GIS機械故障振動檢測研究綜述

（1.國網固原供電公司，寧夏 固原 756000; 2.沈陽工程學院 電力學院，沈陽 110136）

摘 要：現階段我國經濟發展迅速，電網電壓等級不斷升高，氣體絕緣金屬全封閉組合電器設備（簡稱GIS）在電網領域應用越來越廣泛。而當GIS在機械運動中，由于內部某些缺陷導致GIS發生機械故障會對GIS設備造成巨大危害，對電網造成巨大損失，因此深度研究GIS的機械故障檢測是非常有必要的。本文主要從振動信號及機械故障類型的角度，對GIS設備的發展背景及特性進行了介紹，且列舉了現階段GIS設備故障研究的國內外現狀，闡述了GIS機械故障類型，展望了GIS機械故障檢測的發展趨勢，為后續深入研究打下基礎。

關鍵詞：GIS;機械故障;振動檢測

0 引言

現階段我國經濟快速發展，對電能的需求空前膨脹，電網的電壓等級不斷升高，氣體絕緣金屬全封閉開關（簡稱GIS）由于具有較高的運行可靠性已經越來越廣泛的采用。所謂GIS即是由斷路器、隔離開關、接地開關、互感器、避雷器、母線、連接件和出線終端等組成，這些設備或部件全部封閉在金屬接地的外殼中，在其內部充有一定壓力的SF6絕緣氣體，故也稱SF6全封閉組合電器[1-3]。是大概二十世紀60年代中期開始使用的新型電器。由于GIS設備運行安全、體積小，占用空間面積少、維修周期較長、維護方便、以及環境適應能力強等優點，廣泛應用在各個電壓等級，隨著我國特高壓工程的開展，GIS的電壓等級越來越高，其體積也越來越大，不僅是低壓或中壓電網，近年來也已經越來越廣泛地被應用在特高壓電網中。

隨著GIS運行時間越來越長，機械故障逐步出現，而早期GIS內部故障檢測的方法主要都是針對GIS的放電性故障檢測，在GIS實際運行中，除了放電性故障之外，機械性振動故障也是導致事故發生的主要原因之一。由于目前針對GIS異響機械振動故障信號特性檢測并沒有比較系統的研究，為了提高GIS設備運行的安全性、穩定性和可靠性，且盡可能的延長其檢修周期，對其內部機械故障振動信號及檢測的相關研究是非常有必要的。

1 國內外GIS機械故障振動檢測的研究現狀

從上世紀60年代GIS問世以來，GIS設備發展也十分迅速，國內外GIS的在線監測技術正在蓬勃發展，并對其機械故障在線監測和診斷也做了一定研究。

1.1 國外相關研究現狀及發展趨勢

國外方面，大多數GIS設備故障的分析研究都是圍繞局部放電性故障進行研究的。

1.1.1 國外GIS設備放電性故障研究現狀

國外對GIS設備放電性故障的研究已經相對成熟，比如瑞士Zurich大學的Neuhold開發出一種結合寬帶和窄帶的多通道、實時響應的GIS和變壓器局部放電測量系統。適宜于開發過程中的實驗室測試和GIS及變壓器的長期監測，裝置能初步實現對故障的監測、定位和識別。2001年日本名古屋大學的Hoshill0提出一種新的GIS局部放電引起的電磁場的監測技術一相位門極控制法[4-8]。日本大阪大學的Kawada于2000年提出一種用于寬帶電磁波（E.M）動態頻譜分析的小波方法。2002年日本Kawada又提出一種用于監測局部放電源的超寬頻帶UHF的無線電抗干擾系統（UwB.VURIS） [9-10]。英國Strathclyde大學和與NGC和Scottish Power ple聯合開發的一套GIS監測系統進行了介紹。為防止斷路器工作時產生快速暫態過電壓（VFTO），對監測系統應采取相應的保護，在耦合器輸出處和在GIS信號調節處安裝鉗位二極管。該系統采取3種工作模式：在線、事故和歷史模式，便于日常的監測和出現事故之后的情況分析[11-14]。

