GIS異響的振動(dòng)信號(hào)特性及檢測(cè)方法研究

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(國(guó)網(wǎng)安徽省電力公司,安徽 合肥 230061)

GIS異響的振動(dòng)信號(hào)特性及檢測(cè)方法研究

張煒，李玉龍，楊勁松，林屹煬，王媛玥，吳德花

(國(guó)網(wǎng)安徽省電力公司,安徽 合肥 230061)

本文針對(duì)GIS機(jī)械性故障，研究異響導(dǎo)致的GIS殼體振動(dòng)信號(hào)特性，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行機(jī)械性故障檢測(cè)方法的研究，進(jìn)而研制出適合現(xiàn)場(chǎng)帶電檢測(cè)的檢測(cè)裝置，為GIS機(jī)械性故障的檢測(cè)和診斷提供有效的工具。分析了GIS運(yùn)行中的正常和異響振動(dòng)信號(hào)的產(chǎn)生機(jī)理，頻率范圍、傳播特性等數(shù)據(jù)，并根據(jù)不同類型故障的產(chǎn)生原因和特征表現(xiàn)，為現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)提供檢測(cè)和判斷依據(jù)。通過(guò)研制GIS異響振動(dòng)帶電檢測(cè)系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試GIS異響振動(dòng)特性，可觀察出GIS振動(dòng)信號(hào)特征及明確正常運(yùn)行GIS的振動(dòng)特性和異響類型的GIS的振動(dòng)特性之間側(cè)差異，明確故障GIS振動(dòng)信號(hào)的頻譜分布規(guī)律和特點(diǎn)。

振動(dòng)信號(hào)；異響；檢測(cè)方法

1 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)電能的需求空前膨脹，電網(wǎng)的電壓等級(jí)不斷升高，氣體絕緣金屬全封閉開關(guān)(簡(jiǎn)稱GIS)由于具有較高的運(yùn)行可靠性而被廣泛的采用。為了保證氣體絕緣組合電器安全運(yùn)行，盡可能延長(zhǎng)檢修周期，研究預(yù)測(cè)內(nèi)部潛伏性故障的方法是很有必要的。本文針對(duì)GIS機(jī)械性故障，研究異響導(dǎo)致的GIS殼體振動(dòng)信號(hào)特性，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行機(jī)械性故障檢測(cè)方法的研究，進(jìn)而研制出適合現(xiàn)場(chǎng)帶電檢測(cè)的檢測(cè)裝置，為GIS機(jī)械性故障的檢測(cè)和診斷提供有效的工具。

2 GIS異響的振動(dòng)信號(hào)分析

對(duì)于三相分體式GIS，可將母線等效為圓導(dǎo)體。對(duì)于長(zhǎng)度為l的兩根平行圓導(dǎo)體，分別通過(guò)電流i1和i2，并且i1=i2，兩導(dǎo)體的中心距離為a,直徑為d，當(dāng)導(dǎo)體的截面或直徑d比a小得很多以及a比導(dǎo)體長(zhǎng)度l小得很多時(shí)，可以認(rèn)為導(dǎo)體中的電流i1和i2集中在各自的幾何軸線上流過(guò)，計(jì)算兩導(dǎo)體間的電動(dòng)力可以根據(jù)比奧—沙瓦定律。計(jì)算導(dǎo)體2所受的電動(dòng)力時(shí)，可以認(rèn)為導(dǎo)體2處在導(dǎo)體1所產(chǎn)生的磁場(chǎng)里，其磁感應(yīng)強(qiáng)度用B1表示，B1的方向與導(dǎo)體2垂直，其大小為:

(1)

式中,H1—導(dǎo)體1中的電流i1所產(chǎn)生的磁場(chǎng)在導(dǎo)體2處的磁場(chǎng)強(qiáng)度；

μ0—空氣的倒磁系數(shù)。

則導(dǎo)體2全長(zhǎng)l上所受的電動(dòng)力為:

(2)

同樣，計(jì)算導(dǎo)體1所受的電動(dòng)力時(shí)，可認(rèn)為導(dǎo)體1處在導(dǎo)體2所產(chǎn)生的磁場(chǎng)里，顯然，導(dǎo)體1所受到的電動(dòng)力與導(dǎo)體2相等。

