基于多頻激勵下振動響應(yīng)的GIS 機械缺陷診斷方法

吳旭濤，趙晉飛，馬云龍，，何寧輝，，馬波，李軍浩

（1.國網(wǎng)寧夏電力有限公司電力科學(xué)研究院，銀川 750011；2.西安交通大學(xué)電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室，西安 710049）

0 引言

近年來，電力系統(tǒng)的規(guī)模不斷擴大、輸電容量不斷增加，這對電力系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟性也提出了越來越高的要求[1-5]。SF6斷路器具有開斷能力強、安全可靠性高、節(jié)省占地面積、易于維護、環(huán)境適應(yīng)能力強等優(yōu)點，在高電壓等級的輸電線路中的被廣泛采用。然而GIS 設(shè)備因其采用全金屬封閉結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部機械結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜和龐大，一旦發(fā)生故障，影響范圍大且難以準確定位及快速搶修，影響故障后的設(shè)備投運，導(dǎo)致嚴重的經(jīng)濟損失。因此，及時有效發(fā)現(xiàn)GIS 設(shè)備內(nèi)部潛伏性缺陷并準確判斷GIS 設(shè)備內(nèi)部缺陷類型及位置，對保障GIS 設(shè)備安全穩(wěn)定運行具有重要意義[6-9]。

設(shè)備運行時的振動信號可以有效反映機械狀態(tài)，是表征設(shè)備機械特征的重要參數(shù)[10-12]。因為振動信號具有不受電磁輻射干擾的優(yōu)點，所以受到專家學(xué)者的廣泛關(guān)注，被應(yīng)用于各類電力設(shè)備的機械缺陷診斷并取得了成功應(yīng)用。馬宏忠團隊研究了三相分箱式和共箱式GIS 的振動產(chǎn)生機理，并對GIS 母線筒的模態(tài)特性進行了仿真分析[13-14]。劉寶穩(wěn)基于AlexNET 模型斷路器分合閘時的機械故障進行識別[15]；高凱通過溫升下的振動信號特征提出了檢測觸頭接觸程度的方法[16]。趙洪山利用粒子濾波算法對GIS 振動信號進行分析，結(jié)合自適應(yīng)閾值方法實現(xiàn)了GIS 機械缺陷的診斷[17]。吳旭濤利用有限元模型研究了螺栓松動時的GIS 振動信號傳遞特性[18]。上述研究通過對GIS 運行時的振動信號進行處理，實現(xiàn)了對GIS 機械狀態(tài)的診斷。汲勝昌團隊研究了變壓器的振動機理和特性，并提出了一套基于掃頻阻抗的變壓器機械缺陷診斷方案[19]，但該方法還僅僅應(yīng)用于變壓器，并未在GIS 上進行嘗試。振動頻響法最早是在變壓器上進行應(yīng)用的，即通過機械或電激勵的方法使得變壓器繞組產(chǎn)生振動，同時在油箱表面布置測點采集振動信號，進而通過激勵與響應(yīng)的函數(shù)關(guān)系（振動頻響函數(shù)）進行繞組狀態(tài)的診斷[20]。GIS 也可以看作是一個復(fù)雜多自由度機械結(jié)構(gòu)，其在一定的外加激勵力作用下也會產(chǎn)生特定的振動響應(yīng)。當對GIS 受到力錘式的機械脈沖激勵或多頻率的電激勵時，會在外殼上產(chǎn)生特定的振動響應(yīng)。通過檢測GIS 在寬頻機械或電激勵下的振動響應(yīng)，就能判斷其是否存在結(jié)構(gòu)變形等機械缺陷，這種方法也是傳統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)模態(tài)分析方法在電力設(shè)備中的擴展應(yīng)用。

基于上述振動頻響法的思路，本文通過對GIS施加不同頻率機械力激勵的方法進行激振，同時檢測此時母線筒的振動響應(yīng)信號，在保證激勵不變的情況下，對比分析GIS 正常及存在機械缺陷時的振動頻率響應(yīng)特性，從而提出一種GIS 機械狀況的診斷方法，這對于保證GIS 的安全穩(wěn)定運行具有指導(dǎo)意義。

