基于多层融合振动数据分析的GIS设备机械缺陷诊断方法研究

气体绝缘金属封闭开关设备(gas insulated metal enclosed switchgear,GIS)机械缺陷是导致设备故障的重要因素,针对单测点、单证据机械缺陷诊断模型信息缺失和精度不足问题,该文提出一种多层融合振动数据分析的GIS设备机械缺陷诊断方法。首先,基于真型GIS设备振动模拟平台试验研究测点位置与缺陷类型对振动行为的影响特性;然后,联合统计分析、模态分解、尺度变换方法提出机械振动信号整体与局部信息关注的复合参数分析方法,引入主成分分析开展多测点振动信息的特征层融合降维;最后,提出改进放缩权重的Dempster-Shafer(DS)证据理论和Bagging投票机制的强/弱基学习器决策层融合机制,联合构建多层融合振动数据分析的GIS设备机械缺陷诊断模型。结果表明:不同类型机械缺陷信号的响应幅值、特征频点和畸变程度存在显著差异,复合特征参量大小及分散程度各不相同;同时,测点位置对缺陷信号的复合振动特征参量的表现形式及分布区间也具有一定影响;基于多层融合数据分析的诊断模型实现缺陷有效识别,辨识准确率为98.66%,相比单一分类器诊断效果提升5.83%。该文可为GIS设备机械缺陷诊断方法提供有价值的参考。

GIS绝缘子金属污秽缺陷不同程度间歇性放电诊断分析研究

针对现场气体绝缘组合电器(GIS)绝缘缺陷局部放电漏报、误报情况频发的问题,利用真型GIS搭建局放多源检测试验平台,开展绝缘子表面金属污秽缺陷间歇性放电试验,采用不同局放检测法研究不同程度间歇性放电特性变化规律。研究结果表明:金属污秽缺陷放电量随着放电时间的延长呈现先升后降的变化趋势;放电时间间隔整体呈现增加的变化趋势;超声检测法和化学检测法无法实现金属污秽间歇性放电的有效感知;由4组50个工频周期特高频(UHF)相位分辨局部放电(PRPD)图谱数据所构成的200个工频周期UHF PRPD图谱中能初步得出间歇性放电分布规律;处于间歇性放电状态的金属污秽缺陷不会逐渐发展演变成击穿放电故障。研究成果对拓展间歇性放电特征的认知及现场对GIS放电缺陷的检测具有重要意义。

上海轨道交通9号线35 kV GIS(气体绝缘金属封闭式组合电器)微水测试研究

[目的]随着城市轨道交通线网规模的扩大,对供电设备的质量、寿命等的要求越来越高。35 kV GIS(气体绝缘金属封闭式组合电器)是供电设备中的关键部件,研究影响其微水含量变化的因素对消除电气设备安全隐患、提高电气设备质量具有重要作用。[方法]分析了35 kV GIS设备微水来源及其危害性,介绍了微水测试方法和测试流程。基于上海轨道交通9号线35 kV GIS微水测试数据,分析了GIS设备气室微水含量的变化率以及温湿度对GIS微水含量的影响。[结果及结论]不同品牌GIS微水含量差异较大。湿度变化会对GIS微水含量产生显著的正向影响,温度变化并不会对GIS微水含量产生影响,温湿度对不同品牌GIS微水含量影响差异较大。因此应制定具有针对性的GIS微水含量测试计划,并采用实时在线监测装置,不断优化测试流程,达到精益化检修的目的。

基于有限元仿真的GIS支柱绝缘子性能优化

为提高金属封闭式气体绝缘组合电器(GIS)中支柱绝缘子的耐电性与机械强度,基于有限元仿真,通过拓扑优化的方法设计了支柱绝缘子内部的材料分布,研究了材料相对介电常数与杨氏模量梯度分布后绝缘子的电场分布与机械应力场分布特性。仿真结果表明:经过拓扑优化后,合理的材料参数选择可显著降低绝缘子本体与金属嵌件所形成的界面处的最大电场强度和机械应力,相较于初始的匀质支柱绝缘子,最大电场和机械应力可分别降低40%和20%以上,为增强支柱绝缘子综合性能,提高绝缘子运行可靠性提供了技术参考。

基于多信息融合的GIS状态预警系统设计

为提高特高压变电站智能化运维能力,提升气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)运行安全性,设计开发了基于多信息融合的GIS状态预警系统。通过GIS设备故障特性分析和绝缘气体六氟化硫(SF6)在设备故障过程的特性改变,得到了GIS设备不同故障类型的监测机理;引入D-S多信息融合故障预警决策算法,实现了GIS设备故障在线检测、智能决策与自动分级报警。系统在特高压南阳站进行了应用实验,实验结果证明了该预警系统监测的准确性,实现了GIS设备的在线智能化监测功能,提升了变电站智能化运维能力。

