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6.4用DTN-Data软件进一步分析
附录AAIA-2功能检查
附录B现场测量GIS时AIA-2的接地
附录C外同步信号,技术参数
附录D钢外壳的磁致伸缩和感性变压器的影响
附录EDTN-Data软件手册
本手册说明如何使用由Sintef电力研究所SefAS(以前的挪威电力研究所-EFI)开发的、TransNorAs制造的AIA-2仪器
AIA-2用来检测GIS中各种类型的缺陷,例如颗粒和局部放电,以及检测其它类型的设备例如电缆终端中的局部放电。
AIA-2使用的方法称为AE(声发射)的声测法,它安装在外壳上的压电型传感器或用“手持棒”测量运行中的部件。
这本用户指南分为3个主要部分:
●第1、2、3章说明AIA-2仪器,如何使用菜单和它的各种特点。
●第4、5章说明如何测量GIS。
●第6和第7章说明如何进一步分析仪器得到的测量结果,这两章包含许多用AIA-2仪器得到的测量数据的实例,供使用者参考。
AIA-2分析来自超声传感器的电信号。
例如传感器可以测量气体绝缘变电站(GIS)中的运动颗粒和局部放电发射的声信号以及电缆终端和接头中局放发射的声信号。
进行测量时,AIA-2不需要把任何装置安装在GIS内部。
测量GIS时只需要一个安装在外部的传感器或手持传感器。
测量电缆终端时只需要用一根玻璃纤维棒(手持棒)。
图1.1说明测量技术。
图1.1a测量GIS
1.1用AIA-2测量GIS
1.1.1GIS绝缘中的缺陷
GIS绝缘系统中的缺陷可能是单元在工厂制造过程产生的和/或在现场安装过程产生的,也可能是在正常运行中产生的(例如快速接地开关或断路器的操作产生的颗粒)。
如果这些缺陷是活动的(例如产生电晕或颗粒在壳体上的跳动),它们会向壳体发射声信号。
AIA-2测量这些声信号,并根据分析由信号得到的参数对缺陷的类型进行识别。
缺陷的定位是根据沿着GIS寻找最高信号水平的位置确定的。
最重要的缺陷有如下几种(图1.2)
图1.2GIS中缺陷的类型
接地或带电部分上的凸起
带电部分或接地部分上的凸起将使电场局部增高,这种缺陷对AC耐受电压水平影响较小,因为AC电压变化缓慢,顶部的电晕有时间形成空间电荷使顶端受到屏蔽。
对于雷电冲击或断路器操作产生的快速瞬态电压,它们的持续时间短,不足以形成空间电荷,因此这种类型缺陷将使雷电冲击耐受电压水平(LIWL)大大降低。
通常相导体上超过1-2mm的凸起是明显有害的。
由于壳体上的电场强度较低,所以壳体上的类似凸起危害较小。
自由移动或固定颗粒
自由移动颗粒对LIWL影响较小,但它们的存在可能使AC耐受电压水平明显降低,降低的多少取决于颗粒的形状和位置;
颗粒越长而且越接近高压导体,危险性越大,如果它们移动到支持绝缘子上,则变得更危险。
绝缘子上的颗粒随着时间的推移也可能使绝缘子表面劣化,从而引起闪络。
绝缘子中的气泡和缺陷
绝缘子内部的缺陷将使放电上升、产生电树枝并可能引起击穿。
然而,由于绝缘材料的衰减,用AIA-2仪器不能检测到这种缺陷。
电位悬浮/机械松动的屏蔽
如果机械松动形成电场分段屏蔽,那会形成电位悬浮。
如果松动的屏蔽正好在带电的电极上,则会引起屏蔽和电极间产生大的放电。
机械松动的屏蔽将产生大的声信号。
GIS中的一些缺陷源自不恰当的设计,但这是可以不断改进的。
另外一些缺陷几乎是不可避免的,它们具有明显的随机性,这些缺陷是在加工、现场安装以及运行期间产生的。
即使设计和安装过程都得到改进,闪络也可能发生。
GIS中的闪络一般和停电时间长、费用比传统的空气绝缘变电站高相联系,因此后果也可能是严重的。
AIA-2被挪威电网公司和许多其他公司用于状态监测。
气体绝缘变电站常常处于电网中的重要环节,因此要求它具有很高的有效性,IEC71规定的有效性目标是每100间隔•年0.1次故障。
CIGRE[3]估计引起击穿的缺陷的大约55%是可以用适合的仪器检测。
考虑到修理时间长和修理费用高,把一台像AIA-2这样的仪器用于交接试验以及在运行中按规定的时间周期进行监测是很有效的,也是值得的。
2.1仪器说明
仪器本身由以下组成:
—安装在带两个提手的金属外壳内的一些电路板
