒng)具有較高的工程應(yīng)用價值,可為設(shè)備缺陷狀態(tài)評估和檢修方案提供依據(jù)和指導(dǎo)。虛擬儀器技術(shù)可以利用計算機實現(xiàn)儀器管理、組織儀器系統(tǒng),并通過軟件實現(xiàn)部分硬件電路的目標,為測試測量系統(tǒng)提供了一種高效、靈活的開發(fā)方案[11]。本文針對電網(wǎng)變電站檢修人員在GIS檢測工作中的實際需求,應(yīng)用LabVIEW軟件開發(fā)了一套適合工程現(xiàn)場應(yīng)用的GIS設(shè)備聲振聯(lián)合檢測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

GIS設(shè)備常見故障有自由金屬顆粒、金屬突起物缺陷等,這些故障在GIS運行時形成高場強區(qū)從而導(dǎo)致發(fā)生局部放電現(xiàn)象[12-13]。為了提高檢測效率和抗干擾性,系統(tǒng)設(shè)計采用聲發(fā)射和振動兩款傳感器同時測量局部放電信號,開發(fā)了一套GIS聲振聯(lián)合檢測系統(tǒng),包括硬件平臺搭建和軟件程序設(shè)計?？紤]到變電站現(xiàn)場實際情況,硬件設(shè)計采用模塊化并且全部封裝在自制工控機中,軟件設(shè)計采用LabVIEW和Matlab混合編程的方法實現(xiàn),具有數(shù)據(jù)采集與顯示、信號觸發(fā)捕捉、數(shù)據(jù)分析與評估和數(shù)據(jù)管理等功能,是系統(tǒng)設(shè)計的重點。該設(shè)計的優(yōu)點是:

(1)系統(tǒng)硬件裝置將各個模塊單元全部封裝在自制工控機中,可擴展性強,體積、質(zhì)量適中,成本低,具有便攜式優(yōu)點;

(2)聲振聯(lián)合檢測法兼顧低頻和高頻兩種測量方法,可檢測頻率范圍寬,靈敏度高且抗干擾性強;

(3)結(jié)合GIS異物缺陷識別算法,通過LabVIEW有效地展示了GIS聲振信號時頻圖以及GIS內(nèi)部自由金屬顆粒飛行圖譜,評估結(jié)果有意義;

(4)系統(tǒng)軟件功能全面,并可依據(jù)實驗條件靈活設(shè)計,可進行二次開發(fā),界面簡潔美觀,易于操作,適合工程現(xiàn)場應(yīng)用。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

GIS聲振聯(lián)合檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計以工控機為核心,由聲發(fā)射、振動、環(huán)境類傳感器、信號供電分離單元、恒流電壓單元、高速數(shù)據(jù)采集卡和供電單元組成。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示,其中,除傳感器外其他部件封裝在工控機內(nèi)。工控機側(cè)面板預(yù)留有信號輸入接口,可以連接8路模擬量信號。側(cè)面板模擬量信號輸入接口通過低噪聲線纜分別與聲發(fā)射傳感器、振動傳感器和環(huán)境類傳感器信號測量輸出端連接。信號輸入接口如圖2所示。

圖1 GIS聲振聯(lián)合檢測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Hardware structure of GIS acoustic vibration joint detection system

圖2 傳感器信號輸入接口Fig.2 Sensor signal input interface

(1)工控機采用Intel?酷睿4代高性能i5處理器,配置有信號輸入接口、顯示器、PCI插槽、1路千兆網(wǎng)口、2路USB等輸入/輸出接口,具有體積小、功耗低的特點。作為GIS聲振聯(lián)合檢測系統(tǒng)的硬件平臺滿足體積、質(zhì)量等要求。

