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基于时频分析法的开关柜避雷器泄漏电流检测

黄华, 谢静媛, 汪正玲, 申葳, 张伟鹏

黄华, 谢静媛, 汪正玲, 申葳, 张伟鹏. 基于时频分析法的开关柜避雷器泄漏电流检测[J]. 南方能源建设, 2022, 9(4): 150-158. DOI: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2022.04.019
引用本文: 黄华, 谢静媛, 汪正玲, 申葳, 张伟鹏. 基于时频分析法的开关柜避雷器泄漏电流检测[J]. 南方能源建设, 2022, 9(4): 150-158. DOI: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2022.04.019
HUANG Hua, XIE Jingyuan, WANG Zhengling, SHEN Wei, ZHANG Weipeng. Leakage Current Detection for Surge Arrester in Switchgear Based on Time-Frequency Analysis Method[J]. SOUTHERN ENERGY CONSTRUCTION, 2022, 9(4): 150-158. DOI: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2022.04.019
Citation: HUANG Hua, XIE Jingyuan, WANG Zhengling, SHEN Wei, ZHANG Weipeng. Leakage Current Detection for Surge Arrester in Switchgear Based on Time-Frequency Analysis Method[J]. SOUTHERN ENERGY CONSTRUCTION, 2022, 9(4): 150-158. DOI: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2022.04.019
黄华, 谢静媛, 汪正玲, 申葳, 张伟鹏. 基于时频分析法的开关柜避雷器泄漏电流检测[J]. 南方能源建设, 2022, 9(4): 150-158. CSTR: 32391.14.j.gedi.issn2095-8676.2022.04.019
引用本文: 黄华, 谢静媛, 汪正玲, 申葳, 张伟鹏. 基于时频分析法的开关柜避雷器泄漏电流检测[J]. 南方能源建设, 2022, 9(4): 150-158. CSTR: 32391.14.j.gedi.issn2095-8676.2022.04.019
HUANG Hua, XIE Jingyuan, WANG Zhengling, SHEN Wei, ZHANG Weipeng. Leakage Current Detection for Surge Arrester in Switchgear Based on Time-Frequency Analysis Method[J]. SOUTHERN ENERGY CONSTRUCTION, 2022, 9(4): 150-158. CSTR: 32391.14.j.gedi.issn2095-8676.2022.04.019
Citation: HUANG Hua, XIE Jingyuan, WANG Zhengling, SHEN Wei, ZHANG Weipeng. Leakage Current Detection for Surge Arrester in Switchgear Based on Time-Frequency Analysis Method[J]. SOUTHERN ENERGY CONSTRUCTION, 2022, 9(4): 150-158. CSTR: 32391.14.j.gedi.issn2095-8676.2022.04.019

基于时频分析法的开关柜避雷器泄漏电流检测

基金项目: 国网福建省电力有限公司科技项目“开关柜内避雷器缺陷在线监测与识别技术研究”(52136021004C)
详细信息
    作者简介:

    黄华,1988-,男,福建龙岩人,工程师,硕士,主要从事智能电网相关工作(e-mail)812336733@qq.com

    谢静媛,1990-,女,福建龙岩人,工程师,硕士,主要从事智能电网相关工作(e-mail)452826996@qq.com

    汪正玲,1985-,女,安徽合肥人,工程师,硕士,主要从事电网数字化相关工作(e-mail)564069016@qq.com

    申葳,1978-,男,福建龙岩人,工程师,学士,主要从事电网数字化相关工作(e-mail)750472160@qq.com

    张伟鹏,1987-,男,福建漳州人,工程师,学士,主要从事电网数字化相关工作(e-mail)181630553@qq.com

    通讯作者:

    黄华,1988-,男,福建龙岩人,工程师,硕士,主要从事智能电网相关工作(e-mail)812336733@qq.com

  • 中图分类号: TM591;TM855

Leakage Current Detection for Surge Arrester in Switchgear Based on Time-Frequency Analysis MethodEn

