GIS正常運行與松動故障下的振動機理*

臧 旭, 孫誠斌, 張甜謹, 楊 嵩, 段大衛

(1.國網江蘇省電力有限公司鎮江供電分公司，江蘇 鎮江 212000；2.河海大學 能源與電氣學院，江蘇 南京 211100)

0 引 言

氣體絕緣金屬封閉開關設備(GIS)作為電力系統高壓輸電的重要設備，目前在電力系統中的運用越來越廣泛。雖然GIS設備的運行可靠性高，但機械故障與絕緣故障也時有發生。據國際大電網會議(CIGRE)統計，GIS常見故障中機械故障占比約44%，GIS的非常見故障中機械故障占比約39%[1-2]。國內統計表明，由安裝缺陷、螺絲緊固件松動、觸頭松脫接觸不良等電氣連接點松動引發的故障比例約占39.3%，與絕緣故障比例相當，所以有必要對GIS的松動故障進行診斷研究[3-4]。振動法主要應用于開關設備斷路器故障或隔離開關動靜觸頭脫落等方面，目前對于GIS機械故障的研究，大多利用振動法測得故障與正常時的振動數據，再通過試驗數據挖掘故障特征量(主要是頻域特征量)作為故障診斷依據，但都缺少理論的證明與支撐。

文獻[5]利用振動法帶電檢測動觸頭操作箱對隔離開關的接觸狀態并進行狀態評估，利用頻譜分布特征區別是否發生觸頭的松動故障，但對于振動理論解釋較少,且未能給出故障診斷的理論依據，故障診斷特征量提取主要依賴于試驗數據，缺少理論層面的分析。文獻[6]詳細推導了三相共體式與三相分體式GIS的受力振動原理，公式與理論都較為全面，分析了各種引發GIS振動的原因。但對于渦流引發振動以及松動故障引發振動這兩類重要的振動原理推導較為簡單，未能結合試驗或仿真結果證明其理論的正確性，故有必要進一步完善這兩種理論下的GIS振動機理。

本文主要對GIS正常與異常運行時的受力振動理論進行更深入的研究，分別從導電桿所受電磁力與渦流兩方面推導三相共體式GIS與三相分體式GIS受力振動機理，通過仿真建模證明振動機理的正確性；建立松動故障時接觸面受力振動模型，進行受力與運動分析計算；最后結合現場正常與異常運行時的數據頻譜特征證明理論的正確性，對GIS受力振動理論進行完善。

1 GIS正常運行時振動原理與仿真

對于GIS管體封裝式設備振動機理，目前國內外學者說法不一，本文主要從GIS外殼體上感生渦流在電磁場作用下受力振動和殼體內部載流導體間相互作用力引發振動兩方面進行分析，對于文獻[7]提到的磁致伸縮效應引發的振動不作考慮，主要因為GIS外殼現在多由鋁合金制成，不存在磁致伸縮效應。

1.1 渦流引發殼體振動原理

GIS腔體中的導電桿帶電后會在外殼體上感生出感應電動勢，通過金屬殼體渦流自回路感應產生渦流，在磁場作用下產生電磁力進而引發殼體的振動[8-11]。渦流受力分析示意圖如圖1所示。

圖1 外殼體渦流受力分析圖

假設導電桿在外殼內部產生的磁場均勻分布，長導體通以正弦交流電i0=Imcos(ωt)，由安培環路定理求出殼體上磁感應強度：

∮Bdl=μ0μr∑i

(1)

B×2πr=μ0μri0

(2)

(3)

式中：i為環路中電流；i0為導體中流過的瞬時電流；Im為電流幅值;t為時間；B是磁感應強度；μ0是真空中磁導率；μr是相對磁導率；r是某點與導體桿的距離；l為渦流回路從左至右的跨度。

渦流回路中磁通Φ計算如下：

(4)

式中：r2和r1分別為渦流上、下回路與導電桿中心的距離。

計算得到渦流回路的電流ieddy為

(5)

式中：R為渦流回路的電阻。

由此可得殼體上、下部分的受力大小為

(6)

將式(3)和式(5)代入式(6)得到殼體受力最終結果：

(7)

對于GIS殼體，周圍磁場的交變頻率為電流頻率，而殼體受到電磁力的主要頻率為2倍的電流頻率，電流頻率一般是50 Hz，故電磁力與振動頻率以100 Hz為主。由式(7)可知，距離導電桿越遠導體所受的電磁力越小。

1.2 渦流引發振動的有限元仿真

為驗證上述理論的計算結果，利用有限元建立如圖2所示的GIS簡化模型，并在外殼體靠近內部、外部和中部處選取三個點dot1、dot2、dot3，仿真計算各點處的磁感應強度。

