GIS設(shè)備異響振動信號特性及檢測系統(tǒng)研究

楊哲+邢敬+高陽+陳彪

摘 要：機(jī)械故障已經(jīng)成為GIS設(shè)備的常見故障之一，目前針對GIS的故障研究大多數(shù)都是針對局部放電故障的研究，對GIS機(jī)械故障振動信號檢測研究比較匱乏，而現(xiàn)階段GIS設(shè)備的的異常機(jī)械振動在現(xiàn)場已經(jīng)多次發(fā)生，因此本文介紹了GIS機(jī)械故障振動檢測系統(tǒng)研究的背景意義以及常見的機(jī)械故障類型，設(shè)計(jì)出GIS機(jī)械故障振動檢測系統(tǒng)裝置并對其進(jìn)行GIS機(jī)械故障仿真實(shí)驗(yàn)，得出GIS機(jī)械故障異響信號特征，該檢測系統(tǒng)的研究可為開關(guān)設(shè)備的故障檢測和診斷提供更為全面的補(bǔ)充。

關(guān)鍵詞：GIS;機(jī)械故障;振動信號;檢測系統(tǒng)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.21.194

0 引言

氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備，自1968年問世以來，已經(jīng)經(jīng)歷了三十多年的發(fā)展。由于GIS具有諸多優(yōu)點(diǎn)，得到了廣大用戶的歡迎，在水電站、城網(wǎng)變電站和核電站中的應(yīng)用越來越多，在現(xiàn)代電力行業(yè)中的作用越來越明顯，發(fā)展尤為迅速。GIS設(shè)備的應(yīng)用既延長了巡視和維護(hù)的周期，又大大提高了供電的可靠性，在各電壓等級電網(wǎng)中被廣泛應(yīng)用[1]。

目前，GIS設(shè)備是一種應(yīng)用廣泛且安全性較高的一種高壓配電裝置，由于使用地點(diǎn)的不同，GIS設(shè)備一般可分為室內(nèi)室外兩種，室外GIS設(shè)備相對室內(nèi)GIS設(shè)備只是加設(shè)了防塵和防雨的裝置，其他沒有區(qū)別，但由于GIS的運(yùn)行周期比較長，因此在運(yùn)行中的微小缺陷不容易被發(fā)現(xiàn)，如果不能及時(shí)采取有效的措施處理，將會引發(fā)大故障，造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。在變電站GIS實(shí)際現(xiàn)場中發(fā)生的事故來看，除了內(nèi)部放電性故障之外，由于GIS機(jī)械故障引發(fā)的事故也不容小覷。但早期關(guān)于GIS內(nèi)部故障所采用的檢測的方法主要是針對GIS內(nèi)部的放電性故障檢測，比如聲測法、紅外檢測法，化學(xué)分析法及光學(xué)檢測法等。針對GIS異響機(jī)械振動故障信號特性檢測沒有充分的研究及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，為了提高GIS設(shè)備運(yùn)行的安全性和可靠性，保證GIS設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行，盡可能的延長其使用壽命，所以提出對GIS內(nèi)部機(jī)械故障振動信號檢測的相關(guān)研究的對維護(hù)GIS安全運(yùn)行有重要意義。

1 GIS設(shè)備簡介

1.1 GIS設(shè)備定義

氣體絕緣家屬封閉開關(guān)設(shè)備（簡稱GIS）是20世紀(jì)60年代中期出現(xiàn)的一種新型電器裝置。它是將斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)、電流互感器、電壓互感器、母線等元件組合封閉在接地的金屬殼體內(nèi)，充以一定壓力的SF6氣體作為絕緣介質(zhì)和滅弧介質(zhì)所組成的成套開關(guān)設(shè)備[2]。GIS設(shè)備自問世以來得到了很快的發(fā)展。但由于GIS設(shè)備運(yùn)行時(shí)間不是很長，運(yùn)行人員和檢修人員現(xiàn)場運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)還不多，對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)了解也不是很全面，這就可能對設(shè)備故障判斷出現(xiàn)誤差，不能對故障進(jìn)行正確處理，引起設(shè)備損壞發(fā)生。

