一种GIS设备机械振动异响缺陷模拟系统及方法

技术领域

本发明属于气体绝缘金属封闭开关设备领域，涉及一种GIS设备机械振动异响缺陷模拟系统及方法。

背景技术

气体绝缘金属封闭开关设备(Gas Insulated Switchgear—GIS)具有可靠性高、维护成本低、占地面积小等特性而被广泛使用，在电力系统中主要起控制和保护的作用。然而，GIS设备在其运行过程中，由于绝缘及机械缺陷产生的故障仍时有发生，尤其是机械缺陷，存在缺陷潜伏类型多，危害性大，检修困难等特点。当GIS设备存在触头接触不良，导电紧固件螺栓松动等缺陷时，在开关的操作力和负载电流产生的交变电动力等作用下就会产生异响振动。长期的振动缺陷会产生六氟化硫气体泄露、盆式绝缘子或绝缘支柱损伤等危害，逐渐发展甚至会导致导体短路和绝缘击穿等事故的发生。因此，加强对GIS设备内部机械缺陷的研究，掌握缺陷和负载变化下GIS设备的振动规律，提供检测技术手段，有利于保障设备的安全运行。

发明专利《一种GIS母线振动情况监测装置及监测方法》提供了一种多点传感器、监控终端与阈值诊断法结合的GIS振动预警系统，主要针对GIS母线振动，未涉及GIS其它部件和具体缺陷的模拟方法。发明专利《一种基于振动检测的GIS设备机械缺陷诊断系统及方法》提供了指纹数据库和诊断模块结合的GIS设备缺陷诊断系统，主要侧重振动缺陷的诊断。刘宝稳等人研究了一种基于S变换D-SVM AlexNet模型的GIS机械故障诊断与试验分析方法，主要针对GIS断路器操作机构的冲击性振动特性。

归纳起来，目前在GIS设备机械振动异响缺陷模拟方面仍存在以下主要问题：

1)对操作型机械振动关注多，对周期性异响振动研究少。目前针对GIS绝缘缺陷的研究的检测方法多样，涵盖声、光、电、水分、气体等物理和化学相关检测方法。但对于GIS的机械缺陷，往往都集中于断路器的操作机构卡涩或疲劳导致的动作过程中的振动异常，对于运行状态下的GIS内部由于紧固螺栓松动导致的零部件松动缺陷、弹簧的疲劳松动故障等异响性缺陷在电磁激励下的异响振动却很少关注。

2)缺乏不同类型振动缺陷的模拟及振动指纹特征的对比研究。由于GIS设备内部结构单元多样复杂，难以拆卸。尤其是对于现场运行的GIS设备，其检修工作繁杂，停电检修时间长。因此，已有的GIS设备内部机械缺陷研究往往呈现案例性、局部性和类型匮乏等特征，没有充分的对多类型、多构件、多缺陷程度的GIS内部机械缺陷进行分类比较性研究，尚未建立完备的振动特征指纹图谱和数据特征库。

3)缺乏高电压大电流同时加载下分体式和共体式真型GIS设备振动特性的对比研究。一是目前缺乏分体式和共体式真型GIS设备振动特性的对比研究平台，现有平台只能进行电压或电流的单一加载，不能进行耦合作用研究，不能充分模拟现场GIS设备运行振动状态；二是现有简单的GIS设备振动特性模拟装置，与现场分体式和共体式真型GIS设备相差甚远，振动特性模拟存在局限性。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种GIS设备机械振动异响缺陷模拟系统及方法，实现断路器、隔离开关、接地开关等单元的操作型异响机械缺陷，以及导电回路和低电位回路的磨损、疲劳、松动等相关周期性异响缺陷的模拟设置，同时可分析负载变化下的振动特性变化。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一方面，本发明提供一种GIS设备机械振动异响缺陷模拟系统，包括主回路及振动异响缺陷模拟模块、谐振升压和感应升流模块、振动特性检测模块、测量和操作控制模块以及接地和过流保护模块；

所述主回路及振动异响缺陷模拟模块用于完成缺陷模拟动作，包括由断路器、升流器、接地开关、隔离开关、加速度传感器连接形成的主回路，还包括设置在断路器上的高压套管，所述主回路内充有绝缘气体，所述主回路与地之间采用绝缘支撑板进行支撑和隔离；