—可充电电池和供电单元,内置扬声器
—前面板有LCD显示和操作仪器的按钮/开关
—后面板有电缆连接端子
仪器前面板如图2.1a,有如下用户接口:
—LCD显示测量结果(93*76mm²
)。
分辨率:
160x128像素
—超声传感器输入插座
—电源开关
—9个软触摸按键用以操作菜单
—LCD显示的背景灯开关
—调节显示对比度的旋钮
图2.1aAIA-2前面板
AIA-2后面板,显示如图2.1b有下面的连接端子和开关:
—主电源输入:
110—240VAC(50/60Hz)或110VDC
—1BNC输入插座,(BNC-1X,传感器输入通过外部前置放大器和同轴电缆)
—RS-232串口
—2BNC输出端子(OUTPUTA和OUTPUTB用以连接示波器)
—外同步信号输入端口(参见附录C)
—内/外同步信号切换开关
—用于AIA-2功能测试的黑色按钮,参见附录A
图2.1bAIA-2后面板
AIA-2仪器的尺寸是24x14x37(WxHxD)(包括提手),约7kg重量。
AIA-2包含运输箱和全部附件的重量大约23kg。
AIA-2可以检测诸如弹跳颗粒、松动屏蔽和GIS凸起等引起的局放。
声测法的灵敏度可以比拟、甚至更优于传统测试方法(IEC270),可以检测出GIS内部1-2mm的粒子,对照电局放,AIA-2局放的灵敏度在2-5pC,AIA-2对外部电磁噪声不敏感。
2.1.1电源和电池充电
AIA-2既可用内部电池工作,也可用外部110V-240V交流电源工作,或是110V直流电源工作。
图2.2图示内部电源供电系统:
图2.2AIA-2供电系统
电源开关仅操作电源的15V侧,230VAC电源到230V/15V整流器不断开。
如果需要把AIA-2完全从交流电源分开,则应拔下AC插头。
当插上230V电源且合上仪器电源开关时,电源开始充电。
这是因为再充电线路用微机控制,如果仪器用电池工作但230V电源是接通的,也可以进行充电。
记忆线路的电源直接取自电池,不供应CMOS电池的电力,AIA-2的充电系统基于不同方法,一种是恒流充电,一种是恒压充电。
为了把电池充到满容量,正常充电时间是8小时,如果充电时间超过12小时,则充电自动中断。
充满电可操作时间约3小时。
充电状态在液晶显示器右上角显示,以下的状态信号是可以参考:
b:
AIA-2用电池工作。
BATT:
电池电压低,在11V以下,无电。
L:
电池充电。
L:
:
以600mA恒流充电。
L;
恒流充电,电压下降,差不多充满。
L.:
恒压充电。
L,:
恒压充电,电流增大,几乎充满。
;
电池充满,测得的电压降低。
,:
电池充满,测得电流增大。
-:
由于超过最大充电时间,充电结束。
Lt;
峰值充电,电池充满,电压下降。
Lt,:
峰值充电,电池充满,电流增加。
t;
:
电池充满,峰值充电停止,电压下降。
t, :
电池充满,峰值充电停止,电流增加。
以上是可用的所有信息,然而对用户而言必要的信息仅仅是‘b’表示电池供电,‘BATT’表示电池几乎用完,‘L’表示正在充电,分号表示电池充满。
------------------------------------------------------------------------------电池只有在仪器开机时才能进行充电
------------------------------------------------------------------------------
装在AIA-2中的同步单元在输入交流电压从负到正的每个过零点输出一个脉冲(5V,60μs),该脉冲在测量与AC电压相位关系的相位方式中用作定时脉冲,然而使用者必须知道,GIS中的电压和墙上插座中的230V电压之间可能存在相位移,另外声信号的传播时间也将引起与AC电压的相位移。
这两种可能的相位移对AIA-2给出的信息的有效性没有影响。
对用户而言主要关注的是放电与电压的相关性如何。
1.当AIA-2由110V-240V交流供电时(电源线插到插座中),电源的电压可以用作同步信号(内同步信号)。
通过AIA-2后面板的开关拨到“Int.Sync”一侧。