(2)聲發(fā)射和振動傳感器分別用于檢測GIS設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生的聲發(fā)射信號和低頻振動信號。系統(tǒng)采用30～140 kHz的高靈敏度內(nèi)置前放聲發(fā)射傳感器和頻率帶寬為0.5～10 kHz的低阻抗電壓輸出型振動傳感器。本系統(tǒng)使用的聲發(fā)射傳感器和振動傳感器如圖3所示。其中,聲發(fā)射傳感器型號為PXR04I,諧振頻率為40 kHz,10 dB帶寬為30～140 kHz,靈敏度可達120 dB,內(nèi)置40 dB放大器;振動傳感器型號為13100,量程5.1 mV/(m·s2),頻率范圍0.5～10 kHz,諧振頻率大于32 kHz。

(3)環(huán)境類傳感器用于檢測大氣壓力、空氣質(zhì)量和溫濕度等環(huán)境變量。

(4)信號供電分離單元主要是給聲發(fā)射傳感器供電并將信號分離以便數(shù)據(jù)采集。

(5)恒流電壓單元主要是給振動傳感器供電,同時采用交流耦合方式將傳感器輸出的直流偏置電壓濾掉,從而保留振動測量信號,具有低噪聲的優(yōu)點。

(6)供電單元用于給整個系統(tǒng)供電,包括變壓器、鋰電池和降壓單元。

(7)數(shù)據(jù)采集卡是外界采集信號進入計算機的樞紐,包括A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字I/O輸出等功能。根據(jù)奈奎斯特采樣定理及GIS設(shè)備檢測現(xiàn)場工程應(yīng)用,為了真實還原模擬信號,取采樣頻率fs為輸入信號最高頻率fmax的5～8倍,采用采樣頻率可達800 kHz的阿爾泰PCI8757高速數(shù)據(jù)采集卡作為聲發(fā)射、振動等信號采集設(shè)備[14]。PCI8757高速數(shù)據(jù)采集卡轉(zhuǎn)換精度為16位,輸入量程-10～+10 V,具備8 kB的FIFO存儲器,支持32位PCI總線控制DMA數(shù)據(jù)傳輸方式,模擬量輸入采用4路單端或差分方式。

(a)聲發(fā)射傳感器

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件開發(fā)是基于美國國家儀器公司(NI)推出的LabVIEW虛擬儀器以及采集卡接口庫函數(shù)實現(xiàn)的。LabVIEW是一種基于圖形開發(fā)、調(diào)試和運行程序的集成化開發(fā)環(huán)境,圖像化編程G語言是測量、數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)的理想選擇[15]。本系統(tǒng)軟件程序設(shè)計基于LabVIEW 2018編程環(huán)境開發(fā),是GIS聲振聯(lián)合檢測系統(tǒng)的重要部分。

系統(tǒng)軟件功能模塊如圖4所示,包括參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集與顯示、信號分析與評估和數(shù)據(jù)管理。其中,參數(shù)設(shè)置模塊完成系統(tǒng)參數(shù)的初始化;數(shù)據(jù)采集與顯示模塊實現(xiàn)信號波形和結(jié)果輸出;信號分析與評估模塊通過后臺數(shù)據(jù)運算和函數(shù)調(diào)用實現(xiàn)聲振信號時域分析、頻域分析、特征提取和缺陷評估;數(shù)據(jù)管理模塊完成數(shù)據(jù)的存儲和查看等任務(wù)。

圖4 系統(tǒng)軟件功能模塊組成框圖Fig.4 Block diagram of system software functional modules

系統(tǒng)軟件主要工作流程如圖5所示。具體為:①啟動程序進入操作界面;②系統(tǒng)初始化,如硬件參數(shù)設(shè)置和閾值設(shè)置等;③開始采集;④信號采集并記錄,此時實現(xiàn)聲振信號的連續(xù)測量、記錄和顯示;⑤信號觸發(fā)捕捉,實時判斷聲振兩路信號與觸發(fā)閾值的大小,滿足條件則捕捉當前信號;⑥對捕捉到的聲振信號進行特征提取和時頻分析等;⑦評估;⑧退出系統(tǒng)。

