GIS振動機(jī)理及固有頻率研究*

李凱，許洪華，陳冰冰，崔楊柳，馬宏忠

（1.江蘇省電力公司南京供電公司，南京210019；2.河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院，南京211100）

0 引 言

GIS具有結(jié)構(gòu)緊湊、運行可靠、對環(huán)境影響小、維護(hù)工作量少等諸多優(yōu)點，是電力設(shè)備制造技術(shù)進(jìn)步的重要體現(xiàn)。近些年來，隨著高壓輸電的發(fā)展以及城市化建設(shè)的需要，GIS得到越來越廣泛的應(yīng)用。

盡管GIS擁有較高的可靠性，故障率較低，但隨著GIS大量的應(yīng)用，GIS故障也成為一個不可忽視的問題［1］。相比其他電力設(shè)備，GIS故障類型復(fù)雜，并且一旦GIS發(fā)生故障，其影響范圍較大［2-3］。基于此，國內(nèi)外提出諸多GIS狀態(tài)監(jiān)測以及故障診斷方法，其中以特高頻技術(shù)應(yīng)用最為廣泛，且發(fā)展相對成熟，此外，超聲波法、脈沖電流法、氣體分解法等監(jiān)測方法在GIS中都得到應(yīng)用［4-5］。

振動法作為一種常規(guī)的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷方法，已經(jīng)在電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測中得到應(yīng)用。早在上個世紀(jì)八十年代末，日本學(xué)者Youichi Ohshita就提出利用振動法監(jiān)測GIS，并通過試驗研究，給出了不同局部放電的頻譜特征［6］。我國清華大學(xué)的錢家驪教授以及中國電力科學(xué)院郭碧紅等人對GIS振動也有所研究［7-11］，并提出利用振動信號對故障點進(jìn)行定位，文獻(xiàn)［12］提出利用振動法檢測支柱絕緣子的缺陷。目前對GIS的振動研究集中在1990年左右，缺乏后續(xù)研究。振動作為電力設(shè)備GIS的一項固有屬性，既能反映機(jī)械故障引起的低頻振動，也能反映絕緣故障引起的高頻振動。因此有必要對基于振動的GIS狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷進(jìn)行深入系統(tǒng)研究。文章在前人分析研究的基礎(chǔ)上，從電磁力以及磁致伸縮兩個方面分析了GIS正常運行的振動特征，以及不同故障引起的頻率特性。從模型構(gòu)建以及邊界約束條件控制兩個方面分析研究了GIS外殼的模態(tài)分析方法，通過模態(tài)分析求取GIS固有頻率，并通過模態(tài)試驗方法驗證了方法的正確性。

1 GIS正常運行時的振動機(jī)理

GIS正常運行時的振動主要由電磁力與磁致伸縮引起［7］。下面從電磁力與磁致伸縮兩個方面分析GIS外殼的振動特性。

1.1 電磁力分析

為使GIS氣室內(nèi)部電場均勻分布，GIS外殼設(shè)計成圓柱結(jié)構(gòu)，對三相分體式GIS，每個氣室中只有單根導(dǎo)電桿，在外殼中會產(chǎn)生感應(yīng)電流；對三相共體式GIS而言，盡管三相導(dǎo)電桿對稱分布，但其幾何尺寸與外殼的尺寸相差并不大，因此在外殼中依然會產(chǎn)生感應(yīng)電流。文章以三相分體式GIS為例分析外殼所受電磁力，利用微元化思想，選定GIS圓柱外殼某一直徑沿軸向做剖面，剖面如圖1所示。當(dāng)導(dǎo)電桿中流過交變電流時，圖1剖面中的上下金屬矩形塊中將會有感應(yīng)電流流過，由于上下兩個矩形塊為完整的金屬單元，因此金屬單元中感應(yīng)電流以渦流的形式出現(xiàn)，在不影響分析準(zhǔn)確性的前提下，文章簡化分析，僅考慮上下兩個邊緣中的感應(yīng)電流。

