GIS設備異響振動信號特性及檢測系統研究

楊哲+邢敬+高陽+陳彪

摘 要：機械故障已經成為GIS設備的常見故障之一，目前針對GIS的故障研究大多數都是針對局部放電故障的研究，對GIS機械故障振動信號檢測研究比較匱乏，而現階段GIS設備的的異常機械振動在現場已經多次發生，因此本文介紹了GIS機械故障振動檢測系統研究的背景意義以及常見的機械故障類型，設計出GIS機械故障振動檢測系統裝置并對其進行GIS機械故障仿真實驗，得出GIS機械故障異響信號特征，該檢測系統的研究可為開關設備的故障檢測和診斷提供更為全面的補充。

關鍵詞：GIS;機械故障;振動信號;檢測系統

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.21.194

0 引言

氣體絕緣金屬封閉開關設備，自1968年問世以來，已經經歷了三十多年的發展。由于GIS具有諸多優點，得到了廣大用戶的歡迎，在水電站、城網變電站和核電站中的應用越來越多，在現代電力行業中的作用越來越明顯，發展尤為迅速。GIS設備的應用既延長了巡視和維護的周期，又大大提高了供電的可靠性，在各電壓等級電網中被廣泛應用[1]。

目前，GIS設備是一種應用廣泛且安全性較高的一種高壓配電裝置，由于使用地點的不同，GIS設備一般可分為室內室外兩種，室外GIS設備相對室內GIS設備只是加設了防塵和防雨的裝置，其他沒有區別，但由于GIS的運行周期比較長，因此在運行中的微小缺陷不容易被發現，如果不能及時采取有效的措施處理，將會引發大故障，造成較大的經濟損失。在變電站GIS實際現場中發生的事故來看，除了內部放電性故障之外，由于GIS機械故障引發的事故也不容小覷。但早期關于GIS內部故障所采用的檢測的方法主要是針對GIS內部的放電性故障檢測，比如聲測法、紅外檢測法，化學分析法及光學檢測法等。針對GIS異響機械振動故障信號特性檢測沒有充分的研究及實踐經驗，為了提高GIS設備運行的安全性和可靠性，保證GIS設備的安全穩定運行，盡可能的延長其使用壽命，所以提出對GIS內部機械故障振動信號檢測的相關研究的對維護GIS安全運行有重要意義。

1 GIS設備簡介

1.1 GIS設備定義

氣體絕緣家屬封閉開關設備（簡稱GIS）是20世紀60年代中期出現的一種新型電器裝置。它是將斷路器、隔離開關、接地開關、電流互感器、電壓互感器、母線等元件組合封閉在接地的金屬殼體內，充以一定壓力的SF6氣體作為絕緣介質和滅弧介質所組成的成套開關設備[2]。GIS設備自問世以來得到了很快的發展。但由于GIS設備運行時間不是很長，運行人員和檢修人員現場運行經驗還不多，對其內部結構了解也不是很全面，這就可能對設備故障判斷出現誤差，不能對故障進行正確處理，引起設備損壞發生。

1.2 GIS設備的優點和主要生產廠家

相對于傳統的敞開式配電裝置來說，GIS設備主要具有占地面積小 、設備運輸和維護都方便等特點，比如220kV的GIS設備，其占地面積不到常規設備面積的一半，而且往往隨著電壓等級升高，占地面積反而越小[3]。其次，GIS設備由金屬外殼包圍，主要帶電的元件都密閉在優良滅弧和絕緣性能強的六氟化硫氣體內，所以受外界影響非常小，而且可以防震。此外由于GIS設備選材優良、加工技術先進且精密，因此還具有維修周期長，電損耗較小，故障率低以及噪聲弱等優點。GIS設備需求量越來越大，國內外生產廠家也不斷增加，國內的生產廠家主要集中在沈陽、西安、上海和平頂山等地，而國外的生產廠家主要有西門子、東芝[4]。

2 GIS機械故障的類型

隨著GIS設備應用越來越廣泛，機械故障逐漸成為GIS設備的主要故障之一。現階段針對GIS振動狀態的檢測方法已經有了一定的研究，但并沒有系統的明確的GIS機械故障檢測工具，因此振動檢測的方法的實際應用還是有待于進一步研究與完善。

