GIS盆式絕緣子表面污穢模態分析檢測方法研究

袁文澤,何聰,蔡鋆,侯志強,李軍浩

(西安交通大學電氣工程學院,710049,西安)

與傳統敞開式電氣設備相比,氣體絕緣金屬封閉開關設備(GIS)具有結構緊湊、安裝快、環境適應能力強、安全性高、維護工作量少、檢修周期長等優點[1-5],因而被廣泛采用,特別是在高電壓等級電網中,其優點更突出。盆式絕緣子作為核心絕緣部件,在GIS設備中廣泛應用,其絕緣狀況與GIS的正常運行密切相關。導致絕緣子閃絡的原因主要有以下4種。第一,盆式絕緣子表面出現裂紋、不平滑、劃傷等原因造成其表面粗糙,導致表面電場發生畸變,從而使盆式絕緣子表面閃絡電壓降低[6-8]。第二,盆式絕緣子存放環境濕度過大,造成盆式絕緣子表面吸附水分,進而在表面形成水膜,使沿面電壓分布不均,使閃絡電壓顯著降低。第三,GIS運行現場防塵措施不夠完善,空氣中彌漫的粉塵進入氣室內部,粉塵微粒會在垂直氣室和管道的水平盆式絕緣子的上表面不斷積存,日積月累,附著在盆式絕緣子表面的雜質越積越多,造成盆式絕緣子表面電場分布不均,閃絡電壓降低,易發生閃絡放電[9]。第四,隔離開關或者斷路器動作時觸頭碰撞會產生金屬微粒,金屬微粒在電場作用下附著在絕緣子表面[10],導致絕緣子表面電場畸變,使得閃絡電壓降低。可見,導致盆式絕緣子閃絡的主要原因是其表面狀態發生了改變。其中,最為常見的是盆式絕緣子表面污穢的附著導致電場畸變,進而使閃絡電壓降低。現場拆開的某附著污穢的GIS盆式絕緣子表面狀況如圖1所示,其污穢質量可達到50 g以上。基于上述原因,對盆式絕緣子表面污穢狀況進行帶電檢測技術的研究是非常有必要的。

圖1 現場附著污穢的盆式絕緣子表面狀況

使用模態分析法診斷機械故障具有靈敏度高、無損檢測等優點,因而被廣泛應用于GIS機械故障檢測[11-15]。法國Rébillat等將支柱絕緣子放置在地震模擬平臺上,通過檢測振動信號,發現一階諧振頻率能分辨支柱絕緣子的損傷程度[16]。李秀廣等對隔離開關觸頭是否接觸良好進行振動信號檢測與分析,結果表明觸頭接觸不良會導致振動信號出現300 Hz和600 Hz的頻率分量[17]。華北電力大學馬朋飛等利用ANSYS軟件對存在裂紋的絕緣子進行有限元分析,結果表明裂紋會導致絕緣子固有頻率下降,尤其當裂紋貫穿絕緣子時,固有頻率下降會十分明顯[18]。武漢大學李曉紅等采用頻譜分析和小波分析結合的方法對支柱絕緣子振動信號進行研究,結果表明該方法能檢測4 mm深的裂紋損傷[19]。東北電力大學于卓琦等采用有限元軟件計算了正常和含有缺陷的盆式絕緣子的模態頻率,研究了氣室壓力和裂紋大小對模態頻率的影響,結果表明模態分析法檢測盆式絕緣子機械狀況具有可行性[20]。牛博等通過仿真研究了超聲波法檢測盆式絕緣子表面污穢狀態,但是尚未進行試驗研究[21]。華北電力大學梁偉平等利用有限元分析法研究了污穢絕緣子表面溫度分布規律,為紅外檢測絕緣子污穢程度理論提供了一定的參考[22]。

目前,鮮見有學者提出檢測盆式絕緣子表面污穢的有效方法。基于以上情況,本文對模態分析法檢測盆式絕緣子表面污穢狀況進行了相關仿真研究和試驗研究,并提出污穢檢測指標。

1 盆式絕緣子固有模態特性仿真分析

1.1 盆式絕緣子的固有模態

以220 kV盆式絕緣子為研究對象,建立盆式絕緣子三維模型,如圖2所示。盆式絕緣子幾何尺寸均為實測,外徑為480 mm,厚度為38 mm,曲面采用圓角處理使其光滑,螺孔直徑為10 mm。

