应用LabVIEW软件开发的气体绝缘金属封闭开关设备声振联合检测系统

王永泉,杨朝旭,周淳,张涛,陶思宇

(1.西安交通大学机械结构强度与振动国家重点实验室,710049,西安;2.西安交通大学陕西省先进飞行器服役环境与控制重点实验室,710049,西安;3.西安交通大学航天航空学院,710049,西安;4.西安子国微科技有限公司,710065,西安)

气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)由断路器、隔离开关、接地开关和母线等零部件组成,并且封装在充有SF6高压绝缘气体的金属外壳中[1]。由于GIS设备具有结构紧凑、占地面积小和可靠性高等优点,因此在电力行业得到广泛应用[2]。但是GIS设备在制造、运输和投入使用环节中容易产生异物等缺陷,一旦出现故障,将导致整个电力系统发生严重故障[3]。为了降低GIS设备故障概率攀升而影响电网的稳定程度,需要定期开展检修工作。传统GIS设备检修工作繁杂,采用拆解GIS设备的检查方法会造成停电时间长等问题,而且效率较低[4]。目前,国内外针对GIS内部缺陷的检测方法主要是局部放电检测法。该方法以检测GIS局部放电发生时产生的电脉冲、电磁波、超声波、光及SF6气体分解化学物质等为基础,可分为电学检测法、声学检测法、光学检测法和化学检测法等。

自20世纪80年代以来,国内外研究机构对常用的局部放电检测技术,如脉冲电流法、特高频(UHF)法和超声波测量法检测GIS缺陷开展了大量研究[5-8]。脉冲电流法测量频率低、抗干扰能力较弱,不适宜在现场应用。特高频法的灵敏度依赖于传感器的可靠性。对GIS进行特高频局部放电检测的传感器分为内置式和外置式两种,内置式需要传感器内置传感耦合器以保证测量精度,外置式对测量环境要求较高。超声波测量法抗电磁干扰性强,并且对自由金属颗粒具有极高的检测灵敏度。声发射(AE)是材料局部能量快速释放过程中释放瞬态弹性波的现象[9]。声发射检测技术属于超声波测量法,基本原理是利用传感器接收声发射源信号,经过信号放大和数据采集,对采集到的数据进行分析处理,最后获得材料内部缺陷特性等信息。声发射检测技术具有适用高频段、动态特性好和信号源来自测量对象本身的特点。振动是GIS运行过程中出现缺陷状态而引发的现象。研究表明,振动现象会导致振动信号幅值增加、频域分量增多[10]。振动检测技术通过对振动信号计算分析,可以有效实现GIS带电检测,具有抗电磁干扰性强和对低频信号灵敏度高的特点。

综上,声振联合检测兼顾低频和高频两种测量方法的优点。本文采用声发射和振动联合检测的方法进行GIS内部异物缺陷检测,该方法可以在GIS运行或实验时应用,对GIS内部不会产生任何影响,是一种实时、动态、无损的检测方法。

目前,GIS故障检测系统装置多为单一的声发射局部放电检测仪,而且商用系统成本普遍较高,存在体积大、可扩展性弱且不能二次开发的问题。为了满足GIS设备检测工作对检测装置便携式的要求以及检测系统对数据采集、存储、分析和可扩展性等功能的需求,开发一套便携式GIS设备检测系统具有较高的工程应用价值,可为设备缺陷状态评估和检修方案提供依据和指导。虚拟仪器技术可以利用计算机实现仪器管理、组织仪器系统,并通过软件实现部分硬件电路的目标,为测试测量系统提供了一种高效、灵活的开发方案[11]。本文针对电网变电站检修人员在GIS检测工作中的实际需求,应用LabVIEW软件开发了一套适合工程现场应用的GIS设备声振联合检测系统。

1 系统方案设计

GIS设备常见故障有自由金属颗粒、金属突起物缺陷等,这些故障在GIS运行时形成高场强区从而导致发生局部放电现象[12-13]。为了提高检测效率和抗干扰性,系统设计采用声发射和振动两款传感器同时测量局部放电信号,开发了一套GIS声振联合检测系统,包括硬件平台搭建和软件程序设计。考虑到变电站现场实际情况,硬件设计采用模块化并且全部封装在自制工控机中,软件设计采用LabVIEW和Matlab混合编程的方法实现,具有数据采集与显示、信号触发捕捉、数据分析与评估和数据管理等功能,是系统设计的重点。该设计的优点是:

