一种GIS/GIL设备机械振动模拟系统及其方法与流程

一种gis/gil设备机械振动模拟系统及其方法
技术领域
1.本发明属于电工检测技术领域，具体涉及一种gis/gil设备机械振动模拟系统及其方法。


背景技术：

2.气体绝缘金属封闭开关设备(gas insulated switchgear， gis)和气体绝缘输电线路(gas insulated transmission line, gil)具有可靠安全、维护方便、空间集约等特点。根据国家电网《高压开关设备典型故障案列汇编》介绍，机械和绝缘缺陷是导致gis/gil设备发生电力事故的主要原因，长期的机械振动缺陷会形成气体泄露、回路温升和绝缘老化损伤等危害，逐渐发展甚至会导致导体短路和绝缘击穿等事故。gis/gil设备机械振动缺陷的检测和辨识一直是gis/gil设备运维过程中的关键技术难题。因此，开展gis/gil设备机械振动特性模拟，掌握gis/gil 设备机械振动状态变化规律，是有效检测gis/gil设备机械振动缺陷，保障其安全稳定运行的重要措施。
3.传统对gis/gil设备振动特性的模拟和研究，多基于单一气室的缩比模型。
4.实用新型专利《一种gis设备振动特性模拟检测装置》提供了一种基于gis设备母线腔体的振动特性模拟和检测装置，但只能模拟瞬态振动信号，不能模拟电压电流作用下的实际运行工况。发明专利《一种模拟运行工况下gis的振动检测装置》提供了一种调节连杆的粗细和长度以模拟运行工况gis设备的振动模拟平台和装置，但仅集中于母线气室。发明专利《一种gis设备缺陷模拟分析设备及方法》提供了一种集合gis设备模拟装置、振动和局放传感器、电压源和数据采集卡的运行振动模拟系统，但气室功能单一，仅能实现电压加载。归纳起来，母线的振动模拟系统仍存在以下不足，主要有两方面：
5.一方面，gis/gil设备内部构件众多，包括断路器、隔离开关、接地开关、电流互感器、电压互感器(即升流器气室)、避雷器、母线、连接管和过渡元件等，不同构件的缺陷形式、几何结构、约束状态差异均较大。且gis/gil设备尺寸结构变化多样，特别是长距离输电走廊工程，母线结构时常根据环境需要而进行不同的尺寸设计，或者采用不同的支撑方式，其振动特性亦有不同。另一方面，电力系统存在大量非线性元件，同时在用户侧接入了大量电力电子设备，电网存在一定的谐波电流成分。谐波电流不但会增加设备损耗、缩短设备寿命、导致开关误动等，也会在引起设备的振动现象的变化，尤其是当系统谐波电流产生的电磁力频率接近或等于气室内部构件的模态频率时，将导致 gis/gil设备发生强烈机械共振，从而破坏设备的绝缘或机械性能，而目前对gis/gil设备在谐波电流作用下的振动模拟系统及振动特性尚未见报道。


技术实现要素：

6.本发明的目的就是为了解决上述背景技术存在的不足，提供一种gis/gil设备机械振动模拟系统及其方法，为有效检测 gis/gil设备机械振动缺陷提供技术支撑。
7.本发明采用的技术方案是：一种gis/gil设备机械振动模拟系统，包括gis/gil设
备机械缺陷模拟单元、扫频注入单元、电压电流发生单元、多通道振动测试和结构模态分析单元和人机交互控制单元；
8.其中，gis/gil设备机械缺陷模拟单元包括由gis/gil设备的真型气室组合形成的主回路；
9.扫频注入单元用于向主回路注入扫频电源；
10.电压电流发生单元用于向主回路施加电压负载和注入工频电流；
11.多通道振动测试和结构模态分析单元用于采集gis/gil设备的状态信息并进行缺陷辨识和模态分析并将辨识分析结果反馈至人机交互和控制单元；
12.人机交互和控制单元用于显示辨识分析结果，并基于辨识分析结果生成控制指令发送至gis/gil设备机械缺陷模拟单元、扫频注入单元、电压电流发生单元。
