GIS機(jī)械故障振動(dòng)檢測研究綜述

（1.國網(wǎng)固原供電公司，寧夏 固原 756000; 2.沈陽工程學(xué)院 電力學(xué)院，沈陽 110136）

摘 要：現(xiàn)階段我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，電網(wǎng)電壓等級不斷升高，氣體絕緣金屬全封閉組合電器設(shè)備（簡稱GIS）在電網(wǎng)領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛。而當(dāng)GIS在機(jī)械運(yùn)動(dòng)中，由于內(nèi)部某些缺陷導(dǎo)致GIS發(fā)生機(jī)械故障會(huì)對GIS設(shè)備造成巨大危害，對電網(wǎng)造成巨大損失，因此深度研究GIS的機(jī)械故障檢測是非常有必要的。本文主要從振動(dòng)信號(hào)及機(jī)械故障類型的角度，對GIS設(shè)備的發(fā)展背景及特性進(jìn)行了介紹，且列舉了現(xiàn)階段GIS設(shè)備故障研究的國內(nèi)外現(xiàn)狀，闡述了GIS機(jī)械故障類型，展望了GIS機(jī)械故障檢測的發(fā)展趨勢，為后續(xù)深入研究打下基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：GIS;機(jī)械故障;振動(dòng)檢測

0 引言

現(xiàn)階段我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，對電能的需求空前膨脹，電網(wǎng)的電壓等級不斷升高，氣體絕緣金屬全封閉開關(guān)（簡稱GIS）由于具有較高的運(yùn)行可靠性已經(jīng)越來越廣泛的采用。所謂GIS即是由斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)、互感器、避雷器、母線、連接件和出線終端等組成，這些設(shè)備或部件全部封閉在金屬接地的外殼中，在其內(nèi)部充有一定壓力的SF6絕緣氣體，故也稱SF6全封閉組合電器[1-3]。是大概二十世紀(jì)60年代中期開始使用的新型電器。由于GIS設(shè)備運(yùn)行安全、體積小，占用空間面積少、維修周期較長、維護(hù)方便、以及環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在各個(gè)電壓等級，隨著我國特高壓工程的開展，GIS的電壓等級越來越高，其體積也越來越大，不僅是低壓或中壓電網(wǎng)，近年來也已經(jīng)越來越廣泛地被應(yīng)用在特高壓電網(wǎng)中。

隨著GIS運(yùn)行時(shí)間越來越長，機(jī)械故障逐步出現(xiàn)，而早期GIS內(nèi)部故障檢測的方法主要都是針對GIS的放電性故障檢測，在GIS實(shí)際運(yùn)行中，除了放電性故障之外，機(jī)械性振動(dòng)故障也是導(dǎo)致事故發(fā)生的主要原因之一。由于目前針對GIS異響機(jī)械振動(dòng)故障信號(hào)特性檢測并沒有比較系統(tǒng)的研究，為了提高GIS設(shè)備運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性和可靠性，且盡可能的延長其檢修周期，對其內(nèi)部機(jī)械故障振動(dòng)信號(hào)及檢測的相關(guān)研究是非常有必要的。

1 國內(nèi)外GIS機(jī)械故障振動(dòng)檢測的研究現(xiàn)狀

從上世紀(jì)60年代GIS問世以來，GIS設(shè)備發(fā)展也十分迅速，國內(nèi)外GIS的在線監(jiān)測技術(shù)正在蓬勃發(fā)展，并對其機(jī)械故障在線監(jiān)測和診斷也做了一定研究。