圖2 盆式絕緣子三維模型

將所建盆式絕緣子三維模型導入有限元分析軟件進行仿真。盆式絕緣子材料填充選擇環氧樹脂,污穢的密度設置為塵土堆積密度1 070 kg/m3,材料的彈性模量和泊松比如表1所示。由于固有模態為結構自由振動時的模態特性,因此對模型不必添加任何邊界約束條件。

表1 材料參數

仿真得到潔凈的盆式絕緣子的前10階固有頻率如圖3所示,其對應的振型如圖4所示。

圖3 盆式絕緣子固有頻率

(a)1階振型

從圖3可以看到,1、2階,3、4階,6、7階,8、9階固有頻率分別十分接近,而且它們所對應的振型十分相似,但是模態振型的相位不同,振型相互正交,即出現了重根模態。重根是對循環對稱結構的特殊振動特性即振型隨激振點移動特性的一種數學描述,出現重根模態的主要原因為盆式絕緣子具有循環對稱性。

1.2 污穢質量對盆式絕緣子固有模態的影響

在盆式絕緣子表面覆蓋污穢薄面研究污穢質量對其固有模態的影響。設置整個盆式絕緣子表面均勻添加污穢,污穢種類為非導電性污穢。通過對無污穢(0 g)和添加50、100、200、300 g污穢5種情況進行固有頻率仿真,得到1～14階固有頻率結果如圖5所示。從圖5可以看到,添加污穢之后,每一階的固有頻率都會上升,而且污穢質量越大固有頻率越高。證明污穢足以改變盆式絕緣子的固有頻率,改變其模態特性。

圖5 污穢質量對絕緣子固有頻率的影響

1.3 污穢位置對盆式絕緣子固有模態的影響

設置污穢質量為100 g,污穢種類為非導電性污穢,污穢面積為盆式絕緣子表面積的1/4。污穢位置示意圖如圖6所示,其中陰影部分為污穢。

對以上4種污穢情況進行仿真得到固有頻率如圖7所示。從圖7可以看出,4種污穢情況下絕緣子的固有頻率差異十分微小,這是因為從空間上看,4種污穢實際是對稱分布的,可通過空間旋轉重合。無污穢時第8、9階是重根模態,但是添加1/4面積的污穢之后,第8、9階的重根模態現象消失,這是因為添加污穢對其循環對稱結構造成了一定程度的破壞。

(a)污穢位置A

圖7 污穢位置對絕緣子固有頻率的影響

1.4 污穢面積對盆式絕緣子固有模態的影響

設置污穢質量為100 g,污穢種類為非導電性污穢,僅改變污穢面積,研究污穢面積對盆式絕緣子固有頻率的影響。污穢面積設置為3種情況,即1/3盆式絕緣子表面積、2/3盆式絕緣子表面積和整個盆式絕緣子表面。3種污穢分布面積示意圖如圖8所示,對3種污穢分布情況進行仿真得到如圖9所示結果。

(a)1/3面積

圖9 污穢面積對絕緣子固有頻率的影響

從圖9可以看到,相同質量的非導電性污穢在盆式絕緣子分布的范圍越廣,則1～14階固有頻率越高。

1.5 污穢材料特性對盆式絕緣子固有模態的影響

設置污穢質量為100 g,污穢覆蓋整個盆式絕緣子表面,僅改變污穢材料特性。由于GIS盆式絕緣子表面通常會附著開關裝置碰撞產生的鋁粉,污穢本身受潮也會改變自身剛性,因此,將污穢沉積物分別設置為塵土和鋁粉。鋁粉的堆積密度為1 400 kg/m3,泊松比為0.35,彈性模量為6.90×1010Pa,經過計算得到鋁粉的厚度為0.78 mm,塵土污穢厚度為1 mm。仿真結果如圖10所示,可以看出,污穢材料特性對絕緣子固有頻率的影響十分微小。

