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多频振动信号产生机理及实验研究

当前国内外对气体绝缘金属封闭开关设备(gas insulated metal enclosed switchgear,GIS)的异常振动,尤其是引发振动的激励源、多频振动产生机理等问题缺少实质性研究进展。首先,建立受力模型,研究引发GIS振动的激励源,得到引发分箱型GIS振动的力源值,并指出正常运行状态,三相母线间电动力是主频振动的主要激励源。触头接触不良将导致触头斥力合力增大,地脚螺栓松动将导致系统固有频率的变化,影响非线性振动响应频谱特征;然后,将GIS按照薄壁圆柱壳进行研究,计算GIS壳体多阶固有频率,建立有效的非线性振动方程,首次利用解析方法揭示非线性GIS系统多频振动信号的产生机理;最后,研制成功振动信号采集系统,在550 k VGIS产品上设置典型机械缺陷,经实验验证,系统激发出的振动响应幅值极值点及频率与理论分析结果一致。论文的研究成果可为GIS机械缺陷的检测及诊断提供一定的支持和参考。

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。

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。

局部放电在线监测与离线检测在GIS设备状态评价中的应用

为了提高气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)运行状态评价水平,介绍了GIS的主要状态监测手段,如在线检测、离线检测,以及两者相结合的实施方式。针对某220 kV变电站的实例利用在线监测和离线检测两种方式配合检测,并结合经验分析成功定位局部放电信号源,成功排除了一次局部放电。

GIS局部放电在线检测技术及应用

分析了SF6气体绝缘金属封闭开关设备(gas insulated metal enclosed switchgear and controlgear,GIS)局部放电产生的原因,结合现场应用实例,对2种GIS局部放电在线检测技术——超声波检测技术和特高频检测技术进行了应用比较,结果表明特高频检测法灵敏度高、抗电磁干扰能力强、有效测量范围大,能准确检测GIS内部绝缘缺陷,适用于长期在线监测;超声波检测法定位准确,可作为特高频检测法的补充和辅助手段;2种方法综合利用可有效发现绝缘缺陷并实现准确定位。

水和盐水对GIS用三元乙丙密封圈热老化特性的影响

气体绝缘金属封闭开关设备(gas insulated metal-enclosed switchgear,GIS)密封圈因受到水或含有盐离子的水侵蚀老化,引起SF 6气体泄漏的故障时有发生,威胁设备安全运行。为此,研究水(湿)和盐水(湿盐)对三元乙丙橡胶密封圈热老化特性的影响,对GIS三元乙丙橡胶密封圈分组进行热压缩、湿热压缩和湿盐热压缩等多因子加速老化试验,在老化10 d、20 d时测量密封圈的压缩永久变形和硬度变化率,用扫描电子显微镜观察试样外侧面形貌,用电子探针测量元素含量。结果表明:水对GIS密封圈表面有腐蚀作用,加剧了断链和氧化反应,使其产生裂纹,压缩永久变形增大;湿盐热压缩老化中湿和盐联合作用,盐水对密封圈有强腐蚀作用,试样老化以断链反应为主,使密封圈产生多孔,盐水沿孔洞进入橡胶,橡胶吸水溶胀,压缩永久变形反而较小,硬度变化率较小。湿热压缩老化、湿盐热压缩老化在压缩率20%时,与压缩率25%、30%相比,密封圈压缩永久变形更大,密封性能下降较严重。

GIS沿面放电缺陷的振动检测法分析

对于电力气体绝缘金属封闭开关设备(gas insulated metal enclosed switchgear and controlgear,GIS)绝缘子沿面放电这类较为常见且严重的局部放电缺陷,目前还没有合适的诊断方法,为此采用振动法进行故障监测和诊断。对采集的GIS振动信号进行小波包分析,发现GIS局部放电的能量主要集中在1.6~6.4kHz频段内;提出用1.6~6.4kHz频段作为特征频段,给出了局部放电特征系数,其定义为1.6~6.4kHz频段的总能量与6.4~12.8kHz频段的总能量的比值;通过观察特征系数的大小,与正常状态下的值进行比较,就可以判断GIS是否发生沿面放电缺陷;并且给出特征系数的阈值范围,对沿面放电严重程度进行划分。研究表明,该方法可以有效诊断GIS沿面放电故障,与其他方法相比,效果比较好。

正弦振动激励下GIS内自由金属微粒运动特性

自由金属微粒是影响气体绝缘组合电器(GIS)绝缘可靠性的主要威胁之一,常具有潜伏性和随机性,而GIS振动可激励微粒起跳并诱发绝缘击穿,但相关研究鲜有报道。该文建立了特高压GIS中工频电压叠加正弦振动条件下自由金属微粒的荷电、受力和运动仿真计算模型,研究了不同外施电压和振动参数对微粒运动特性的影响规律,并获得不同条件下微粒的超声飞行时间谱图。研究结果表明:初始时刻,在壳体加速度作用下,微粒起跳场强随振幅的增加逐渐降低,微粒半径对起跳场强影响随振幅的增加逐渐减小。微粒运动过程中,相邻两次碰撞间最大飞行高度与碰撞瞬间恢复速度及电压相位有关,且与微粒飞行时间呈正相关。与仅施加工频电压相比,外施振动激励条件下,微粒飞行时间图谱在电压幅值较低时即呈现明显的三角脉冲,且微粒飞行时间图谱呈山峰状,与带状飞行图谱相比具有明显差异,具有较高的识别性。

