一种气体绝缘全封闭组合电器故障检测方法及设备与流程

1.本发明属于设备检测技术领域，特别涉及一种气体绝缘全封闭组合电器故障检测方法及设备。


背景技术：

2.gis(gas insulated switchgear)是气体绝缘全封闭组合电器的英文简称。gis由一座变电站中除变压器以外的一切设备，包括断路器、隔离开关、接地开关、电压互感器、电流互感器、避雷器、母线、电缆终端、进出线套管等组成，这些设备或部件全部封闭在金属接地的外壳中，在其内部充有一定压力的sf6绝缘气体，故也称sf6全封闭组合电器。gis系统结构紧凑、占地面积小、可靠性高、配置灵活、安装方便、安全性强、环境适应能力强，广泛应用在高压、超高压、特高压领域。
3.根据《气体绝缘金属封闭开关设备现场耐压及绝缘试验导则》(dl/t555-2004)要求，gis新安装部分、扩建部分及解体检修部分均应做绝缘耐压试验。由于gis设备全部封闭在金属接地的外壳中，在做绝缘耐压试验过程中，一旦发生设备或部件故障，如何快速有效地定位发生故障的设备，是亟待解决的问题。然而，gis系统在做绝缘耐压试验过程中，所有gis设备都封闭在金属接地的外壳中，再加上现场处于高压状态，各种电磁环境复杂，所以普通电子传感器系统容易受干扰，工作不稳定，难以做到场外实时监视。
4.同时，gis系统在日常运行维护过程中，所有gis设备都封闭在金属接地的外壳中，一旦其中某个设备发生击穿故障，外界除了能够感受到巨大的响声和振动之外，很难获取到其他有效信息。在日常运行过程中，一旦发生设备或部件故障，如何快速有效地定位发生故障的设备，是亟待解决的问题。另外，如果在gis设备最终发生击穿故障之前，能够有一定的手段可以预估并作出预警的话，则可以给gis系统维护工作带来巨大的意义和影响，可以把gis系统维护工程中的被动等待设备故障变成主动发现、及时调度，从而规避用电风险。
5.由此可见，无论是在gis系统供电之前的绝缘耐压测试中，还是在日常运行过程中，gis设备发生击穿故障后，如何快速有效地定位发生击穿故障的设备，都具有很大的经济和社会效益。然而，由于现场处于高压状态，各种电磁环境复杂，采用常规监测手段下的各种监测声音和振动的电子仪器，通常会存在各种问题，使用效果不理想。


技术实现要素：

6.技术问题：为了解决供电前绝缘耐压测试和日常运行过程中gis设备发生击穿故障后快速有效地定位发生击穿故障的设备的难题，本发明提供了一种气体绝缘全封闭组合电器故障检测方法及设备。
7.技术方案：本发明提供了一种气体绝缘全封闭组合电器故障检测方法，包括以下步骤：
8.(1)将传感光纤延气体绝缘全封闭组合电器壳体长度方向布置于壳体外部；
9.(2)将气体绝缘全封闭组合电器按一定距离分成若干分段，利用传感光纤同时监
测气体绝缘全封闭组合电器的每个分段内部的振动信号，用于判定气体绝缘全封闭组合电器的分段内部是否存在故障和存在故障的分段。
10.优选地，利用传感光纤监测气体绝缘全封闭组合电器的分段内部的振动信号的方法为：
11.(2.1)利用激光器向传感光纤发出两束相距固定时间间隔的两个不同频率的激光脉冲i和ii，其中，不同频率的激光脉冲i和ii的角频率相差ω；接收两个不同频率的激光脉冲a和b在传感光纤内形成的两束反向瑞利散射信号i和ii，并将散射信号i延迟处理，使散射信号i和散射信号ii处于同一位置形成干涉；
12.(2.2)检测光纤受到外界物理原因导致的相位变化信号作为判定气体绝缘全封闭组合电器的分段内部是否存在故障和存在故障的分段的依据：利用以下公式可解的
[0013][0014][0015][0016]
其中，
[0017]vi
是干涉信号滤除直流项后与参考信号cos(ωt)混频之后，通过低通滤波得到的信号；
[0018]vq
是干涉信号滤除直流项后与参考信号sin(ωt)混频之后，通过低通滤波得到的信号；
[0019]
a为激光脉冲i和ii的光强的幅值，与输入光强、耦合器分光比，以及两束光的偏振态有关。
[0020]
优选地，判定气体绝缘全封闭组合电器的分段内部是否存在故障和存在故障的分段的方法为：在二维坐标系中，以长度分段为x轴，以监测时间为y轴，在坐标系中表示相位变化信号ψ中的异常信号，以不同颜色表示偏离正常信号的程度，根据坐标系中异常信号判定是否存在故障，根据横坐标判定故障位置，根据纵坐标判定故障时间，根据颜色判定故障严重程度以及可能原因。