13.上述技术方案中，所述主回路包括相互串联的断路器气室、隔离开关气室、隔离接地开关气室、电流互感器气室、电压互感器气室、避雷器气室、母线气室、高压套管以及各类连接结构和过度元件；各个真型气室内部充有标压的sf6绝缘气体；通过抽气和各个真型气室的结构拆解对主回路中各设备的内部构件设置磨损、松动、疲劳机械缺陷。
14.上述技术方案中，所述母线气室包括多个且尺寸不同，并配置有不同数量的可拆卸式滑动支架；所述可拆卸式滑动支架用于对母线气室的结构进行支撑；通过设置滑动支架的位置和数量调整母线气室支撑结构和受力状态。
15.上述技术方案中，扫频注入单元包括依次串联的三相电源、整流器、逆变器和滤波器；滤波器的输出端并联于隔离开关气室的两端，用于向主回路输出扫频电源；整流器将三相电源转换成直流信号并输出至逆变器，逆变器将直流信号转换成相应频率的 pwm交流信号并输出至滤波器，滤波器滤除pwm信号的高频分量，得到相应的频率的光滑正弦信号注入到主回路中；逆变器输出信号的频率由人机交互和控制单元连续控制；人机交互和控制单元接入逆变器和滤波器的输出信号进行反馈调整。
16.上述技术方案中，电压电流发生单元包括变压器回路；变压器回路包括试验变压器、电容器；外接电压通过试验变压器升压和电容器滤波后通过高压套管气室注入到主回路中。
17.上述技术方案中，电压电流发生单元包括升流回路，升流回路包括调压器、电容器；外接电压与调压器的输入端电连接，调压器的输出电流经电容器滤波后流入电流互感器气室，通过感应升流后实现主回路工频大电流的注入。。
18.上述技术方案中，还包括接地保护单元；所述接地保护单元接入主回路时使得主回路处于断开状态，且主回路中各个设备经接地保护单元接地。
19.上述技术方案中，多通道振动测试和结构模态分析单元包括多通道压电加速度传感器、ni高速数据采集单元和信号检测辨识和signalpad模态分析模块；所述多通道压电加速度传感器设置于gis/gil设备的壳体上并将采集到的gis/gil设备的状态信息经ni高速数据采集单元预处理后发送至信号检测辨识和 signalpad模态分析模块，信号检测辨识和signalpad模态分析模块实现缺陷辨识和模态分析功能。
20.本发明提供了一种gis/gil设备机械振动模拟方法，包括以下步骤：
21.a，根据实验需求对gis/gil设备机械缺陷模拟单元的主回路中各个设备气室和构件进行拆解或设置，完成后进行主回路的电连接并布置电压电流发生单元、扫频注入单元
和多通道振动测试和结构模态分析单元；根据实验需求选择执行步骤b或者步骤c；
22.b，将电压电流发生单元接入主回路，将扫频注入单元与主回路隔离；电压电流发生单元向主回路施加电压负载和注入工频电流；
23.c，将扫频注入单元接入主回路，将电压电流发生单元与主回路隔离；电压电流发生单元向主回路注入扫频电源；
24.d，多通道振动测试和结构模态分析单元采集gis/gil设备在步骤b或c中生成状态信息，并进行缺陷辨识和模态分析并将辨识分析结果反馈至人机交互和控制单元；
25.e，人机交互和控制单元显示辨识分析结果，并基于辨识分析结果生成控制指令发送至gis/gil设备机械缺陷模拟单元、扫频注入单元、电压电流发生单元。
26.上述技术方案中，步骤b和步骤c中，在接入电压电流发生单元或者扫频注入单元至主电路前，保证主电路的电压保护和启动回路处于断开状态，并接入接地保护单元；主回路接线完毕后检查是否有短路和断线情况，确认无误后断开接地保护单元。