(1)系统硬件装置将各个模块单元全部封装在自制工控机中,可扩展性强,体积、质量适中,成本低,具有便携式优点;

(2)声振联合检测法兼顾低频和高频两种测量方法,可检测频率范围宽,灵敏度高且抗干扰性强;

(3)结合GIS异物缺陷识别算法,通过LabVIEW有效地展示了GIS声振信号时频图以及GIS内部自由金属颗粒飞行图谱,评估结果有意义;

(4)系统软件功能全面,并可依据实验条件灵活设计,可进行二次开发,界面简洁美观,易于操作,适合工程现场应用。

2 系统硬件设计

GIS声振联合检测系统硬件设计以工控机为核心,由声发射、振动、环境类传感器、信号供电分离单元、恒流电压单元、高速数据采集卡和供电单元组成。系统硬件结构框图如图1所示,其中,除传感器外其他部件封装在工控机内。工控机侧面板预留有信号输入接口,可以连接8路模拟量信号。侧面板模拟量信号输入接口通过低噪声线缆分别与声发射传感器、振动传感器和环境类传感器信号测量输出端连接。信号输入接口如图2所示。

图1 GIS声振联合检测系统硬件结构图Fig.1 Hardware structure of GIS acoustic vibration joint detection system

图2 传感器信号输入接口Fig.2 Sensor signal input interface

(1)工控机采用Intel®酷睿4代高性能i5处理器,配置有信号输入接口、显示器、PCI插槽、1路千兆网口、2路USB等输入/输出接口,具有体积小、功耗低的特点。作为GIS声振联合检测系统的硬件平台满足体积、质量等要求。

(2)声发射和振动传感器分别用于检测GIS设备内部产生的声发射信号和低频振动信号。系统采用30～140 kHz的高灵敏度内置前放声发射传感器和频率带宽为0.5～10 kHz的低阻抗电压输出型振动传感器。本系统使用的声发射传感器和振动传感器如图3所示。其中,声发射传感器型号为PXR04I,谐振频率为40 kHz,10 dB带宽为30～140 kHz,灵敏度可达120 dB,内置40 dB放大器;振动传感器型号为13100,量程5.1 mV/(m·s2),频率范围0.5～10 kHz,谐振频率大于32 kHz。

(3)环境类传感器用于检测大气压力、空气质量和温湿度等环境变量。

(4)信号供电分离单元主要是给声发射传感器供电并将信号分离以便数据采集。

(5)恒流电压单元主要是给振动传感器供电,同时采用交流耦合方式将传感器输出的直流偏置电压滤掉,从而保留振动测量信号,具有低噪声的优点。

(6)供电单元用于给整个系统供电,包括变压器、锂电池和降压单元。

(7)数据采集卡是外界采集信号进入计算机的枢纽,包括A/D转换、数字I/O输出等功能。根据奈奎斯特采样定理及GIS设备检测现场工程应用,为了真实还原模拟信号,取采样频率fs为输入信号最高频率fmax的5～8倍,采用采样频率可达800 kHz的阿尔泰PCI8757高速数据采集卡作为声发射、振动等信号采集设备[14]。PCI8757高速数据采集卡转换精度为16位,输入量程-10～+10 V,具备8 kB的FIFO存储器,支持32位PCI总线控制DMA数据传输方式,模拟量输入采用4路单端或差分方式。

(a)声发射传感器

3 系统软件设计

系统软件开发是基于美国国家仪器公司(NI)推出的LabVIEW虚拟仪器以及采集卡接口库函数实现的。LabVIEW是一种基于图形开发、调试和运行程序的集成化开发环境,图像化编程G语言是测量、数据采集和处理系统的理想选择[15]。本系统软件程序设计基于LabVIEW 2018编程环境开发,是GIS声振联合检测系统的重要部分。

系统软件功能模块如图4所示,包括参数设置、数据采集与显示、信号分析与评估和数据管理。其中,参数设置模块完成系统参数的初始化;数据采集与显示模块实现信号波形和结果输出;信号分析与评估模块通过后台数据运算和函数调用实现声振信号时域分析、频域分析、特征提取和缺陷评估;数据管理模块完成数据的存储和查看等任务。