1 GIS振動測試平臺

1.1 多頻振動激勵方法

1）機械激勵：借助于試驗?zāi)B(tài)分析的方法進行，即人為地對GIS 外殼施加動態(tài)機械激勵，然后采集GIS 母線筒多點的振動頻率響應(yīng)信號[21-26]。這種動態(tài)機械激勵以輸入激勵力的信號特征有多種形式，包括：正弦掃描（多個頻率的激勵依次施加）、穩(wěn)態(tài)隨機（包括白噪聲、寬帶噪聲或偽隨機，同時輸出多個頻率的激勵力，對被測設(shè)備進行激勵）、瞬態(tài)激勵（如采用力錘敲擊的方式，所施加的實際上是一個脈沖力的形式，其頻域分布較寬）等。此外，由于GIS 中斷路器操動時會產(chǎn)生很大的暫態(tài)振動，相當于一個暫態(tài)的機械激勵，會導(dǎo)致GIS 本體產(chǎn)生振動響應(yīng)，對其進行分析有望檢測GIS 存在的機械缺陷。

2）多頻正弦波激勵：采用多頻率合成的大電流發(fā)生器，直接在GIS 母線上施加不同頻率的大電流，然后測量此時外殼上多點的振動信號，得到其振動頻率響應(yīng)。

工程中常采用基于大功率三極管的信號放大技術(shù)和基于SPWM 的開關(guān)電源技術(shù)兩種方式實現(xiàn)多頻率大功率信號合成。基于大功率三極管的信號放大技術(shù)先用數(shù)模變換產(chǎn)生與所需信號波形相同的小信號（功率小，電壓低），然后利用大功率三極管的放大特性對該信號進行功率放大。這種方法的優(yōu)點是信號高保真，因為三極管工作在線性區(qū)，放大前后的信號可以保持高度一致，信號波形很純凈，幾乎不存在干擾。三極管工作在線性區(qū)的缺點是工作效率很低，而發(fā)熱很高。當采用這種原理的電源帶無功負載時，發(fā)熱問題將更為嚴重，所以這種工作方式的電源帶無功能力很差，一般不超過其總?cè)萘康?0%；另外一種實現(xiàn)方法是使用SPWM 工作方式的開關(guān)電源，其利用大功率IGBT元件來實現(xiàn)多頻率信號的輸出，可以有效解決功耗發(fā)熱和帶無功問題，但其缺點是輸出信號中存在因開關(guān)過程引入的高頻干擾。由于GIS 設(shè)備本身可等效于一電容元件，在實驗時需要大量的無功，所以用SPWM 工作方式的電源更符合要求。

3）采用衰減振蕩沖擊電流激勵：這種方法是一種等效于多頻率正弦波電流激勵的方法，采用沖擊電流的產(chǎn)生回路，電容器充電后對被試GIS 放電，使得該沖擊電流產(chǎn)生回路工作在欠阻尼狀態(tài)，從而產(chǎn)生衰減的振蕩沖擊電流，調(diào)整合理的電路參數(shù)可改變振蕩頻率，從而等效于不同頻率正弦波的激勵。

上述3 種方法，機械領(lǐng)域一般都是采用第一種方式，但這種方法一般是在外殼表面激勵，與GIS實際上是導(dǎo)桿流過大電流而受力存在差別，且由于GIS 設(shè)備剛度和質(zhì)量重，對機械激勵裝置要求輸出的激勵要求較高。第2 種方法是一種較常規(guī)的方式，已經(jīng)應(yīng)用于變壓器、電容器等設(shè)備的振動頻率響應(yīng)測試，由于需要輸出大電流，對設(shè)備功率要求較高，一般大功率多頻輸出設(shè)備還包含有高頻變壓器，整個裝置的體積大、重量重，在現(xiàn)場應(yīng)用時存在困難。第3 種方法是一種等效的方法，輸出的是一種振蕩衰減的電流，但一般持續(xù)時間較短，且實際電流逐漸減小，是一種幅值變化的多頻激勵方式。