所述谐振升压和感应升流模块用于对主回路生成负载，包括谐振升压部和感应升流部；所述谐振升压部包括并联的依次串联的试验变压器组、电抗器、第一电容器，所述电抗器经试验变压器组组成调谐变压器组合，所述电抗器与第一电容器在工频下发生串联谐振，所述谐振升压部连接至高压套管，所述试验变压器组包括第一试验变压器和第二试验变压器；所述感应升流部包括串联的电源、第三试验变压器和第二电容器，所述感应升流部与所述升流器连接；

所述振动特性检测模块包括与上位机连接的压电式加速度传感器、信号采集卡以及信号调理器，用于对GIS缺陷模拟回路的振动信号进行A/D转换、信号调理和滤波处理，上传至上位机进行模态分解、频谱转换，实现特征量的提取和机械异响缺陷模式辨识；

所述测量和操作控制模块用于对电压电流信号进行测量、显示和升降控制；

所述接地和过流保护模块用于当电流超过设定值时，自动切断电路。

进一步，所述主回路及振动异响缺陷模拟模块为独立分体式，包括三个相同的所述主回路，每个主回路上各设有一个高压套管，每个主回路之间采用绝缘支撑板进行支撑和隔离；所述的每个主回路的高压套管共同通连接同一个谐振升压部，所述的每个主回路的升流器分别连接有一个感应升流部。

进一步，所述主回路及振动异响缺陷模拟模块为三相共体式，仅有一个所述主回路，所述主回路上设有三个高压套管，所述三个高压套管共同通连接同一个谐振升压部，所述主回路的升流器并联有三个感应升流部。

进一步，所述主回路内充的绝缘气体为六氟化硫，所述主回路外设有消磁铝制合金材料壳体，壳体间采用螺栓和盆式绝缘子进行支撑或紧固，所述主回路内部导体采用金属铜作为导电材料，导体和导体之间采用动触头或静触头进行转向和连接。

进一步，所述主回路外还连接有避雷器、电压互感器、电流互感器，主回路内部嵌入分子筛容器。

进一步，所述测量和操作控制模块利用变压器接电压互感器和电压表测量输入端的电压大小，利用分压器和静电电压表测量谐振升压后的电压输出，通过对每个主回路的每相导线外加电流互感器，测量每相导线的电流变化，并通过控制台按键驱动直流电机对电流和电压进行升降控制，并通过数码表实时显示。

另一方面，本发明提供一种GIS设备机械振动异响缺陷模拟方法，包括以下步骤：

S1：机械异响缺陷设置；

S2：振动检测模块安装、系统接线和回路检查；

S3：电压电流调节和振动检测。

进一步，步骤S1具体包括：

S11：六氟化硫气体释放和存储；

S12：缺陷相关结构单元拆解和吊装；

S13：缺陷设置，包括隔离开关、长导杆接触座、分子筛吸附剂容器的缺陷设置；

S14：缺陷相关结构单元重新紧固；

S15：六氟化硫气体注入回路内部至标准压力水平；

所述隔离开关缺陷设置包括：①对隔离开关的弹簧进行拆解，设置弹簧疲劳松动缺陷；②对隔离开关屏蔽罩的螺栓进行拆卸或拆松，设置屏蔽罩螺栓松动缺陷；③调节隔离开关操作把手，采用回路电阻仪；④串联入主回路测量隔离开关触指接触状态，设置触头接触不良缺陷；

所述长导杆接触座缺陷设置包括：对导杆的接触底座的一个或者多个螺栓进行拆松或拆卸，设置长导杆触座螺栓松动缺陷；

所述分子筛吸附剂容器缺陷设置包括：对分子筛器皿的一个或者多个螺栓进行拆松或拆卸，设置分子筛器皿螺栓松动缺陷。

进一步，步骤S2中，具体包括以下步骤：

S21：对振动检测模块进行安装，安装基座选择无涡流损耗的塑料基座，将基座固定到缺陷设备位置，并使用耦合剂改善基座和检测模块之间的信号耦合特性，模块信号线依次连接检测位置的传感器端子、检测设备和上位机；