由公式可知，兩平行圓導(dǎo)體間的電動(dòng)力大小與兩導(dǎo)體通過(guò)的電流和導(dǎo)體長(zhǎng)度成正比，與導(dǎo)體間中心距離成反比，當(dāng)兩根導(dǎo)體流過(guò)電流同方向時(shí)，電動(dòng)力表現(xiàn)為引力，當(dāng)兩個(gè)導(dǎo)體方向相反時(shí)，電動(dòng)力表現(xiàn)為斥力。對(duì)于三相分體的GIS，當(dāng)導(dǎo)體中流過(guò)電流時(shí)，由于外殼接地，不存在電流，因此導(dǎo)體只存在于自身的磁場(chǎng)中，不會(huì)受力，因此單根導(dǎo)體不受電動(dòng)力的影響。但對(duì)于GIS而言，隔離開關(guān)及斷路器等設(shè)備均通過(guò)觸頭與導(dǎo)桿相連，盡管觸頭的接觸面看起來(lái)很平坦光滑，但它們實(shí)際上僅在一些接觸斑點(diǎn)上互相接觸。當(dāng)電流流過(guò)觸頭時(shí)，由于電流線在接觸面附近發(fā)生收縮，因而在觸頭間會(huì)出現(xiàn)電動(dòng)力，這是一種電流自身磁場(chǎng)作用下的電動(dòng)力，其相當(dāng)于變截面載流導(dǎo)體收到的電動(dòng)力。觸頭間的電動(dòng)力為：

(3)

式中,D—觸頭接觸面的直徑；

a—觸頭接觸斑點(diǎn)的半徑；

F—觸頭間電動(dòng)力；

Fj—作用在觸頭上的初壓力；

ζ—材料變形系數(shù)，在0.3～1之間；

Hb—透出材料的布式硬度；

μ0—真空磁導(dǎo)率。

可以看出，觸頭間的電動(dòng)力是流過(guò)電流的平方，與電流的方向無(wú)關(guān)。流通在回路中的電流也會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)力，電動(dòng)力的計(jì)算是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，其大小同樣與電流的平方成正比，但也與觸頭的結(jié)構(gòu)與形狀密切相關(guān)。由于觸頭結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及不規(guī)則性，不能簡(jiǎn)單地把它近似成平行導(dǎo)體之間的作用力。

以a相導(dǎo)體為例計(jì)算其受到的安培力的大小。三相導(dǎo)體的橫截面如圖1所示，圖中a，b，c三點(diǎn)分別為a，b，c三相導(dǎo)體的中心。設(shè)b，c兩相電流在相導(dǎo)線處產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小分別為Bba,Bca，a與b，b與c，a與c兩相導(dǎo)體之間距離分別為lba,lbc,lac。

圖1 三相導(dǎo)體示意圖

則根據(jù)圖1可得：

(4)

設(shè)Bba,Bca之間的夾角為θ，二者在導(dǎo)線a處產(chǎn)生的合磁場(chǎng)為Ba合，ac與ab的夾角為γ，則有

(5)

在一個(gè)電流周期內(nèi)，a點(diǎn)的合磁場(chǎng)大小的表達(dá)式為(5)，則a相導(dǎo)體的受力表達(dá)式為：

(6)

在GIS的實(shí)際運(yùn)行中，三相導(dǎo)體往往排列成等邊三角形，此時(shí)設(shè)lba=lbc=lac=d，代入式(6)可得：

(7)

則單位長(zhǎng)度導(dǎo)體受力為：

(8)

3 試驗(yàn)檢測(cè)

采用本設(shè)備對(duì)寧夏某110kV變電站GIS設(shè)備進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。當(dāng)振動(dòng)加速度傳感器放置在1112處刀閘時(shí)(即懷疑有問(wèn)題的刀閘)，測(cè)量結(jié)果如圖2所示。

圖2 1112刀閘處檢測(cè)結(jié)果

此處的檢測(cè)的最大值為0.3V，100Hz分量為0.17V。作為對(duì)比，檢測(cè)了1111刀閘相同位置的振動(dòng)信號(hào)，結(jié)果如圖3所示。

圖3 1111刀閘處振動(dòng)信號(hào)

可以看出，此處的振動(dòng)信號(hào)要明顯小于1112處，其最大幅值為0.22V，100Hz信號(hào)分量為0.08V，遠(yuǎn)小于1112處。

與刀閘相連的CT氣室檢測(cè)結(jié)果如圖4～5所示。

可以看出，1111 CT氣室處的振動(dòng)信號(hào)幅值最大為0.14V，100Hz分量為0.05V，而1112 CT氣室的振動(dòng)信號(hào)最大為0.3V，100Hz分量為0.19，同樣遠(yuǎn)大于1111CT氣室。即在1112處測(cè)量得到的振動(dòng)信號(hào)幅值均大于1111處測(cè)量得到的振動(dòng)信號(hào)幅值。振動(dòng)檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)該處GIS固定位置螺絲有松動(dòng)現(xiàn)象，但由于時(shí)間緣故，未進(jìn)行螺絲固定后的檢測(cè)。