图4 系统软件功能模块组成框图Fig.4 Block diagram of system software functional modules

系统软件主要工作流程如图5所示。具体为:①启动程序进入操作界面;②系统初始化,如硬件参数设置和阈值设置等;③开始采集;④信号采集并记录,此时实现声振信号的连续测量、记录和显示;⑤信号触发捕捉,实时判断声振两路信号与触发阈值的大小,满足条件则捕捉当前信号;⑥对捕捉到的声振信号进行特征提取和时频分析等;⑦评估;⑧退出系统。

图5 软件主要工作流程图Fig.5 Main work flow chart of the software

3.1 参数设置

参数设置模块包括量程设置、采样率设置、工作模式设置和文件路径设置等,通过弹出对话框的形式与系统界面共同完成系统采集量程、采样率、工作模式和文件存储路径的配置。参数设置界面中采样率的范围是3～800 kHz,输入量程有±10、±5、±2.5 V,工作模式可配置为110、220、550 kV,文件存储路径自定义设置。

3.2 数据采集与处理

3.2.1 数据采集程序设计 数据采集程序主要由设备创建、采样设置和数据读取组成。其中设备创建使用逻辑号创建采集卡设备对象,实现软件系统与外部硬件通信;采样设置用于初始化配置AD硬件参数,如采集通道、触发模式、触发源和时钟源等,保证采样过程能够按照一定周期有序可控地进行;数据读取用于启动数据读取任务并将传感器采集到的信号转化为模拟电信号,同时将采集到的AD端口数据进行转换。本系统数据采集程序中设备创建对象使用的逻辑号取决于高速采集卡逻辑设备(ID)标识号,值为0;采样设置中触发模式配置为软件内触发,信号源为外部ATR触发源,触发类型为边沿触发,触发方向为负向触发,时钟源为内部时钟。

3.2.2 触发捕捉程序设计 信号触发捕捉程序的工作原理是系统在采集和记录声发射和振动两路传感器信号的同时,实时对比两路传感器信号的时域最大幅值和触发阈值的大小。触发捕捉程序如图6所示。如果声发射、振动信号最大幅值均未超过触发阈值,则系统继续采集和记录;反之,当声发射、振动信号其中任何一路信号达到触发阈值时,则捕捉该时刻声发射、振动信号波形,保存的信号波形用于特征提取和频域分析等。

图6 信号触发捕捉程序Fig.6 Signal trigger capture program

3.3 数据分析

系统数据分析程序的主要功能是对来源于数据采集卡的数据进行时域、频域分析。该部分程序采用LabVIEW和Matlab混合编程的方法,程序如图7所示。首先,读取声发射、振动信号并对其进行时域分析,时域参数分析用于得出信号各种统计参数,如信号的均值、有效值、最大值和最小值等有量纲特征参数;其次,通过Matlab script节点结合Matlab软件对其进行频域分析,频域分析将复杂的时间历程波形经过傅里叶计算分解为若干单一的谐波分量,分别绘制出两路信号的幅频图并得出信号幅度和峰值频率;然后,在GIS内部异物缺陷分类识别算法的基础上,将上一步提取出来的信号时频特征送给后台调用的Matlab程序实现GIS设备缺陷检测评估;最后,将评估结果显示出来。

图7 数据分析程序Fig.7 Data analysis program

3.4 数据管理

3.4.1 数据存储 数据存储程序是将时间点参数、声发射、振动传感器采集到的信号波形数据等合并为数组,以数据形式存储至计算机中指定位置,可以在日后随时对其进行查看和相关分析。LabVIEW中的TDMS文件是一种二进制记录文件,兼顾高速、易存取和方便等优势[16]。因此,系统采用TDMS文件格式对采集到的声发射、振动信号进行存储。数据存储程序流程为:开启TDMS,系统开始以流盘的方式将波形数据输入预先设定的磁盘内;当写完TDMS文件后,LabVIEW会自动生成*.tdms文件和*.tdms_index文件,前者为数据文件,后者为索引文件。

