GIS機(jī)械故障振動(dòng)檢測(cè)技術(shù)研究

王超

摘要：GIS在現(xiàn)代電力工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，隨著GIS投入數(shù)量的不斷增加，其機(jī)械故障發(fā)生率也越來(lái)越高。基于電力工業(yè)安全生產(chǎn)的要求，加強(qiáng)GIS機(jī)械故障振動(dòng)檢測(cè)技術(shù)研究成為規(guī)避機(jī)械性故障、規(guī)避安全事故的重要手段之一。本文結(jié)合多年工作實(shí)踐，立足于GIS常見(jiàn)機(jī)械故障作為切入點(diǎn)，闡述GIS機(jī)械故障振動(dòng)檢測(cè)技術(shù)，最后提出提升GIS機(jī)械故障振動(dòng)檢測(cè)技術(shù)的對(duì)策。

關(guān)鍵詞：GIS 機(jī)械故障;振動(dòng)檢測(cè)技術(shù)

0 ?引言

隨著我國(guó)工業(yè)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，GIS（Gas-Insulated Switchgear，氣體絕緣金屬全封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備）基于體積小、檢修周期長(zhǎng)以及易于維護(hù)的特點(diǎn)而廣泛的應(yīng)用在電力領(lǐng)域。然而由于其在具體的運(yùn)用過(guò)程中受到電動(dòng)力的作用也能會(huì)出現(xiàn)機(jī)械故障，進(jìn)而產(chǎn)生振動(dòng)現(xiàn)象。由于GIS屬于全封閉結(jié)構(gòu)，因此一旦出現(xiàn)振動(dòng)故障需要借助相應(yīng)的診斷技術(shù)手段，以此本文立足于多年實(shí)踐工作經(jīng)驗(yàn)，闡述GIS機(jī)械故障振動(dòng)檢測(cè)技術(shù)。

1 ?GIS常見(jiàn)機(jī)械故障振動(dòng)

GIS機(jī)械故障振動(dòng)顧名思義就是由于設(shè)備內(nèi)部存在某些缺陷而發(fā)生的異響，GIS 的異響振動(dòng)會(huì)對(duì) GIS 設(shè)備本身具有很大危害，長(zhǎng)時(shí)間異響振動(dòng)有可能會(huì)導(dǎo)致 GIS 內(nèi)部螺栓松動(dòng)，造成氣體外漏，內(nèi)部氣壓降低，發(fā)生絕緣事故，同時(shí)損壞絕緣子和絕緣柱，影響外殼接地點(diǎn)的牢固性。GIS斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、接地開(kāi)關(guān)、電壓互感器、電流互感器、避雷器、母線和套管八個(gè)電氣元件構(gòu)成。

結(jié)合相關(guān)實(shí)踐調(diào)查，GIS常見(jiàn)機(jī)械故障振動(dòng)主要包括以下種類(lèi)：

①電磁力引起的振動(dòng)。GIS設(shè)備在運(yùn)行的過(guò)程中必然會(huì)因?yàn)槭艿诫娏Φ纫蛩氐挠绊懚霈F(xiàn)振動(dòng)，例如在高壓設(shè)備中一般斷路器端口會(huì)配置并聯(lián)電容器，這樣可以改善電壓分布，當(dāng)電源電壓足夠時(shí)，電壓互感器鐵心出現(xiàn)飽和時(shí)的等值電感減小到ωL=1ωc時(shí)，母線上的電磁式電壓互感器可能會(huì)產(chǎn)生持續(xù)的低頻電壓，這種現(xiàn)象稱為鐵磁諧振。當(dāng)有諧振發(fā)生的時(shí)候，鐵心磁密與勵(lì)磁電流都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)正常值，過(guò)勵(lì)磁就會(huì)導(dǎo)致電壓互感器產(chǎn)生異響，GIS 外殼就會(huì)隨之振動(dòng)，此時(shí)由于勵(lì)磁電流過(guò)大，線圈過(guò)熱，造成短路。過(guò)激磁會(huì)發(fā)出異常嗡嗡聲，聲音很大。

②GIS觸頭接觸不良引起的振動(dòng)。例如在安裝GIS時(shí)由于沒(méi)有安裝到位或者點(diǎn)接觸部門(mén)零件損壞等都會(huì)造成設(shè)備出現(xiàn)故障進(jìn)而引起振動(dòng)。