1.1.2 國外GIS機械故障研究現狀

如上所示，國外研究以GIS放電性故障的研究居多，而國外關于GIS機械振動故障的研究則起源于上世紀90年代，國外有研究者通過檢測GIS的振動信號進行其觸頭接觸不良缺陷的檢測[15]，他們采用放置在觸頭外殼附近的振動加速度信號傳感器進行振動信號的傳感，研究了電流大小、電壓高低對振動信號時域及頻域波形的影響，認為在金屬殼體上測量振動來進行觸頭異常情況的檢測是可行的[16-17]。

1.2 國內相關研究現狀及發展趨勢

1.2.1 國內GIS設備放電性故障研究現狀

目前，國內對GIS也是放電性研究居多，清華大學1995—1997年相繼研制和開發出基于UHF法的便攜式局部放電檢測儀和330KV GIS和變壓器局部放電在線檢測系統，均采用外部傳感器監測，具有較強的實用性，且便于放電源的定位[18]。但是該設備對于采集到信號的分析處理不夠完善，目前還在進一步的完善過程中。西安交通大學的電力設備電氣絕緣國家重點實驗室于1998年研制一種超寬頻帶局部放電傳感器，并經網絡分析儀（HP8720C，掃頻帶寬20GHz）對其頻率響應特性進行測量證實效果較好[19]。

1.2.2 國內GIS設備機械故障研究現狀

目前GIS機械故障都沒有系統、詳細的研究結果及檢測裝置在現場應用。中國電科院高壓所的郭碧紅在上世紀80年代通過研究GIS外殼典型振動信號的頻率特性來檢測內部潛伏性故障，研究了GIS內自由導電粒子在電場中運動所引起的振動、固定雜質引起的局部放電導致的振動等，也主要針對的是放電性故障所引起的振動[20-21]。清華大學的錢家驪在上世紀90年代初研究了GIS的殼體振動現象及其檢測，她主要研究的也是放電性故障所產生的振動信號，其傳感器接近超聲級別，本質上來說是超聲波檢測[22-24]。

由以上國內外現狀可以看出，早期針對GIS振動信號的研究，集中在對其放電性故障的研究上，機械故障的檢測相關研究還進行的不夠充分，特別是還未見有系統、詳細的研究結果報道，其研究還是停留在上世紀90年代初期的水平。

2 GIS設備的優越性

與傳統開放式配電裝置相比，GIS設備具有占地面積小，維護方便等優點，具體優勢如下：

GIS體積比較小，質量輕：GIS設備的外殼里面所用的是絕緣性能很高和滅弧性好的SF6氣體，使得所占體積大大縮小;安全可靠：正因為GIS內部的裝置都密閉在惰性SF6氣體中，該氣體具有高度絕緣性，且作為滅弧介質，降低了GIS觸電的危險，使得GIS安全可靠性提高，也減少了維修的要求;抗干擾能力強：由于密閉在金屬殼中，可以實現對外屏蔽;較長的維修周期：GIS設備內部構造合理，絕緣氣體安全穩定，因此GIS設備的使用壽命也比較長，使得維修工作大大減少，由于其體積比較小，維修也十分方便。

由于以上突出的特點，GIS倍受用戶歡迎，發展非常迅速，隨著GIS的優越性越來越為人所熟知，其應用的深度與廣度也不斷擴大，從而GIS機械故障異響振動的問題逐漸暴露，從而對GIS機械故障振動的研究就顯得尤為迫切。

3 GIS設備的機械故障

3.1 GIS主要機械故障類型

在GIS設備投入運行的第一年發生機械故障的幾率大概為常規設備故障率的20%-40%。GIS機械故障多發生在機構內的輔助開關，分合閘摯子，連桿軸鞘、接地隔離開關的轉動部分。包括開關柜拒合、機構內連導桿彎曲，咬合部分磨損、斷路器、負荷開關、隔離開關、接地開關等原件動、靜觸頭合閘偏移，引起接觸不良等等。據統計，最容易發生機械故障的元件則是盆式絕緣子及隔離開關。