圖5 軟件主要工作流程圖Fig.5 Main work flow chart of the software

3.1 參數(shù)設(shè)置

參數(shù)設(shè)置模塊包括量程設(shè)置、采樣率設(shè)置、工作模式設(shè)置和文件路徑設(shè)置等,通過彈出對話框的形式與系統(tǒng)界面共同完成系統(tǒng)采集量程、采樣率、工作模式和文件存儲路徑的配置。參數(shù)設(shè)置界面中采樣率的范圍是3～800 kHz,輸入量程有±10、±5、±2.5 V,工作模式可配置為110、220、550 kV,文件存儲路徑自定義設(shè)置。

3.2 數(shù)據(jù)采集與處理

3.2.1 數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計 數(shù)據(jù)采集程序主要由設(shè)備創(chuàng)建、采樣設(shè)置和數(shù)據(jù)讀取組成。其中設(shè)備創(chuàng)建使用邏輯號創(chuàng)建采集卡設(shè)備對象,實現(xiàn)軟件系統(tǒng)與外部硬件通信;采樣設(shè)置用于初始化配置AD硬件參數(shù),如采集通道、觸發(fā)模式、觸發(fā)源和時鐘源等,保證采樣過程能夠按照一定周期有序可控地進行;數(shù)據(jù)讀取用于啟動數(shù)據(jù)讀取任務(wù)并將傳感器采集到的信號轉(zhuǎn)化為模擬電信號,同時將采集到的AD端口數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集程序中設(shè)備創(chuàng)建對象使用的邏輯號取決于高速采集卡邏輯設(shè)備(ID)標識號,值為0;采樣設(shè)置中觸發(fā)模式配置為軟件內(nèi)觸發(fā),信號源為外部ATR觸發(fā)源,觸發(fā)類型為邊沿觸發(fā),觸發(fā)方向為負向觸發(fā),時鐘源為內(nèi)部時鐘。

3.2.2 觸發(fā)捕捉程序設(shè)計 信號觸發(fā)捕捉程序的工作原理是系統(tǒng)在采集和記錄聲發(fā)射和振動兩路傳感器信號的同時,實時對比兩路傳感器信號的時域最大幅值和觸發(fā)閾值的大小。觸發(fā)捕捉程序如圖6所示。如果聲發(fā)射、振動信號最大幅值均未超過觸發(fā)閾值,則系統(tǒng)繼續(xù)采集和記錄;反之,當聲發(fā)射、振動信號其中任何一路信號達到觸發(fā)閾值時,則捕捉該時刻聲發(fā)射、振動信號波形,保存的信號波形用于特征提取和頻域分析等。

圖6 信號觸發(fā)捕捉程序Fig.6 Signal trigger capture program

3.3 數(shù)據(jù)分析

系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析程序的主要功能是對來源于數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)據(jù)進行時域、頻域分析。該部分程序采用LabVIEW和Matlab混合編程的方法,程序如圖7所示。首先,讀取聲發(fā)射、振動信號并對其進行時域分析,時域參數(shù)分析用于得出信號各種統(tǒng)計參數(shù),如信號的均值、有效值、最大值和最小值等有量綱特征參數(shù);其次,通過Matlab script節(jié)點結(jié)合Matlab軟件對其進行頻域分析,頻域分析將復(fù)雜的時間歷程波形經(jīng)過傅里葉計算分解為若干單一的諧波分量,分別繪制出兩路信號的幅頻圖并得出信號幅度和峰值頻率;然后,在GIS內(nèi)部異物缺陷分類識別算法的基礎(chǔ)上,將上一步提取出來的信號時頻特征送給后臺調(diào)用的Matlab程序?qū)崿F(xiàn)GIS設(shè)備缺陷檢測評估;最后,將評估結(jié)果顯示出來。

圖7 數(shù)據(jù)分析程序Fig.7 Data analysis program

3.4 數(shù)據(jù)管理

3.4.1 數(shù)據(jù)存儲 數(shù)據(jù)存儲程序是將時間點參數(shù)、聲發(fā)射、振動傳感器采集到的信號波形數(shù)據(jù)等合并為數(shù)組,以數(shù)據(jù)形式存儲至計算機中指定位置,可以在日后隨時對其進行查看和相關(guān)分析。LabVIEW中的TDMS文件是一種二進制記錄文件,兼顧高速、易存取和方便等優(yōu)勢[16]。因此,系統(tǒng)采用TDMS文件格式對采集到的聲發(fā)射、振動信號進行存儲。數(shù)據(jù)存儲程序流程為:開啟TDMS,系統(tǒng)開始以流盤的方式將波形數(shù)據(jù)輸入預(yù)先設(shè)定的磁盤內(nèi);當寫完TDMS文件后,LabVIEW會自動生成*.tdms文件和*.tdms_index文件,前者為數(shù)據(jù)文件,后者為索引文件。