1.2 GIS設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)和主要生產(chǎn)廠家

相對于傳統(tǒng)的敞開式配電裝置來說，GIS設(shè)備主要具有占地面積小 、設(shè)備運(yùn)輸和維護(hù)都方便等特點(diǎn)，比如220kV的GIS設(shè)備，其占地面積不到常規(guī)設(shè)備面積的一半，而且往往隨著電壓等級升高，占地面積反而越小[3]。其次，GIS設(shè)備由金屬外殼包圍，主要帶電的元件都密閉在優(yōu)良滅弧和絕緣性能強(qiáng)的六氟化硫氣體內(nèi)，所以受外界影響非常小，而且可以防震。此外由于GIS設(shè)備選材優(yōu)良、加工技術(shù)先進(jìn)且精密，因此還具有維修周期長，電損耗較小，故障率低以及噪聲弱等優(yōu)點(diǎn)。GIS設(shè)備需求量越來越大，國內(nèi)外生產(chǎn)廠家也不斷增加，國內(nèi)的生產(chǎn)廠家主要集中在沈陽、西安、上海和平頂山等地，而國外的生產(chǎn)廠家主要有西門子、東芝[4]。

2 GIS機(jī)械故障的類型

隨著GIS設(shè)備應(yīng)用越來越廣泛，機(jī)械故障逐漸成為GIS設(shè)備的主要故障之一。現(xiàn)階段針對GIS振動狀態(tài)的檢測方法已經(jīng)有了一定的研究，但并沒有系統(tǒng)的明確的GIS機(jī)械故障檢測工具，因此振動檢測的方法的實(shí)際應(yīng)用還是有待于進(jìn)一步研究與完善。

GIS機(jī)械振動形成原因有很多，比如物體受外力而振動，或者運(yùn)行中GIS 的殼體所受激振力主要有開關(guān)操作的機(jī)械力， 導(dǎo)體中交流電流產(chǎn)生的交變電動力，互感器鐵芯的電磁力， 外界噪聲振動等，而當(dāng)這些振動導(dǎo)致螺栓松動，外殼接觸不平衡等就形成了GIS機(jī)械振動故障。因此總體說，GIS常見的機(jī)械故障有有雜物引起外殼振動，電磁力、磁致伸縮引起的振動，開關(guān)操作引起的振動，由于GIS觸頭接觸過熱導(dǎo)致接觸不良引起的振動，內(nèi)部元件接地引起的振動、外界噪聲引起的異響振動、由于倒閘操作事故引起的振動等故障[5]。

3 GIS振動故障檢測裝置設(shè)計(jì)

GIS振動檢測系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

系統(tǒng)由傳感器、信號處理單元、信號采集單元及上位機(jī)組成。

3.1 傳感器的選擇

由于GIS外殼的振動信號為電氣機(jī)械振動信號，頻寬基本為10～2000Hz，振幅在0.5～50之間。初步選擇三種傳感器，分別為位移傳感器、速度傳感器、加速度傳感器。振動傳感器是用檢測物體振動的，振動傳感器將振動轉(zhuǎn)化為電信號，一般適用于監(jiān)測系統(tǒng)。加速度傳感器測量振動頻率較高，特別是超過1kHz振動頻率的，優(yōu)勢比較高。與其他傳感器相比，加速度傳感器的靈敏度比較高。

由已知的GIS設(shè)備數(shù)據(jù)，可知速度傳感器頻率響應(yīng)10Hz～1kHz，不符合頻寬，因此不適合GIS外殼振動的測量，而位移傳感器也不適合在電磁干擾比較強(qiáng)的環(huán)境下使用，因此綜合傳感器特點(diǎn)來看，加速度傳感器能滿足GIS外殼振動的要求。加速度傳感器從大類上可分為壓電式、應(yīng)變式和伺服加速度傳感器。根據(jù)GIS設(shè)備的屬性， 壓電式加速度傳感器因具有足夠的頻寬，量程大、體積小、安裝諧振頻率比較高，且應(yīng)用范圍廣以及易于安裝等優(yōu)點(diǎn)，作為傳感器的最佳選擇。