圖2 GIS仿真模型結構圖

仿真模型中外殼管長度為1.5 m，外殼直徑為380 mm，內殼直徑為330 mm，導桿直徑70 mm，以管體中心為參考點對稱分布，相互成120°。GIS的二維瞬態電磁場仿真模型中，采用鋁制材料進行仿真計算，考慮交流電作用下金屬導體的集膚效應，施加三相對稱頻率為50 Hz，幅值為800 A的交流電流，仿真步長為1 ms，周期為80 ms，仿真參數如表1所示，得到磁感應強度云圖如圖3所示。

表1 殼體與金屬導體材料及參數

圖3 9 ms時母線管斷面磁感應強度云圖

計算圖2中三個點的磁感應強度，繪制關于時間的變化曲線如圖4所示。

圖4 各點處瞬態磁感應強度

由計算結果可知，殼體上各點處的磁感應強度隨時間呈周期性變化。磁感應強度計算取絕對值，因此均在正半軸，實際其變化周期與通入電流的交變周期一致。計算各點所受電磁力的大小，計算結果如圖5所示。

由計算結果可知，各點所受電磁力的變化頻率為2倍的電流交變頻率即為100 Hz，因此仿真所得電磁力變化規律與式(7)的推導結果一致，證明了渦流產生電磁力公式的正確性。

1.3 導電桿受力振動原理分析

GIS腔體中的三相導體在有電流流過時，會在周圍產生各自的磁場，從而對鄰近的導體產生相互作用力，特別是當導體距離相對較近時，產生的作用力也較明顯。對于三相分體式的GIS，鋁制外殼的阻隔起到一定的磁場屏蔽作用。但對于三相共體式GIS，由于三相導體布置在同一個金屬封閉殼體內，導體間電磁力作用非常明顯，這也是引發振動的主要原因[12-15]。以a相導體作為受力研究對象，假設各相導體流過的電流三相對稱為ia=Imsin(ωt)，則ib=Imsin(ωt-120°)，ic=Imsin(ωt+120°)。如圖6所示，給出a相導體某一瞬間磁場分布圖，其中b、c兩相對a相的磁感應強度用Bba與Bca表示，三相導體間距離分別為lab、lca、lbc，實際中認為lab=lca=lbc=l。

圖6 三相導電桿受力示意圖

根據無限長導體的電磁感應強度計算公式，b、c相導體對a相導體產生的電磁感應強度分別為

(8)

(9)

由余弦定理計算得到a相導體的合成磁場為

(10)

(11)

考慮到lab=lca=lbc=l，將式(8)、式(9)、式(11)代入式(10)，得到：

(12)

假設導電桿a的長度為la，根據電磁力計算公式，可算得導體所受電磁力大小為

(13)

由式(13)可知，GIS導電桿受到的電磁力是周期性變化的，振動頻率與電磁力頻率一致，為工頻50 Hz。因此，對于三相共體式的GIS，導體所受電磁力以50 Hz作為振動的主頻率。建立三相導體的電磁場仿真模型如圖7所示，仿真參數見表2。

圖7 三相導電桿電磁場仿真模型

表2 三相導電桿參數設定

三相導體通入三相對稱交流電后，求解a相導體上某點處電磁力大小，如圖8所示。由圖8可知，0.2 s后仿真計算結果穩定，導電桿所受電磁力交變并且變化周期為0.01 s。由于計算的是電磁力的大小即其絕對值，故實際周期為0.02 s，仿真結果與理論推導一致，證明了式(13)的正確性。

圖8 三相導電桿所受電磁力大小

2 GIS異常運行時振動原理與仿真

2.1 GIS松動故障下的振動機理

GIS內部的電氣設備較多，機械故障中觸頭、導桿及電氣連接點松動屬于常見故障，對于母線、隔離開關、斷路器等部件連接點在電流通過時都會發生振動，振動原因是流過接觸面上的電流之間的相互作用[16-18]，其受力示意圖如圖9所示。接觸面間屬于多斑點式接觸，接觸點所受電磁力為

F=F0+Fmcos(2ωt)

(14)

式中：F0為恒力；Fm為交變電磁力幅值；ω為電磁力變化角頻率；t為時間。

圖9 觸頭接觸面受力分析圖

接觸面的振動可認為是電磁力引起的接觸面收縮運動。建立接觸面單自由度受力振動模型如圖10所示，并進行振動分析。將觸點間電磁力收縮振動簡化為彈性系數為k，阻尼系數為c的單自由度迫振運動，利用彈簧部分模擬碰撞時的彈性形變，阻尼部分模擬庫侖力等產生的阻尼對運動的阻礙作用[19-21]。