GIS機械振動形成原因有很多，比如物體受外力而振動，或者運行中GIS 的殼體所受激振力主要有開關操作的機械力， 導體中交流電流產生的交變電動力，互感器鐵芯的電磁力， 外界噪聲振動等，而當這些振動導致螺栓松動，外殼接觸不平衡等就形成了GIS機械振動故障。因此總體說，GIS常見的機械故障有有雜物引起外殼振動，電磁力、磁致伸縮引起的振動，開關操作引起的振動，由于GIS觸頭接觸過熱導致接觸不良引起的振動，內部元件接地引起的振動、外界噪聲引起的異響振動、由于倒閘操作事故引起的振動等故障[5]。

3 GIS振動故障檢測裝置設計

GIS振動檢測系統的整體結構圖如圖1所示。

系統由傳感器、信號處理單元、信號采集單元及上位機組成。

3.1 傳感器的選擇

由于GIS外殼的振動信號為電氣機械振動信號，頻寬基本為10～2000Hz，振幅在0.5～50之間。初步選擇三種傳感器，分別為位移傳感器、速度傳感器、加速度傳感器。振動傳感器是用檢測物體振動的，振動傳感器將振動轉化為電信號，一般適用于監測系統。加速度傳感器測量振動頻率較高，特別是超過1kHz振動頻率的，優勢比較高。與其他傳感器相比，加速度傳感器的靈敏度比較高。

由已知的GIS設備數據，可知速度傳感器頻率響應10Hz～1kHz，不符合頻寬，因此不適合GIS外殼振動的測量，而位移傳感器也不適合在電磁干擾比較強的環境下使用，因此綜合傳感器特點來看，加速度傳感器能滿足GIS外殼振動的要求。加速度傳感器從大類上可分為壓電式、應變式和伺服加速度傳感器。根據GIS設備的屬性， 壓電式加速度傳感器因具有足夠的頻寬，量程大、體積小、安裝諧振頻率比較高，且應用范圍廣以及易于安裝等優點，作為傳感器的最佳選擇。

3.2 信號處理及采集單元

信號處理單元主要是信號的濾波和放大，根據傳感器的測量頻率范圍，濾波器采用1-4kHz的低通濾波器，放大器采可進行160倍放大。采集單元采用一個采樣率為250kHz的AD進行采集，并通過USB模塊將數據送入上位機進行進一步的分析和處理。整個信號處理和采集單元密封在金屬外殼內防止現場的電磁干擾。

3.3 上位機軟件

上位機指的是人可以直接發出操控命令的計算機。一般是pc機。它安裝在主控室，可定時和下位機通訊、數據處理。存儲、查詢、曲線顯示、報警及報表打印;遠方計算機也可通過電話線或者網絡適配器，用網絡瀏覽方式瀏覽數據和進行數據通訊。

因此本系統運用上位機軟件，可將GIS機械故障振動檢測系統軟件根據功能劃分為如圖2所示的10個區域。

各個區域的名稱如下介紹： 1-波形顯示區域， 2-頻譜分析結果， 3-量程調節區域， 4-文件路徑顯示區域， 5-注釋顯示區域， 6-文件操作區域， 7-幅值顯示區域， 8-文件保存路徑區域， 9-累加幅值顯示區域， 10-Logo及連接示意圖區域。

4 實驗結果分析

為了驗證GIS機械故障振動檢測系統應用于GIS及機械故障檢測的魯棒性，利用實驗室的一臺330kV GIS進行試驗。應用GIS機械故障檢測系統檢測，進行了接地螺絲松動試驗，并測量了不同設備處的振動信號特征。試驗用330kV GIS及各個檢測點如圖3所示。

該設備為330kV GIS，采用升流器對其內部導桿進行大電流的施加，最大可施加3kA工頻電流。各個檢測點中4為CT，5為開關。當不對GIS施加電流時的檢測結果如圖4所示。GIS所顯示波形可以看做一條平穩的直線，幅值沒有大的波動。此時的背景噪聲最大幅值為0.09V。

其次首先對無螺絲松動點時各個部分進行檢測，施加電流為2kA。不同檢測點檢測到的波形如圖4所示。

可以看出，對于GIS，各個位置的檢測點其振動信號均不相同，檢測點3、5、6處信號最大，這三處剛好是豎直擺放的位置，而其他位置則為平放，此時的振動信號均較小。這也說明了對于GIS而言，直立部分的振動相比平放部分要大，而且直立部分的高度越高，其振動信號越強。不同檢測點的信號幅值曲線如圖5所示。endprint