3.4.2 數(shù)據(jù)查看 數(shù)據(jù)查看程序的主要功能是對系統(tǒng)運行過程中存儲的聲發(fā)射、振動信號波形進行查看,可以查看的歷史數(shù)據(jù)包括系統(tǒng)后臺連續(xù)采集的波形數(shù)據(jù)和觸發(fā)捕捉的波形數(shù)據(jù)。

3.4.3 數(shù)據(jù)顯示 數(shù)據(jù)顯示程序是將系統(tǒng)運行狀態(tài)、傳感器信號強度、采集到的波形數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)分析結(jié)果等直觀地展示在LabVIEW虛擬面板上。

(1)系統(tǒng)運行狀態(tài)提示框。系統(tǒng)運行狀態(tài)有:采集和記錄、分析、加載波形、停止等。

(2)傳感器信號強度。信號強度采用圖形化水平進度條展示聲發(fā)射、振動信號的大小。該部分顯示控件如圖8所示,將聲振信號的最大幅值通過一系列的公式計算轉(zhuǎn)化為信號強度顯示在前面板。

圖8 信號強度顯示控件Fig.8 Signal strength display controls

(3)采集到的波形數(shù)據(jù)。系統(tǒng)前面板通過聲發(fā)射、振動信號時域圖展示采集到的波形數(shù)據(jù)。

(4)數(shù)據(jù)分析結(jié)果。結(jié)果包括聲發(fā)射、振動信號幅頻圖、時域分析值、頻域分析值、環(huán)境變量等。

3.5 環(huán)境變量檢測模塊

聲發(fā)射和振動傳感器通過接口為BNC或SMA的同軸電纜與系統(tǒng)測量信號輸入接口連接。一方面?zhèn)鞲衅鲗ぷ鳝h(huán)境參數(shù)范圍有要求;另一方面信號傳輸受到環(huán)境溫度的影響,如溫度太低電纜芯子收縮造成拉斷故障,如溫度太高信號傳輸產(chǎn)生衰減?？紤]到GIS聲振聯(lián)合檢測系統(tǒng)經(jīng)常在戶外等環(huán)境惡劣的場景中工作,溫度等環(huán)境參數(shù)變化較大,這些會對傳感器信號傳輸產(chǎn)生衰減等,同時為了方便系統(tǒng)操作人員實時地掌握當前工作環(huán)境下的環(huán)境參數(shù),設(shè)置環(huán)境變量檢測模塊。該部分程序用于實現(xiàn)系統(tǒng)實時監(jiān)測溫度、濕度等環(huán)境變量。為保證系統(tǒng)可靠運行,建議設(shè)備工作溫度為-25～60 ℃,氣壓為67～101 kPa,濕度為0～95%。通過連接內(nèi)置探頭的溫濕度變送器、大氣壓力變送器和空氣質(zhì)量變送器,實時地采集和顯示環(huán)境參數(shù)值。環(huán)境參數(shù)類型及測量范圍如表1所示,輸出信號為0～5 V電壓。

表1 環(huán)境類傳感器主要參數(shù)Table 1 Main parameters of environmental sensors

將測得的氣壓、溫度等環(huán)境量顯示在前面板上,環(huán)境參數(shù)值顯示控件如圖9所示。在某時刻,實驗環(huán)境中測得溫度為22.7 ℃,濕度為60.7%,大氣壓力為97 kPa,空氣質(zhì)量良好。