除了絕緣子和隔離開關，高壓斷路器作為GIS最主要設備組成之一，其機械故障也不容忽視，常見高壓斷路器的機械故障有：內部的連接螺栓松動、連桿或者鐵芯由于生銹等原因比較卡澀、彈簧變形嚴重等;或者電磁操動機構托架位置不當、機械卡澀、止釘位置過高或過低和鐵芯頂桿長度太長或脫落等故障。而且某些分合閘鐵心松動，部件變形及軸鞘松動失靈等。在電氣控制及輔助回路上表現為二次接線接觸不良、端子松動、輔助開關切換不靈、操作電源故障等 。由此也可以看出對于不同類型的操動機構其故障的具體表現形式不一樣， 因此不同振動信號的GIS設備所對應的故障類型也大不相同[25-27]。

3.2 GIS機械故障振動信號檢測

針對GIS的放電性故障檢測，主要有電氣法、聲測法、化學分析法及光測法等。電氣法有在出廠試驗中采用較多的是脈沖電流法，在線監測中應用較廣的是特高頻檢測方法;聲測法則主要采用超聲波檢測法;化學分析法則是分析由于放電所引起的氣體分解成份的變化;此外還有用埋入設備內部的光傳感器檢測由于電弧產生的光強度的光測法等。目前特高頻檢測法及超聲波檢測法在現場應用較多;化學分析法目前也得到了重視，受到了很多研究機構的研究;而光測法則還處于實驗室研究階段。

以上方法雖然得到了現場工作者的認可和使用，但其都只能檢測如局部放電等放電性故障，其檢測的都是發生放電時所產生的物理量。在GIS的實際運行中，除了放電性故障之外，機械性故障也是導致事故發生的一大主要原因。所謂的機械故障是當指當GIS內存在一定的缺陷時，如開關觸點異常、外殼接觸不平衡、導桿稍彎曲等，此時不會發生放電性故障，但由于開關操作的機械力、導體中交流電流產生的交變電動力、互感器鐵芯產生的電磁力等會導致的GIS產生機械性運動，由于機械缺陷的存在，其在正常振動之外會產生異常振動信號。GIS的異常振動對GIS設備危害極大，可能會導致螺栓松動，導致氣體泄漏，壓力下降，會造成絕緣事故;對絕緣子形成損壞及影響外殼接地的牢固性。因此，加強對GIS機械性故障的檢測，是保證GIS安全運行的重要手段。目前電網中多個GIS變電站均發現明顯的振動信號，但由于缺乏相應的檢測裝置，導致無法判斷此振動信號是正常振動還是由于機械缺陷造成的異常振動。

4 結語

本文通過對GIS機械故障發展現狀的研究，對振動信號特征提取的方法的了解，以及GIS機械故障振動檢測的分析，為GIS機械故障振動檢測研究奠定了一定基礎。雖然GIS設備的故障率低，但是機械故障發生后維修時間和范圍都比常規設備要大，造成經濟損失也很大，因此在電網建設中，尤其在特高壓電網建設中，需要及時發現GIS機械故障，隨著GIS設備的機械故障檢測系統的研究以及應用范圍的擴展，對于常見機械故障的排除和預防工作也會日見成效。

參考文獻：

[1]孫華.110kV氣體絕緣金屬封閉開關設備在運行中出現故障的原因及防范措施[J].科技與創新，2014（21）：38-40.

[2]叢浩熹，李慶民，齊波，李成榕，劉有為，肖燕.有屏蔽罩結構的GIS觸頭溫度紅外在線監測技術[J].電力自動化設備，2014，34（09）：148-153.

[3]吳迪，陳仁剛，崔勇，劉況.一起500kVGIS異響缺陷的檢測分析與處理[J].2014，（11）：43-54.

[4]叢浩熹，李慶民，齊波，李成榕，劉有為，肖燕.基于紅外傳感的GIS隔離開關觸頭溫度在線監測技術研究[J].2014，34（03）：144-148.

[5]連杰，李鈞.363kVGIS斷路器振動引起螺栓松動問題分析[J].西北水電，2013（02）：62-64.

[6]王俊波，王巖，李國偉，羅榮波，陳斯翔.一起GIS觸頭接觸不良導致的接地事故分析 [J].電工材料，2013（04）：43-45.