[0021]
优选地，判定气体绝缘全封闭组合电器的分段内部是否存在故障和存在故障的分段的方法为：采用机器学习算法，把各个通道(以不同时间的同一横坐标的一组数据为一个通道)的实时时域数据识别为不同分类的事件，结合位置和设备的对应关系，得到gis系统中的设备、位置关联的告警信息；依据各个告警信息的紧急程度，采取不同的告警策略。
[0022]
有益效果：本发明提供的气体绝缘全封闭组合电器故障检测方法及设备，只需要在gis封闭金属壳外缠绕一条光缆，场内不需要任何电子器件，也没有数据传输问题，具备不受电磁干扰影响、不受传输信号限制，场外实时观察便捷、直观等优势，给快速有效定位发生击穿故障gis设备带来很大的可靠性和便捷性。
[0023]
通过多个变电站的实际测试和试验，本发明方法在gis绝缘耐压测试中，能够直观地实时监视gis系统金属外壳不同位置的振动信号。在绝缘耐压试验过程中，一旦发生击穿，不管是从实时时域信号上，还是采用机器学习算法svm处理之后的分类事件上，都能够快速有效地定位到发生故障的设备，极大地方便了现场故障排除和维修处理。同时，为了能
够达到最佳效果，传感光缆需要和金属外壳紧密耦合，否则容易带来一些虚假信号和噪声，给定位带来一些干扰。
[0024]
在gis系统日常运行维护过程中，本发明方法持续监测gis封闭金属壳每一处的振动，能够及时发现任何异常振动信息。gis设备一旦发生击穿故障，固然会导致极其剧烈的振动信息。一个gis设备从正常工作到被击穿，往往不是设备瞬间就发生了故障，而是有一个时间积累的过程。通过本发明方法的日常监测，利用机器学习算法svm，从监测的大数据中拾取gis设备发生击穿故障之前的轻微异常信息，总结规律，就可以逐步形成gis设备故障的预估规则，实现gis设备主动、有目的、有针对性的检修，化被动为主动，提高变电站供电的安全性和稳定性。
附图说明
[0025]
图1为气体绝缘全封闭组合电器故障检测设备的结构示意图。
[0026]
图2为实施例1的光缆沿着gis金属外壳布设示意图(红色胶带粘贴耦合)。
[0027]
图3为实施例1的方法实时监视瀑布图。
[0028]
图4为实施例1的方法实时监视不同通道时域图。
[0029]
图5为实施例1的异常情况下方法实时监视瀑布图示意图。
[0030]
图6为实施例2的光缆沿着gis金属外壳布设示意图(红色胶带粘贴耦合)。
[0031]
图7为实施例2的方法实时监视瀑布图示意图。
[0032]
图8为实施例2的gis金属外壳实时振动事件分类示意图
具体实施方式
[0033]
下面对本发明作出进一步说明。
[0034]
气体绝缘全封闭组合电器故障检测设备，沿气体绝缘全封闭组合电器壳体外部的传感光纤(1)，依次连接的激光器(2)、aom声光调制器(3)、edfa放大器(4)、环形器(5)，依次连接的耦合器(6)、光电转换器(7)、adc模数转换器(8)、数据处理模块(9)；所述激光器(2)用于发出激光至aom声光调制器(3)，aom声光调制器(3)用于调制激光并成两束相距固定时间间隔的两个不同频率的激光脉冲，edfa放大器(4)用于放大两束相距固定时间间隔的两个不同频率的激光脉冲并输入至传感光纤(1)；所述耦合器(6)用于接收传感光纤(1)内形成的两束反向瑞利散射信号并耦合产生干涉效果，所述光电转换器(7)用于将干涉后的反向瑞利散射信号转化成电信号，所述adc模数转换器(8)用于将电信号转化为数字信号，所述数据处理模块(9)用于处理数字信号并监测是否发生故障。
[0035]
该设备中使用的部件型号和来源为：
[0036]
传感光纤(1)
[0037]
型号：totalplay-g.657b3
[0038]
供应商：南京华信藤仓光通信有限公司
[0039]
激光器(2)
[0040]
型号：800834
[0041]
供应商：rio laser
[0042]
aom声光调制器(3)
[0043]
型号：30196701
[0044]
供应商：gooch&housego ltd
[0045]
edfa放大器(4)
[0046]
型号：jaoc-edfa-fg-15c21
[0047]
供应商：aoc technologies,inc.