GIS设备非电接触松动缺陷的振动试验研究与特性分析

气体绝缘组合电器GIS包含设备众多,机械结构复杂,工作时处于高电压、大电流的状态,容易产生机械故障,通过振动检测可对GIS设备机械状态进行判断。为进一步研究GIS设备机械缺陷检测方法,探究设备内非电接触松动缺陷的振动特性,文中在一台550kVGIS设备上开展振动试验,在试验回路中设置内部屏蔽罩松动和外部地脚螺栓松动两种机械缺陷,通过测量不同状态、不同电流下GIS外壳的振动信号,从时域、频域方面总结振动信号特征和变化规律,并提出基本特征量的提取方法。结果表明GIS设备内部非电接触机械缺陷所产生的异常振动不会引起信号中100Hz基频分量变化,内部屏蔽罩松动缺陷会导致200Hz和300Hz分量的幅值升高;地脚螺栓松动缺陷会导致1700Hz以上频率幅值均值升高,随着电流的增加,幅值增大越明显。研究结果补充了GIS设备非电接触机械缺陷检测研究,为设备振动检测试验提供了新的思路与参考。

冲击振动下GIS内金属颗粒运动及其诱发沿面闪络特性

金属颗粒被认为是造成绝缘沿面故障的重要原因之一。运行中,断路器等开关操作产生的冲击振动会使气体绝缘组合电器(gas insulated switchgear,GIS)内静止的金属颗粒起跳,引起绝缘性能下降。为此,该文建立电场叠加冲击振动实验平台,研究冲击振动作用下金属颗粒运动诱发绝缘沿面闪络过程,分析该过程中的局放特征,探讨金属颗粒形状和尺寸对运动和闪络特性的影响。实验结果表明,冲击振动作用下GIS内静止于壳体的金属颗粒会发生起跳。跳动过程中,金属颗粒可能吸附至绝缘子表面,也可能直接引发绝缘子沿面闪络。5和6mm长线形金属颗粒较容易引发绝缘子沿面闪络,而4mm长颗粒则未能引发闪络。冲击振动作用后,5和6mm长线形颗粒引发闪络前平均跳动时间分别为445和145s。而相比于线形金属颗粒,片状颗粒更容易吸附至绝缘子表面,而不易引起突发性闪络。研究结果有助于认识实际运行中开关操作对GIS内金属颗粒运动及其引发闪络特性的影响,可有效地解释现场发生的与开关操作强相关的绝缘故障。

基于轻量级卷积神经网络的GIS绝缘和机械故障诊断方法

绝缘和机械故障是气体绝缘金属封闭开关设备(gas insulated metal-enclosed switchgear,GIS)中占比最大的故障类型,准确的故障诊断和状态评价对保证电力系统安全稳定运行具有重要意义。深度学习方法已成为故障诊断领域的主流,但传统卷积神经网络需要强大的计算资源,在计算能力一般的智能终端设备中难以应用。为此,文中提出了基于轻量级卷积神经网络的GIS绝缘和机械故障诊断方法。首先,采用空间可分离卷积代替传统卷积构造EffNet轻量级卷积神经网络,大幅度降低了模型的计算量;其次,采用迁移学习策略进行模型训练,在提升网络识别准确率的同时加快了模型的收敛速度,解决了现场数据不足的问题;最后,通过t分布随机邻近嵌入对卷积神经网络特征进行可视化,进一步验证了模型的性能。研究结果表明,具有5个EffNet卷积块的轻量级卷积神经网络模型在绝缘和机械故障诊断中的准确率分别达到94.7%和98.7%,并显著降低了参数量、存储空间和计算开销等,适用于GIS智能组件和检测仪器,是电力物联网下嵌入式系统和移动终端的最佳选择。

GIS绝缘子故障分析及处理

针对某220 kV变电站气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)绝缘子故障,对故障相和非故障相进行解体检查,利用局部放电仿真软件进行仿真分析,确定了故障原因,提出了加强设备带电检测、对有缺陷的设备进行重点监测等措施,以避免同类故障的发生,提高GIS运行的可靠性。

800 kV GIS设备用盆式绝缘子设计开发

盆式绝缘子的可靠性对整套气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)以及电网的安全运行至关重要。以800 kV GIS用盆式绝缘子为例,从盆式绝缘子的外形、屏蔽环、中心嵌件等方面综合考虑进行结构设计,应用有限元分析软件对关键部位的绝缘性能和机械性能进行仿真计算,计算结果满足判据要求,并通过型式试验验证了设计的可行性。