特高压1100kV GIS设备的两种技术方案

目前,应用于国家电网特高压交流示范工程1 100 kV GIS设备有两种不同的技术方案:一种GIS设备是带合闸电阻的双断口断路器,隔离开关带电阻;另一种GIS设备则是带合闸电阻的四断口断路器,隔离开关不带电阻。笔者主要从气室压力、绝缘尺寸、灭弧单元的选择、断路器带合闸电阻的定尺、隔离开关的设计等方面介绍了两种不同技术方案,同时介绍了两种技术方案在特高压GIS和HGIS变电站的布置上的不同之处。结果表明,两种技术方案都有各自的特点,都可以满足特高压变电站在技术参数和布置结构等方面的要求。

一种新型小型化252kV GIS设备的研制

分析了国内外252 kV气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)的制造水平,详细介绍了新东北电气集团高压开关有限公司新研制的252 kV、4 000 A/50 kA,除断路器与电流互感器外其他结构均共箱的GIS的设计、结构特点及型式试验情况。该产品具有自主知识产权,目前已完成全套型式试验项目,小批量生产。

一起220kV GIS断路器放电故障分析与试验研究

高电压等级的气体绝缘金属封闭开关设备(gas insulated metal enclosed switchgear and controlgear,GIS)在发生大电流短路故障时,常常由于短路能量较大,故障设备烧蚀严重而无法确定故障位置和直接原因。针对此,采用扫描电子能谱(energy disperse spectroscopy,EDS)法对发生故障的220 k V某变电站GIS设备SF6气体分解产物及故障区域表面附着物进行分析研究,结合返厂解体,同时考虑断路器设备原件的成分组成,分析了造成事故的原因。同时,在实体220 k V GIS内试验研究了铁质金属颗粒对GIS绝缘强度的影响和绝缘劣化的危险程度。结果表明:GIS断路器内存在铁质金属异物是造成事故的直接原因,厂内安装控制不严造成的带缺陷出厂为间接原因;在同一电压等级下,金属异物越大对GIS的绝缘强度影响越明显,绝缘劣化越突出,GIS越易发生闪络事故。

特高压63kA大容量GIS设备的研制

分析了国内外1 100 kV气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)的制造水平,详细介绍了西开电气公司1 100 kV,6 300 A/63 kA GIS的设计、结构特点及型式试验情况。该断路器具有在直流分量衰减时间常数120 ms的条件下开断短路电流63 kA的能力,额定电流达到6 300 A;隔离开关有不带投切电阻和带投切电阻两种结构,母线接头采用球形转换结构,满足不同的连接要求;电流互感器采用外置式整体浇注结构;整体采用低位布置,抗震性能好。该产品在国家电网专家组的见证下,在国家高压电器质量监督检验中心按照IEC 62271-100—2006、IEC 62271-203—2003、IEC 62271-1—2007、IEC 62271-102—2002等标准完成了全部型式试验项目,并通过了国家能源局组织的产品鉴定。鉴定委员会认为该产品具有自主知识产权,达到国际领先水平。

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。

基于特征光谱的GIS尖端放电特性研究

针对气体绝缘金属封闭开关设备(gas-insulated metal-enclosed switchgear,GIS)尖端放电电极材质无法确定、放电严重程度无法有效表征的难题,设计了尖端放电光谱特征试验平台及测试系统,研究SF_6环境中不锈钢、钨钢、铜、铝、石墨等5种不同电极材质下的尖端放电光谱特征。通过光谱分析,发现特征波长分布与电极材质的关系,制定了特征波长判断矩阵,并提出基于特征波长的尖端材质判断方法;同时,对于尖端放电光谱中356.54 nm、379.43 nm、398.40 nm 3个固有特征波长,提出了基于以上3个特征波长的两两相对强度的尖端放电严重程度识别方法。实验结果表明了方法的有效性和实用性。

GIS对接冲击试验方法及冲击电压波形分析

大容量GIS冲击电压试验电压波形受回路电感影响较大,影响输出波形波前时间,降低冲击试验绝缘缺陷检测的有效性。笔者从冲击试验时电压引入方式入手,基于研制的2 000 kV紧凑型冲击电压发生装置,提出了GIS对接冲击试验方法,开展了145 kV和252 kV GIS对接冲击试验。该方法利用变阻抗转接段和液压升降装置,可将冲击电压发生器电压输出端直接与GIS预留对接口相连,回路紧凑,减小了因高压导线引入的电感,提高了冲击试验波形质量。最后通过仿真软件,分析了当负载电容量较大时,回路电感对冲击电压波形参数的影响规律,缩小回路电感是解决大容量设备标准LI试验的关键。

550kV GIS隔离开关绝缘拉杆故障原因分析与应对措施

绝缘拉杆是气体绝缘金属封闭开关设备(Gas Insulation Switchgear,GIS)隔离开关承接机构和本体高压电极的重要传动部件,其性能好坏直接决定了隔离开关的可靠性。针对一起550kV GIS隔离开关绝缘拉杆典型绝缘故障,结合设备解体情况和绝缘结构特点,建立了550kV GIS隔离开关三维有限元电场仿真计算模型,分析在正常情况、绝缘层间缺陷和存在异物工况下绝缘拉杆的电位和电场分布,确定绝缘拉杆本身质量缺陷是导致其绝缘被击穿的根本原因,最后提出了增加绝缘拉杆强光检测项目,加强绝缘拉杆生产、抽检质量管控和供应商管理等应对措施。

一起500 kV GIS断路器放电故障分析

对一起500 kV气体绝缘金属封闭组合电器(GIS)断路器放电故障进行分析。通过解体检查和试验分析,确定该起故障放电闪络位置为绝缘拉杆,并给出了故障的直接原因和根本原因。为了防止类似故障再次发生,从绝缘拉杆的生产工艺、安装、检测和GIS断路器日常维护等方面提出相关建议。