1.1 國外相關(guān)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

國外方面，大多數(shù)GIS設(shè)備故障的分析研究都是圍繞局部放電性故障進(jìn)行研究的。

1.1.1 國外GIS設(shè)備放電性故障研究現(xiàn)狀

國外對GIS設(shè)備放電性故障的研究已經(jīng)相對成熟，比如瑞士Zurich大學(xué)的Neuhold開發(fā)出一種結(jié)合寬帶和窄帶的多通道、實(shí)時(shí)響應(yīng)的GIS和變壓器局部放電測量系統(tǒng)。適宜于開發(fā)過程中的實(shí)驗(yàn)室測試和GIS及變壓器的長期監(jiān)測，裝置能初步實(shí)現(xiàn)對故障的監(jiān)測、定位和識(shí)別。2001年日本名古屋大學(xué)的Hoshill0提出一種新的GIS局部放電引起的電磁場的監(jiān)測技術(shù)一相位門極控制法[4-8]。日本大阪大學(xué)的Kawada于2000年提出一種用于寬帶電磁波（E.M）動(dòng)態(tài)頻譜分析的小波方法。2002年日本Kawada又提出一種用于監(jiān)測局部放電源的超寬頻帶UHF的無線電抗干擾系統(tǒng)（UwB.VURIS） [9-10]。英國Strathclyde大學(xué)和與NGC和Scottish Power ple聯(lián)合開發(fā)的一套GIS監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行了介紹。為防止斷路器工作時(shí)產(chǎn)生快速暫態(tài)過電壓（VFTO），對監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)采取相應(yīng)的保護(hù)，在耦合器輸出處和在GIS信號(hào)調(diào)節(jié)處安裝鉗位二極管。該系統(tǒng)采取3種工作模式：在線、事故和歷史模式，便于日常的監(jiān)測和出現(xiàn)事故之后的情況分析[11-14]。

1.1.2 國外GIS機(jī)械故障研究現(xiàn)狀

如上所示，國外研究以GIS放電性故障的研究居多，而國外關(guān)于GIS機(jī)械振動(dòng)故障的研究則起源于上世紀(jì)90年代，國外有研究者通過檢測GIS的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行其觸頭接觸不良缺陷的檢測[15]，他們采用放置在觸頭外殼附近的振動(dòng)加速度信號(hào)傳感器進(jìn)行振動(dòng)信號(hào)的傳感，研究了電流大小、電壓高低對振動(dòng)信號(hào)時(shí)域及頻域波形的影響，認(rèn)為在金屬殼體上測量振動(dòng)來進(jìn)行觸頭異常情況的檢測是可行的[16-17]。

1.2 國內(nèi)相關(guān)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

1.2.1 國內(nèi)GIS設(shè)備放電性故障研究現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)對GIS也是放電性研究居多，清華大學(xué)1995—1997年相繼研制和開發(fā)出基于UHF法的便攜式局部放電檢測儀和330KV GIS和變壓器局部放電在線檢測系統(tǒng)，均采用外部傳感器監(jiān)測，具有較強(qiáng)的實(shí)用性，且便于放電源的定位[18]。但是該設(shè)備對于采集到信號(hào)的分析處理不夠完善，目前還在進(jìn)一步的完善過程中。西安交通大學(xué)的電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室于1998年研制一種超寬頻帶局部放電傳感器，并經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析儀（HP8720C，掃頻帶寬20GHz）對其頻率響應(yīng)特性進(jìn)行測量證實(shí)效果較好[19]。

1.2.2 國內(nèi)GIS設(shè)備機(jī)械故障研究現(xiàn)狀

目前GIS機(jī)械故障都沒有系統(tǒng)、詳細(xì)的研究結(jié)果及檢測裝置在現(xiàn)場應(yīng)用。中國電科院高壓所的郭碧紅在上世紀(jì)80年代通過研究GIS外殼典型振動(dòng)信號(hào)的頻率特性來檢測內(nèi)部潛伏性故障，研究了GIS內(nèi)自由導(dǎo)電粒子在電場中運(yùn)動(dòng)所引起的振動(dòng)、固定雜質(zhì)引起的局部放電導(dǎo)致的振動(dòng)等，也主要針對的是放電性故障所引起的振動(dòng)[20-21]。清華大學(xué)的錢家驪在上世紀(jì)90年代初研究了GIS的殼體振動(dòng)現(xiàn)象及其檢測，她主要研究的也是放電性故障所產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)，其傳感器接近超聲級別，本質(zhì)上來說是超聲波檢測[22-24]。