圖10 污穢材料特性對絕緣子固有頻率的影響

固有模態仿真結果表明,污穢質量和污穢面積是影響盆式絕緣子模態特性的主要因素,污穢位置對其影響較小。污穢質量越大、污穢面積越廣對固有頻率改變越大。由于污穢可以改變盆式絕緣子的模態特性,因此,可以通過檢測盆式絕緣子模態特性的方式判斷其表面污穢狀況。

2 盆式絕緣子表面污穢檢測試驗

2.1 模態特性檢測試驗系統

盆式絕緣子污穢檢測系統由采集卡、振動加速度傳感器、力錘和上位機四部分組成。污穢檢測系統整體結構示意圖如圖11所示,實物圖如圖12所示。

圖11 污穢檢測系統結構示意圖

圖12 污穢檢測系統實物圖

由于力錘簡單易操作、移動方便、不影響被測結構的動態特性,因而選擇力錘作為激勵設備。力錘內部的傳感器可以獲取激勵信號,振動加速度傳感器接受振動響應信號,通過采集卡采集激勵信號和響應信號將其傳輸到上位機的數據處理軟件中,然后進行數據處理以及模態特征提取,經過分析得到盆式絕緣子表面的污穢狀況。由于力錘的擊振能量有限,因此傳感器布置的響應點離激勵點的位置不能太遠,太遠會導致信號衰減太快,損失大量的信息。選擇盆式絕緣子裸露在空氣中的部分作為力錘信號的激勵點。為了利于力錘的敲擊,選擇盆式絕緣子的上部,激勵點的具體位置如圖11所示。對GIS筒體和盆式絕緣子上大量測試點的試驗表明,在盆式絕緣子正對激勵點最下方的位置布置振動傳感器最能反映盆式絕緣子的表面狀態,響應點位置如圖11所示。力錘敲擊盆式絕緣子后,盆式絕緣子在垂直方向的振動最為劇烈,一旦盆式絕緣子表面附著污穢將會最明顯地反映出來,而且該點的測試結果很穩定。

模態試驗過程中用到的儀器有UA328采集卡、SALC05KE力錘、15117振動加速度傳感器以及上位機,其中力錘和加速度傳感器均為電壓信號輸出。UA328采集卡、SALC05KE力錘、15117加速度傳感器的主要參數分別如表2～表4所示。

表2 UA328采集卡的主要參數

表3 SALC05KE力錘的主要參數

污穢檢測試驗在220 kV GIS模型上進行,通過力錘在豎直方向敲擊盆式絕緣子上部激勵盆式絕緣子及其附近結構振動,振動加速度傳感器緊貼盆式絕緣子正下方接收響應信號。對激勵信號和響應信號進行快速傅里葉變換,在對應頻率信號點處用響應信號幅值除以激勵信號幅值,可得到該盆式絕緣子的頻響函數曲線。頻響函數曲線與激勵信號和響應信號均無關,僅僅與盆式絕緣子本身結構的模態特性相關,因而可以進行多次重復試驗得到頻響函數曲線,然后在每一個頻率點處取平均值以減小試驗誤差。本文實測到的頻響函數曲線均為20次重復試驗的平均值。

表4 15117振動加速度傳感器的主要參數

2.2 盆式絕緣子表面污穢模態特性試驗結果

2.2.1 污穢質量對盆式絕緣子模態特性曲線的影響 將污穢面積設置為整個盆式絕緣子表面,污穢種類為非導電性污穢(由細沙和塵土混合然后加入少量水構成)。盡量使污穢涂抹均勻,研究污穢質量對盆式絕緣子模態特性的影響。經過調研已拆卸的GIS內部的盆式絕緣子,發現其表面污穢質量可以達到50～300 g。將污穢質量按照50 g的梯度設置,分別為0(無污穢)、50、100、150、200、250、300 g,研究污穢質量對盆式絕緣子模態特性的影響。試驗得到的模態特性曲線如圖13所示,可觀察到,在2 000 Hz以上的頻段,隨著污穢質量的增加模態特性曲線會明顯偏離無污穢情況下的曲線。

