GIS設(shè)備的機(jī)械故障原理

陳炫宏+高陽(yáng)+許傲然

摘 要：電氣設(shè)備在獨(dú)立運(yùn)作時(shí)要比組合情況下發(fā)生故障的概率要高，從而出現(xiàn)了由母線(xiàn)、電流互感器、電壓互感器、隔離開(kāi)關(guān)、斷路器、接地開(kāi)關(guān)和避雷器等構(gòu)成的GIS設(shè)備。隨著GIS的廣泛使用，對(duì)其故障研究也更深入，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，GIS故障主要有兩方面成因：第一方面，在制造GIS的過(guò)程中，如果有不規(guī)則的操作比如漏氣、漏油都會(huì)導(dǎo)致GIS的故障；另一方面，機(jī)械故障也是GIS故障的主要原因，即在密封的高壓環(huán)境下，組成器件的老化以及器件接觸不良所造成的故障。在此情況下，機(jī)械故障會(huì)造成氣體泄漏和絕緣故障等問(wèn)題，且GIS內(nèi)部存在斷路器和隔離開(kāi)關(guān)等開(kāi)關(guān)動(dòng)作的設(shè)備，所以操作機(jī)構(gòu)的可靠性對(duì)GIS設(shè)備可靠性至關(guān)重要，所以本文介紹了常見(jiàn)機(jī)械故障的工作原理以利于檢測(cè)，從而保證GIS設(shè)備的正常運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：GIS；機(jī)械故障；檢測(cè)；工作原理

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.19.145

1 引言

為了使GIS電氣設(shè)備高效率且安全可靠的運(yùn)行，本文通過(guò)對(duì)GIS機(jī)械故障進(jìn)行分類(lèi)，然后從三方面的機(jī)械故障進(jìn)行討論其工作原理，主要包括電磁力、電動(dòng)力和鐵磁諧振引起的振動(dòng)；開(kāi)關(guān)操作引起的振動(dòng)；斷路器機(jī)械故障引起的振動(dòng)。

2 電磁力、電動(dòng)力、鐵磁諧振引起的振動(dòng)

在GIS設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中由于電磁力和靜電力的作用會(huì)導(dǎo)致不同程度的震動(dòng)，同時(shí)也反映出不同程度的問(wèn)題，如果是細(xì)微振動(dòng)就是正常運(yùn)行現(xiàn)象，如果是異常振動(dòng)，就說(shuō)明有故障問(wèn)題需要檢測(cè)。

GIS勵(lì)磁振動(dòng)是機(jī)械振動(dòng)的一種，通常是由電磁場(chǎng)受力引起的內(nèi)部設(shè)備振動(dòng)或者金屬殼表面的振動(dòng)，勵(lì)磁的聲音通常為100HZ。振動(dòng)在外罩和門(mén)的部分傳播是最快的，當(dāng)勵(lì)磁的聲音與平時(shí)存在明顯差異時(shí)，第一步應(yīng)該檢測(cè)門(mén)和外罩部分的零件是否有松動(dòng)，通常螺栓的松動(dòng)會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)烈的共振，從而導(dǎo)致嚴(yán)重的危害。

如果是GIS內(nèi)部導(dǎo)致的機(jī)械振動(dòng)，就要考慮是否有電氣故障發(fā)生。GIS的內(nèi)部元件通常是根據(jù)磁通特性進(jìn)行工作的，主要包括：電壓互感器，電磁接觸器，電流互感器。在對(duì)其進(jìn)行故障檢測(cè)時(shí)可以通過(guò)勵(lì)磁聲音和加速度傳感器來(lái)判斷故障程度。

按照塞瓦定律，當(dāng)電流通過(guò)GIS主回路時(shí)，就會(huì)在周?chē)a(chǎn)生磁場(chǎng)，從而造成勵(lì)磁效應(yīng)，導(dǎo)致金屬殼內(nèi)的零件互相吸引，振動(dòng)頻率隨之升高。在電流通過(guò)正常三相并列的導(dǎo)體時(shí)，導(dǎo)體間就會(huì)產(chǎn)生力的作用。當(dāng)電壓加到內(nèi)部導(dǎo)體上時(shí)，金屬殼內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生由電場(chǎng)導(dǎo)致的場(chǎng)強(qiáng)，內(nèi)部帶電體就會(huì)受到靜電力的影響。

在高壓GIS設(shè)備中，并聯(lián)電容器通常會(huì)被安裝在斷路器端口，用于改善電壓分布，當(dāng)電源電壓充足時(shí)，電壓互感器和并聯(lián)電容器形成回路，電感隨著隨著電壓互感器的鐵心飽和而逐漸減少，減少到一定程度時(shí)，電磁式電壓互感器就會(huì)產(chǎn)生低頻電壓，此現(xiàn)象被稱(chēng)為鐵磁諧振。諧振的發(fā)生就會(huì)造成電壓互感器的異響，從而導(dǎo)致GIS外殼的振動(dòng)，勵(lì)磁電流的過(guò)大，線(xiàn)圈的發(fā)熱最終造成短路。而過(guò)激磁時(shí)，便會(huì)導(dǎo)致聲音過(guò)大的異響。

3 開(kāi)關(guān)操作引起的振動(dòng)

