GIS設備的機械故障原理

陳炫宏+高陽+許傲然

摘 要：電氣設備在獨立運作時要比組合情況下發生故障的概率要高，從而出現了由母線、電流互感器、電壓互感器、隔離開關、斷路器、接地開關和避雷器等構成的GIS設備。隨著GIS的廣泛使用，對其故障研究也更深入，經研究發現，GIS故障主要有兩方面成因：第一方面，在制造GIS的過程中，如果有不規則的操作比如漏氣、漏油都會導致GIS的故障；另一方面，機械故障也是GIS故障的主要原因，即在密封的高壓環境下，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，機械故障會造成氣體泄漏和絕緣故障等問題，且GIS內部存在斷路器和隔離開關等開關動作的設備，所以操作機構的可靠性對GIS設備可靠性至關重要，所以本文介紹了常見機械故障的工作原理以利于檢測，從而保證GIS設備的正常運行。

關鍵詞：GIS；機械故障；檢測；工作原理

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

1 引言

為了使GIS電氣設備高效率且安全可靠的運行，本文通過對GIS機械故障進行分類，然后從三方面的機械故障進行討論其工作原理，主要包括電磁力、電動力和鐵磁諧振引起的振動；開關操作引起的振動；斷路器機械故障引起的振動。

2 電磁力、電動力、鐵磁諧振引起的振動

在GIS設備運行過程中由于電磁力和靜電力的作用會導致不同程度的震動，同時也反映出不同程度的問題，如果是細微振動就是正常運行現象，如果是異常振動，就說明有故障問題需要檢測。

GIS勵磁振動是機械振動的一種，通常是由電磁場受力引起的內部設備振動或者金屬殼表面的振動，勵磁的聲音通常為100HZ。振動在外罩和門的部分傳播是最快的，當勵磁的聲音與平時存在明顯差異時，第一步應該檢測門和外罩部分的零件是否有松動，通常螺栓的松動會導致強烈的共振，從而導致嚴重的危害。

如果是GIS內部導致的機械振動，就要考慮是否有電氣故障發生。GIS的內部元件通常是根據磁通特性進行工作的，主要包括：電壓互感器，電磁接觸器，電流互感器。在對其進行故障檢測時可以通過勵磁聲音和加速度傳感器來判斷故障程度。

按照塞瓦定律，當電流通過GIS主回路時，就會在周圍產生磁場，從而造成勵磁效應，導致金屬殼內的零件互相吸引，振動頻率隨之升高。在電流通過正常三相并列的導體時，導體間就會產生力的作用。當電壓加到內部導體上時，金屬殼內就會產生由電場導致的場強，內部帶電體就會受到靜電力的影響。

在高壓GIS設備中，并聯電容器通常會被安裝在斷路器端口，用于改善電壓分布，當電源電壓充足時，電壓互感器和并聯電容器形成回路，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，電磁式電壓互感器就會產生低頻電壓，此現象被稱為鐵磁諧振。諧振的發生就會造成電壓互感器的異響，從而導致GIS外殼的振動，勵磁電流的過大，線圈的發熱最終造成短路。而過激磁時，便會導致聲音過大的異響。

3 開關操作引起的振動

在GIS設備工作狀態下，其開關操作時非常頻繁，主要指高壓斷路器的分合閘設備，它屬于瞬動式的機械組件，它的開關過程是把機械所提供的能量非常快速地通過各個部件完成能量的傳遞。在此程序中所發生的高速撞擊，運動和摩擦所形成的振動會導致很大程度的沖擊。當內部工作狀態發生變化時，內部器件所受的力非常大，同時沖擊性強烈，時間極快，銜接部位的器件運作速度也非常快，從而在制動和緩沖過程中造成強烈的撞擊，同時此撞擊造成的振動也有利于反映信息，利于檢測。所以，GIS內部的分合閘操作是否有規律的運作可以通過振動所形成的波形清晰直觀的呈現。

動靜觸頭系統是GIS內部至關重要的連接裝置，在重復的工作過程中，其內部器件通常按照啟動，運動，制動，產生碰撞的順序運行，此運行狀態可以通過傳感器檢測出振動波形為衰減振動波，呈現出一定的時序性，即反映出機械部件的工作狀態，從而實現GIS設備的故障診斷和狀態檢測。

在機械故障中，一方面為斷路器分合閘，另一方面是隔離開關的操作。舉例來講，在GIS事故中，隔離開關的操動機構被換流站的工作人員卸下，經手動操作發現隔離開關的輸出力矩錐形齒輪不轉動，通過齒輪帶動的軸傳出的隔離開關現場機械位置指示和輔助接點信號顯示，機械位置指示和OWO上都顯示拉開到位。但是事實上隔離開關并不到位。

隔離開關傳動軸通過電子力矩扳手轉動，其力矩在大氣壓下為6NM，與正常力矩相比存在較大差距。經工作人員的拆卸檢查發現，連接部位的轉動軸和連接器件受到一定程度地損壞，從而導致隔離開關在工作過程中發生開關卡澀，最終隔離開關的動靜觸頭的間距不夠導致擊穿現象的發生。

4 斷路器機械故障引起的振動

經國際大電網會議的調查顯示，在機械故障的事故中，成因為高壓斷路器所占的比例高達百分之七十，與此同時，斷路器是GIS設備內部組成部件的重要部分，操動機構故障和二次控制回路故障分別占比約為3%和29%。其中液壓操動機構，電磁操動機構和彈簧操動機構是高壓斷路器中常見的操動機構。電磁操動機構和彈簧操動機構是最易發生機械故障的，導致彈簧操動機構故障的主要有：螺栓松動，機械部件卡澀，連桿機構和彈簧的變形；導致電磁操動機構故障的主要有：機械卡澀，起訂位置和托架位置的不當以及鐵心頂桿長度脫落或太長等故障。這些操動機構故障會導致GIS內部組成部件的松動變形或移位損壞。

5 結論

本文介紹了幾種常見的GIS機械故障類型，分別為電磁力、電動力、鐵磁諧振引起的振動，開關操作引起的振動和斷路器機械故障引起的振動，GIS內部是由很多復雜的機械結構組成的封閉系統，所以GIS在運行中可以通過一系列機械聲波和電氣等信息所傳遞出的信號來監測GIS設備的運行狀態和故障情況。從以上對GIS各種機械故障原理的了解，可以很明確的通過反應出的不同情況來完成GIS設備的安全有效運行。所以，從經濟效益以及供電安全可靠性方面考慮，非常有必要對GIS機械故障進行檢測及診斷。

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