圖13 污穢質量對盆式絕緣子模態特性曲線的影響

2.2.2 污穢位置對盆式絕緣子模態特性曲線的影響 將污穢質量固定為150 g,污穢面積設置為盆式絕緣子表面積的1/4,污穢種類設置為非導電性污穢,盆式絕緣子表面有金屬屏蔽層,改變污穢的位置,污穢的分布位置與圖5所示一致,研究其對結構模態特性的影響。各種污穢位置下的模態特性曲線如圖14所示。可以看出,4種污穢情況下的模態特性曲線接近重合,無污穢情況下的模態特性曲線與有污穢情況下差異較大。

2.2.3 污穢面積對盆式絕緣子模態特性曲線的影響 將污穢質量固定為150 g,污穢種類設置為非導電性污穢。污穢面積設置為3種情況,1/3盆子表面積、2/3盆子表面積和盆式絕緣子全表面,研究其對結構模態特性的影響。試驗得到的3種污穢面積下的模態特性曲線如圖15所示,可觀察到,3種污穢面積情況下的模態特性曲線近似重合,卻偏離無污穢情況下的曲線。

圖15 污穢面積對盆式絕緣子模態特性曲線的影響

2.2.4 污穢材料特性對盆式絕緣子模態特性曲線的影響 將污穢質量固定為150 g,污穢面積覆蓋整個盆式絕緣子表面,改變污穢的材料特性,污穢1為 150 g塵土污穢、污穢2為50 g鋁粉+100 g塵土、污穢3為100 g鋁粉+50 g塵土,研究污穢材料特性對盆式絕緣子結構模態特性的影響。無污穢和3種污穢情況下的頻響函數曲線如圖16所示,可觀察到,在大部分頻段,3種污穢材料特性下的模態特性曲線近似重合,卻偏離無污穢材料情況下的曲線。

圖16 污穢材料特性對盆式絕緣子模態特性曲線的影響

3 分析與討論

GIS盆式絕緣子結構可以看作多自由度線性系統,其振動微分方程可以表示為

(1)

對方程(1)進行處理,可導出頻響矩陣

(2)

式中:m、N分別為自由度數和節點總數;上角標T和*分別為轉置矩陣符號和共軛符號。式(2)可進一步表達為留數矩陣,表達式如下

H(jω)=

(3)

式中:Rr是第r階模態的留數矩陣。根據方程(3),在GIS盆式絕緣子結構的自由度Y和X之間的頻響函數可表示為式(4),HXY(jω)表示在自由度X處激勵,在自由度Y處的頻響函數。

(4)

對模態試驗測量得到的頻響數據擬合可獲得GIS盆式絕緣子結構的模態模型,當結構模態特性確定時,其動態特性也就唯一確定[23],當結構模態特性發生改變時其動態特性也會發生改變,而激勵信號的幅值(與力錘敲擊力度有關)則不會影響結構本身的模態特性。模態試驗結果表明,污穢對頻響函數的影響主要集中在2 000～4 000 Hz頻段,污穢分布對每一個頻率點對應的幅值影響規律并不一致,對某個頻段內的頻響函數信號進行整體分析更便于識別盆式絕緣子表面的污穢狀況。

為了量化分析盆式絕緣子表面污穢對其模態特性的影響,定義3個衡量污穢狀態的指標,并將4 000 Hz以內的振動信號分為4個頻段,分別為0～1 000、1 000～2 000、2 000～3 000、3 000～4 000 Hz,3個指標分別為相關系數r、污穢累加值s和污穢指數p。相關系數用于衡量4 000 Hz以內的整體信號。污穢累加值和污穢指數分別對4個頻段的信號進行單獨分析,前者用于衡量各頻段信號的絕對變化量,后者用于衡量各頻段信號的相對變化量。污穢對某個單一頻率對應的幅值影響很小,但是對2 000～4 000 Hz頻段內的模態特性均有影響,因此可對單一頻率下幅值的改變進行累加,使得檢測靈敏度大幅提升。結合3個指標可對盆式絕緣子的污穢狀況有可靠清晰的判斷。