圖9 環(huán)境參數(shù)顯示控件Fig.9 Environmental parameter display control

4 系統(tǒng)功能測試

為驗證該系統(tǒng)對GIS設(shè)備的聲振聯(lián)合檢測能力,搭建了GIS異物缺陷檢測試驗平臺。該試驗平臺模仿了實際GIS運行時的環(huán)境狀態(tài),由試驗電源、調(diào)壓器、試驗罐體(含高壓電極)等組成。試驗電源為有效值220 V,頻率50 Hz的交流電;調(diào)壓器實現(xiàn)升壓作用,變比為1∶50;試驗罐體上的高壓導(dǎo)體電壓可達±110 kV。測試時對GIS腔體充入一定壓力的SF6氣體,將聲發(fā)射、傳感器接觸面通過耦合劑與GIS腔體外壁黏接在一起,測量輸出端通過低噪聲線纜直接連接本系統(tǒng)的信號輸入接口。具體布置方式示意圖如圖10所示。

圖10 試驗裝置布置方式示意圖Fig.10 Schematic diagram of the experimental device

系統(tǒng)硬件接口連接完成后,啟動軟件程序。GIS聲振聯(lián)合檢測系統(tǒng)軟件界面由啟動界面、測試界面和評估界面三部分組成。其中,啟動界面實現(xiàn)登錄系統(tǒng)和退出系統(tǒng);測試界面包括數(shù)據(jù)可視化顯示、信號分析、操作按鈕和運行狀態(tài)指示框等控件,直觀地展示系統(tǒng)運行信息,確保系統(tǒng)各個模塊有序進行;評估界面主要展示GIS內(nèi)部異物缺陷自由金屬顆粒的三維動態(tài)仿真和飛行圖圖譜功能。運行系統(tǒng)程序后,首先進入啟動界面,在該界面選擇登錄操作進入測試界面。系統(tǒng)測試界面如圖11所示,由菜單欄、狀態(tài)欄、波形顯示界面和文本顯示界面組成,測試界面實時顯示采集到的聲振信號、信號強度以及環(huán)境參數(shù),同時在后臺連續(xù)記錄波形數(shù)據(jù)。

圖11 系統(tǒng)測試界面Fig.11 System test interface

(a)聲發(fā)射傳感器時域圖

實驗過程中,通過軟件測試界面閾值調(diào)節(jié)按鈕將聲發(fā)射和振動信號觸發(fā)閾值均設(shè)置為3 V,當其中任何一路信號達到觸發(fā)閾值條件被觸發(fā)后,聲發(fā)射傳感器和振動傳感器時域圖將顯示捕捉到的觸發(fā)信號。此時系統(tǒng)測試界面中觸發(fā)捕捉的聲振信號如圖12所示。為了提高數(shù)據(jù)頻譜分析精度,在GIS聲振聯(lián)合檢測系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析程序中添加窗口濾波函數(shù)選擇設(shè)置功能,選擇矩形窗、Hanning窗或Hamming窗進行濾波處理。系統(tǒng)首先對聲振信號采樣序列選擇窗口濾波函數(shù)進行濾波處理;其次進行快速傅里葉變換從而得到窗口濾波處理后的序列頻譜;最后將頻域分析后得到的頻域圖顯示在聲發(fā)射傳感器和振動傳感器幅頻圖上。圖13～圖15分別為矩形窗、Hamming窗和Hanning窗濾波處理后的頻譜圖。由于Hanning窗運算量適中,并且從圖15中發(fā)現(xiàn)幅值精度較高,所以選用Hanning窗口濾波處理后提取頻譜特征值。

自由金屬顆粒在GIS罐體內(nèi)部受電場力和重力影響做不規(guī)則跳躍運動,與罐體內(nèi)壁碰撞后產(chǎn)生超聲信號,信號傳播介質(zhì)只有GIS殼體,因此聲發(fā)射檢測對自由金屬顆粒具有極高的靈敏度[17]。通過時域和頻域分析,得出聲發(fā)射信號波形的時頻特征值如表2所示。已有文獻表明,當有效值和最大值均較大、頻域相關(guān)性較差時,幅值圖譜可用于判斷自由顆粒放電缺陷[17-18]。此時與背景值相比,信號變化較為明顯,存在有效值、峰值較大,50 Hz頻率與100 Hz相關(guān)性低的明顯特征,故判斷GIS內(nèi)部存在自由顆粒放電缺陷。