1.2 振動測試平臺

上述3 種方法基本原理都是類似的，可根據(jù)實際進行選擇使用。為測量不同頻率力激勵下的GIS振動信號，在實驗室搭建了如圖1 所示的振動測試平臺。該平臺由多頻激勵產(chǎn)生裝置、252 kV GIS、振動加速度傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、信號采集系統(tǒng)組成。整個平臺可以分為激勵回路和振動測試回路。

圖1 振動測試平臺Fig.1 Vibrationtest platform

激勵回路：可按上述3 種方式進行選取，從原理上得到的結(jié)果是類似的。本文選取的是多頻率的類正弦波電流激勵，使得GIS 導(dǎo)桿分別流過不同頻率的電流信號，激勵其振動。

振動測試回路：將振動加速度傳感器粘貼于GIS 外殼上，然后通過數(shù)據(jù)線和采集卡將傳感器連接至信號采集系統(tǒng)。

1.3 振動信號采集裝置

振動傳感器可以分為振動位移傳感器、振動速度傳感器、振動加速度傳感器。振動位移傳感器是基于電器感應(yīng)原理進行測量，易受到電磁輻射的干擾，不適合用于電力設(shè)備振動信號的測量；振動速度傳感器頻響范圍較小，無法滿足斷路器分合閘振動信號的測量要求；振動加速度傳感器具有靈敏度高、頻響范圍寬、抗電磁干擾能力強的優(yōu)點，常被用于各類振動信號測量。實驗過程中采用的振動加速度傳感器主要參數(shù)見表1。

表1 振動加速度傳感器參數(shù)Table 1 Parameters of vibration acceleration sensor

1.4 振動信號測量系統(tǒng)

本文使用的GIS 振動信號測量系統(tǒng)界面見圖2。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)測量頻率調(diào)節(jié)、測量時長調(diào)節(jié)、時域波形顯示、自動觸發(fā)采集、自動保存、頻域分析等功能。

圖2 振動信號測量系統(tǒng)Fig.2 Vibration signal measurement system

測量得到的振動信號見圖3。

圖3 振動響應(yīng)信號Fig.3 Vibration response signal

2 數(shù)據(jù)分析方法

2.1 小波時頻分析

目前，常用的振動信號處理方法是基于快速傅里葉變換的頻域分析法?？焖俑道锶~變換是將振動信號轉(zhuǎn)化為一系列不同頻率正弦函數(shù)的組合，得到信號的不同頻率分量。掃頻電流激勵下的振動信號為非穩(wěn)態(tài)信號，信號的頻率分量隨時間不斷變化，快速傅里葉變換只能顯示信號包含的頻率分量，并不能有效展現(xiàn)信號頻率隨時間的變化規(guī)律。本文除頻域分析外，還采用小波時頻分析對振動信號進行處理。小波變換的公式為

可以看出，小波基函數(shù)ψ有兩個變量：尺度a和平移量τ。尺度a控制小波函數(shù)的伸縮，對應(yīng)于頻率；平移量τ控制小波函數(shù)的平移，對應(yīng)于時間。經(jīng)過小波變換后，既可以得到信號包含的頻率分量，又可以得到信號頻率隨時間的變化規(guī)律。

2.2 梯度矩陣

梯度矩陣（matrix of oriented gradient，MOG）是通過計算圖片像素值變化速率來提取特征值。因此，他可以描述圖像的形狀特征和像素的變化情況。具體計算步驟如下：

