GIS機械故障振動檢測技術研究

王超

摘要：GIS在現代電力工業領域有著廣泛的應用，隨著GIS投入數量的不斷增加，其機械故障發生率也越來越高。基于電力工業安全生產的要求，加強GIS機械故障振動檢測技術研究成為規避機械性故障、規避安全事故的重要手段之一。本文結合多年工作實踐，立足于GIS常見機械故障作為切入點，闡述GIS機械故障振動檢測技術，最后提出提升GIS機械故障振動檢測技術的對策。

關鍵詞：GIS 機械故障;振動檢測技術

0 ?引言

隨著我國工業經濟的快速發展，GIS（Gas-Insulated Switchgear，氣體絕緣金屬全封閉開關設備）基于體積小、檢修周期長以及易于維護的特點而廣泛的應用在電力領域。然而由于其在具體的運用過程中受到電動力的作用也能會出現機械故障，進而產生振動現象。由于GIS屬于全封閉結構，因此一旦出現振動故障需要借助相應的診斷技術手段，以此本文立足于多年實踐工作經驗，闡述GIS機械故障振動檢測技術。

1 ?GIS常見機械故障振動

GIS機械故障振動顧名思義就是由于設備內部存在某些缺陷而發生的異響，GIS 的異響振動會對 GIS 設備本身具有很大危害，長時間異響振動有可能會導致 GIS 內部螺栓松動，造成氣體外漏，內部氣壓降低，發生絕緣事故，同時損壞絕緣子和絕緣柱，影響外殼接地點的牢固性。GIS斷路器、隔離開關、接地開關、電壓互感器、電流互感器、避雷器、母線和套管八個電氣元件構成。

結合相關實踐調查，GIS常見機械故障振動主要包括以下種類：

①電磁力引起的振動。GIS設備在運行的過程中必然會因為受到電力等因素的影響而出現振動，例如在高壓設備中一般斷路器端口會配置并聯電容器，這樣可以改善電壓分布，當電源電壓足夠時，電壓互感器鐵心出現飽和時的等值電感減小到ωL=1ωc時，母線上的電磁式電壓互感器可能會產生持續的低頻電壓，這種現象稱為鐵磁諧振。當有諧振發生的時候，鐵心磁密與勵磁電流都遠遠超過正常值，過勵磁就會導致電壓互感器產生異響，GIS 外殼就會隨之振動，此時由于勵磁電流過大，線圈過熱，造成短路。過激磁會發出異常嗡嗡聲，聲音很大。

②GIS觸頭接觸不良引起的振動。例如在安裝GIS時由于沒有安裝到位或者點接觸部門零件損壞等都會造成設備出現故障進而引起振動。

③開關操作引起的振動。GIS設備的開關操作相對比較頻繁，而在開關閉合的循環過程中，由于GIS設備屬于瞬動式的機械設備，因此其內部就會出現高速運動、高速碰擊等振動。

實踐證明GIS機械故障振動會產生巨大的危害：產生懸浮電位放電、破壞密封、機械強度下降以及易于損害盆式絕緣子等固體絕緣。

2 ?GIS機械故障振動檢測技術

GIS 的監測技術大致經歷了周期性在線監測和長期在線監測的發展過程。所謂設備在線監測，就是說通過不間斷的監測運行設備的實時狀態，將采集到的信號量進行處理比較，提取需要的信息，通過對信號識別來判斷設備的狀態、設備故障和異常部位、原因和程度、預測設備故障或異常可能發生的速度和后果，定出維修計劃和項目。GIS在線監測的目的是通過監測GIS 本體運行狀態以及輔助設備和控制功能的狀態，提升狀態檢修效率，降低電力設備運行故障率，提高設備的使用壽命以及設備運行的經濟效益。