2.当AIA-2使用电池供电或使用谐振试验装置对GIS进行测试时,可以使用与GIS实验频率相同的信号作为外同步信号,将AIA-2后面板的同步开关拨到“Ext.Sync”一侧。
2.1.3设备清单
与AIA-2一起提供的附件有很多,标准的GIS检测附件有:
—运输箱620x500x300mm
—声发射(AE)传感器,PACD9241型
—前置放大器,PAC1220A
—电源线
—同轴电缆(RG-58C/U,10m),BNC接口
—RS-232串口线
—带BNC接头的地线
—用于信号耦合的硅胶,两管
—超声传感器的固定绑带,两根
—AIA-2的背包
—橡皮锤
—用于显示和下载数据的计算机软件光盘
—AIA-2用户手册
运输箱
运输箱使用硬塑料为箱体以减轻重量,并有重载锁定机构,箱子有两个滚轮可以方便、安全的进行运输。
传感器
AIA-2使用的声发射传感器是D9241型,它是物理声学公司制作,谐振频率大约是32
kHz,校准曲线如图2.3所示。
Y轴的刻度是分贝(dB)。
注意陶瓷表面的传感器在试验时应与GIS壳体完好接触。
图2.3PAC供应的D9241型传感器的校准曲线
数据传输电缆
用来把数据组从AIA-2传输到计算机,连接在AIA-2后面板上的RS-232插座和计算机的COM口,波特率默认值为38400。
声耦合硅胶
为了得到良好的声接触,应在传感器和GIS外壳之间使用一些媒质,原则上任何润滑脂都是可以的,利用润滑脂的主要目的是避免在传感器表面和GIS表面间存在气泡,硅胶的另一个好处就是有一定的粘性,这可以减少人手持传感器时产生的随机噪声。
传感器座
通常,传感器用手来与GIS外壳接触,这是快速而有效的测量方式。
然而有时,人手拿着传感器会产生随机噪声,在某种程度会扰乱超声信号的读取。
可以利用绑带来固定传感器,只需简单的将GIS部件与传感器绑扎在一起,拉紧即可。
这种方式不会受传感器操作者人为的影响,重要的是传感器表面和GIS之间要有好的声音传导媒质,这两个表面要很好的接触。
橡皮锤
橡皮锤可能在测量颗粒之前使用,如果GIS中有颗粒,用橡皮锤轻轻锤击可以使颗粒运动。
不用橡皮锤残留在外壳底部的颗粒可能检测不到,在运行期间断路器动作也可能触发颗粒运动,但是一些电力公司可能限制使用橡皮锤促使可能存在的颗粒运动。
外部前置放大器
如果GIS很大或者很难攀登,可以采用带很长同轴电缆的外部前置放大器连接到AIA-2,利用这个装置的优点是移动灵活,特别是在两个人进行测量的情况下:
一个人站在地上观察显示屏,另一个人带着传感器爬到GIS本体上。
超声传感器连接到前置放大器的Diff输入端,如图2.4,这样输入选择开关就必须打到Diff侧,注意信号输入连接器并不总是使用。
提供10m长的同轴电缆,型号RG-58C/U,连接到AIA-2的后面板与前置放大器的BNC-1x接口之间,前置放大器的电源由AIA-2提供(28VDC)。
大多数情况10m的电缆提供了良好的柔性,当然配置更长的电缆也没有问题。
测量时推荐增益选择开关在40dB。
测量时固定增益很重要,以避免扰乱声信号,设定60dB的增益并不能有更好的灵敏度,因为背景噪音和声信号水平都同时放大了,这意味着信号对噪声的比率独立于增益是个常数。
当使用40dB增益时,连续模式下背景噪声的周期峰值水平通常在0.4mV-1mV。
图2.4外部放大器和10m同轴电缆
DTN-DATA软件
DTN-DATA软件用于下载AIA-2的数据组到PC并建立数据库,结果可以打印出报告,转换为PDF或WORD文档,也可以从软件中导入导出测量数据。
如何使用软件和AIA-2的信息,参见附录E和整合在软件中的帮助系统。
2.2使用AIA-2的菜单系统
AIA-2菜单系统如图2.5
图2.5AIA-2的菜单系统
当开机后,开始的画面是带四个水平柱的连续模式图。
液晶显示屏下面的5个触摸软按键用来进行不同菜单的切换,菜单操作一部分用液晶显示屏右边的4个按键进行,一部分用液晶显示屏下面最左方的两个菜单键进行。
菜单键的含义如下:
在Setup按钮下,触摸按键的功能:
Down:
减少选定值
Up:
增大选定值
Save:
储存选定的仪器设置,所存储的设置在仪器下一次开机时成为当前有效的设置
Next:
切换到下一个菜单
Meas:
切换回测量显示,当前的显示是你在进入菜单设置之前的显示