27.本发明的有益效果是：本发明可以实现gis/gil设备变尺寸和变种类构件正常或存在机械缺陷状态下的运行振动模拟，谐波电流注入和变负载条件下gis/gil设备的变频振动规律测试和 gis/gil设备不同构件的结构模态分析测试，具有较大的科研使用价值和工程实际意义。与已有的gis/gil设备模拟平台相比，本发明集总了500kv真型gis/gil设备的多类型构件，同时在主回路设计了不同尺寸的母线气室，并配置了多个可拆卸式的滑动支架，实现了不同长度母线和不同类型构件在正常或存在机械缺陷状态下的运行振动模拟。本发明引入了谐波发生装置和高压大电流发生器，并在gis/gil设备机械缺陷模拟单元设计了谐波注入接口，实现了谐波注入和变负载条件下gis/gil设备的变频振动规律测试。本发明配置了多通道振动测试和结构模态分析装置，实现了gis/gil设备不同构件的结构模态分析测试。
附图说明
28.图1为本发明的gis/gil设备运行条件工况振动模拟回路接线图；
29.图2为本发明的gis/gil设备变频激励条件振动模拟回路接线图；
30.图3为本发明的gis/gil设备机械缺陷模拟单元气室分布图；
31.图中包括：断路器气室(cb1)、隔离开关气室(ds1、ds2)、隔离接地开关气室(ds1-es1)、接地开关气室(es2)、电流互感器气室(ct1，即升流器气室)、电压互感器气室(pt1)、避雷器气室(la)、母线(line1～line6)、三通(tv1、tv2、tv3、 tv4)、1-试验变压器、2-调压器、3-电容器，4-伸缩节。
32.图4为本发明的扫频电源装置结构图；
33.图5为本发明的扫频电源电路原理图；
34.图6a-6d为不同工作状态下gis/gil设备机械缺陷模拟平台振动波形图。
具体实施方式
35.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。
36.如图1-3所示，本发明主要由gis/gil设备机械缺陷模拟单元、扫频注入单元、电压
电流发生单元、多通道振动测试和结构模态分析单元、接地保护单元、和人机交互控制单元组成。
37.其中，gis/gil设备机械缺陷模拟单元包括由gis/gil设备的真型气室组合形成的主回路；
38.扫频注入单元用于向主回路注入扫频电源；
39.电压电流发生单元用于向主回路施加电压负载和注入工频电流；
40.多通道振动测试和结构模态分析单元用于采集gis/gil设备的状态信息并进行缺陷辨识和模态分析并将辨识分析结果反馈至人机交互和控制单元；
41.人机交互和控制单元用于显示辨识分析结果，并基于辨识分析结果生成控制指令发送至gis/gil设备机械缺陷模拟单元、扫频注入单元、电压电流发生单元；
42.接地保护单元用于保护主回路安全，接入主回路时使得主回路处于断开状态，且主回路中各个设备经接地保护单元接地。
43.系统结构及回路电路图如图1、2所示。回路主要由gis/gil 设备振动模拟主回路和外围设备组成。其中主回路包括断路器气室(cb1)、隔离接地开关气室(ds1-es1)、接地开关(es2)、电流互感器(ct1，即升流器气室)、电压互感器气室(pt1)、避雷器气室(la)、母线气室(line1～line6)、高压套管bsg。外围设备包括扫频电源发生装置(即扫频注入单元)、变压器和大电流发生装置(即电压电流发生单元)等。
44.主回路包括相互串联的母线气室line1～line6、断路器气室 cb1、隔离开关气室ds1、电流互感器气室ct1(即升流器气室)、高压套管bsg、隔离接地开关气室ds1-es1，主回路经隔离开关气室ds2与相互串联并接地的电压互感器pt1和避雷器la电连接。扫频电源(即扫频接入单元)通过开关s1并联于隔离开关气室 ds1的两端。电压电流发生单元中的变压器回路包括试验变压器、电容器和高压套管。试验变压器经开关s2和电容器通过高压套管 bsg接入主回路。如图中箭头所示，试验变压器通过高压套管bsg 向主回路施加电压。电压电流发生单元中的升流回路包括调压器、电容器和升流器。外接电压通过调压器调压后接入升流器(即图中所示的感应升流装置)，如图中箭头所示，升流器的输出电流经开关s3和电容器滤波后通过电流互感器气室ct1向主回路注入工频电流。隔离接地开关ds1-es1为单刀双掷开关，隔离接地开关ds1-es1实现主回路闭合状态和断开且接地状态的切换。