在GIS的運(yùn)行過(guò)程中，導(dǎo)桿在電流的作用下會(huì)受到電動(dòng)力的作用，此時(shí)如果固定不良或者存在緊固不牢固，會(huì)產(chǎn)生100Hz的振動(dòng)信號(hào)，這個(gè)也是導(dǎo)桿電動(dòng)力引起的典型振動(dòng)信號(hào)頻譜。當(dāng)存在觸頭接觸不良時(shí)，振動(dòng)信號(hào)會(huì)出現(xiàn)明顯的高頻分量。從檢測(cè)結(jié)果來(lái)看，未出現(xiàn)明顯的高頻分量，因此認(rèn)為不是觸頭接觸不良所引起的信號(hào)。從檢測(cè)結(jié)果來(lái)看是典型的100Hz分量為主的振動(dòng)信號(hào)，因此認(rèn)為是由于電動(dòng)力所引起的機(jī)械振動(dòng)，此時(shí)可能的原因有：(1)GIS地基處固定不牢固，表現(xiàn)為固定螺絲松動(dòng)；(2)絕緣子處固定不牢固，表現(xiàn)為固定螺絲松動(dòng)。從此處的檢測(cè)結(jié)果來(lái)看，主要是由于地基處固定不牢固所導(dǎo)致的。但由于機(jī)械振動(dòng)主要由電動(dòng)力引起，這與流過(guò)導(dǎo)體的電流有很大關(guān)系，因此負(fù)荷也是影響GIS機(jī)械振動(dòng)的關(guān)鍵因素，此時(shí)檢測(cè)時(shí)負(fù)荷相比之前有所降低，這也會(huì)導(dǎo)致振動(dòng)信號(hào)幅值降低。

4 結(jié)論

為了實(shí)現(xiàn)通過(guò)GIS外殼振動(dòng)信號(hào)的測(cè)量進(jìn)行GIS機(jī)械性故障的檢測(cè)和診斷，得到如下結(jié)論：針對(duì)GIS由于機(jī)械原因?qū)е碌某掷m(xù)振動(dòng)，提出采用加速度傳感器可進(jìn)行有效檢測(cè)，并針對(duì)GIS振動(dòng)的來(lái)源及檢測(cè)方法的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了大量研究；針對(duì)機(jī)械性故障的檢測(cè)，本理論分析了GIS單根導(dǎo)體和三相共體結(jié)構(gòu)下的受力情況，并對(duì)不同尺寸GIS的共振頻率進(jìn)行了計(jì)算；針對(duì)GIS振動(dòng)信號(hào)的現(xiàn)場(chǎng)帶電檢測(cè)，并對(duì)觸頭不同接觸情況進(jìn)行了振動(dòng)測(cè)試，結(jié)果表明當(dāng)存在接觸不良時(shí)，會(huì)產(chǎn)生明顯的振動(dòng)信號(hào)，振動(dòng)頻率基頻為100Hz，當(dāng)接觸不良故障嚴(yán)重時(shí)，會(huì)出現(xiàn)明顯的300Hz和600Hz信號(hào)。

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ResearchonCharacteristicandTestMethodofGISAbnormalSoundVibratingSignal

ZHANGWei,LIYu-long,YANGJin-song,LINYi-yang,WANGYuan-yue,WUDe-hua

(Anhui Province Electric Power Company,Hefei 230061,China)

This article aims at the malfunctions of GIS machinery,the sound caused by GIS shell vibration signal characteristics,and the machinery fault detection method based on this research,and then developed the detecting device for electric testing,provide effective GIS fault detection and diagnosis of mechanical tools.GIS is analyzed the running mechanism of normal and sound vibration signals,frequency range,propagation characteristics,such as data,and according to the causes and characteristics of different types of fault,provide a basis for detection and judgment in field test.Through the development of GIS charged sound vibration test system and field test of GIS sound vibration characteristics,observed the GIS vibration signal characteristics and clear the vibration characteristics of normal operation of the GIS and sound side differences between types of vibration characteristics of GIS,clear spectrum distribution regularity and characteristics of fault vibration signal of GIS.

vibrating signal;abnormal sound;test method

1004-289X(2017)03-0068-04

TM59

B

2017-01-04