  • 摘要:
      目的  在电力系统中,开关柜避雷器承担着抑制瞬态过电压和泄放脉冲大电流的重要作用,对于维持其正常稳定运行具有重大意义。
      方法  为了有效抑制噪声对泄漏电流信号检测的干扰,提出了一种基于自相关系数与卡方检验优化的时频分析方法。首先通过电流传感器和分流器两种测量结果进行分析,然后利用基于自相关系数与卡方检验优化的小波变换消除信号中的噪声干扰,实现最优分解尺寸的确定,从而更好地适应小信噪比场合。
      结果  通过软件平台分析得出在分流器的测量基础上利用优化后的小波算法去噪的抗干扰能力更强,波形质量更好。最后研制了一款泄漏电流在线检测装置,对提出的泄漏电流检测模型加以验证。
      结论  实验结果表明该装置能够较好地实现避雷器泄漏电流的实时检测。
    Abstract:
      Introduction   In the power system, the surge arrester in switchgear plays an important role in suppressing transient overvoltage and discharging large pulse currents, which is of great significance to maintain its normal and stable operation.
      Method  A time-frequency analysis method based on the autocorrelation coefficient and the Chi-squared test optimization was proposed in the research to effectively suppress the noise interference on leakage current signal detection. Firstly, the measurement results of the current sensor and the shunt were analyzed. Then, the wavelet transform based on the autocorrelation coefficient and the Chi-squared test optimization was used to eliminate the noise interference in the signal in order to determine the optimal decomposition size to better suit the occasion of small signal-noise ratio.
      Result  Based on the analysis in the software platform, it is concluded that the optimized wavelet algorithm denoising has stronger anti-interference capability and better waveform quality on the basis of measurement of the shunt. Finally, an online leakage current detection device is developed to verify the leakage current detection model proposed in the research.
      Conclusion  The experimental results show that the device can realize the real-time detection of leakage current of the surge arresters.
  • OA:https://www.energychina.press/

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    随着各国能源结构的转型,清洁能源在总能源中的占比逐渐增大,特别是海上风能的开发利用。风能具有清洁、近乎无尽及分布广泛等特性,是最具发展前景的清洁能源之一。目前海上风电正逐渐向深远海方向发展,传统基础形式如单桩基础、高桩承台基础及复合筒形基础等适用性下降,成本增加。而导管架基础自身重量轻,结构刚度大,对深海的适用性较高-,传统导管架基础底部为多桩结构,其施工过程难度大,具有一定的局限性。近年来,采用吸力式多筒基础的导管架结构应运而生,大大降低了在沉放安装施工方面的成本,然而由于底部吸力筒直径及结构整体根开较大,其干拖会受到船型的限制,同时多筒结构具有一定的自浮稳性,可以实现湿拖,因此对其湿拖浮运特性进行研究是十分有必要的-。本文针对某海域三筒导管架工程,如图1所示,分别采用实浮体及气浮体两种方案的三筒导管架基础在自浮拖航过程中的运动特性进行了研究。

    通过数值模拟软件Moses建立三筒导管架基础模型,分别考虑实浮体及气浮体两种方案,对处在静水及拖航过程中的三筒导管架基础进行稳性性分析。在模型中将拖缆绳一端与基础相接,另一端固定,通过在海域中施加一个与拖航方向相反的流速来模拟基础的拖航过程

    分别建立气浮及实浮模型:实浮结构底端不开孔,在筒内设置压载水;气浮结构在模型底部不封闭,水可以自由通过下部开孔。模型如图2所示,尺寸如表1所示。

    图 2 模型示意图
    图  2  模型示意图
    Figure  2.  Numerical models
    图 2 模型示意图
    图  2  模型示意图
    Figure  2.  Numerical models
    表  1  模型尺寸
    Table  1.  Model size
    筒高/m筒径/m结构总高度/m结构重心高度/m结构质量/t
    12.6612.660.14筒底以上24 m1 535.7
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    三筒导管架基础在波浪中运动可看做具有6个自由度的刚体运动,可通过运动分量ζ=(x,y,z,rx,ry,rz)表示,分别代表结构的纵荡、横荡、垂荡、横摇、纵摇、艏摇的运动。三筒导管架基础运动响应方程可以通过刚体运动方程满足下式:

    -ω2([M]+[a])-iω([B]+[b])+([K]+[C]){ξ}={fex}

    ((1))

    式中:ω为波浪频率;i是虚数单位;[M]为三筒导管架基础质量矩阵;[a]为附加质量矩阵;[B]为系统阻尼矩阵;[b]为辐射阻尼矩阵;[K]为三筒导管架基础内部气体刚度矩阵;[C]为三筒导管架基础恢复力矩阵;{ξ}为物体运动响应幅值;{fex}为激振力。

    根据水面起伏的初始情况与波动场的初始速度分布情况,初始条件满足下式:

    η(x,y,t)|t=0=η(x,y)

    ((2))
    Φ(x,y,z,t)|t=0=g(x,y,z)

    ((3))

    式中:η(x,y)为初始水面起伏;g(x,y,z)为波动场初始速度分布

    JONSWAP谱是1968年英国、美国、荷兰、德国联合发起的“北海波浪计划”(Joint North Sea Wave Project),开展为期1年的海浪观察统计工作,这是迄今为止最系统的一次海浪观测工作,提出适用于风程被限定的JONSWAP谱,表达式如下:

    S(ω)=αg2ω-5exp[-54(ωmω)4]γexp[-(ω-ωm)22σ2ωm2]

    ((4))

    式中:α为能量尺度参量,取α=0.076(gx/U2)-0.22x为风程(m);U为平均风速(m/s);ωm为谱峰频率(Hz),ωm=22(g/U)(gx/U2)-0.33γ为峰值提升因子,原观测值在1.5~6之间,平均值取3.3;σ为峰形参数,当ωωm时,σ=0.07,当ω>ωm时,σ=0.09

    分别对相同条件下的实浮结构及气浮结构进行静稳性分析。利用Moses分析三筒导管架基础的回复力臂、RAO(response amplitude operator)进行对比分析。

    静稳曲线上升段部分为相对平稳的位置,下降段部分为不稳定平衡部分,而当力臂减小到0以下时,整个结构会加速倾覆。因此通过倾角的值可以判断结构是否安全及稳定。如图3所示,对实浮体,在倾角达到17°左右处,力矩变为负值,也就意味着大于17°时,结构将不提供恢复力矩,整个结构完全失去静水稳定性。而对气浮结构,在倾角达到21.4°左右处,力矩变为负值,气浮结构失去静水稳定性。

    图 3 回复力臂
    图  3  回复力臂
    Figure  3.  Recovery arm

    图4中可以看出,对实浮结构,在周期为7 s时的垂荡响应达到峰值,垂荡幅值达到1.1 m;气浮结构同样在在周期为7 s时的垂荡响应最大,垂荡幅值达到1.3 m。根据图5,三筒导管架基础运输模型的纵摇响应曲线有明显的峰值,实浮结构及气浮结构分别在12.2 s、12.5 s达到纵摇幅值,实浮体幅值为8.0°,气浮体为7.9°。

    图 4 垂荡幅值
    图  4  垂荡幅值
    Figure  4.  Heave amplitude
    图 5 纵摇幅值
    图  5  纵摇幅值
    Figure  5.  Pitch amplitude

    将相同条件下三筒导管架基础实浮结构和气浮结构在的浮运性态进行对比,波高为1 m,波浪周期为10 s,顺浪拖航,拖缆力为40 t。

    图6图7可以看出,模型重心点处的拖航速度随波浪周期而振荡,实浮体重心点拖航速度峰值为1.85 m/s,而气浮体重心点拖航速度峰值为1.93 m/s。法兰面的纵向速度,实浮体略小于气浮体,实浮体为2.84 m/s,气浮体为2.98 m/s。

    图 6 重心点拖航速度
    图  6  重心点拖航速度
    Figure  6.  Towing speed of center of gravity
    图 7 法兰面纵向速度
    图  7  法兰面纵向速度
    Figure  7.  Longitudinal velocity of flange face