45.gis/gil设备机械缺陷模拟单元组成回路气室分布图如图3 所示，其中主回路包括断路器气室、隔离开关气室、隔离接地开关气室、电流互感器气室、电压互感器气室、避雷器气室、母线、套管、各类连接结构和过度元件(包括三通、底座、伸缩节以及绝缘子等)，主回路均采用500kv的gis/gil设备的真型气室进行组合设计。gis/gil设备机械缺陷模拟单元的各个设备的气室内部充有标压的sf6绝缘气体，可通过抽气和结构拆解和对内部构件设置磨损、松动、疲劳等机械缺陷。gis/gil设备、扫频电源发生装置、变压器和大电流发生装置进行统一接地。系统内置接地保护单元实现对击穿、短路和误操作等工作情况实现自切断保护功能。
46.如图3所示，主回路左侧两处三通tv1、tv2分别设置有用于接入扫频电源发生装置输入和输出端口。主回路左侧两处三通 tv3和tv4之间连接有升流器气室，右下角三通tv4经高压套管设置有分压器(即试验变压器)接入端口。升流器气室处为电流接入端口，升流器气室外接有调压器。回路母线采用多尺度结构，母线气室分别对应主回路line1～line6，
其长度分别为2m，3m， 4m，5m和6m。其中长间隔line5和line6配置了不同数量的可拆卸式滑动支架，实现对母线气室的结构支撑。滑动支架的位置和数量均可根据实际需求进行调节，以实现母线气室支撑结构和受力状态的调整。
47.扫频电流注入单元单元产生扫频电源，其装置结构与电路原理如图4和图5所示。装置主要包括整流器、逆变器、滤波器和控制器四个组成部分。整流器将三相电源通过二极管vt1～vt6 组成的桥式整流电路转换成直流信号，然后通过晶闸管v1～v4 逆变电路转换成相应频率的pwm交流信号，最后利用滤波电路滤除pwm信号的高频分量，得到相应的频率的光滑正弦信号注入到主回路中。逆变器输出信号的频率由人机交互和控制单元连续控制，并接入逆变器和滤波器两处的输出信号进行反馈调整。扫频电源可提供0～5000a的变频交流输出信号，输出频率可在 0～2000hz范围内连续控制。
48.电压电流发生单元由变压器回路和升流回路组成，变压器回路包含试验变压器、电容器和套管组成，外接电压通过试验变压器升压和电容滤波后通过高压套管注入到主回路中，可施加 0～500kv范围的电压负载。升流回路包含调压器、电容器和升流器气室(即主回路中的电流互感器气室)，三者与主回路构成感应升流回路，可注入0～5000a范围的工频电流。
49.多通道振动测试和结构模态分析单元由多通道压电加速度传感器(固定在设备壳体上)、ni高速数据采集单元和信号检测辨识和signalpad模态分析软件组成，实现振动信号的动态数据采集、ad转换、缺陷辨识和模态分析功能。
50.人机交互和控制单元用于实现主回路开闭控制、电压电流发生单元的电压电流升降控制、扫频接入单元的外部振动激励控制、振动波形和分析结果显示功能。人机交互和控制单元与主回路保持一定的安全距离，实现振动试验的远程操控和显示。
51.本具体实施例的工作过程如下：
52.第一步：gis/gil设备机械缺陷的设置和支撑结构的调节
53.gis/gil设备运行条件振动可分为正常状态和缺陷状态，在缺陷状态下，系统主回路可针对不同气室和构件进行拆解，并根据需要开展螺栓松动、接触不良、开关卡涩、弹簧断裂、组件磨损等缺陷状态的单一或耦合设置，结构复原后即可进行电压电流的加载和振动检测。
54.具体地，可针对实验需求对gil母线气室line5和line6的滑动支撑结构b1～b5拆解和移动，设置gil母线气室为单端、两端或多端等多类型支撑约束方式。振动检测传感器(即多通道压电加速度传感器)根据需求和采样点布置和安装。
