互感器振动对GIS超声波局部放电检测的影响

凌卫家， 张 浩， 管敏渊

(1. 国网浙江省电力公司， 浙江 杭州 310007； 2. 国网浙江省电力公司湖州供电公司， 浙江 湖州 313000)

互感器振动对GIS超声波局部放电检测的影响

凌卫家1， 张 浩2， 管敏渊2

(1. 国网浙江省电力公司， 浙江 杭州 310007； 2. 国网浙江省电力公司湖州供电公司， 浙江 湖州 313000)

超声波局部放电检测是气体绝缘组合电器(GIS)的重要带电检测方法，但是该方法易受到电气设备机械振动的影响。本文分析了互感器的铁心和绕组等部件的固有振动原理，指出了其主要振动分量为100Hz频率分量，将造成超声检测信号中出现100Hz频率成分，可能被误判为悬浮电位放电。运用希尔伯特-黄变换分析了机械振动引起的GIS超声实测信号，获取了该信号的时频特征；结合现场检测经验，指出了机械振动引起超声局部放电检测异常的综合诊断方法。根据以上分析，提出了使用GIS超声波局部放电检测提高工程安装质量、重视与初始检测结果比较、综合诊断GIS设备的机械振动等相应对策。

气体绝缘组合电器； 带电检测； 局部放电； 超声波检测； 互感器振动

1 引言

气体绝缘全封闭组合电器(Gas Insulated Switchgear，GIS)具有占地面积小、不受外界环境干扰、运行可靠性高、检修周期长、维护工作量少、安装迅速等优点，已得到了广泛采用。由于GIS内部空间小，包含设备多，它一旦发生故障，将严重危及电网的安全稳定。其全封闭结构使技术人员无法直接检测GIS的内部情况，开仓检查难度较大，所以GIS的带电检测对及时发现其内部缺陷、避免事故发生有着重要意义[1-10]。GIS的超声波局部放电检测具有抗电磁干扰、定位缺陷方便等优点而受到重视[6]。GIS内部发生局部放电时，将产生冲击性振动，形成超声波信号。超声检测法是在GIS的金属外壳上放置超声波传感器来检测局部放电引起的超声波信号。超声检测不受电磁信号的干扰，但是会受到机械振动信号的干扰。电气设备在正常运行中，由于受到电磁力的作用，机械振动如运行中变压器的振动等，是无法完全消除的[11-13]。现场检测和文献报道中已经出现多起由于互感器机械振动造成GIS超声波局部放电检测信号异常的案例[9,14,15]，但是目前对GIS中互感器的振动原理及其频率特性缺乏深入研究，现场检测时的综合诊断方法和应对措施均存在较大不足。

本文从理论上推导了互感器的机械振动原理，运用希尔伯特-黄变换(Hilbert-Huang Transformation, HHT)分析了机械振动形成的超声信号的时频特征，将信号的这些特征和现场检测经验结合起来，提出了多项有效对策。本文结果对提高GIS超声局部放电检测的准确性、提升检测结果的分析水平都有着较为重要的指导意义。

2 振动原理

2.1 理论分析

运行中变压器的振动现象已有详细分析，此处仅对其做概括性介绍。铁心中交变磁通引发的硅钢片的磁致伸缩，以及由电磁力造成的绕组机械振动是变压器的两个主要振动源[11,16]。

磁致伸缩是铁磁材料的尺寸在磁通密度变化时发生相应变化的一种物理现象。硅钢片尺寸和磁通密度瞬时值存在一种近似的二次关系[11,16，17]，而磁通密度与外加电压存在线性关系。因此，变压器铁心尺寸ΔL与交流电压的平方成正比，即

ΔL=KM(Ucosωt)2

(1)

式中，KM为一个常系数；U和ω分别为交流电压的幅值和角频率。铁心尺寸变化对应的振动加速度aM可以表示为：

(2)

式(2)表明磁致伸缩引起的铁心振动基频为100Hz。大电流设备，如电流互感器和高压导体的屏蔽罩采用高磁导率材料，也存在100Hz频率的磁致伸缩现象。

变压器绕组处在强磁场中，当绕组中通过交变电流时，变压器绕组将发生周期性振动。绕组振动加速度的幅值aW与绕组电流iW的平方成正比[11,16，17]，即

(3)