3.2 信號處理及采集單元

信號處理單元主要是信號的濾波和放大，根據(jù)傳感器的測量頻率范圍，濾波器采用1-4kHz的低通濾波器，放大器采可進(jìn)行160倍放大。采集單元采用一個(gè)采樣率為250kHz的AD進(jìn)行采集，并通過USB模塊將數(shù)據(jù)送入上位機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步的分析和處理。整個(gè)信號處理和采集單元密封在金屬外殼內(nèi)防止現(xiàn)場的電磁干擾。

3.3 上位機(jī)軟件

上位機(jī)指的是人可以直接發(fā)出操控命令的計(jì)算機(jī)。一般是pc機(jī)。它安裝在主控室，可定時(shí)和下位機(jī)通訊、數(shù)據(jù)處理。存儲、查詢、曲線顯示、報(bào)警及報(bào)表打印;遠(yuǎn)方計(jì)算機(jī)也可通過電話線或者網(wǎng)絡(luò)適配器，用網(wǎng)絡(luò)瀏覽方式瀏覽數(shù)據(jù)和進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。

因此本系統(tǒng)運(yùn)用上位機(jī)軟件，可將GIS機(jī)械故障振動檢測系統(tǒng)軟件根據(jù)功能劃分為如圖2所示的10個(gè)區(qū)域。

各個(gè)區(qū)域的名稱如下介紹： 1-波形顯示區(qū)域， 2-頻譜分析結(jié)果， 3-量程調(diào)節(jié)區(qū)域， 4-文件路徑顯示區(qū)域， 5-注釋顯示區(qū)域， 6-文件操作區(qū)域， 7-幅值顯示區(qū)域， 8-文件保存路徑區(qū)域， 9-累加幅值顯示區(qū)域， 10-Logo及連接示意圖區(qū)域。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了驗(yàn)證GIS機(jī)械故障振動檢測系統(tǒng)應(yīng)用于GIS及機(jī)械故障檢測的魯棒性，利用實(shí)驗(yàn)室的一臺330kV GIS進(jìn)行試驗(yàn)。應(yīng)用GIS機(jī)械故障檢測系統(tǒng)檢測，進(jìn)行了接地螺絲松動試驗(yàn)，并測量了不同設(shè)備處的振動信號特征。試驗(yàn)用330kV GIS及各個(gè)檢測點(diǎn)如圖3所示。

該設(shè)備為330kV GIS，采用升流器對其內(nèi)部導(dǎo)桿進(jìn)行大電流的施加，最大可施加3kA工頻電流。各個(gè)檢測點(diǎn)中4為CT，5為開關(guān)。當(dāng)不對GIS施加電流時(shí)的檢測結(jié)果如圖4所示。GIS所顯示波形可以看做一條平穩(wěn)的直線，幅值沒有大的波動。此時(shí)的背景噪聲最大幅值為0.09V。

其次首先對無螺絲松動點(diǎn)時(shí)各個(gè)部分進(jìn)行檢測，施加電流為2kA。不同檢測點(diǎn)檢測到的波形如圖4所示。

可以看出，對于GIS，各個(gè)位置的檢測點(diǎn)其振動信號均不相同，檢測點(diǎn)3、5、6處信號最大，這三處剛好是豎直擺放的位置，而其他位置則為平放，此時(shí)的振動信號均較小。這也說明了對于GIS而言，直立部分的振動相比平放部分要大，而且直立部分的高度越高，其振動信號越強(qiáng)。不同檢測點(diǎn)的信號幅值曲線如圖5所示。endprint