在盆式絕緣子無污穢情況下進行污穢檢測試驗得到兩組數據,然后在盆式絕緣子表面添加污穢情況下進行污穢檢測得到第三組數據。假設無污穢情況下第一組頻響函數信號為變量x1,x2,…,xn,第二組頻響函數信號為變量w1,w2,…,wn,添加污穢后得到的頻響函數信號為y1,y2,…,yn,則變量x和y之間的相關系數r可表示為

(5)

污穢累加值s的計算公式如下

(6)

污穢指數p的計算公式如下

(7)

污穢指標的對比方法為:把兩組無污穢情況下的對照組計算出的污穢指標與對照組和試驗組(有污穢)計算出的污穢指標進行對比。該對比方法可進一步減小試驗本身帶來的誤差。

3.1 污穢質量對盆式絕緣子模態特性指標的影響

0、50、100、150、200、250、300 g污穢下頻響函數的相關系數如表5所示。可以看出,污穢質量越大,對相關系數的影響越大。

表5 污穢質量對頻響函數相關系數的影響

隨著污穢質量的增加,相關系數的變化趨勢如圖17所示。從圖17可以看到,當盆式絕緣子表面的污穢超過50 g時,有污穢情況與無污穢情況下的相關系數隨著污穢質量的增加出現明顯的下降,表明污穢質量的增加逐漸改變了盆式絕緣子的表面狀況,因此,可以利用相關系數判斷盆式絕緣子表面的污穢狀況。

圖17 污穢質量對頻響函數相關系數的影響

不同污穢質量情況下的污穢累加值s的計算結果如圖18所示。從圖18可以看到,隨著污穢質量的增加,0～1 000 Hz信號的污穢累加值幾乎沒有發生明顯的變化,1 000～2 000 Hz以及3 000～4 000 Hz信號的污穢累加值在污穢質量超過150 g時增加較為明顯,2 000～3 000 Hz信號的污穢累加值隨著污穢質量的增加明顯增大,且在污穢質量50 g時已經較為明顯。表明污穢質量對2 000～3 000 Hz頻段內信號的污穢累加值s影響更加顯著,該頻段內污穢累加值更能反映污穢質量的變化情況。

圖18 污穢質量對污穢累加值的影響

不同污穢質量情況下的污穢指數p的計算結果如圖19所示。從圖19中可以看到,隨著污穢質量的增加,0～1 000 Hz信號的污穢指數幾乎都在1附近,1 000～2 000 Hz、2 000～3 000 Hz以及3 000～4 000 Hz信號的污穢指數隨著污穢質量的增加明顯增大,而且在污穢質量100 g時已經較為明顯,其中2 000～4 000 Hz頻段信號更加顯著。表明添加污穢對2 000～4 000 Hz信號的污穢指數影響更加顯著,該頻段內污穢指數更能反映污穢質量的變化情況。

圖19 污穢質量對污穢指數的影響

盆式絕緣子表面污穢積聚質量越大,對其表面電場分布的畸變就會越嚴重,其電氣絕緣性能就會大幅下降,當下降到一定程度時,很容易導致局部放電甚至閃絡的發生,嚴重影響GIS的安全運行。因此,盆式絕緣子表面污穢質量與其電氣絕緣性能密切相關,可通過檢測表面污穢質量判斷盆式絕緣子的電氣絕緣性能。

3.2 污穢位置對盆式絕緣子模態特性指標的影響

污穢位置A、位置B、位置C、位置D情況下和無污穢情況下頻響函數的相關系數如表6所示。從表6可以看出,污穢涂抹在盆式絕緣子A、B、C、D 4個位置時與無污穢情況下的相關系數都在0.89左右,變化很小,而且污穢涂抹在盆式絕緣子A、B、C、D 4個位置時它們之間的相關系數普遍在0.96～0.99之間,表明相關系數無法區分出污穢的位置。