两个50Hz工频分量相乘后得到的交流分量为100Hz分量，因此，绕组振动信号的基频也是100Hz。铁心和绕组振动信号的基频均为工频的两倍(100Hz)，磁致伸缩现象的非线性和谐波电流等因素将造成振动信号中出现部分高频分量[11,16，17]。

2.2 对超声检测的影响

GIS腔体内局部放电会产生冲击振动，超声检测是在腔体外壁上安装超声波传感器，检测局部放电振动传播出来的超声波信号[8,18,19]。电力行业标准《DL/T 1250-2013 气体绝缘金属封闭开关设备带电超声局部放电检测应用导则》(以下简称《导则》)要求超声局部放电检测仪具有超声原始信号的连续测量模式分析功能，超声信号的50Hz频率相关性和100Hz频率相关性分别是诊断电晕放电和悬浮电位放电的重要依据[20]。

悬浮电位放电是一种均匀电场或稍不均匀电场中的放电。在均匀电场或稍不均匀电场中，放电基本没有极性特征，一般在电压正半周和负半周的上升阶段均会发生击穿。击穿引起的机械振动可以被超声波检测仪检测到，导致超声信号具有两倍工频的周期性变化特征，在连续测量模式下显示出较大的100Hz频率成分。电晕放电是一种不均匀电场中的放电，在不均匀电场中，放电具有极性特征，通常在电压的正半周或者负半周的上升阶段才会发生击穿，导致超声信号具有工频的周期性变化特征，在连续测量模式下显示出较大的50Hz频率成分。

互感器是一种小型特殊变压器，也具有铁心和绕组等振动部件。这两种部件振动的主要频率分量均为100Hz分量，将造成GIS互感器气室的超声波检测信号中出现100Hz频率成分。由于该100Hz频率与GIS超声局部放电检测中悬浮电位放电的典型频率相重合[21]，当互感器振动较为强烈时，GIS超声信号中将出现较大的100Hz频率成分，此信号易被误判为悬浮放电。

3 实测结果和时频分析

3.1 现场实测

本文通过GIS电压互感器气室的超声波局部放电现场检测来研究互感器机械振动对超声信号的影响。检测仪器为兴泰公司的PD-208超声局部放电检测仪，选用采样频率为100kHz，检测频率范围为10～100kHz。如果电压互感器各部件紧密固定，其振动幅度极小。正常电压互感器气室的现场超声检测结果如图1所示，图1(b)中的频率成分1和频率成分2分别表示50Hz频率成分和100Hz频率成分，它们可通过对超声原始信号的包络线进行频谱分析得到，表征超声原始信号的周期性变化特征。时域测量模式下的正常超声信号波形非常稳定，在连续测量模式下基本没有50Hz和100Hz频率成分。

图1 正常电压互感器的现场超声检测图Fig.1 Ultrasonic-based detection results of normal PT

电压互感器各部件固定较好时，电压互感器会存在轻微振动，其气室的现场超声检测结果如图2所示。时域测量模式下的超声信号波形基本稳定，连续测量模式下有极小的100Hz频率成分，该频率与电压互感器的典型振动频率一致。这种状态下的电压互感器一般也可以认为处于正常状态。

当电压互感器在装配时，如果其铁心、绕组或其他部件有松动，那么其100Hz振动强度将显著增强。图3为电压互感器强烈振动时，其气室的现场超声检测结果。可见，在时域测量模式下的超声信号波形不再稳定，在连续测量模式下有很大的100Hz频率成分。

图2 轻微振动电压互感器的现场超声检测图Fig.2 Ultrasonic-based detection results of PT vibrating slightly

图3 强烈振动电压互感器的现场超声检测图Fig.3 Ultrasonic-based detection results of PT vibrating strongly

各部件固定良好的互感器，在连续测量模式下，互感器的典型振动将导致超声检测信号幅值比背景值稍大，但仍属于低值范围且无显著增长趋势，没有或仅有少量的100Hz频率成分。如果互感器安装时紧固不足，如屏蔽罩、铁心、绕组以及外壳连接等部件松动将导致互感器振动加剧，造成超声检测信号幅值显著增大，并包含较大的100Hz频率成分。在本地电网现场检测以及相关文献报道中，均已出现多起互感器振动对GIS超声局部放电检测造成影响的案例[9,14,15]。

