GIS异响的振动信号特性及检测方法研究

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(国网安徽省电力公司,安徽 合肥 230061)

GIS异响的振动信号特性及检测方法研究

张炜，李玉龙，杨劲松，林屹炀，王媛玥，吴德花

(国网安徽省电力公司,安徽 合肥 230061)

本文针对GIS机械性故障，研究异响导致的GIS壳体振动信号特性，并在此基础上进行机械性故障检测方法的研究，进而研制出适合现场带电检测的检测装置，为GIS机械性故障的检测和诊断提供有效的工具。分析了GIS运行中的正常和异响振动信号的产生机理，频率范围、传播特性等数据，并根据不同类型故障的产生原因和特征表现，为现场检测提供检测和判断依据。通过研制GIS异响振动带电检测系统和现场测试GIS异响振动特性，可观察出GIS振动信号特征及明确正常运行GIS的振动特性和异响类型的GIS的振动特性之间侧差异，明确故障GIS振动信号的频谱分布规律和特点。

振动信号；异响；检测方法

1 引言

随着我国经济的快速发展，对电能的需求空前膨胀，电网的电压等级不断升高，气体绝缘金属全封闭开关(简称GIS)由于具有较高的运行可靠性而被广泛的采用。为了保证气体绝缘组合电器安全运行，尽可能延长检修周期，研究预测内部潜伏性故障的方法是很有必要的。本文针对GIS机械性故障，研究异响导致的GIS壳体振动信号特性，并在此基础上进行机械性故障检测方法的研究，进而研制出适合现场带电检测的检测装置，为GIS机械性故障的检测和诊断提供有效的工具。

2 GIS异响的振动信号分析

对于三相分体式GIS，可将母线等效为圆导体。对于长度为l的两根平行圆导体，分别通过电流i1和i2，并且i1=i2，两导体的中心距离为a,直径为d，当导体的截面或直径d比a小得很多以及a比导体长度l小得很多时，可以认为导体中的电流i1和i2集中在各自的几何轴线上流过，计算两导体间的电动力可以根据比奥—沙瓦定律。计算导体2所受的电动力时，可以认为导体2处在导体1所产生的磁场里，其磁感应强度用B1表示，B1的方向与导体2垂直，其大小为:

(1)

式中,H1—导体1中的电流i1所产生的磁场在导体2处的磁场强度；

μ0—空气的倒磁系数。

则导体2全长l上所受的电动力为:

(2)

同样，计算导体1所受的电动力时，可认为导体1处在导体2所产生的磁场里，显然，导体1所受到的电动力与导体2相等。

由公式可知，两平行圆导体间的电动力大小与两导体通过的电流和导体长度成正比，与导体间中心距离成反比，当两根导体流过电流同方向时，电动力表现为引力，当两个导体方向相反时，电动力表现为斥力。对于三相分体的GIS，当导体中流过电流时，由于外壳接地，不存在电流，因此导体只存在于自身的磁场中，不会受力，因此单根导体不受电动力的影响。但对于GIS而言，隔离开关及断路器等设备均通过触头与导杆相连，尽管触头的接触面看起来很平坦光滑，但它们实际上仅在一些接触斑点上互相接触。当电流流过触头时，由于电流线在接触面附近发生收缩，因而在触头间会出现电动力，这是一种电流自身磁场作用下的电动力，其相当于变截面载流导体收到的电动力。触头间的电动力为：

(3)

式中,D—触头接触面的直径；

a—触头接触斑点的半径；

F—触头间电动力；

Fj—作用在触头上的初压力；

ζ—材料变形系数，在0.3～1之间；

Hb—透出材料的布式硬度；

μ0—真空磁导率。

可以看出，触头间的电动力是流过电流的平方，与电流的方向无关。流通在回路中的电流也会产生电动力，电动力的计算是一个复杂的过程，其大小同样与电流的平方成正比，但也与触头的结构与形状密切相关。由于触头结构的复杂性及不规则性，不能简单地把它近似成平行导体之间的作用力。

以a相导体为例计算其受到的安培力的大小。三相导体的横截面如图1所示，图中a，b，c三点分别为a，b，c三相导体的中心。设b，c两相电流在相导线处产生的磁感应强度大小分别为Bba,Bca，a与b，b与c，a与c两相导体之间距离分别为lba,lbc,lac。

图1 三相导体示意图

则根据图1可得：

(4)

设Bba,Bca之间的夹角为θ，二者在导线a处产生的合磁场为Ba合，ac与ab的夹角为γ，则有

(5)

在一个电流周期内，a点的合磁场大小的表达式为(5)，则a相导体的受力表达式为：

(6)

在GIS的实际运行中，三相导体往往排列成等边三角形，此时设lba=lbc=lac=d，代入式(6)可得：

(7)

则单位长度导体受力为：

(8)

3 试验检测

采用本设备对宁夏某110kV变电站GIS设备进行了现场检测。当振动加速度传感器放置在1112处刀闸时(即怀疑有问题的刀闸)，测量结果如图2所示。

图2 1112刀闸处检测结果

此处的检测的最大值为0.3V，100Hz分量为0.17V。作为对比，检测了1111刀闸相同位置的振动信号，结果如图3所示。

图3 1111刀闸处振动信号

可以看出，此处的振动信号要明显小于1112处，其最大幅值为0.22V，100Hz信号分量为0.08V，远小于1112处。

与刀闸相连的CT气室检测结果如图4～5所示。

可以看出，1111 CT气室处的振动信号幅值最大为0.14V，100Hz分量为0.05V，而1112 CT气室的振动信号最大为0.3V，100Hz分量为0.19，同样远大于1111CT气室。即在1112处测量得到的振动信号幅值均大于1111处测量得到的振动信号幅值。振动检测后发现该处GIS固定位置螺丝有松动现象，但由于时间缘故，未进行螺丝固定后的检测。

在GIS的运行过程中，导杆在电流的作用下会受到电动力的作用，此时如果固定不良或者存在紧固不牢固，会产生100Hz的振动信号，这个也是导杆电动力引起的典型振动信号频谱。当存在触头接触不良时，振动信号会出现明显的高频分量。从检测结果来看，未出现明显的高频分量，因此认为不是触头接触不良所引起的信号。从检测结果来看是典型的100Hz分量为主的振动信号，因此认为是由于电动力所引起的机械振动，此时可能的原因有：(1)GIS地基处固定不牢固，表现为固定螺丝松动；(2)绝缘子处固定不牢固，表现为固定螺丝松动。从此处的检测结果来看，主要是由于地基处固定不牢固所导致的。但由于机械振动主要由电动力引起，这与流过导体的电流有很大关系，因此负荷也是影响GIS机械振动的关键因素，此时检测时负荷相比之前有所降低，这也会导致振动信号幅值降低。

4 结论

为了实现通过GIS外壳振动信号的测量进行GIS机械性故障的检测和诊断，得到如下结论：针对GIS由于机械原因导致的持续振动，提出采用加速度传感器可进行有效检测，并针对GIS振动的来源及检测方法的实现进行了大量研究；针对机械性故障的检测，本理论分析了GIS单根导体和三相共体结构下的受力情况，并对不同尺寸GIS的共振频率进行了计算；针对GIS振动信号的现场带电检测，并对触头不同接触情况进行了振动测试，结果表明当存在接触不良时，会产生明显的振动信号，振动频率基频为100Hz，当接触不良故障严重时，会出现明显的300Hz和600Hz信号。

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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