以GIS機械觸頭接觸不良導致的振動為例進行分析：

2.1 試驗設備及接線

利用一臺 252kV 帶有隔離開關的 GIS 進行機械故障振動檢測仿真實驗。實驗中電流源采用 FCG-3000/5 數字式大電流發生器，該發生器采用數控技術，抗干擾能力強，采用低功耗、大容量的自耦線圈和高導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來用。該發生器最高輸出電流可達 3000A。本次試驗需加壓到 1000A 左右。試驗電壓可調，面板自帶數顯電流表。試驗接線圖如圖1所示。

試驗中，通過手動調節裝置將隔離開關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。微微接觸狀態為拉開一點即電流施加不上，中度接觸為動觸頭行至緊密接觸一般時的狀態，緊密接觸為隔離開關觸頭正常閉合狀態。對不同隔離開關觸頭狀態下進行大電流試驗，252kVGIS 的兩個套管分別為電流的進線與出線，由于通過電流過大（幾百至上千安培），所以需要注意導線的同流能力。隔離開關采用直線型，結構圖如圖2。

本實驗采用 FCG-3000/5 數字式大電流發生器自帶的軟粗導線與電纜串聯的方法將大電流發生器的電流引至套管進線端。本實驗測試 GIS 的一相振動情況。考慮到電纜的同流能力，采用電纜的三相并聯的方式連接。由于軟粗導線與電纜之間難以鏈接，且有通流能力方面的考慮，用銅質寬連接線進行二者之間的相互連接。

2.2 試驗結果分析

對隔離開關不同觸頭狀態下進行大電流試驗，并進行振動測試。試驗中從 0 開始進行電流的增加，步長為 50A，最大電流施加到 1000A。記錄不同電流下的振動信號。

①狀態 1。

此時觸頭處于正常閉合狀態，動靜觸頭結合緊密，可以看出，由于此時觸頭緊密閉合，即使電流增加到 1000A，也沒有明顯的振動信號，存在的只是幅值微弱的電磁噪聲。

②狀態 2。

此時隔離開關觸頭為中度接觸狀態，可以看出，此時隨著外加電流的增加，已經出現了明顯的振動信號，信號以 100Hz為主，同時伴隨有幅值較低的高頻分量。從時域波形上也可看出，當電流為 1000A 時，時域波形呈現三角波形式，幅值明顯。不同電流下的振動檢測信號最大值如圖3所示。

③狀態 3。

狀態 3 為動靜觸頭微微接觸狀態，此時可以流過電流。此時隨著外加電壓的增加，振動信號幅值越來越大，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 出現了較為明顯的信號。這也是此類故障的一個較為明顯的特征。

根據實驗室試驗可以看出，對于單相GIS，當觸頭接觸良好時，不存在振動信號，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，會產生電動力，進而產生振動信號，特別是當流過觸頭的電流較大時，會導致振動信號迅速增加。觸頭接觸不良時，振動信號存在以100Hz 為基頻的信號，且觸頭接觸不良故障更嚴重時，會產生 3 倍頻分量，即會產生300Hz，600Hz 分量，這也是此類故障的較為典型的特征。

3 ?結論

通過實驗仿真，對 GIS 兩種典型機械故障振動信號的時域波形和頻域信號的結果進行了分析，提取振動信號的特征，進而建立起 GIS 隔離開關觸頭接觸不良與 GIS 設備接地螺栓松動以及正常狀態下的知識庫：

3.1 隔離開關觸頭接觸不良

振動正常狀態下為沒有明顯振動信號，振動幅值十分微弱。故障處的振動特征為：①觸頭輕度接觸不良時，隨著電流增加時域波形會有三角形波出現，振動幅度明顯。②觸頭嚴重接觸不良時，會產生三倍頻分量，同時振動信號幅值增加十分明顯。

3.2 接地螺絲松動

振動正常狀態下為豎直擺放的部分本身振動信號較大，平放的部分本身振動信號較小，螺絲處基本沒有頻域信號，波形十分穩定。故障處的振動特征為：①當只有一個螺絲松動時，螺絲松動處出現100Hz的振動信號，但幅值不大。②當松動螺絲較多時，則會導致較大的振動信號波動。

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