    图8图9可以发现,实浮体与气浮体法兰面垂荡运动相近,其最大垂荡速度分别为0.71 m/s及0.64 m/s,垂荡加速度峰值均为0.53 m/s2

    图 8 法兰面垂荡速度
    图  8  法兰面垂荡速度
    Figure  8.  Heave velocity of flange face
    图 9 法兰面垂荡加速度
    图  9  法兰面垂荡加速度
    Figure  9.  Heave acceleration of flange face

    图10图11可以看出,在浮运过程中,气浮体的法兰面纵摇角与纵摇加速度明显大于实浮体,气浮体法兰面纵摇角为3.82°,纵摇角加速度为0.82 m/s2,实浮体法兰面纵摇角为2.84°,纵摇角加速度为0.63 m/s2

    图 10 法兰面纵摇角
    图  10  法兰面纵摇角
    Figure  10.  Pitch angle of flange face
    图 11 法兰面纵摇加速度
    图  11  法兰面纵摇加速度
    Figure  11.  Pitch acceleration of flange

    综上,不同吃水深度下实浮体和气浮体运动响应幅值对比如表2所示。

    表  2  不同吃水深度下实浮体和气浮体运动响应幅值对比
    Table  2.  Comparison of motion response amplitudes of solid and air-floating bodies at different drafts
    参数实浮体气浮体
    重心点拖航速度/(m·s-11.851.93
    法兰面纵向速度/(m·s-12.842.98
    法兰面垂荡速度/(m·s-10.710.64
    法兰面垂荡加速度/(m·s-20.530.53
    法兰面纵摇角/(º)2.843.82
    法兰面纵摇加速度/(º·s-10.630.82
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    本文基于海上风电三筒导管架基础,采用数值模型软件MOSES进行了浮运分析,考虑了相同条件下实浮结构及气浮结构的静稳性及浮运特性,结果表明:

    1)与实浮体相比,气浮体的回复力臂曲线消失角更大,静稳性较好。

    2)在浮运特性方面,实浮体的重心点拖航速度、法兰面纵向速度和纵摇角幅值均小于气浮体,垂荡运动两种结构差别较小,纵摇运动相差较大,整体来看,实浮体的浮运稳性高于气浮体。

  • 图  1   交流泄漏电流实验示意图

    Figure  1.   Schematic diagram of AC leakage current experiment

    图  2   泄漏电流及参考电压波形

    Figure  2.   Leakage current and reference voltage waveform

    图  3   小波变换原理及过程

    Figure  3.   Wavelet transform principle and process

    图  4   最优小波分解尺度的判断流程图

    Figure  4.   Decision flow chart of optimal wavelet decomposition scale

    图  5   泄漏电流模拟信号与加噪

    Figure  5.   Leakage current analog signal and noising

    图  6   测试信号消噪效果(j=4~6)

    Figure  6.   Test signal denoising effect (j=4~6)

    图  7   泄漏电流信号消噪效果(尺度=4~6)

    Figure  7.   Leakage current signal denoising effect (scale=4~6)

    图  8   样机设计框图

    Figure  8.   Block diagram of prototype design

    图  9   泄漏电流信号采集电路

    Figure  9.   Leakage current signal acquisition circuit

    图  10   控制单元及其外围电路

    Figure  10.   Control unit and its peripheral circuit

    图  11   无线串口模块电路图

    Figure  11.   Circuit diagram of wireless serial port module

    图  12   上位机软件的程序结构

    Figure  12.   Program structure of upper computer software

    图  13   主窗口图形界面

    Figure  13.   Graphical interface of main window

    表  1   检验统计量及信噪比

    Table  1   Test statistics and signal-to-noise ratio

    j123456789
    χ21.9810.9113.8111.2620.1441.35128.1169.90171.08
    R14.5217.6520.8023.4724.8923.4721.7519.0318.51
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  • 期刊类型引用(1)

    1. 王晓峰. 风力发电机组受共模电流的影响分析. 南方能源建设. 2023(04): 158-165 . 本站查看

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出版历程
  • 收稿日期:  2021-12-21
  • 修回日期:  2022-02-17
  • 网络出版日期:  2022-12-24
  • 刊出日期:  2022-12-22

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ZHANG Weipeng, 181630553@qq.com

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