[0048]
环形器(5)
[0049]
型号：cir-p110l11
[0050]
供应商：山东锐择光电科技有限公司
[0051]
耦合器(6)
[0052]
型号：wbc-1550nm-1*2-3*54-0.9
[0053]
供应商：山东锐择光电科技有限公司
[0054]
光电转换器(7)
[0055]
型号：ldpf 0120
[0056]
供应商：osi laserdiode,inc.
[0057]
adc模数转换器(8)
[0058]
型号：ad9253
[0059]
供应商：analogdevices,inc.
[0060]
数据处理模块(9)
[0061]
型号：tms320c6678
[0062]
供应商：德州仪器ti
[0063]
利用上述设备，对气体绝缘全封闭组合电器故障检测，包括以下步骤：
[0064]
(1)将传感光纤延气体绝缘全封闭组合电器壳体长度方向布置于壳体外部；
[0065]
(2)将气体绝缘全封闭组合电器按一定距离分成若干分段，利用传感光纤同时监测气体绝缘全封闭组合电器的每个分段内部的振动信号，用于判定气体绝缘全封闭组合电器的分段内部是否存在故障和存在故障的分段。
[0066]
其中，利用传感光纤监测气体绝缘全封闭组合电器的分段内部的振动信号的方法为：
[0067]
(2.1)利用激光器向传感光纤发出两束相距固定时间间隔的两个不同频率的激光脉冲i和ii，其中，不同频率的激光脉冲i和ii的角频率相差ω；接收两个不同频率的激光脉冲a和b在传感光纤内形成的两束反向瑞利散射信号i和ii，并将散射信号i延迟处理，使散射信号i和散射信号ii处于同一位置形成干涉；
[0068]
(2.2)检测光纤受到外界物理原因导致的相位变化信号作为判定气体绝缘全封闭组合电器的分段内部是否存在故障和存在故障的分段的依据：利用以下公式可解的
[0069][0070][0071][0072]
其中，vi是干涉信号滤除直流项后与参考信号cos(ωt)混频之后，通过低通滤波
得到的信号；s2是干涉信号滤除直流项后与参考信号sin(ωt)混频之后，通过低通滤波得到的信号；a为激光脉冲i和ii的光强的幅值，与激光脉冲光强、耦合器分光比，以及两束光的偏振态有关。
[0073]
该计算公式通过以下方法获得：
[0074]
干涉输出信号i为：
[0075][0076]
式中g为光强的直流项，a激光脉冲i和ii的光强的幅值，与激光脉冲光强、耦合器分光比，以及两束光的偏振态有关，ω外差角频率，为被测信号，t为时间。
[0077]
干涉信号经过光电转换之后滤除(1)式的直流项，得
[0078][0079]
解调过程需要用到两个参考信号：
[0080]yr1
＝cos(ωt)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0081]yr2
＝sin(ωt)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0082]
式中，角频率ω是通过aom调制上去的，属于已知信号。
[0083]
传感信号(2)与参考信号(3)、(4)分别混频后，得到的信号为
[0084][0085][0086]
对(5)式和(6)式进行低通滤波，可以得到关于的一对正交项
[0087][0088][0089]
用vq/vi，得到
[0090][0091]
再用反正切运算，即可解得待测信号
[0092]
其中，判定气体绝缘全封闭组合电器的分段内部是否存在故障和存在故障的分段的方法为：在二维坐标系中，以长度分段为x轴，以监测时间为y轴，在坐标系中表示相位变化信号中的异常信号，以不同颜色表示偏离正常信号的程度，根据坐标系中异常信号判定是否存在故障，根据横坐标判定故障位置，根据纵坐标判定故障时间，根据颜色判定故障严重程度以及可能原因。
[0093]
以下利用两个具体事例来进一步说明本发明。
[0094]
实施例1光纤分布式声传感系统在gis绝缘耐压测试中的应用
[0095]