如果GIS超声检测异常信号仅由机械振动造成，被测设备内部暂未发生局部放电，这时根据现场检测经验和检测案例报道总结出以下特征：

(1) 连续测量模式中100Hz频率成分占主导，基本没有50Hz频率成分，时域波形测量模式也具有明显而又稳定的100Hz周期性。

(2) 基于非机械原理的高频脉冲电流检测、超高频局部放电检测以及SF6气体化学成分分析等方法均不能检测到异常。

3.2 HHT分析

HHT[22]是一种适用于非平稳和非线性信号的动态时频分析方法，它能够给出信号的时间-频率-能量的分布特征，得到每个时刻超声信号包络线的各频率分量的瞬时值。GIS超声局部放电信号是典型的非线性、非平稳信号，运用HHT分析超声信号特征，具体步骤为：

(1) 首先对局部放电超声信号进行HHT，得到反映原始信号变化趋势的包络线信号，滤除信号中的高频分量。

(2) 对包络线信号s(t)进行经验模态分解(Empirical Mode Decomposition，EMD)，可以从该包络线中分解出从高频到低频的多个固有模态函数(Intrinsic Mode Function, IMF)[22]，即

(4)

式中，rn(t)为残余函数，代表信号的平均变化趋势；cj(t)为固有模态函数分量，包含包络线信号不同时间特征尺度的成分，其尺度依次由小到大，频率依次从高到低。

对每一个固有模态函数分量作HHT，可以得到信号的瞬时参数谱dj(t)：

(5)

根据cj(t)和dj(t)，可得到一个解析信号Hj(t)：

在对畜禽养殖过程中饲料是其不可或缺的重要因素。一般情况下，在对畜禽进行管理过程中常常发现很多畜禽指标不合格的现象发生。畜禽得不到充足的饲料时在一定程度上会造成自身生长发育不健全的现象发生，很多畜禽养殖户一般都使用青饲料来作为补充畜禽的重要营养物，然而，这种饲料的转化率却非常低，长时间使用这种饲料在一定程度上对畜禽的健康生长将会带来不同程度的影响。饲料营养不充足在一定程度上对畜牧养殖也会产生不利影响。因此，相关工作人员应该以一种与时俱进的心态积极创造更多创新型、高效的管理方案，只有这样才能够保证畜牧业健康、稳定向前发展。

Hj(t)=cj(t)+jdj(t)=hj(t)ejθ(t)

(6)

式中

(7)

这样，HHT提供了一个定义瞬时幅度hj(t)与瞬时相位θ(t)的函数[22]。

在HHT中，可用式(8)定义瞬时频率：

(8)

汇总所有固有模态函数的希尔伯特谱，获知每个时刻超声信号包络线的各频率分量瞬时值。图4(a)和图4(b)分别为超声信号的原始波形和包络线波形，取四个工频周期进行分析。超声信号的原始波形包含大量的高频分量，求包络线后可得到较为稳定的低频特征波形。包络线波形具有明显的周期性特征，两端由于HHT的边界效应出现上翘。

图4 超声信号的原始波形和包络线Fig.4 Original and envelope curves of ultrasonic signal

图5(a)为超声信号包络线的二维希尔伯特谱，给出了信号幅值与时间和频率的关系。在整个时间段上，100Hz频率处一直有较强和稳定的信号。图5(b)为超声信号包络线的HHT边际谱，可认为是在希尔伯特谱的时频平面上，各频率点的振幅在时间总体上的累积[22]。除去边际谱两端由于边界效应引起的上翘，100Hz分量在整个时间段上占据绝对主导。

图5 超声信号的HHT时频幅值谱和边际谱Fig.5 HHT time-frequency amplitude spectrum and marginal spectrum of ultrasonic signal

另外，在经验模态分解后得到的第五个固有模态函数IMF5及其瞬时频率如图6所示。可见IMF5信号具有较强而又稳定的100Hz频率成分。

图6 第五固有模态函数及其瞬时频率Fig.6 Fifth intrinsic mode function and instantaneous frequency

传统的快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform, FFT)只能得到超声信号中100Hz分量在所测时间内的平均值，机械振动和悬浮电位放电引起的超声信号都会出现较大的100Hz分量，所有难以对两者进行区分。HHT能够得到所测信号的全部动态频率特征，通过分析100Hz分量随时间变化的情况，可以对机械振动和悬浮电位放电引起的超声信号进行区分。其中机械振动引起的超声信号中100Hz分量很平稳，而悬浮放电由于放电存在随机性，其超声信号中100Hz分量波动稍大。