圖1 GIS氣室剖面圖Fig.1 Profile of GIS air cell

設(shè)導(dǎo)電桿電流 i0=I0cos（ωt），ω為對應(yīng)工頻的角頻率，R為GIS圓柱殼外徑，r為GIS圓柱殼內(nèi)徑，i為外殼感應(yīng)電流（如圖1所示），Req為電流回路的等效電阻，μ0為真空磁導(dǎo)率，μr為相對磁導(dǎo)率。

由于GIS外殼厚度與外殼半徑相比相差較大，GIS外殼可當(dāng)作薄殼處理，因此在計算感生電動勢時認(rèn)為薄殼內(nèi)磁場均勻。

金屬單元上下邊緣所受電磁力：

1.2 磁致伸縮效應(yīng)

根據(jù)磁致伸縮效應(yīng)，鐵磁性物質(zhì)在外磁場作用下，其尺寸會發(fā)生改變——伸長或縮短，去掉外磁場后，其又恢復(fù)原來的長度，宏觀上則表現(xiàn)為機(jī)械振動［12-15］。

將GIS外殼看作薄殼，薄殼中磁感應(yīng)強(qiáng)度由式（1）計算。從而外殼中的磁場強(qiáng)度近似相等：

薄殼線性形變與磁場強(qiáng)度的關(guān)系為：

式中 Hc為矯頑力；εs是薄殼的飽和磁致伸縮率。

由磁致伸縮率的定義知：

將式（8）代入式（7）中，得到薄殼的磁致伸縮率：

以t為變量，求Δl的兩次導(dǎo)數(shù)，可以得到磁致伸縮加速度：

因而由磁致伸縮引起的GIS外殼振動也以2倍工頻為基頻。根據(jù)上述分析，在理想情況下，在電磁力及磁致伸縮效應(yīng)的穩(wěn)定作用下，GIS外殼將以2倍工頻為基頻發(fā)生持續(xù)穩(wěn)定振動。

2 GIS異常振動分析

GIS異常振動由異常電流以及GIS缺陷/故障引起，異常電流通常由于外電路異常引起，與GIS本體無關(guān)，不予考慮。主要從GIS本體缺陷/故障出發(fā)研究GIS的異常振動情況。從各項統(tǒng)計資料來看，GIS故障大致可分為機(jī)械故障、絕緣故障、二次回路故障、本體滲漏故障、其他故障等，各故障所占比例如圖 2所示［2-4］。

圖2 GIS故障統(tǒng)計Fig.2 Fault statistics of GIS

從圖2中可以看出，GIS故障以機(jī)械故障及絕緣故障為主。其中機(jī)械故障包括緊固件松脫，元器件損壞，機(jī)械卡澀等。機(jī)械故障通常表現(xiàn)為GIS機(jī)械結(jié)構(gòu)的改變，比如緊固件松脫表現(xiàn)為機(jī)械預(yù)警力的變化，機(jī)械卡澀改變了動作機(jī)構(gòu)之間的摩擦狀態(tài)等等。這些改變往往會將引起GIS外殼的異常振動，而機(jī)械狀態(tài)的改變引起的振動往往是低頻異常振動，集中在1 000 Hz以下。

絕緣缺陷/故障產(chǎn)生的振動機(jī)理與機(jī)械故障引起的振動不同，金屬突出物放電引起的振動由突出物直接傳遞給GIS外殼，而自由微粒引起的振動則是由微粒撞擊外殼所致。對局部放電引起的振動，根據(jù)文獻(xiàn)［6］介紹，不同的絕緣缺陷引起的局部放電所造成的異常振動也不同，且振動波形受放電重復(fù)率與放電量的影響，文獻(xiàn)［10］分別研究了不同的放電類型引起的振動頻譜圖。需要指出的是，局部放電引起的振動頻率都在在2 kHz以上，與機(jī)械故障引起振動的頻率特征有著顯著差異，因此利用振動信號監(jiān)測GIS運行狀態(tài)能夠兼顧機(jī)械故障與絕緣故障［7-12］。

3 GIS模態(tài)分析

對結(jié)構(gòu)的振動特性分析涉及到模態(tài)分析、瞬態(tài)動力學(xué)分析、諧響應(yīng)分析和隨機(jī)譜分析等方面，其中模態(tài)分析（包括固有頻率和振型）是所有振動分析的基礎(chǔ)。GIS作為大型電力設(shè)備，對運行中的GIS進(jìn)行模態(tài)試驗分析存在很大難度。通過建立GIS的ANSYS有限元分析模型，研究GIS外殼的固有振動特性，有利于分析研究GIS運行時的振動頻譜特征，是利用振動信號診斷GIS故障的基礎(chǔ)。