对于一个gis变电站，通常金属接地的外壳总长度不会超过5km。对于这种5km长度光缆的应用场景下，目前成熟的das系统可以将此5km的光缆分为5000个分段，每个分段1米，能够同时监测这5000个1米长度光缆分段上所受到的振动信号，并且实时呈现。如果我们把光缆沿金属接地的外壳的外表布设(如图2所示)，通过耦合在金属外壳上的光缆感受来自内部gis设备发出的振动(声音)信号，那么我们就可以同时监测到这条光缆沿途每1米长度分段上的振动信号。
[0096]
通过场外的监视设备，就可以实时呈现出来(如图3所示)。图中，x轴(横轴)序号代表的是光缆上的每1米的分段(如图3中视区内所示是序号从150到1080之间)，y轴(纵轴)代表的是时间，如图3中视区内所示是10秒。而不同颜色则表示对应[x,y]位置的信号大小，如图中所示，黄色为最大，蓝色为最小。图3中接近最左边约240序号附近，有一条上下贯穿的呈现规律性的条纹，就是表示这10秒内，在240米附近存在一个稳定的、规律性的振动信号。
[0097]
在普通时域图上如图4所示。这种通过瀑布图呈现的形式，就可以利用二维视图，配合颜色，简单、直观地观察到数千通道的总体情况，一旦某个通道出现异常信号，就可以一眼看出来，便于现场快速有效定位异常位置。
[0098]
在做绝缘耐压试验过程中，正常情况下，每个监测分段都有各自相应的正常振动信号，但一旦发生击穿，击穿故障设备所在附近的金属外壳感受到的振动必然会远远大于其他地方的金属外壳。而这些振动信号，都可以在场外的监视器上实时地呈现出来(如图5所示)，从而极大地方便了现场快速有效地定位发生故障的设备。如图5所示，表示从第8秒开始，在800序号附近(约816米处)出现了一个异常信号，持续时间约1秒钟。
[0099]
实施例2光纤分布式声传感系统在gis日常运行维护中的应用
[0100]
利用5km长的光缆，把其中每1米的光缆段都当做一个声音(振动)传感器。如果把这5km的光缆缠绕在gis封闭金属壳外部，就相当于在gis的封闭金属壳沿管道走向均匀地分布了5000个听筒(通道)。将传感光缆缠绕在gis封闭金属壳外部，如图6所示。系统采用高性能嵌入式系统，能够同时监测这5000个通道的声音信号，并把解调的声音信号实时地传送到后台服务器。系统针对5km长的光缆，实时监测5000个通道信号(采样率2500hz)的频率特性是1hz-1250hz。如果采用2.5km长的光缆，则实时监测信号(采样率5000hz)的频率特性是1hz-2500hz。能够满足gis设备通过封闭金属壳传递到外界的声音信号特征的识别需求。
[0101]
通过场外的监视设备，就可以将gis封闭金属外壳沿途各处的振动信号实时呈现出来(如图7所示)。图中，x轴(横轴)序号代表的是光缆上的每1米的分段(如图7中视区内所示是序号从180到1080之间)，y轴(纵轴)代表的是时间，如图7中视区内所示是10秒。而不同颜色则表示对应[x,y]位置的信号大小，黄色为最大，蓝色为最小。图中条纹所示，表示从第7秒开始，在400米附近出现了一个异常信号，持续时间约1秒钟。
[0102]
利用das系统，可以直观、形象、实时地观察到gis封闭金属外壳沿途振动情况，从而为变电站的新建、扩建及解体检修之后的绝缘耐压测试以及日常运行维护过程提供了快速定位击穿故障的gis设备有效手段。
[0103]
在gis设备日常运行维护过程中，部署das系统，在gis封闭金属外壳沿途缠绕das探测光缆，那么在gis设备击穿故障发生当下，可以立即、直观地看到什么位置发生了设备击穿故障。
[0104]
除此之外，还可以利用收集积累下来的日常监测振动数据，统计、分析、归纳不同设备发生击穿之前的振动信号以及gis设备击穿当下发生的振动信号。在此基础上，采用机器学习算法svm，在线智能识别gis设备击穿位置以及各个位置是否存在疑似发生故障的危险信号。
[0105]
采用svm方法，图7中的实时时域信号，就会呈现为图8所示的事件分类信号瀑布图。
[0106]
图8所示瀑布图，x轴(横轴)序号代表的是光缆上的每1米的分段，y轴(纵轴)代表
的是时间，不同位置[x,y]的颜色块，则表示事件分类。颜色和事件分类序号之间的对应关系如图中右侧所示，红色表示第一类事件，绿色表示第二类事件，如此类推。
[0107]
从图中可以看出，在图8对应的异常信号位置，按照svm方法，已经把这个异常信号划分为第一类事件(红色)。
[0108]