③開(kāi)關(guān)操作引起的振動(dòng)。GIS設(shè)備的開(kāi)關(guān)操作相對(duì)比較頻繁，而在開(kāi)關(guān)閉合的循環(huán)過(guò)程中，由于GIS設(shè)備屬于瞬動(dòng)式的機(jī)械設(shè)備，因此其內(nèi)部就會(huì)出現(xiàn)高速運(yùn)動(dòng)、高速碰擊等振動(dòng)。

實(shí)踐證明GIS機(jī)械故障振動(dòng)會(huì)產(chǎn)生巨大的危害：產(chǎn)生懸浮電位放電、破壞密封、機(jī)械強(qiáng)度下降以及易于損害盆式絕緣子等固體絕緣。

2 ?GIS機(jī)械故障振動(dòng)檢測(cè)技術(shù)

GIS 的監(jiān)測(cè)技術(shù)大致經(jīng)歷了周期性在線監(jiān)測(cè)和長(zhǎng)期在線監(jiān)測(cè)的發(fā)展過(guò)程。所謂設(shè)備在線監(jiān)測(cè)，就是說(shuō)通過(guò)不間斷的監(jiān)測(cè)運(yùn)行設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)，將采集到的信號(hào)量進(jìn)行處理比較，提取需要的信息，通過(guò)對(duì)信號(hào)識(shí)別來(lái)判斷設(shè)備的狀態(tài)、設(shè)備故障和異常部位、原因和程度、預(yù)測(cè)設(shè)備故障或異?？赡馨l(fā)生的速度和后果，定出維修計(jì)劃和項(xiàng)目。GIS在線監(jiān)測(cè)的目的是通過(guò)監(jiān)測(cè)GIS 本體運(yùn)行狀態(tài)以及輔助設(shè)備和控制功能的狀態(tài)，提升狀態(tài)檢修效率，降低電力設(shè)備運(yùn)行故障率，提高設(shè)備的使用壽命以及設(shè)備運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益。

以GIS機(jī)械觸頭接觸不良導(dǎo)致的振動(dòng)為例進(jìn)行分析：

2.1 試驗(yàn)設(shè)備及接線

利用一臺(tái) 252kV 帶有隔離開(kāi)關(guān)的 GIS 進(jìn)行機(jī)械故障振動(dòng)檢測(cè)仿真實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中電流源采用 FCG-3000/5 數(shù)字式大電流發(fā)生器，該發(fā)生器采用數(shù)控技術(shù)，抗干擾能力強(qiáng)，采用低功耗、大容量的自耦線圈和高導(dǎo)磁率鐵芯制作的變流器，其基本原理與電流互感器相似，僅僅是將電流互感器的線圈反過(guò)來(lái)用。該發(fā)生器最高輸出電流可達(dá) 3000A。本次試驗(yàn)需加壓到 1000A 左右。試驗(yàn)電壓可調(diào)，面板自帶數(shù)顯電流表。試驗(yàn)接線圖如圖1所示。

試驗(yàn)中，通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)裝置將隔離開(kāi)關(guān)觸頭從微微接觸到緊密接觸之間的距離分成3 部分，即微微接觸、中度接觸和緊密接觸。微微接觸狀態(tài)為拉開(kāi)一點(diǎn)即電流施加不上，中度接觸為動(dòng)觸頭行至緊密接觸一般時(shí)的狀態(tài)，緊密接觸為隔離開(kāi)關(guān)觸頭正常閉合狀態(tài)。對(duì)不同隔離開(kāi)關(guān)觸頭狀態(tài)下進(jìn)行大電流試驗(yàn)，252kVGIS 的兩個(gè)套管分別為電流的進(jìn)線與出線，由于通過(guò)電流過(guò)大（幾百至上千安培），所以需要注意導(dǎo)線的同流能力。隔離開(kāi)關(guān)采用直線型，結(jié)構(gòu)圖如圖2。

本實(shí)驗(yàn)采用 FCG-3000/5 數(shù)字式大電流發(fā)生器自帶的軟粗導(dǎo)線與電纜串聯(lián)的方法將大電流發(fā)生器的電流引至套管進(jìn)線端。本實(shí)驗(yàn)測(cè)試 GIS 的一相振動(dòng)情況。考慮到電纜的同流能力，采用電纜的三相并聯(lián)的方式連接。由于軟粗導(dǎo)線與電纜之間難以鏈接，且有通流能力方面的考慮，用銅質(zhì)寬連接線進(jìn)行二者之間的相互連接。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)隔離開(kāi)關(guān)不同觸頭狀態(tài)下進(jìn)行大電流試驗(yàn)，并進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試。試驗(yàn)中從 0 開(kāi)始進(jìn)行電流的增加，步長(zhǎng)為 50A，最大電流施加到 1000A。記錄不同電流下的振動(dòng)信號(hào)。