由以上國內(nèi)外現(xiàn)狀可以看出，早期針對GIS振動(dòng)信號(hào)的研究，集中在對其放電性故障的研究上，機(jī)械故障的檢測相關(guān)研究還進(jìn)行的不夠充分，特別是還未見有系統(tǒng)、詳細(xì)的研究結(jié)果報(bào)道，其研究還是停留在上世紀(jì)90年代初期的水平。

2 GIS設(shè)備的優(yōu)越性

與傳統(tǒng)開放式配電裝置相比，GIS設(shè)備具有占地面積小，維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，具體優(yōu)勢如下：

GIS體積比較小，質(zhì)量輕：GIS設(shè)備的外殼里面所用的是絕緣性能很高和滅弧性好的SF6氣體，使得所占體積大大縮小;安全可靠：正因?yàn)镚IS內(nèi)部的裝置都密閉在惰性SF6氣體中，該氣體具有高度絕緣性，且作為滅弧介質(zhì)，降低了GIS觸電的危險(xiǎn)，使得GIS安全可靠性提高，也減少了維修的要求;抗干擾能力強(qiáng)：由于密閉在金屬殼中，可以實(shí)現(xiàn)對外屏蔽;較長的維修周期：GIS設(shè)備內(nèi)部構(gòu)造合理，絕緣氣體安全穩(wěn)定，因此GIS設(shè)備的使用壽命也比較長，使得維修工作大大減少，由于其體積比較小，維修也十分方便。

由于以上突出的特點(diǎn)，GIS倍受用戶歡迎，發(fā)展非常迅速，隨著GIS的優(yōu)越性越來越為人所熟知，其應(yīng)用的深度與廣度也不斷擴(kuò)大，從而GIS機(jī)械故障異響振動(dòng)的問題逐漸暴露，從而對GIS機(jī)械故障振動(dòng)的研究就顯得尤為迫切。

3 GIS設(shè)備的機(jī)械故障

3.1 GIS主要機(jī)械故障類型

在GIS設(shè)備投入運(yùn)行的第一年發(fā)生機(jī)械故障的幾率大概為常規(guī)設(shè)備故障率的20%-40%。GIS機(jī)械故障多發(fā)生在機(jī)構(gòu)內(nèi)的輔助開關(guān)，分合閘摯子，連桿軸鞘、接地隔離開關(guān)的轉(zhuǎn)動(dòng)部分。包括開關(guān)柜拒合、機(jī)構(gòu)內(nèi)連導(dǎo)桿彎曲，咬合部分磨損、斷路器、負(fù)荷開關(guān)、隔離開關(guān)、接地開關(guān)等原件動(dòng)、靜觸頭合閘偏移，引起接觸不良等等。據(jù)統(tǒng)計(jì)，最容易發(fā)生機(jī)械故障的元件則是盆式絕緣子及隔離開關(guān)。

除了絕緣子和隔離開關(guān)，高壓斷路器作為GIS最主要設(shè)備組成之一，其機(jī)械故障也不容忽視，常見高壓斷路器的機(jī)械故障有：內(nèi)部的連接螺栓松動(dòng)、連桿或者鐵芯由于生銹等原因比較卡澀、彈簧變形嚴(yán)重等;或者電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)托架位置不當(dāng)、機(jī)械卡澀、止釘位置過高或過低和鐵芯頂桿長度太長或脫落等故障。而且某些分合閘鐵心松動(dòng)，部件變形及軸鞘松動(dòng)失靈等。在電氣控制及輔助回路上表現(xiàn)為二次接線接觸不良、端子松動(dòng)、輔助開關(guān)切換不靈、操作電源故障等 。由此也可以看出對于不同類型的操動(dòng)機(jī)構(gòu)其故障的具體表現(xiàn)形式不一樣， 因此不同振動(dòng)信號(hào)的GIS設(shè)備所對應(yīng)的故障類型也大不相同[25-27]。