至此，在gis系统部署了das系统之后，das系统把数据实时传送至后台服务器，后台服务器采用机器学习算法svm，把各个通道(对应位置)的实时时域数据识别为不同分类的事件，结合位置和设备的对应关系，综合下来，就可以得到gis系统中的设备、位置关联的告警信息，然后可以依据各个告警信息的紧急程度(比如预计可能不久之后会发生故障亦或已经发生故障)，可以采取不同的告警策略，比如声光告警、邮箱电子邮件、手机信息提示等等。从而实现了从被动维修到主动维护的转变，即从原来是gis设备故障后被动进行gis设备的故障维修，转变成现在的主动维护gis设备，规避非预期电力断供。
[0109]
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

技术特征：
1.一种气体绝缘全封闭组合电器故障检测方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)将传感光纤延气体绝缘全封闭组合电器壳体长度方向布置于壳体外部；(2)将气体绝缘全封闭组合电器按一定距离分成若干分段，利用传感光纤同时监测气体绝缘全封闭组合电器的每个分段内部的振动信号，用于判定气体绝缘全封闭组合电器的分段内部是否存在故障和存在故障的分段。2.根据权利要求1所述的一种气体绝缘全封闭组合电器故障检测方法，其特征在于：利用传感光纤监测气体绝缘全封闭组合电器的分段内部的振动信号的方法为：(2.1)利用激光器向传感光纤发出两束相距固定时间间隔的两个不同频率的激光脉冲i和ii，其中，不同频率的激光脉冲i和ii的角频率相差ω；接收两个不同频率的激光脉冲a和b在传感光纤内形成的两束反向瑞利散射信号i和ii，并将散射信号i延迟处理，使散射信号i和散射信号ii处于同一位置形成干涉；(2.2)检测光纤受到外界物理原因导致的相位变化信号作为判定气体绝缘全封闭组合电器的分段内部是否存在故障和存在故障的分段的依据：利用以下公式可解的组合电器的分段内部是否存在故障和存在故障的分段的依据：利用以下公式可解的组合电器的分段内部是否存在故障和存在故障的分段的依据：利用以下公式可解的组合电器的分段内部是否存在故障和存在故障的分段的依据：利用以下公式可解的其中，v
i
是干涉信号滤除直流项后与参考信号cos(ωt)混频之后，通过低通滤波得到的信号；v
q
是干涉信号滤除直流项后与参考信号sin(ωt)混频之后，通过低通滤波得到的信号；a为激光脉冲i和ii的光强的幅值。3.根据权利要求1所述的一种气体绝缘全封闭组合电器故障检测方法，其特征在于：判定气体绝缘全封闭组合电器的分段内部是否存在故障和存在故障的分段的方法为：在二维坐标系中，以长度分段为x轴，以监测时间为y轴，在坐标系中表示相位变化信号中的异常信号，以不同颜色表示偏离正常信号的程度，根据坐标系中异常信号判定是否存在故障，根据横坐标判定故障位置，根据纵坐标判定故障时间，根据颜色判定故障严重程度以及可能原因。4.根据权利要求1所述的一种气体绝缘全封闭组合电器故障检测方法，其特征在于：判定气体绝缘全封闭组合电器的分段内部是否存在故障和存在故障的分段的方法为：采用机器学习算法，把各个通道(以不同时间的同一横坐标的一组数据为一个通道)的实时时域数据识别为不同分类的事件，结合位置和设备的对应关系，得到gis系统中的设备、位置关联的告警信息；依据各个告警信息的紧急程度，采取不同的告警策略。

技术总结
本发明提供了一种气体绝缘全封闭组合电器故障检测方法，包括以下步骤：将传感光纤延气体绝缘全封闭组合电器壳体长度方向布置于壳体外部；将气体绝缘全封闭组合电器按一定距离分成若干分段，利用传感光纤同时监测气体绝缘全封闭组合电器的每个分段内部的振动信号，用于判定气体绝缘全封闭组合电器的分段内部是否存在故障和存在故障的分段。本发明提供的气体绝缘全封闭组合电器故障检测方法及设备，只需要在GIS封闭金属壳外缠绕一条光缆，场内不需要任何电子器件，也没有数据传输问题，具备不受电磁干扰影响、不受传输信号限制，场外实时观察便捷、直观等优势，给快速有效定位发生击穿故障GIS设备带来很大的可靠性和便捷性。性。


技术研发人员：马宏坤 张艳丽
受保护的技术使用者：南京中探海洋物联网有限公司
技术研发日：2021.11.30
技术公布日：2022/3/8