[7]常廣，王毅，王瑋.采用振動信號零相位濾波時頻熵的高壓斷路器機械故障診斷[J].2013，33（03）：155-162.

[8]J.Z.Su， Z.H. Xu， Over voltage Signal Test and Analysis Based on The Failure Mechanism Analysis Platform[A]. Proceedings of the 5th International Conference on Reliability of Electrical Products and Electrical Contacts[C]. 2014.

[9]CHARBKEAW N，S UWANASRI T，BUNYAGUL T.Mechanical defect detection of SF6 high voltage circuitbreaker using wavelet based vibration signal analysis. 5th International Conference on Electrical Engineering/Electronics，Computer ，Telecommunications and InformationTechnology .2008.

[10]WU Zhao-hua，HUANG Norden E.Ensemble empirical modedecomposition：a noise-assisted data analysis method. 2009.

[11]Research on UHV GIS/HGIS Vibration Detection and Diagnosis Method [J]L. CHENG - Electric Power Construction， 2009.

[12]N. Xin， L.Y.Tian， Liyan，HU Xiaoguang. Electrical Equip-ment Fault Diagnosis System Based on the Decompositon Prod-ucts of SF6. 2009 IEEE International Conference on Con-trol and Automation.2009.

[13]YAO Weijian，TANG Yang，LI Li，et al.Analysis of SF6Decomposition Products by Insulator Flashover to Detect theInsulator Condition. 2011 International Conference onConsumer Electronics，Communications and Networks（CEC-Net） . 2011.

[14] Ono M，Matsuyama Y，Otaka N， et al.Experience of GIS condition diagnosis using partial discharge monitoring by UHF method. Proceeding of 2008 International Conference on Condition Monitoring and Diagnosis.2008.

[15]鄭曉光，陳俊，王宇，姚唯健，李麗，周文俊.基于SF6成分分析的氣體絕緣金屬封閉開關設備潛伏性缺陷判斷的研究及應用[J].廣東電力，2012，25（01）：30-35.

[16]LANDRY M，LEONARD F，LANDRY C，et a1.An improVedVibration analysis algorithm as a diagnostic tool fordetecting mechanical anomalies on power circuit breakers[J].IEEE 1’ralls.on Power DeliVery，2008，23（4）：1986-1994.

[17]FANGShuhua LINHeyun HOSL etal. Contact parameter computation and analysis of air circuit breaker with permanent magne tactuator J .Journal of Electrical Engineering and Technology 2013，8（03）：595-602.

[18]YAOLiangzhong LINaihu KOUHao etal.Reliability tests of Awireless system of monitoring and controlling for high voltage Switch cabinets C POWERCON2010. S.l.2010（01）：5.

[19]王俊波，苗銀銀，羅容波，王巖，李國偉，李雷.GIS觸頭接觸狀況檢測現狀分析[J].高壓電器，2013（12）：137-144.

[20]李華斌.GIS電壓互感器振動的在線檢測與診斷[J].機電工程技術，2012，41（07）：247-249.

[21]張國棟，牛國平，宋建成.高壓斷路器振動信號在線監測系統的研究[J].山西電力，2012（03）：50-54.

[22]吳如祥.一起GIS避雷器耐壓試驗不合格原因的分析[J].電氣技術，2012（10）：67-69.

[23]P.Ding，Z. H.Yan， et al. The study of vibration diagnosis method for GIS. 2013[C]. International Conference on Sustainable Energy and Environmental Engineering.

[24]謝汝添.氣體絕緣金屬封閉開關設備設計原理及故障研究[J].設備管理與改造，2012（15）：56-88.

[25]常廣，張振乾，王毅.高壓斷路器機械故障振動診斷綜述[J].高壓電器，2011，47（08）：85-90.

[26]吳盛剛，張建新，趙建沛，王鵬飛，周躍剛.高壓斷路器觸頭間介質恢復強度特性測試方法及試驗線路研究.輸變電年會2013論文集[C].2013.

[27]賓嘯.氣體絕緣金屬封閉開關（GIS）設備解體檢修技術[J].科技向導，2011（35）：370-420.

作者簡介：楊哲（1980- ），男，本科，工程師，主要從事電氣設備運維管理。