表6 污穢位置對相關系數的影響

3.3 污穢面積對盆式絕緣子模態特性指標的影響

3種污穢面積和無污穢情況下模態特性的相關系數如表7所示。從表7可以看出,3種污穢面積與無污穢情況下的相關系數較為接近,單獨從相關系數來看不能夠區分污穢的面積,表明污穢面積對絕緣子模態特性的影響較小。

表7 污穢面積對相關系數的影響

3.4 污穢材料特性對盆式絕緣子模態特性指標的影響

無污穢和3種材料特性污穢情況下模態特性的相關系數如表8所示。從表8可以看出,當污穢中鋁粉的比例上升時,相關系數未發生明顯改變,即污穢材料特性對結構模態特性的影響很小。

表8 污穢材料特性對相關系數的影響

試驗模態分析結果表明,污穢質量是影響盆式絕緣子模態特性的關鍵因素,實際工程中污穢隨機分布在盆式絕緣子表面,但污穢面積和污穢位置對其模態特性影響非常小,因此,污穢的隨機分布不會對模態分析法檢測污穢造成影響。對于運行狀態下的GIS盆式絕緣子表面狀態檢測,必須考慮GIS本身的振動。分析認為,GIS本身的振動對盆式絕緣子模態檢測的影響很小,原因有二。其一,根據當前GIS現場振動檢測的經驗,正常情況下,GIS整體振動信號的頻率為100 Hz[24],而盆式絕緣子表面污穢狀態檢測所關注的頻率范圍主要集中在2 000～4 000 Hz,即使GIS運行出現機械故障,其大多情況下異常頻率信號范圍也在1 000 Hz以內,很少會出現頻率超過2 000 Hz的振動信號;其二,GIS本身的振動信號幅值遠遠低于錘擊檢測到的振動信號幅值,所以其對模態檢測影響很小。

當盆式絕緣子表面附著污穢時,其頻響函數曲線與無污穢情況下頻響函數曲線的相關系數會隨著污穢質量的增加明顯減少,當0.9≤r<0.95時,可認為污穢程度為輕;當0.8≤r<0.9時,可認為污穢程度為中;當r<0.8時,可認為污穢程度為重。污穢對頻響函數曲線的影響主要集中在2 000～4 000 Hz,s隨著污穢質量的增大在2 000～3 000 Hz信號頻段會顯著增大,p隨著污穢質量的增大在2 000～4 000 Hz信號頻段會從1.5上升到4。同時,污穢對0～2 000 Hz以內的振動頻響函數信號影響較小,s和p均未發生較大的變化。因此,盆式絕緣子表面污穢對盆式絕緣子模態特性的影響主要集中在高頻段2 000～4 000 Hz,這是因為污穢在盆式絕緣子表面的集中區域十分有限,因而更易對高頻段信號造成影響,而覆蓋在GIS筒體表面的污穢由于覆蓋區域很廣,影響到GIS整體結構的模態特性,因而更易對低頻段信號造成影響。為排除GIS其他區域的未知因素影響,應對0～4 000 Hz以內的振動頻響函數信號進行3個污穢指標的綜合分析,進而判定盆式絕緣子表面污穢狀況。

由于振動模態與研究對象本身結構、材料等特性有關,據此推論,污穢對不同電壓等級、尺寸差異較大的盆式絕緣子振動模態的影響是存在差異的,因此,其他電壓等級的GIS中盆式絕緣子污穢檢測方法有待于進一步研究。

4 結 論

(1)通過仿真研究污穢質量、面積、位置和材料特性對盆式絕緣子固有模態的影響,發現污穢質量增加時,絕緣子前14階固有頻率增大,污穢分布不對稱則會使其重根模態現象消失。

(2)通過試驗研究污穢質量、面積、位置和材料特性對盆式絕緣子振動模態的影響,發現污穢質量是影響盆式絕緣子模態特性的主要因素,污穢面積、位置和材料特性對其模態特性的影響較小。

(3)提出了基于模態分析的污穢檢測方法,并給出了相關系數、污穢累加值和污穢指數3個衡量指標。當盆式絕緣子表面污穢質量增加時,相關系數會明顯減小,2 000～3 000 Hz信號的污穢累加值會顯著增大,2 000～4 000 Hz內信號的污穢指數會明顯增大。