3.4.2 数据查看 数据查看程序的主要功能是对系统运行过程中存储的声发射、振动信号波形进行查看,可以查看的历史数据包括系统后台连续采集的波形数据和触发捕捉的波形数据。

3.4.3 数据显示 数据显示程序是将系统运行状态、传感器信号强度、采集到的波形数据、数据分析结果等直观地展示在LabVIEW虚拟面板上。

(1)系统运行状态提示框。系统运行状态有:采集和记录、分析、加载波形、停止等。

(2)传感器信号强度。信号强度采用图形化水平进度条展示声发射、振动信号的大小。该部分显示控件如图8所示,将声振信号的最大幅值通过一系列的公式计算转化为信号强度显示在前面板。

图8 信号强度显示控件Fig.8 Signal strength display controls

(3)采集到的波形数据。系统前面板通过声发射、振动信号时域图展示采集到的波形数据。

(4)数据分析结果。结果包括声发射、振动信号幅频图、时域分析值、频域分析值、环境变量等。

3.5 环境变量检测模块

声发射和振动传感器通过接口为BNC或SMA的同轴电缆与系统测量信号输入接口连接。一方面传感器对工作环境参数范围有要求;另一方面信号传输受到环境温度的影响,如温度太低电缆芯子收缩造成拉断故障,如温度太高信号传输产生衰减。考虑到GIS声振联合检测系统经常在户外等环境恶劣的场景中工作,温度等环境参数变化较大,这些会对传感器信号传输产生衰减等,同时为了方便系统操作人员实时地掌握当前工作环境下的环境参数,设置环境变量检测模块。该部分程序用于实现系统实时监测温度、湿度等环境变量。为保证系统可靠运行,建议设备工作温度为-25～60 ℃,气压为67～101 kPa,湿度为0～95%。通过连接内置探头的温湿度变送器、大气压力变送器和空气质量变送器,实时地采集和显示环境参数值。环境参数类型及测量范围如表1所示,输出信号为0～5 V电压。

表1 环境类传感器主要参数Table 1 Main parameters of environmental sensors

将测得的气压、温度等环境量显示在前面板上,环境参数值显示控件如图9所示。在某时刻,实验环境中测得温度为22.7 ℃,湿度为60.7%,大气压力为97 kPa,空气质量良好。

图9 环境参数显示控件Fig.9 Environmental parameter display control

4 系统功能测试

为验证该系统对GIS设备的声振联合检测能力,搭建了GIS异物缺陷检测试验平台。该试验平台模仿了实际GIS运行时的环境状态,由试验电源、调压器、试验罐体(含高压电极)等组成。试验电源为有效值220 V,频率50 Hz的交流电;调压器实现升压作用,变比为1∶50;试验罐体上的高压导体电压可达±110 kV。测试时对GIS腔体充入一定压力的SF6气体,将声发射、传感器接触面通过耦合剂与GIS腔体外壁黏接在一起,测量输出端通过低噪声线缆直接连接本系统的信号输入接口。具体布置方式示意图如图10所示。

图10 试验装置布置方式示意图Fig.10 Schematic diagram of the experimental device

系统硬件接口连接完成后,启动软件程序。GIS声振联合检测系统软件界面由启动界面、测试界面和评估界面三部分组成。其中,启动界面实现登录系统和退出系统;测试界面包括数据可视化显示、信号分析、操作按钮和运行状态指示框等控件,直观地展示系统运行信息,确保系统各个模块有序进行;评估界面主要展示GIS内部异物缺陷自由金属颗粒的三维动态仿真和飞行图图谱功能。运行系统程序后,首先进入启动界面,在该界面选择登录操作进入测试界面。系统测试界面如图11所示,由菜单栏、状态栏、波形显示界面和文本显示界面组成,测试界面实时显示采集到的声振信号、信号强度以及环境参数,同时在后台连续记录波形数据。