在pluse(脉冲)测量模式下,触摸按键的功能:
New:
启动新的脉冲测量方式
Pause:
暂停脉冲测量方式
Store:
切换到储存菜单
Setup:
切换到设置菜单
Cont:
切换到连续测量方式
在continuous(连续)模式测试下,软按键的功能
Pulse:
切换到脉冲(颗粒)模式
在phase(相位)模式下,按键的功能
New:
在store(存储)菜单模式下,软键的功能
Del:
删除所选择的数据组
Read:
将所选择的数据组读入储存器,以便在显示屏上观察(仅仅可观察脉冲测量和相位图)
储存你在确认储存菜单时测量屏上的测量
Send:
把所选的数据组发送到 RS-232串行接口
切换回测量模式
2.3仪器参数,监测GIS时的缺省设置
AIA-2基于利用软件对模拟线路中的信号进行分析,为此,使用了大量用于处理信号的参数,以便使仪器达到最好的性能。
这一节详细讨论有用的参数,必要时可参阅信号流程图(图1)。
2.3.1设置参数选择
设置输入级:
为了便于用AIA-2进行测量,交货时仪器中已经设置了适合监测GIS和电缆终端/接头的一些参数缺省设置并已储存,缺省设置使用户能够开始测量、识别和定位缺陷而没有很大困难。
设置缺省值在仪器开机后进行,最左边的两个菜单键定义为“Def”,仪器显示TransNor标志时,按下这两个键的右边一个(GIS),则仪器中已经设置了监测GIS时的缺省设置,按下这两个键的左边一个(局放),监测电缆终端和电缆接头的缺省设置已经设置在仪器中了,监测GIS时,输入级仪器菜单显示的缺省参数设置如图2.6所示。
监测GIS时TransNorAS缺省设置的解释见后面的说明,测量电缆终端和接头的缺省设置在5.5节说明,如果已经对参数设置进行了修改并想把它作为下一次仪器开机时的设置,则应进入设置菜单并按储存键SAVE。
SETUPINPUTSTAGE
(设置输入级)
SingalSource(信号源)Preamp(前置放大)100x
Gain(增益)30x
Lowerrollofffreq.(下限频率)10kHz
Upperrollofffreq.(上限频率)100kHz
Smoothing(平滑)-----
Envelopecurve(包络线)330μs
Volume(音量)0
OutputA(输出A)(前置放大器)Amplifier
OutputB(输出B)(包络线)Envelopecurve
DownUpSaveNextMeas
图2.6监测GIS时输入级的缺省参数设置
信号源:
AIA-2的输入信号有两个可供选择的接点:
*前置放大器100x:
前置放大器用来把PAC9241传感器直接连接到AIA-2前面板(这是生产厂的缺省设置)。
信号在处理前经AIA-2放大100倍。
前面板上的接点是一个用于传感器不同输入的BNC插座。
*BNC输入1x:
当用户具有独立的100倍前置放大器或其它信号输入时使用这个BNC输入,当GIS难于攀登时,最好使用长电缆,这时就要用前置放大器。
这个BNC输入插座位于面板上,这时仪器内部的(100x)前置放大器旁路。
这种用于远距离测量的前置放大器如图2.4所示。
增益(Gain):
进行测量时必须使信号尽可能放大而不引起测量系统溢出,当显示屏的左上角出现星号(*)标记时,说明出现溢出。
前置放大器的100x增益也进入到这个增益中,即可利用的总增益为300000。
增益可以按如下步进值设置:
1x,3x,10x,30x,100x,300x,1000x,3000x。
增益由设置菜单中的Up/Down菜单键控制,或者在测量时用仪器前面板上的箭头键(增大/减小)控制。
下限频率(Lowerroll-offfrequency):
如果信号中包含低频噪声,可通过增大下限频率来排除。
通常最好使用10kHz,但是因为传感器的频率响应(见图2.3),采用20kHz时信号水平也没有多大差别。
局放信号的频率范围在20kHz到80kHz,如果环境噪声的频率较高,可能需要较高的下限频率,这样将不能测量局放,但仍然可以测量和检测跳动的颗粒。
下限频率用如下步进值设置:
10kHz,20kHz,50kHz,100kHz,200kHz。
上限频率(Upperroll-offfrequency):