GIS绝缘子表面固定金属颗粒沿面局部放电发展的现象及特征

为研究气体绝缘全封闭式组合电器(gas insulated switchgear,GIS)设备中绝缘子表面固定金属颗粒沿面局部放电发展的现象及其特征,搭建了一套220 kV GIS设备沿面放电缺陷发展实验平台,采用逐步升压法对绝缘子表面固定金属颗粒的沿面局部放电进行长期试验,观察到了放电起始、发展直至沿面闪络的现象。利用测量到的局部放电随时间变化的趋势图、散点图、二维柱状图、灰度图,描述了沿面局部放电发展的现象并获得了相应的图谱特征。试验结果表明:GIS设备绝缘子表面固定金属颗粒沿面局部放电发展现象呈现出电晕放电、电晕放电和沿面流注放电共存、沿面流注放电3个主要阶段。

GIS中SF6绝缘系统缺陷放电的“0-1”现象

气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)在电力系统中广泛应用,而SF6绝缘系统缺陷放电是影响GIS安全可靠运行的关键因素之一。文中主要从SF6气体绝缘系统的特点和缺陷放电特征两方面进行综述。首先介绍了SF6气体绝缘的特点,并从电子碰撞截面的角度揭示了'缺陷敏感'的原因。其次,综述了电极凸起、绝缘子附着微粒、绝缘子内部气隙、绝缘子裂纹、自由金属微粒这5类GIS常见缺陷在工频电压下的局部放电特征,发现GIS运行气压下缺陷放电的'0-1'现象,即外施工频电压(Ua)低于击穿电压(Ub)时,缺陷诱发的局部放电量(Q)极小且增长缓慢,呈状态'0';但当Ua逼近Ub时,Q骤增且立即发生贯穿性放电,呈状态'1';状态'0'和'1'之间的转变在很窄的电压区间完成,Q随Ua的变化呈阶跃状。最后,通过'驼峰曲线'、放电形态等揭示了SF6绝缘系统中缺陷放电'0-1'现象的形成机理,即高气压SF6氛围中的缺陷放电的'无晕'击穿机制。

采用投切电阻抑制特高压GIS中特快速暂态过电压

气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)中隔离开关的操作会产生特快速暂态过电压(VFTO),可能导致GIS本体及其相连的设备(如变压器)绝缘损坏,并可能产生电磁干扰,影响二次设备。国家电网公司正在建设的中国1000kV交流特高压试验示范工程中,晋东南变电站采用GIS。计算表明,在不采取VFTO限制措施的情况下,晋东南变电站GIS本体承受的VFTO较高。为限制VFTO,建议在晋东南GIS隔离开关装设投切电阻。若采用500Ω投切电阻,VFTO峰值可由2.6p.u.下降到1.4p.u.。分析装设投切电阻对VFTO频率特性、陡度、陡波上升/下降幅度的影响,仿真隔离开关操作过程中多次重燃现象,并确定多次重燃过程中隔离开关投切电阻吸收的能耗。

基于SF_6分解产物融合判断的GIS绝缘劣化趋势划分

为实现用SF_6气体分解产物来诊断和评估气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)绝缘状态,必须寻找出恰当的特征参量,建立气体分解组分与GIS绝缘劣化的判断法则。为此构建了SF_6气体放电分解平台,做针-板缺陷下长期持续性放电分解实验以模拟GIS绝缘劣化全过程。选取SO_2F_2、SOF_2、SO_2、CF4、CO_2为特征组分,获得其在不同阶段的体积分数变化趋势。其中SO_2、SOF_2和SO_2F_2呈类"Logistic"曲线走势,表现出较好的一致性。提出用φ(SO_2F_2+SOF_2+SO_2)/φ(CO_2+CF_4)体积分数比、SO_2体积分数φ(SO_2)和(SO_2F_2+SOF_2+SO_2)体积分数变化率作为特征参量并分析其理化意义,在不同阶段特征参量变化显著,据此采用模糊分析法识别放电严重程度,建立了相应的模糊判断模型,将GIS绝缘劣化趋势划分为"正常阶段"、"劣化阶段"和"饱和阶段",分类结果与实验效果相符合。

特高压GIS盆式绝缘子沿面闪络特性研究综述

盆式绝缘子是GIS最薄弱的绝缘环节。文中统计了GIS故障缺陷类型,对GIS故障发生率进行了计算。针对盆式绝缘子沿面闪络特性影响因素进行了系统分析,包括金属颗粒、绝缘子表面缺陷、表面电荷等。探讨了金属颗粒荷电和受力情况、运动特性及其抑制措施。对盆式绝缘子表面缺陷类型、演化过程及其检测方法进行了探索。直流电压下,GIS盆式绝缘子表面极易积聚大量电荷,文中对相关作用机理、测量方法和动态过程进行了总结。详细阐述了轮廓优化,介电涂层和功能梯度材料等提高沿面闪络电压方法的特点和应用范围,对各种方法的优缺点进行了讨论和比较。结合中国在建的特高压输电工程,对GIS/GIL盆式绝缘子设计提出了一些参考性建议。