在GIS設(shè)備工作狀態(tài)下，其開(kāi)關(guān)操作時(shí)非常頻繁，主要指高壓斷路器的分合閘設(shè)備，它屬于瞬動(dòng)式的機(jī)械組件，它的開(kāi)關(guān)過(guò)程是把機(jī)械所提供的能量非常快速地通過(guò)各個(gè)部件完成能量的傳遞。在此程序中所發(fā)生的高速撞擊，運(yùn)動(dòng)和摩擦所形成的振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致很大程度的沖擊。當(dāng)內(nèi)部工作狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，內(nèi)部器件所受的力非常大，同時(shí)沖擊性強(qiáng)烈，時(shí)間極快，銜接部位的器件運(yùn)作速度也非常快，從而在制動(dòng)和緩沖過(guò)程中造成強(qiáng)烈的撞擊，同時(shí)此撞擊造成的振動(dòng)也有利于反映信息，利于檢測(cè)。所以，GIS內(nèi)部的分合閘操作是否有規(guī)律的運(yùn)作可以通過(guò)振動(dòng)所形成的波形清晰直觀的呈現(xiàn)。

動(dòng)靜觸頭系統(tǒng)是GIS內(nèi)部至關(guān)重要的連接裝置，在重復(fù)的工作過(guò)程中，其內(nèi)部器件通常按照啟動(dòng)，運(yùn)動(dòng)，制動(dòng)，產(chǎn)生碰撞的順序運(yùn)行，此運(yùn)行狀態(tài)可以通過(guò)傳感器檢測(cè)出振動(dòng)波形為衰減振動(dòng)波，呈現(xiàn)出一定的時(shí)序性，即反映出機(jī)械部件的工作狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)GIS設(shè)備的故障診斷和狀態(tài)檢測(cè)。

在機(jī)械故障中，一方面為斷路器分合閘，另一方面是隔離開(kāi)關(guān)的操作。舉例來(lái)講，在GIS事故中，隔離開(kāi)關(guān)的操動(dòng)機(jī)構(gòu)被換流站的工作人員卸下，經(jīng)手動(dòng)操作發(fā)現(xiàn)隔離開(kāi)關(guān)的輸出力矩錐形齒輪不轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)齒輪帶動(dòng)的軸傳出的隔離開(kāi)關(guān)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械位置指示和輔助接點(diǎn)信號(hào)顯示，機(jī)械位置指示和OWO上都顯示拉開(kāi)到位。但是事實(shí)上隔離開(kāi)關(guān)并不到位。

隔離開(kāi)關(guān)傳動(dòng)軸通過(guò)電子力矩扳手轉(zhuǎn)動(dòng)，其力矩在大氣壓下為6NM，與正常力矩相比存在較大差距。經(jīng)工作人員的拆卸檢查發(fā)現(xiàn)，連接部位的轉(zhuǎn)動(dòng)軸和連接器件受到一定程度地?fù)p壞，從而導(dǎo)致隔離開(kāi)關(guān)在工作過(guò)程中發(fā)生開(kāi)關(guān)卡澀，最終隔離開(kāi)關(guān)的動(dòng)靜觸頭的間距不夠?qū)е聯(lián)舸┈F(xiàn)象的發(fā)生。

4 斷路器機(jī)械故障引起的振動(dòng)

經(jīng)國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議的調(diào)查顯示，在機(jī)械故障的事故中，成因?yàn)楦邏簲嗦菲魉嫉谋壤哌_(dá)百分之七十，與此同時(shí)，斷路器是GIS設(shè)備內(nèi)部組成部件的重要部分，操動(dòng)機(jī)構(gòu)故障和二次控制回路故障分別占比約為3%和29%。其中液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)，電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)和彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)是高壓斷路器中常見(jiàn)的操動(dòng)機(jī)構(gòu)。電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)和彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)是最易發(fā)生機(jī)械故障的，導(dǎo)致彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)故障的主要有：螺栓松動(dòng)，機(jī)械部件卡澀，連桿機(jī)構(gòu)和彈簧的變形；導(dǎo)致電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)故障的主要有：機(jī)械卡澀，起訂位置和托架位置的不當(dāng)以及鐵心頂桿長(zhǎng)度脫落或太長(zhǎng)等故障。這些操動(dòng)機(jī)構(gòu)故障會(huì)導(dǎo)致GIS內(nèi)部組成部件的松動(dòng)變形或移位損壞。

5 結(jié)論

本文介紹了幾種常見(jiàn)的GIS機(jī)械故障類(lèi)型，分別為電磁力、電動(dòng)力、鐵磁諧振引起的振動(dòng)，開(kāi)關(guān)操作引起的振動(dòng)和斷路器機(jī)械故障引起的振動(dòng)，GIS內(nèi)部是由很多復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)組成的封閉系統(tǒng)，所以GIS在運(yùn)行中可以通過(guò)一系列機(jī)械聲波和電氣等信息所傳遞出的信號(hào)來(lái)監(jiān)測(cè)GIS設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和故障情況。從以上對(duì)GIS各種機(jī)械故障原理的了解，可以很明確的通過(guò)反應(yīng)出的不同情況來(lái)完成GIS設(shè)備的安全有效運(yùn)行。所以，從經(jīng)濟(jì)效益以及供電安全可靠性方面考慮，非常有必要對(duì)GIS機(jī)械故障進(jìn)行檢測(cè)及診斷。

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