①狀態(tài) 1。

此時(shí)觸頭處于正常閉合狀態(tài)，動(dòng)靜觸頭結(jié)合緊密，可以看出，由于此時(shí)觸頭緊密閉合，即使電流增加到 1000A，也沒(méi)有明顯的振動(dòng)信號(hào)，存在的只是幅值微弱的電磁噪聲。

②狀態(tài) 2。

此時(shí)隔離開(kāi)關(guān)觸頭為中度接觸狀態(tài)，可以看出，此時(shí)隨著外加電流的增加，已經(jīng)出現(xiàn)了明顯的振動(dòng)信號(hào)，信號(hào)以 100Hz為主，同時(shí)伴隨有幅值較低的高頻分量。從時(shí)域波形上也可看出，當(dāng)電流為 1000A 時(shí)，時(shí)域波形呈現(xiàn)三角波形式，幅值明顯。不同電流下的振動(dòng)檢測(cè)信號(hào)最大值如圖3所示。

③狀態(tài) 3。

狀態(tài) 3 為動(dòng)靜觸頭微微接觸狀態(tài)，此時(shí)可以流過(guò)電流。此時(shí)隨著外加電壓的增加，振動(dòng)信號(hào)幅值越來(lái)越大，且高頻分量較為明顯，特別是3 倍頻分量，除了基頻的 100Hz 分量，在 300Hz，600Hz 出現(xiàn)了較為明顯的信號(hào)。這也是此類(lèi)故障的一個(gè)較為明顯的特征。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)可以看出，對(duì)于單相GIS，當(dāng)觸頭接觸良好時(shí)，不存在振動(dòng)信號(hào)，這也和之前的分析是一致的，但一旦存在觸頭接觸故障，由于電流線的收縮，會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)力，進(jìn)而產(chǎn)生振動(dòng)信號(hào)，特別是當(dāng)流過(guò)觸頭的電流較大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致振動(dòng)信號(hào)迅速增加。觸頭接觸不良時(shí)，振動(dòng)信號(hào)存在以100Hz 為基頻的信號(hào)，且觸頭接觸不良故障更嚴(yán)重時(shí)，會(huì)產(chǎn)生 3 倍頻分量，即會(huì)產(chǎn)生300Hz，600Hz 分量，這也是此類(lèi)故障的較為典型的特征。

3 ?結(jié)論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)仿真，對(duì) GIS 兩種典型機(jī)械故障振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域波形和頻域信號(hào)的結(jié)果進(jìn)行了分析，提取振動(dòng)信號(hào)的特征，進(jìn)而建立起 GIS 隔離開(kāi)關(guān)觸頭接觸不良與 GIS 設(shè)備接地螺栓松動(dòng)以及正常狀態(tài)下的知識(shí)庫(kù)：

3.1 隔離開(kāi)關(guān)觸頭接觸不良

振動(dòng)正常狀態(tài)下為沒(méi)有明顯振動(dòng)信號(hào)，振動(dòng)幅值十分微弱。故障處的振動(dòng)特征為：①觸頭輕度接觸不良時(shí)，隨著電流增加時(shí)域波形會(huì)有三角形波出現(xiàn)，振動(dòng)幅度明顯。②觸頭嚴(yán)重接觸不良時(shí)，會(huì)產(chǎn)生三倍頻分量，同時(shí)振動(dòng)信號(hào)幅值增加十分明顯。

3.2 接地螺絲松動(dòng)

振動(dòng)正常狀態(tài)下為豎直擺放的部分本身振動(dòng)信號(hào)較大，平放的部分本身振動(dòng)信號(hào)較小，螺絲處基本沒(méi)有頻域信號(hào)，波形十分穩(wěn)定。故障處的振動(dòng)特征為：①當(dāng)只有一個(gè)螺絲松動(dòng)時(shí)，螺絲松動(dòng)處出現(xiàn)100Hz的振動(dòng)信號(hào)，但幅值不大。②當(dāng)松動(dòng)螺絲較多時(shí)，則會(huì)導(dǎo)致較大的振動(dòng)信號(hào)波動(dòng)。

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