GIS局部放电特高频传感器接收特性表征研究

气体绝缘金属封闭式开关设备(gas insulated metal enclosed switchgear and controlgear,GIS)局部放电特高频(ultra high frequency,UHF)传感器的接收特性对GIS在线监测、模式识别及故障定位具有重要的影响。利用天线等效高度,研究了GIS局部放电测量时UHF传感器的接收性能,通过吉赫兹横电磁波(gigahertz transverse electromagnetic,GTEM)平台测试了A、B两种传感器的频响特性曲线,发现B传感器在300～1 500MHz测试频带内的平均天线等效高度为A传感器的1.66倍。在实际GIS平台上进行模拟局部放电检测试验,结果也表明B传感器能够有效检测的局部放电信号强度大于A传感器。上述结果表明了采用300～1 500 MHz测试频带内的等效高度曲线来表征UHF传感器接收特性的真实有效性。

220kV气体绝缘开关设备(GIS)耐压击穿故障分析

气体绝缘开关设备(GIS)相对于常规敞开式开关设备具有运行可靠性高、环境适应能力强、耐地震能力强、防污闪能力强以及占地面积和占有空间小等众多优点,近年来大量应用于电力系统。但随着电网基础建设的快速发展,GIS用量急增,厂家生产能力接近饱和,产品质量难以保证,导致基建过程中出现了大量问题,尤其是内部绝缘击穿问题,严重影响电网运行的安全。分析一起220kV变电站基建过程中GIS交流耐压试验击穿故障,通过对设备解体检查发现,该次击穿故障是由于元器件处理工艺不完善、有遗留污水所致,表明对合资企业产品均应加强监制。

550k V GIS盆式绝缘子小型化设计(一)——几何形状优化

在保证气体绝缘开关设备(GIS)绝缘强度的基础上,为减少SF_(6)气体使用量、缩小设备体积,基于有限元仿真及数值优化方法开展了针对工程实际中的550kV盆式绝缘子小型化设计研究。在中心导杆与密封罐体之间距离缩小10%的条件下,通过对盆体凸面、凹面轮廓以及两端厚度的形状优化,可使得沿面电场分布更加均匀,盆体中心导体侧及低压法兰处的机械应力集中现象得到大幅缓解。相较于原始结构,经几何形状优化后的盆式绝缘子显著提升了的电气性能和力学性能。优化后的小型化绝缘子凹面沿面最大电场强度及最大形变量可分别降低25.4%和29.9%,并可减少盆式绝缘子6.1%的环氧复合材料使用量以及GIS密封罐体内约15%的SF_(6)气体使用量。该文提出的GIS小型化改造方案兼顾了电气和力学性能,具有较高的制造可行性和应用前景,能够为紧凑型、环境友好型GIS设备的研制提供参考。

大容量GIS现场冲击试验问题探讨

受制于传统冲击试验设备技术瓶颈,现场冲击试验,尤其是标准雷电冲击试验难以开展。为此,结合气体绝缘金属封闭开关设备(gas insulated metal-enclosed switchgear,GIS)现场雷电冲击试验现状,研究了不同冲击电压波形参数对SF_6气体间隙放电特性的影响,发现冲击电压波前时间对GIS绝缘缺陷检测有效性有显著影响,在一定范围内,波前时间越短,绝缘缺陷检测有效性越高。分析了冲击试验回路参数对冲击电压波形的影响规律,发现负载电容和回路电感是影响冲击电压波前时间的主要因素,提出了2种提高冲击试验缺陷检测有效性的方法:现场试验时可采用隔离开关操作将GIS分成若干段,以减小负载电容;减小冲击电压发生器本体电感,以减小回路电感。

800kV分体结构GIS母线外壳环流特性的研究

母线外壳环流影响系统的输送容量,损耗发热,加速绝缘部分老化。构建了三相分体结构GIS母线外壳环流仿真计算模型,确定了模型的参数,分析了分体式连续型GIS母线外壳中影响外壳环流大小的因素以及各种故障下的环流特性。试验结果表明,输送相同的容量时,可采用高电压、小电流的方式;考虑地理环境和制造成本的同时,应尽量缩短相间距离,增加母线外壳的架设高度,增大母线半径,增加接地数,采用感抗较高的连接体;计算内部故障时,GIS外壳应全线接地。