3.2 GIS機(jī)械故障振動(dòng)信號(hào)檢測

針對GIS的放電性故障檢測，主要有電氣法、聲測法、化學(xué)分析法及光測法等。電氣法有在出廠試驗(yàn)中采用較多的是脈沖電流法，在線監(jiān)測中應(yīng)用較廣的是特高頻檢測方法;聲測法則主要采用超聲波檢測法;化學(xué)分析法則是分析由于放電所引起的氣體分解成份的變化;此外還有用埋入設(shè)備內(nèi)部的光傳感器檢測由于電弧產(chǎn)生的光強(qiáng)度的光測法等。目前特高頻檢測法及超聲波檢測法在現(xiàn)場應(yīng)用較多;化學(xué)分析法目前也得到了重視，受到了很多研究機(jī)構(gòu)的研究;而光測法則還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。

以上方法雖然得到了現(xiàn)場工作者的認(rèn)可和使用，但其都只能檢測如局部放電等放電性故障，其檢測的都是發(fā)生放電時(shí)所產(chǎn)生的物理量。在GIS的實(shí)際運(yùn)行中，除了放電性故障之外，機(jī)械性故障也是導(dǎo)致事故發(fā)生的一大主要原因。所謂的機(jī)械故障是當(dāng)指當(dāng)GIS內(nèi)存在一定的缺陷時(shí)，如開關(guān)觸點(diǎn)異常、外殼接觸不平衡、導(dǎo)桿稍彎曲等，此時(shí)不會(huì)發(fā)生放電性故障，但由于開關(guān)操作的機(jī)械力、導(dǎo)體中交流電流產(chǎn)生的交變電動(dòng)力、互感器鐵芯產(chǎn)生的電磁力等會(huì)導(dǎo)致的GIS產(chǎn)生機(jī)械性運(yùn)動(dòng)，由于機(jī)械缺陷的存在，其在正常振動(dòng)之外會(huì)產(chǎn)生異常振動(dòng)信號(hào)。GIS的異常振動(dòng)對GIS設(shè)備危害極大，可能會(huì)導(dǎo)致螺栓松動(dòng)，導(dǎo)致氣體泄漏，壓力下降，會(huì)造成絕緣事故;對絕緣子形成損壞及影響外殼接地的牢固性。因此，加強(qiáng)對GIS機(jī)械性故障的檢測，是保證GIS安全運(yùn)行的重要手段。目前電網(wǎng)中多個(gè)GIS變電站均發(fā)現(xiàn)明顯的振動(dòng)信號(hào)，但由于缺乏相應(yīng)的檢測裝置，導(dǎo)致無法判斷此振動(dòng)信號(hào)是正常振動(dòng)還是由于機(jī)械缺陷造成的異常振動(dòng)。

4 結(jié)語

本文通過對GIS機(jī)械故障發(fā)展現(xiàn)狀的研究，對振動(dòng)信號(hào)特征提取的方法的了解，以及GIS機(jī)械故障振動(dòng)檢測的分析，為GIS機(jī)械故障振動(dòng)檢測研究奠定了一定基礎(chǔ)。雖然GIS設(shè)備的故障率低，但是機(jī)械故障發(fā)生后維修時(shí)間和范圍都比常規(guī)設(shè)備要大，造成經(jīng)濟(jì)損失也很大，因此在電網(wǎng)建設(shè)中，尤其在特高壓電網(wǎng)建設(shè)中，需要及時(shí)發(fā)現(xiàn)GIS機(jī)械故障，隨著GIS設(shè)備的機(jī)械故障檢測系統(tǒng)的研究以及應(yīng)用范圍的擴(kuò)展，對于常見機(jī)械故障的排除和預(yù)防工作也會(huì)日見成效。

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作者簡介：楊哲（1980- ），男，本科，工程師，主要從事電氣設(shè)備運(yùn)維管理。