GIS机械故障振动检测技术研究

王超

摘要：GIS在现代电力工业领域有着广泛的应用，随着GIS投入数量的不断增加，其机械故障发生率也越来越高。基于电力工业安全生产的要求，加强GIS机械故障振动检测技术研究成为规避机械性故障、规避安全事故的重要手段之一。本文结合多年工作实践，立足于GIS常见机械故障作为切入点，阐述GIS机械故障振动检测技术，最后提出提升GIS机械故障振动检测技术的对策。

关键词：GIS 机械故障;振动检测技术

0  引言

随着我国工业经济的快速发展，GIS（Gas-Insulated Switchgear，气体绝缘金属全封闭开关设备）基于体积小、检修周期长以及易于维护的特点而广泛的应用在电力领域。然而由于其在具体的运用过程中受到电动力的作用也能会出现机械故障，进而产生振动现象。由于GIS属于全封闭结构，因此一旦出现振动故障需要借助相应的诊断技术手段，以此本文立足于多年实践工作经验，阐述GIS机械故障振动检测技术。

1  GIS常见机械故障振动

GIS机械故障振动顾名思义就是由于设备内部存在某些缺陷而发生的异响，GIS 的异响振动会对 GIS 设备本身具有很大危害，长时间异响振动有可能会导致 GIS 内部螺栓松动，造成氣体外漏，内部气压降低，发生绝缘事故，同时损坏绝缘子和绝缘柱，影响外壳接地点的牢固性。GIS断路器、隔离开关、接地开关、电压互感器、电流互感器、避雷器、母线和套管八个电气元件构成。

结合相关实践调查，GIS常见机械故障振动主要包括以下种类：

①电磁力引起的振动。GIS设备在运行的过程中必然会因为受到电力等因素的影响而出现振动，例如在高压设备中一般断路器端口会配置并联电容器，这样可以改善电压分布，当电源电压足够时，电压互感器铁心出现饱和时的等值电感减小到ωL=1ωc时，母线上的电磁式电压互感器可能会产生持续的低频电压，这种现象称为铁磁谐振。当有谐振发生的时候，铁心磁密与励磁电流都远远超过正常值，过励磁就会导致电压互感器产生异响，GIS 外壳就会随之振动，此时由于励磁电流过大，线圈过热，造成短路。过激磁会发出异常嗡嗡声，声音很大。

②GIS触头接触不良引起的振动。例如在安装GIS时由于没有安装到位或者点接触部门零件损坏等都会造成设备出现故障进而引起振动。

③开关操作引起的振动。GIS设备的开关操作相对比较频繁，而在开关闭合的循环过程中，由于GIS设备属于瞬动式的机械设备，因此其内部就会出现高速运动、高速碰击等振动。

实践证明GIS机械故障振动会产生巨大的危害：产生悬浮电位放电、破坏密封、机械强度下降以及易于损害盆式绝缘子等固体绝缘。

2  GIS机械故障振动检测技术

GIS 的监测技术大致经历了周期性在线监测和长期在线监测的发展过程。所谓设备在线监测，就是说通过不间断的监测运行设备的实时状态，将采集到的信号量进行处理比较，提取需要的信息，通过对信号识别来判断设备的状态、设备故障和异常部位、原因和程度、预测设备故障或异常可能发生的速度和后果，定出维修计划和项目。GIS在线监测的目的是通过监测GIS 本体运行状态以及辅助设备和控制功能的状态，提升状态检修效率，降低电力设备运行故障率，提高设备的使用寿命以及设备运行的经济效益。

以GIS机械触头接触不良导致的振动为例进行分析：

2.1 试验设备及接线

利用一台 252kV 带有隔离开关的 GIS 进行机械故障振动检测仿真实验。实验中电流源采用 FCG-3000/5 数字式大电流发生器，该发生器采用数控技术，抗干扰能力强，采用低功耗、大容量的自耦线圈和高导磁率铁芯制作的变流器，其基本原理与电流互感器相似，仅仅是将电流互感器的线圈反过来用。该发生器最高输出电流可达 3000A。本次试验需加压到 1000A 左右。试验电压可调，面板自带数显电流表。试验接线图如图1所示。