S22：系统接线，连接成前述GIS设备机械振动异响缺陷模拟系统；

S23：接线完毕后再次进行回路检查确保无短路和断线情况，取下接地电极。

进一步，步骤S3具体包括：

S31：调节电流、电压信号，进行负载的单一加载或耦合加载；

S32：进行异响振动信号检测；

S33：振动检测完毕后将电流和电压缓慢降至0后再断开电闸。

本发明的有益效果在于：与现有技术相比，第一，本专利缺陷模拟装置主回路集合了真型断路器、接地开关、隔离开关等操作机构部件，也安装了真型避雷器、电压互感器、电流互感器、分子筛容器等GIS设备零部件，设备类型完备，可设置多个部件的机械振动缺陷，灵活多样，同时提供了不同部件机械异响振动缺陷设置方法。第二，本缺陷模拟装置搭建了单相独立式和三相共体式两种GIS设备回路类型，与工程实际情况相符，既可模拟相与相之间电磁耦合作用下的振动信号差异和相互作用特征，又可模拟单相独立GIS设备的振动特性。第三，本缺陷模拟装置引入了谐振升压和感应升流的方式，建立了高电压大电流耦合加载系统，能实现GIS设备不同负载条件的振动状态模拟。第四，在机械异响振动缺陷模拟的同时，本专利包含了振动信号检测分析模块，实现了振动信号的采集、调理和信号处理，可以实时的监测振动特性，实现频谱分析。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为GIS设备机械振动异响模拟系统结构组成单元示意图；

图2(a)为三相独立式GIS设备机械异响振动模拟系统结构示意图，(b)为三相共体式GIS设备机械异响振动模拟系统结构示意图；

图3为谐振升压原理示意图；

图4为振动特性检测模块结构示意图；

图5为GIS设备机械振动异响模拟系统具体使用流程示意图；

图6为GIS设备机械振动异响模拟系统的回路接线电路图；

图7为正常状态(a)和隔离开关接触不良缺陷(b)的GIS设备振动信号时域和频域波形；

图8为正常状态(a)和隔离开关接触不良缺陷(b)的GIS设备振动信号时频域重构波形。

附图标记：第一试验变压器①、第二试验变压器②、电抗器③、第一电容器④、高压套管⑤、断路器⑥、升流器⑦、第三试验变压器⑧、第二电容器⑨、控制台⑩、加速度传感器

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

本发明提供一种GIS设备多类型机械振动异响缺陷模拟装置及使用方法，该缺陷模拟装置主要由主回路及振动异响缺陷模拟模块、谐振升压和感应升流模块、振动特性检测模块

本发明所述GIS设备多类型机械振动异响缺陷模拟系统由5个模块组成如图1所示，包括主回路及振动异响缺陷模拟模块、谐振升压和感应升流模块、测量和操作控制模块、接地和过流保护模块和振动特性检测模块

(1)主回路及振动异响缺陷模拟模块

主回路如图2.(a)和图2.(b)中的高压套管⑤、断路器⑥、升流器⑦、加速度传感器

具体的机械振动异响缺陷类型一般分为操作型异响机械缺陷和周期性异响机械缺陷，具体如下：

操作型异响机械缺陷：

断路器、隔离开关、接地开关等单元的操作构件卡涩，操作电压过低，辅助开关接触不良等。

周期性异响机械缺陷：

高电位导电回路：隔离开关触指磨损差程、弹簧疲劳松动、接触不良、导体的接触底座螺栓松动、绝缘子紧固螺栓松动等。

低电位壳体和零部件：壳体紧固螺栓松动、壳体对接不平衡、分子筛器皿螺栓松动、屏蔽罩螺栓松动等。

(2)谐振升压和感应升流模块：

串联谐振升压模块是利用L-C串联谐振原理，使回路能受到交流高电压的作用，而降低了对变压器的容量需求。谐振升压模块如图2.(a)和图2.(b)中所示，包括第一试验变压器①、第二试验变压器②、电抗器③、第一电容器④等。低压电抗器经变压器组成调谐变压器组合，可施加0～220kV负载电压。工作时，调整电抗器L的大小，使之与电容C在工频之下发生串联谐振。在谐振时，回路上的电压U

采用电磁感应式升流器进行电流调节，感应升流组成模块如图2.(a)和图2.(b)中所示，包括升流器⑦、第三试验变压器⑧、第二电容器⑨等，可施加0～3150A负载电流。

(3)振动特性检测模块

振动特性检测模块

(4)测量和操作控制模块：

操作控制模块起对电压电流信号的测量、显示和升降控制等作用。利用变压器接电压互感器和电压表测量输入端的电压大小，利用分压器和静电电压表测量谐振升压后的电压输出。通过对每个回路的每相导线外加电流互感器，从而测量每相导线的电流变化。电流和电压可通过控制台⑩进行按键驱动直流电机进行升降控制，并通过数码表实时显示。