1）計算梯度。設(shè)某圖片的像素值見圖4，以該圖片為例介紹梯度的計算方法。

圖4 圖片的像素值Fig.4 Pixel value of the image

設(shè)像素點Pc的梯度值為Gc，那么Gc的幅值|Gc|和相角φ可以按照以下步驟計算為

2）計算梯度向量。將圖片中每16×16 個像素矩陣設(shè)為一個像素元胞。將0°～360°等分為9 個間隔，每個間隔為40°。根據(jù)像素梯度的X分量GcX和相角φ，可以把像素的梯度分別劃分到各個區(qū)間內(nèi)。以圖3 中的Pc為例，GcX=11＞0，0°＜φ=36°＜40°，|Gc|=13.6。因此，Pc屬于第1 個間隔，將他的梯度幅值按比例放入0°與40°，具體分配比例見圖5。在像素元胞內(nèi)不斷重復(fù)以上步驟，將元胞內(nèi)所有像素點的梯度幅值分別寫入相應(yīng)的間隔，就可以得到一個1×9 的向量，該向量就是像素元胞的梯度向量。

圖5 梯度幅值分配Fig.5 Gradient amplitude distribution

3）歸一化。為了消除信號中背景噪聲的影響，對上述步驟得到的梯度向量進行歸一化處理。將2×2 即4 個像素元胞設(shè)為一個像素塊。將像素塊內(nèi)的4 個像素元胞的梯度向量組合成一個1×36 的向量，然后用向量中每個元素除以該向量的模，便可以得到歸一化之后的梯度向量（normalized gradient vector，NGV）。在整個圖片上重復(fù)上述步驟，便可以得到該圖片的歸一化梯度矩陣（normalized gradient matrix，NGM）。

2.3 相似度

1）余弦相似度。余弦相似度（COS-Similarity）通過計算兩個向量的夾角來描述兩個向量之間的差異。這種相似性主要考慮方向而不是兩個矢量的幅度一致性。NGM 被重構(gòu)為一維向量，稱為NGM-Vector。在使用方向信息時，他也可以使用NGM 中每個元素的幅度信息。余弦相似度計算方法為

2）差值平方和相似度。

差值平方和相似度（D-Similarity）通過計算兩個NGM 之間的差異值來衡量相似度。假設(shè)P（圖片的像素矩陣）的大小為m×n。

差值平方和相似度計算方法為

3 實驗結(jié)果

為探究不同機械狀態(tài)下的GIS 振動情況，本文在實驗室252 kV GIS 上模擬了隔離開關(guān)接觸不良缺陷，見圖6。隔離開關(guān)的分合是由拐臂的轉(zhuǎn)動實現(xiàn)的，通過調(diào)整隔離開關(guān)的拐臂角度即可調(diào)整隔離開關(guān)動靜觸頭的接觸程度。當拐臂位于圖6 中上黑色線條所在角度時，隔離開關(guān)接觸良好；當拐臂位于圖10 中下黑色線條所在角度時，隔離開關(guān)接觸不良。

圖6 隔離開關(guān)缺陷模擬示意圖Fig.6 Simulation schematic diagram of disconnect or defect

3.1 不同電流頻率下的GIS振動特性

1）隔離開關(guān)接觸良好。

激勵平臺輸出的激勵力頻率為200～1 000 Hz 時，不同頻率下GIS 振動響應(yīng)信號的時頻圖見圖7。圖中右邊顏色柱由下到上代表振動幅值由小到大。由圖7 可知，不同激勵頻率下，GIS 振動響應(yīng)信號的頻譜幾乎一致，響應(yīng)信號的主頻為1 200 Hz，持續(xù)時間為1 s；在1 500 Hz、1 700 Hz 處也出現(xiàn)了峰值，持續(xù)時間為0.7 s。

圖7 時頻圖Fig.7 Time frequency diagram

2）隔離開關(guān)接觸不良。

隔離開關(guān)接觸不良時，激勵力頻率同樣為200～1 000 Hz，不同頻率GIS 振動響應(yīng)信號時頻圖見圖8。由圖8 可知，不同電流頻率下，GIS 振動信號的頻譜幾乎一致，振動響應(yīng)信號的主頻為850 Hz，持續(xù)時間為0.3 s；在1 200 Hz、1 500 Hz、1 700 Hz 處出現(xiàn)了峰值，其中1 200 Hz 持續(xù)時間為1 s，1 500 Hz 和1 700 Hz 持續(xù)時間為0.7 s。