55.第二步：激励设备的接入和回路接线检查
56.(1)gis/gil设备运行条件工况振动模拟：
57.gis/gil设备运行条件振动模拟即为工频电压电流作用下设备振动的产生模拟，对变压器回路和感应升流装置进行接入，而扫频电源装置与主回路隔离。通过人机交互和控制单元对变压器回路和感应升流装置的输处电压和电流进行设置，接线和设置完成后进行模拟实验。主回路连接情况如图1所示，其中，开关s1 断开，开关s2、s3和隔离开关ds2均闭合，隔离接地开关ds1-es1 接入主回路，变压器回路和感应升流装置可根据实验需要进行单一或耦合加载。其中，主回路接线前应保证电压保护和启动回路是否断开，并启动接地保护，接线完毕后检查是否有短路和断线情况，确认无误后取下接地电极(即接地保护单
元)。
58.(2)变频激励条件gis/gil设备振动模拟：
59.变频激励条件gis/gil设备振动模拟条件下，扫频电源装置接入主回路，变压器和感应升流装置均与主回路隔离。通过人机交互和控制单元对扫频电源的输出电压进行设置，接线和设置完成后进行模拟实验。主回路连接情况如图2所示，其中，开关s1 闭合，开关s2、s3和隔离开关ds2均断开，隔离接地开关ds1-es1 接入主回路。gis/gil设备变频激励下，扫频电源对主回路可施加单一频率稳态正弦信号、慢扫频稳态正弦信号、快扫频正弦信号和扫频正弦猝发信号，实现主回路内部构件的整体性变频振动的研究。其中，主回路接线前应保证电压保护和启动回路是否断开，并启动接地保护，接线完毕后检查是否有短路和断线情况，确认无误后取下接地电极(即接地保护单元)。
60.第三步：振动检测和信号分析
61.利用多通道压电加速度传感器组成的传感器检测网络以及多通道振动测试采集单元开展振动信号的动态采集，并根据实际需求通过人机交互和控制单元设置采样率和采样时间，进一步实现信号频谱分析和结构整体模态参数的识别。人机交互和控制单元显示生成的辨识分析结果。
62.当进行gis/gil设备运行条件工况振动模拟的检测完毕后，将感应升流装置的输入电压u
i2
降为0，主回路电流降为零，并将回路电压切断，即断开开关s2和s3。
63.当进行变频激励条件gis/gil设备振动模拟的检测完毕后，断开开关s1。
64.本具体实施例提供了缺陷测试平台测试实例。图6a-6d分别为模拟平台仅加载50hz电流(如图6a所示)、50hz电流和电压耦合加载正常(如图6b所示)、导杆触座松动缺陷状态(如图6c所示) 以及100hz电流电压耦合(如图6d所示)加载下的gis设备振动波形。其中，图6a-图6d中上图横坐标是时间，纵坐标是振动幅值 (输出幅值单位为电压，v)；下图横坐标为频率(hz)，纵坐标是振动幅值(输出幅值单位为电压，v)。可以发现，本发明实现了良好的缺陷模拟，缺陷振动信号和正常信号具有较大的差异， 100hz电压电流的振动主频率为50hz电压电流主频率的2倍，客观真实的反映了不同构件在不同运行工况下的振动特性。
65.本发明集总了多类型真型gis/gil设备和可调尺寸的构件，同时引入了电压电流耦合加载和谐波电流注入功能，实现了 gis/gil设备变尺寸和变种类构件正常或存在机械缺陷状态下的运行振动模拟。系统可开展gis/gil设备的变频振动规律测试和不同构件的结构模态分析测试，不仅可为现场不同电压等级检测 gis/gil设备振动缺陷提供技术支撑，也可于高校、科研院所针对gis/gil设备的相关科学研究，充分模拟gis/gil设备运行振动机理及规律特性，具有重要的工程实际意义。
66.本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。