表2 信號時域和頻域特征值Table 2 Time-domain and frequency-domain eigenvalues of signals

在聲振信號其中任何一路最大幅值滿足閾值條件的情況下,對該信號進行時頻分析和特征提取,初步判斷GIS內(nèi)部是否存在異物微粒。系統(tǒng)功能測試過程采用無異物缺陷、半徑為0.5 mm的球體、半徑為1 mm的球體、半徑為1 mm的均分半球體和片狀微粒為導(dǎo)電微粒,不同類型異物缺陷檢測的實驗結(jié)果如表3所示。可以看出,實驗測試中系統(tǒng)對GIS異物缺陷檢測的準確率大于90%。在實際應(yīng)用中,使用某型號商用局部放電測試儀和該系統(tǒng)對多個變電站110 kV GIS設(shè)備區(qū)進行聲振聯(lián)合缺陷檢測,檢測結(jié)果一致,均未發(fā)現(xiàn)異物缺陷。

(a)聲發(fā)射傳感器頻域圖

(a)聲發(fā)射傳感器頻域圖

(a)聲發(fā)射傳感器頻域圖

表3 GIS異物缺陷檢測實驗結(jié)果Table 3 GIS foreign body defect detection experiment result

飛行圖表明相鄰脈沖發(fā)生時間間隔Δt與上一脈沖幅值u之間的關(guān)系。研究表明,飛行圖圖譜的特征可以作為GIS缺陷判斷依據(jù),在電力生產(chǎn)過程中可以利用該方法判斷GIS缺陷類型及性質(zhì)[19]。實驗對該110 kV GIS模型內(nèi)部異物缺陷產(chǎn)生的聲振信號圖譜進行分析并建立圖譜庫特征,將聲振信號時頻分析提取的特征信息與圖譜庫進行對比,進而分析確定GIS檢測評估結(jié)果。系統(tǒng)軟件評估界面可實現(xiàn)GIS內(nèi)部缺陷自由金屬顆粒的三維動態(tài)仿真以及飛行圖圖譜功能。評估界面如圖16所示,左側(cè)是通過LabVIEW軟件繪制的缺陷微粒在GIS內(nèi)部運動的三維動態(tài)仿真圖,右側(cè)為飛行圖圖譜,橫軸表示顆粒一次飛行的時間,縱軸表示顆粒飛行高度,通過包含大量數(shù)據(jù)的數(shù)組,統(tǒng)計GIS內(nèi)部自由金屬顆粒的活動狀態(tài)。

圖16 系統(tǒng)評估界面Fig.16 System evaluation interface

5 結(jié) 論

本文針對GIS在傳統(tǒng)檢測設(shè)備缺少可靠易用的在線數(shù)據(jù)采集、存儲以及評估系統(tǒng)的問題,考慮到現(xiàn)場實際工程應(yīng)用情況,應(yīng)用LabVIEW軟件開發(fā)了一款GIS聲振聯(lián)合檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以較大程度省去GIS檢測過程中復(fù)雜、繁瑣的人力計算等流程,系統(tǒng)功能全面而強大。采用模塊化硬件并封裝在自制工控機中的設(shè)計方案,成本低,攜帶方便;軟件可以方便地進行采樣等硬件參數(shù)設(shè)置,直觀地展示GIS運行過程中采集到的連續(xù)波形數(shù)據(jù),同時結(jié)合Matlab軟件快速地進行信號源的時域、頻域分析,基于LabVIEW軟件平臺展示GIS異物微粒三維動態(tài)和飛行圖圖譜評估結(jié)果。通過系統(tǒng)功能測試,本文開發(fā)的系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)聲發(fā)射、振動信號的采集與記錄、分析與處理和存儲與查看等功能,總體上避免了商用GIS檢測儀成本高、二次開發(fā)難度大的缺點。系統(tǒng)具有很好的適應(yīng)性、簡單易用性和可擴展性,提高了GIS設(shè)備檢測工作的便利性。