圖8 時頻圖Fig.8 Time frequency diagram

對比隔離開關(guān)接觸良好和接觸不良時的振動特性，可以看出，GIS 振動頻率響應(yīng)只與機械狀態(tài)有關(guān)，不隨激勵頻率的變化而變化。這是由一般機械激勵力持續(xù)時間短，在GIS 外殼建立穩(wěn)態(tài)振動之前，機械激勵力的作用已經(jīng)消失。GIS 的振動是瞬態(tài)激勵下的非受迫振動，表現(xiàn)出GIS 的固有振動頻率。因此，GIS 的振動頻率響應(yīng)只與其內(nèi)部的機械狀態(tài)有關(guān)。

3.2 不同機械狀態(tài)下的時頻圖相似度

由于GIS 振動頻譜不受激勵力的頻率影響，因此激勵力的頻率為200 Hz 時，測量隔離開關(guān)接觸良好和接觸不良時的振動響應(yīng)信號各10 次，并計算每次振動與隔離開關(guān)接觸良好時第1 次振動的相似度。結(jié)果見圖9。可以看出，隔離開關(guān)接觸不良時與正常狀態(tài)下的相似度差異明顯，其余弦相似度在0.5～0.6 之間，與正常狀態(tài)下的相似度差值為約為0.2，變化率為27%；隔離開關(guān)接觸不良后差值平方和相似度在0.25～0.3 之間，變化率約為50%。

圖9 時頻圖相似度Fig.9 Similarity of time frequency diagram

3.3 隔離開關(guān)接觸不良診斷方案

如圖9 所示，當隔離開關(guān)接觸不良時相似度會顯著降低，變化率在20%～50%。因此，本文基于時頻圖梯相似度提出了一套用于隔離開關(guān)接觸不良缺陷的檢測方案，方法如下：

通過可輸出多頻率的機械激勵發(fā)生裝置對GIS施加多個頻率的力作用，同時測量隔離開關(guān)處的振動信號，并計算該振動信號的時頻圖與正常情況的相似度。當COS-Similarity ∈[0.7，0.8]且D-Similarity ∈[0.4，0.5]，隔離開關(guān)正常無故障；當COS-Similarity ∈[0.5，0.6]且D-Similarity ∈[0.25，0.3]，隔離開關(guān)可能接觸不良。

4 結(jié)語

基于多頻機械激勵產(chǎn)生裝置和振動采集系，本文搭建了GIS 振動頻率響應(yīng)試驗平臺，實現(xiàn)了GIS在多頻激勵力作用下振動頻率響應(yīng)的測量，該平臺也可模擬實際運行中常見的隔離開關(guān)接觸不良缺陷。根據(jù)在多頻力激勵下GIS 振動響應(yīng)信號的特點，利用小波時頻分析的方法，對振動信號的時頻域特征進行分析。主要結(jié)論如下：

1）在不同頻率激勵力作用下，GIS 振動只與內(nèi)部機械狀態(tài)有關(guān)，不隨電流頻率的變化而變化。

2）基于時頻圖的梯度矩陣相似度，本文提出了一種適用于診斷GIS 機械缺陷的方法。

3）給出了振動信號的時頻圖與正常情況相比時時頻圖梯度矩陣相似度的取值范圍，能夠?qū)Ω綦x開關(guān)接觸不良缺陷進行有效診斷。

在今后的研究中，將繼續(xù)對各種不同的多頻激勵方式進行對比，分析所獲得的振動頻率響應(yīng)信號的異同，提出相應(yīng)的激勵設(shè)備參數(shù)、激勵方式選擇方法及技術(shù)改進方案等。此外，還應(yīng)進一步對各類常見的GIS 機械缺陷進行模擬，實現(xiàn)多種機械缺陷的檢測與識別方法，推進多頻激勵方式檢測GIS 的機械狀況的現(xiàn)場應(yīng)用。