图11 系统测试界面Fig.11 System test interface

(a)声发射传感器时域图

实验过程中,通过软件测试界面阈值调节按钮将声发射和振动信号触发阈值均设置为3 V,当其中任何一路信号达到触发阈值条件被触发后,声发射传感器和振动传感器时域图将显示捕捉到的触发信号。此时系统测试界面中触发捕捉的声振信号如图12所示。为了提高数据频谱分析精度,在GIS声振联合检测系统数据分析程序中添加窗口滤波函数选择设置功能,选择矩形窗、Hanning窗或Hamming窗进行滤波处理。系统首先对声振信号采样序列选择窗口滤波函数进行滤波处理;其次进行快速傅里叶变换从而得到窗口滤波处理后的序列频谱;最后将频域分析后得到的频域图显示在声发射传感器和振动传感器幅频图上。图13～图15分别为矩形窗、Hamming窗和Hanning窗滤波处理后的频谱图。由于Hanning窗运算量适中,并且从图15中发现幅值精度较高,所以选用Hanning窗口滤波处理后提取频谱特征值。

自由金属颗粒在GIS罐体内部受电场力和重力影响做不规则跳跃运动,与罐体内壁碰撞后产生超声信号,信号传播介质只有GIS壳体,因此声发射检测对自由金属颗粒具有极高的灵敏度[17]。通过时域和频域分析,得出声发射信号波形的时频特征值如表2所示。已有文献表明,当有效值和最大值均较大、频域相关性较差时,幅值图谱可用于判断自由颗粒放电缺陷[17-18]。此时与背景值相比,信号变化较为明显,存在有效值、峰值较大,50 Hz频率与100 Hz相关性低的明显特征,故判断GIS内部存在自由颗粒放电缺陷。

表2 信号时域和频域特征值Table 2 Time-domain and frequency-domain eigenvalues of signals

在声振信号其中任何一路最大幅值满足阈值条件的情况下,对该信号进行时频分析和特征提取,初步判断GIS内部是否存在异物微粒。系统功能测试过程采用无异物缺陷、半径为0.5 mm的球体、半径为1 mm的球体、半径为1 mm的均分半球体和片状微粒为导电微粒,不同类型异物缺陷检测的实验结果如表3所示。可以看出,实验测试中系统对GIS异物缺陷检测的准确率大于90%。在实际应用中,使用某型号商用局部放电测试仪和该系统对多个变电站110 kV GIS设备区进行声振联合缺陷检测,检测结果一致,均未发现异物缺陷。

(a)声发射传感器频域图

(a)声发射传感器频域图

(a)声发射传感器频域图

表3 GIS异物缺陷检测实验结果Table 3 GIS foreign body defect detection experiment result

飞行图表明相邻脉冲发生时间间隔Δt与上一脉冲幅值u之间的关系。研究表明,飞行图图谱的特征可以作为GIS缺陷判断依据,在电力生产过程中可以利用该方法判断GIS缺陷类型及性质[19]。实验对该110 kV GIS模型内部异物缺陷产生的声振信号图谱进行分析并建立图谱库特征,将声振信号时频分析提取的特征信息与图谱库进行对比,进而分析确定GIS检测评估结果。系统软件评估界面可实现GIS内部缺陷自由金属颗粒的三维动态仿真以及飞行图图谱功能。评估界面如图16所示,左侧是通过LabVIEW软件绘制的缺陷微粒在GIS内部运动的三维动态仿真图,右侧为飞行图图谱,横轴表示颗粒一次飞行的时间,纵轴表示颗粒飞行高度,通过包含大量数据的数组,统计GIS内部自由金属颗粒的活动状态。

图16 系统评估界面Fig.16 System evaluation interface

5 结 论

本文针对GIS在传统检测设备缺少可靠易用的在线数据采集、存储以及评估系统的问题,考虑到现场实际工程应用情况,应用LabVIEW软件开发了一款GIS声振联合检测系统。该系统可以较大程度省去GIS检测过程中复杂、繁琐的人力计算等流程,系统功能全面而强大。采用模块化硬件并封装在自制工控机中的设计方案,成本低,携带方便;软件可以方便地进行采样等硬件参数设置,直观地展示GIS运行过程中采集到的连续波形数据,同时结合Matlab软件快速地进行信号源的时域、频域分析,基于LabVIEW软件平台展示GIS异物微粒三维动态和飞行图图谱评估结果。通过系统功能测试,本文开发的系统能够实现声发射、振动信号的采集与记录、分析与处理和存储与查看等功能,总体上避免了商用GIS检测仪成本高、二次开发难度大的缺点。系统具有很好的适应性、简单易用性和可扩展性,提高了GIS设备检测工作的便利性。