可以通过调整上限频率排除高频干扰,最好是滤去大部分高频率噪声而不使原始信号受到太大的损失。
建议设置为100kHz。
上限频率可设置为如下步进值:
20kHz,50kHz,100kHz,200kHz,500kHz。
平滑(Smoothing):
信号进入仪器后经过放大、滤波和检波(见图3.1)。
另外,为了得到信号的有关信息还采用了包络线发生器和峰值检测器。
在检波级后面和包络线发生器之前是滤波平滑线路,包络线发生器和峰值检测器响应很快,且会受高频噪声的影响,特别是当脉冲持续时间较短时,如放大器噪声。
通常不需要平滑,但是在某些情况下使用平滑信号能得到较高的灵敏度。
如果使用高频平滑,则得到的结果是平均值。
平滑滤波器的时间常数必须调整到滤波器的上限频率,以便使它对频率响应和峰值测量没有太大影响。
一般采用1μs以下的平滑可能对信号没有很大影响。
平滑滤波线路的时间常数用如下步进值设置:
---(不平滑),0.3μs,1μs,3μs,10μs,30μs,100μs。
包络线(Envelopcurve):
包络线跟踪信号峰值而且随时间常数衰减,该时间常数应该这样设置,使得包络线能跟踪峰值而不使峰值之间跌落过大,同时也不能太慢。
换句话说,包络线是对检波和滤波后的信号峰值的量度。
设置合适的时间常数时必要的,因为它会影响频率组件的测量。
包络线时间常数按如下步进值设置:
1μs,3.3μs,10μs,33μs,100μs,330μs,1ms,3.3ms
音量(Volume)
AIA-2有一个带放大器的扬声器,从扬声器的信号是包络线信号。
声音给用户提示传感器测得的是哪一类信号,声音水平可从0(声音关)调到7(最大水平),每增加一档,音量加倍。
除此以外,调节增益大小,也能改变声音水平。
-----------------------------------------------------------------------------
注意:
测量时仪器底部的扬声器应离开GIS方向,10kHz及以上的测量可能受回馈声音的影响。
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
输出A和输出B
AIA-2后面板上有BNC插座,这两个插座输出仪器的不同信号处理级的信号,使用示波器可以分别监测这两个输出。
可以利用以下信号:
放大器(Amplifier):
放大和滤波后的信号
检波器(Rectifier):
检波后的信号
平滑滤波后的信号
包络线发生器后的信号
触发参考(Triggerreference):
与包络线比较的参考触发信号
周期峰值(Periodicpeak):
相位测量时峰值检测器后的信号
脉冲峰值(Pulsepeak):
脉冲测量方式时峰值检测器后的信号
时序(Sequence):
给出颗粒测量和触发电路中的触发信号的时序
时序图输出4种不同信号,整个触发序列可以在示波器的一个通道上进行监视.脉冲开门时间是1个2.8V电压,脉冲闭锁时间是一个2.5V电压,等待时间是1个0.5V电压,附加在这些电压顶部的0.5V信号是触发信号。
图2.7表示序列输出的原理
图2.7触发时序图
准备测量
测量阶段仪器菜单如图2.8,它是监测GIS时的缺省参数设置
图2.8测量阶段的设置菜单,监测GIS时的缺省设置
触发参考电平
到触发回路的参考信号有两个分量(图3.6),一个参考电平是手动设置(Trig.ref.level),另一个是包络线放大的平均值。
参考值应足够高,以避免信号水平低时由噪声引起不希望的触发,它也应足够低,以便能由弱的颗粒跳动或电晕放电信号触发。
一般使用2.2mV。
触发参考水平可设置为如下步进值:
0,660μV,1mV,1.5mV,2.2mV,3.3mV,5.0mV,
6.6mV,10mV,15mV,22mV,33mV,50mV,66mV,100mV,
触发参数时间常数:
如下所述,除了参考电平以外,触发参考信号还包含包络线以某一倍数放大后的平均值,触发线路的参考时间常数随信号水平变化,因此信号水平快速增大的信号需要得到触发脉冲。
该触发电平
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