试验中，通过手动调节装置将隔离开关触头从微微接触到紧密接触之间的距离分成3 部分，即微微接触、中度接触和紧密接触。微微接触状态为拉开一点即电流施加不上，中度接触为动触头行至紧密接触一般时的状态，紧密接触为隔离开关触头正常闭合状态。对不同隔离开关触头状态下进行大电流试验，252kVGIS 的两个套管分别为电流的进线与出线，由于通过电流过大（几百至上千安培），所以需要注意导线的同流能力。隔离开关采用直线型，结构图如图2。

本实验采用 FCG-3000/5 数字式大电流发生器自带的软粗导线与电缆串联的方法将大电流发生器的电流引至套管进线端。本实验测试 GIS 的一相振动情况。考虑到电缆的同流能力，采用电缆的三相并联的方式连接。由于软粗导线与电缆之间难以链接，且有通流能力方面的考虑，用铜质宽连接线进行二者之间的相互连接。

2.2 试验结果分析

对隔离开关不同触头状态下进行大电流试验，并进行振动测试。试验中从 0 开始进行电流的增加，步长为 50A，最大电流施加到 1000A。记录不同电流下的振动信号。

①状态 1。

此时触头处于正常闭合状态，动静触头结合紧密，可以看出，由于此时触头紧密闭合，即使电流增加到 1000A，也没有明显的振动信号，存在的只是幅值微弱的电磁噪声。

②状态 2。

此时隔离开关触头为中度接触状态，可以看出，此时随着外加电流的增加，已经出现了明显的振动信号，信号以 100Hz为主，同时伴随有幅值较低的高频分量。从时域波形上也可看出，当电流为 1000A 时，时域波形呈现三角波形式，幅值明显。不同电流下的振动检测信号最大值如图3所示。

③状态 3。

状态 3 为动静触头微微接触状态，此时可以流过电流。此时随着外加电压的增加，振动信号幅值越来越大，且高频分量较为明显，特别是3 倍频分量，除了基频的 100Hz 分量，在 300Hz，600Hz 出现了较为明显的信号。这也是此类故障的一个较为明显的特征。

根据实验室试验可以看出，对于单相GIS，当触头接触良好时，不存在振动信号，这也和之前的分析是一致的，但一旦存在触头接触故障，由于电流线的收缩，会产生电动力，进而产生振动信号，特别是当流过触头的电流较大时，会导致振动信号迅速增加。触头接触不良时，振动信号存在以100Hz 为基频的信号，且触头接触不良故障更严重时，会产生 3 倍频分量，即会产生300Hz，600Hz 分量，这也是此类故障的较为典型的特征。

3  结论

通过实验仿真，对 GIS 两种典型机械故障振动信号的时域波形和频域信号的结果进行了分析，提取振动信号的特征，进而建立起 GIS 隔离开关触头接触不良与 GIS 设备接地螺栓松动以及正常状态下的知识库：

3.1 隔离开关触头接触不良

振动正常状态下为没有明显振动信号，振动幅值十分微弱。故障处的振动特征为：①触头轻度接触不良时，随着电流增加时域波形会有三角形波出现，振动幅度明显。②触头严重接触不良时，会产生三倍频分量，同时振动信号幅值增加十分明显。

3.2 接地螺丝松动

振动正常状态下为竖直摆放的部分本身振动信号较大，平放的部分本身振动信号较小，螺丝处基本没有频域信号，波形十分稳定。故障处的振动特征为：①当只有一个螺丝松动时，螺丝松动处出现100Hz的振动信号，但幅值不大。②当松动螺丝较多时，则会导致较大的振动信号波动。

参考文献：

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