(5)接地和过流保护模块

系统进行统一接地，当由于回路电压过高或者局部放电等原因导致回路内部发生空气击穿，使试验变压器的工作电流大大增加，当电流超过设定值时，过流保护模块将自动切断电路。

本发明还提供上述GIS机械异响模拟系统的一种具体使用方法。

多类型GIS设备机械振动异响缺陷模拟装置使用步骤一般为机械异响缺陷设置，振动检测模块安装、系统接线和回路检查，电压电流调节和振动检测三个步骤，使用流程如图5所示。

第一步：多类型机械异响缺陷设置：

GIS机械异响模拟系统可以实现操作型机械缺陷带来的瞬态振动异常模拟和运行状态下由于构件疲劳、松动接触不良等带来的异响机械振动模拟。对机械异响缺陷既可设置单一类型缺陷，也可多类型缺陷同时设置。设置缺陷的一般步骤为：

1)六氟化硫气体释放和存储；

2)缺陷相关结构单元拆解和吊装；

3)缺陷设置；

4)缺陷相关结构单元重新紧固；

5)六氟化硫气体注入回路内部至标准压力水平。

GIS设备常见的机械缺陷类型一般分为操作型异响机械缺陷和周期性异响机械缺陷，主要的构件单元和一般缺陷的分类如表1所示。

表1.多类型机械异响缺陷分类表

对本系统的隔离开关、长导杆的接触座、分子筛吸附剂的容器三个结构单元进行缺陷设置，其设置方法如下：

隔离开关:对隔离开关的弹簧进行拆解，设置弹簧疲劳松动缺陷；对隔离开关屏蔽罩的螺栓进行拆卸或拆松，设置屏蔽罩螺栓松动缺陷；调节隔离开关操作把手，采用回路电阻仪串联入主回路测量隔离开关触指接触状态，设置触头接触不良缺陷。

长导杆触座:对导杆的接触底座的一个或者多个螺栓进行拆松或拆卸，设置长导杆触座螺栓松动缺陷。

分子筛器皿：对分子筛器皿的一个或者多个螺栓进行拆松或拆卸，设置分子筛器皿螺栓松动缺陷。

第二步：振动检测模块安装、系统接线和回路检查

系统接线前先对振动检测模块进行安装，安装基座一般选择无涡流损耗的塑料基座，采用固定胶固定基座到缺陷设备位置，并使用耦合剂改善基座和检测模块之间的信号耦合特性。模块信号线依次连接检测位置的传感器端子、检测设备和电脑。

GIS机械异响模拟系统的回路接线电路图如图6所示，ES表示接地开关，DS表示隔离开关，S代表普通开关，CB代表断路器，LA代表避雷器，TV表示点电压互感器，TA表示电流互感器，BSG表示高压套管。电流控制回路接线前首先检查电源开关是否断开，然后根据实验需求进行单相或多相电流线连接，升流电路接线顺序分别为电源、变压器、电容器和升流器。电压控制回路接线前，首先检查电压保护开关是否断开，启动开关是否断开，接线前首先进行接地保护，谐振调压电路接线顺序为变压器、电抗器、电容器、高压套管。接线完毕后再次进行回路检查确保无短路和断线情况，取下接地电极。

第三步：电压电流连续调节和振动检测

根据实验需要进行电流、电压信号调节，根据实验需求进行负载的单一加载或耦合加载。回路电流的升流时间一般不宜过长，以免回路温升过高从而加速设备老化。回路稳定好根据实验需求进行异响振动信号检测。振动检测完毕后将电流进行缓慢降至0后再断开电闸，电压同理。

本实施例提供一种典型GIS设备机械振动异响缺陷的模拟和检测案例分析。

采用上述流程在本实验平台进行了隔离开关接触不良缺陷的振动模拟，设置负载电流为2400A，同时采用振动检测模块进行了信号检测、处理和特征分析，并与正常状态下GIS设备的振动波形和分析结果进行了对比，具体如下所示：

从图7可以发现，正常状态和隔离开关接触不良缺陷的频谱差异十分明显，隔离开关接触不良机械缺陷的频谱更复杂，高频区域频率响应更加明显。将两个信号的波形利用振动检测模块进行数据处理，然后分别进行模态分解、信号重构、时频转换和特征提取，得到的时频波形和特征提取结果如图8和表2所示。可以发现，经时频重构后的正常状态和隔离开关接触不良缺陷的时频分布差异更加明显，正常状态下基本没有周期性的缺陷频率响应，频谱分布较分散，而触头接触不良的频谱分布集中且幅值更加明显。分别对两种状态下的时频信号时频联合熵(s

表2.正常状态(a)和隔离开关接触不良缺陷(b)的典型特征差异

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。