圖10 接觸面受力振動模型

彈性系數k與阻尼系數c和接觸點的半徑及接觸面光滑程度有關，阻尼系數c主要由庫侖阻尼引起，與接觸點接觸緊密程度有關，接觸越緊密c越大，當松動間隙變大時阻尼系數減小明顯，觸點收縮運動方程為

(15)

式中：x為觸點間運動位移；m為兩側受力質點。

求解上式的微分方程解：

x1=e-ξωnt[c1cos(ωdt)+c2sin(ωdt)]+

Acos(2ωt+θ)+B

(16)

(17)

式(16)中位移由三部分組成，后面兩部分為時不變位移量，作用是使得位移發生周期性變化；前面的位移量是時變位移量，由角頻率為ωd的振動位移疊加而成[22-24]。當接觸點接觸不緊密時，阻尼系數c顯著減小，則時變位移衰減緩慢，最終影響觸點的運動，從頻域分析來說即是振動信號在多個不同頻段內的能量均有所增加。

2.2 GIS松動故障下振動仿真計算

上述理論需要進行計算驗證。現假設松動時有多個接觸點，仿真中取接觸點個數為100，認為觸點位移均沿同一方向，振動疊加不考慮角度問題，得到如下振動位移計算式：

(18)

選取多組不同的阻尼系數c、彈性系數k，得到不同的角頻率ωdi與阻尼系數ξiωni，部分參數如表3所示。

表3 部分仿真參數

仿真得到時域的振動波形圖如圖11所示，并進行頻域變換得到頻譜如圖12所示。由仿真結果可知，松動類故障會導致某些頻率的振動信號幅值增加，并且幅值增加的信號頻率是不能確定的，與接觸點曲率半徑、阻尼系數和彈性系數等多種因素有關。接觸點越多，時變位移量衰減越緩慢，各個頻段信號能量變化越顯著。由計算結果可知，能量增加的主要頻段是1 000～2 000 Hz。此外，松動也會導致構件結構改變，使得固有頻率變化。

圖11 振動位移時域圖

圖12 振動位移頻譜分析

3 試驗對比驗證

3.1 試驗設置

本次試驗是基于型號為ZF7A-126的126 kV三相共體式GIS設備的試驗測試，包含了斷路器、隔離開關、母線與導電桿等主要一次設備，模擬松動故障，采集松動故障與正常運行時的振動數據。

GIS振動檢測系統由壓電式振動加速度傳感器、1DH5922D動態測試分析儀(最大采樣頻率為125 460 Hz)及計算機終端組成。振動信號加速度傳感器型號為1A212E，其靈敏度為50 mV/(m/s2)，采樣頻率設置為20 kHz，分別按軸向與徑向布置于盆式絕緣子外壁上，布置圖如圖13所示。

圖13 測點位置布置圖

本次故障模擬的是母線導電桿松動故障。GIS母線主要起匯流作用，流過的電流較大，振動也較為顯著，長期運行下母線導電桿的連接螺絲可能發生松脫。因此，可對母線的固定螺絲進行松脫故障試驗，測取正常與異常時GIS外殼的振動信號并進行頻譜分析，對比故障前后信號的頻譜特征驗證上述理論，并進行松動故障的判別與診斷。

3.2 試驗結果分析

經過對GIS正常運行與母線導電桿的固定螺絲松動兩種狀態進行試驗，得到這兩種狀態下的振動時域信號與頻域分析結果如圖14所示。

固定螺絲松動時，時域信號的振動幅值相比正常時顯著增大。對比圖14(b)和圖14(d)即正常與松動故障時1 000～2 000 Hz的頻域信號幅值，可知故障時該頻段信號幅值是增大的。該頻段的信號幅值增加與故障位置和故障類型有關，這與上述的松動故障下振動位移仿真結果一致，因此也可將該頻段信號的幅值變化作為故障判斷的特征依據。

圖14 正常與異常運行時測點振動信號

4 結 語

(1) 本文分析了GIS外殼渦流引發振動的原理及殼內導體間電磁力作用的振動原理，分別進行仿真分析以驗證GIS的受力情況與振動變化規律，結果表明正常運行時的GIS設備振動頻率為100 Hz或者50 Hz都有可能，這是GIS設備的受力原理不同所導致的。

(2) 母線導電桿發生松動故障時，GIS外殼振動信號中1 000～2 000 Hz的頻段信號幅值有所增加。這一結果與GIS松動故障下的仿真計算具有相似性，可以為后續GIS松動故障的研究提供理論依據，也可作為提取故障特征的參考為松動類機械故障診斷提供有效的判別方法。