4 应对措施

(1) 当超声检测中只有50Hz频率成分时，可以初步判定设备内部存在尖端放电等极性局部放电，需给予足够重视。但是，当超声检测中出现较大的100Hz频率成分时，设备内部的强烈机械振动或者悬浮电位放电都是可能的原因，需做进一步诊断。

(2) GIS设备，特别是GIS中的互感器，其紧固要求应适当高于对敞开式设备的要求。《导则》要求GIS投运前的交流耐压试验通过后，应降压进行一次超声局部放电检测[20]。建议将超声检测作为检验GIS基建工程安装质量的一项关键指标，从源头上控制GIS内部的机械振动强度。

(3) 改进互感器气室的超声局部放电检测结果的判断标准，不同类型气室的超声信号异常判断标准宜体现差异性。在检测中，建议开展超声信号幅值以及100Hz频率成分的初值差分析，剔除设备初始振动强度对后续检测的影响，积极运用HHT等时频分析方法对异常信号进行动态时频分析。

(4) 由于局部放电对设备造成的损害远大于机械振动，所以判断超声异常信号是否由局部放电引起对检修决策有重要价值。建议对超声信号异常气室采用超高频局部放电检测、高频脉冲电流检测、SF6气体成分分析等非机械原理检测方法进行综合检测，排除机械振动的影响，确诊是否存在悬浮电位放电。

5 结论

(1) 理论分析结果表明，互感器中铁心和绕组等部件存在以100Hz为典型频率的固有机械振动，该频率与GIS超声检测的悬浮放电典型频率重合。在部件松动时，机械振动显著加剧，100Hz频率成分增大，极易影响GIS超声局部放电检测结果。

(2) 现场检测和相关报道均出现了多起由于设备机械振动影响GIS超声检测的案例，HHT的时频分析结果显示，由机械振动引起的GIS超声信号在整个时间轴上都含有较强且稳定的100Hz频率成分。

(3) 如果超声局部放电检测结果中100Hz频率成分占据主导，建议采用超高频局部放电检测、高频脉冲电流检测、SF6气体成分分析等非机械原理检测方法进行综合复测。如果复测结果正常，则可初步判定异常信号仅由机械振动引起。

(4) 如果判定超声信号异常仅是由于机械振动引起，并且信号幅值超标有限，建议采用缩短带电检测周期、观察异常信号发展趋势的策略，等待设备具备停电条件时进行检修。

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Impact of instrument transformer vibration on GIS ultrasonic-based partial discharge detection

LING Wei-jia1, ZHANG Hao2, GUAN Min-yuan2

(1. State Grid Zhejiang Electric Power Company, Hangzhou 310007, China;2. Huzhou Power Supply Company of State Grid Zhejiang Electric Power Company, Huzhou 313000, China)

Ultrasonic-based partial discharge detection is an important on-line detection method for gas insulated switchgear (GIS), but this method is easily affected by mechanical vibration of electrical equipment. The vibrations of the iron core and winding in instrument transformer are analyzed in this paper, which points out that the dominant vibration is at 100Hz frequency. In the ultrasonic-based detection, the appearance of 100Hz frequency component is usually considered as a signal to indicate the suspended discharge. The time-frequency characteristic of the GIS ultrasonic signal caused by mechanical vibration is extracted with Hilbert-Huang Transform (HHT). Combined with the theoretical analysis and field experiences, the impact of mechanical vibrations on the ultrasonic-based detection and its corresponding diagnostic method are presented. Finally, several corresponding countermeasures are presented, including the use of ultrasonic-based detection to improve the installation quality, the comparison of the test results with their initial values and the comprehensive diagnosis of GIS equipment vibrations.

gas insulated switchgear; on-line detection; partial discharge; ultrasonic-based detection; instrument transformer vibration

2015-07-23

国网浙江省电力公司科技项目(5211UZ160016；5211JY15001V)

凌卫家(1962-)， 男， 江苏籍， 高级工程师， 硕士， 研究方向为电网生产运行； 张 浩(1970-)， 男， 浙江籍， 高级工程师， 硕士， 研究方向为电网生产运行。

TM83

A

1003-3076(2016)05-0074-07