3.1 GIS模態(tài)分析方法

GIS結(jié)構(gòu)龐大，對GIS整體進(jìn)行模態(tài)分析有相當(dāng)大的難度，考慮到GIS的結(jié)構(gòu)特性，提出以GIS氣室為單位，對GIS進(jìn)行局部模態(tài)分析，通過對GIS約束條件的設(shè)置，模擬氣室真實的連接情況，以此實現(xiàn)較為準(zhǔn)確的模態(tài)分析。

根據(jù)GIS氣室?guī)缀谓Y(jié)構(gòu)，可將GIS氣室定義為直線型，T型，π型，十字型等。對GIS氣室進(jìn)行準(zhǔn)確的模態(tài)分析，關(guān)鍵在于控制氣室的邊界條件，即約束條件。GIS氣室之間通過法蘭連接，并由足夠多的螺母固定，可將每個螺母節(jié)點設(shè)置為固定約束。此外GIS的部分氣室會通過伸縮節(jié)連接，對伸縮節(jié)的連接面施加軸向彈性約束更加確切。在GIS氣室外圍通常會有較多的支撐與固定構(gòu)件，部分構(gòu)件主要起到支撐作用，而部分構(gòu)件主要用來固定GIS，因此應(yīng)當(dāng)準(zhǔn)確建立外圍構(gòu)件模型，在構(gòu)件與地面的固定點設(shè)置固定約束來模擬實際情況［16-18］。

以南京市某地區(qū)的一段GIS母線氣室為例，對其外殼進(jìn)行振動模態(tài)分析。該外殼屬T型結(jié)構(gòu)，GIS外殼材料參數(shù)：密度：7 800 kg/m3，彈性模量：1.4×1011Pa，泊松比：0.28。通過ANSYS軟件建立該外殼物理模型如圖3所示。

母線氣室的10階固有頻率根據(jù)ANSYS軟件計算如表1所示。

為驗證GIS外殼模態(tài)分析的正確性，文章通過模態(tài)試驗測量試驗氣室的固有頻率。試驗系統(tǒng)如圖4所示。

圖3 GIS母線外殼Fig.3 Diagram of the GIS bus bar shell

表1 母線氣室的前10階固有頻率Tab.1 The first ten natural frequencies of the bus bar air cell

圖4 GIS模態(tài)試驗示意圖Fig.4 Schematic diagram of GIS modal test

根據(jù)振動傳感器信號與沖擊力錘信號的比值求取該氣室的振動頻率響應(yīng)譜如圖5所示，各個峰值即對應(yīng)于該氣室的各階固有頻率。

圖5 GIS頻率響應(yīng)譜圖Fig.5 Frequency response spectrum of GIS vibration measurement

從仿真分析以及模態(tài)試驗結(jié)果來看，兩者具有較高的一致性，說明在約束條件控制恰當(dāng)以及模型構(gòu)建準(zhǔn)確的前提下，利用模態(tài)分析軟件分析研究GIS的固有頻率具有很好的可行性。

4 結(jié)束語

（1）從電磁力及磁致伸縮兩個方面論證GIS外殼正常運行的振動情況，研究表明在GIS正常運行時，其外殼以工頻的2倍頻為基頻做穩(wěn)定振動；

（2）通過對GIS故障的總結(jié)分析，機(jī)械故障主要引起低頻振動異常，而絕緣故障主要引起高頻振動異常，因此振動法能夠較為全面地診斷GIS的故障，具有較好的應(yīng)用前景；

（3）通過研究GIS氣室的連接情況及外圍構(gòu)件，建立GIS外殼的模態(tài)分析方法，在約束條件控制得當(dāng)以及模型構(gòu)建較為準(zhǔn)確的情況下，能夠較為準(zhǔn)確地分析GIS外殼的固有頻率，為利用振動信號對GIS進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷奠定基礎(chǔ)。