GIS设备异响振动信号特性及检测系统研究
摘 要：机械故障已经成为GIS设备的常见故障之一，目前针对GIS的故障研究大多数都是针对局部放电故障的研究，对GIS机械故障振动信号检测研究比较匮乏，而现阶段GIS设备的的异常机械振动在现场已经多次发生，因此本文介绍了GIS机械故障振动检测系统研究的背景意义以及常见的机械故障类型，设计出GIS机械故障振动检测系统装置并对其进行GIS机械故障仿真实验，得出GIS机械故障异响信号特征，该检测系统的研究可为开关设备的故障检测和诊断提供更为全面的补充。
中国论文
关键词：GIS;机械故障;振动信号;检测系统
DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2015.21.194
0 引言
气体绝缘金属封闭开关设备，自1968年问世以来，已经经历了三十多年的发展。由于GIS具有诸多优点，得到了广大用户的欢迎，在水电站、城变电站和核电站中的应用越来越多，在现代电力行业中的作用越来越明显，发展尤为迅速。GIS设备的应用既延长了巡视和维护的周期，又大大提高了供电的可靠性，在各电压等级电中被广泛应用[1]。
目前，GIS设备是一种应用广泛且安全性较高的一种高压配电装置，由于使用地点的不同，GIS设备一般可分为室内室外两种，室外GIS设备相对室内GIS设备只是加设了防尘和防雨的装置，其他没有区别，但由于GIS的运行周期比较长，因此在运行中的微小缺陷不容易被发现，如果不能及时采取有效的措施处理，将会引发大故障，造成较大的经济损失。在变电站GIS实际现场中发生的事故来看，除了内部放电性故障之外，由于GIS机械故障引发的事故也不容小觑。但早期关于GIS内部故障所采用的检测的方法主要是针对GIS内部的放电性故障检测，比如声测法、红外检测法，化学分析法及光学检测法等。针对GIS异响机械振动故障信号特性检测没有充分的研究及实践经验，为了提高GIS设备运行的安全性和可靠性，保证GIS设备的安全稳定运行，尽可能的延长其使用寿命，所以提出对GIS内部机械故障振动信号检测的相关研究的对维护GIS安全运行有重要意义。
1 GIS设备简介
1.1 GIS设备定义
气体绝缘家属封闭开关设备（简称GIS）是20世纪60年代中期出现的一种新型电器装置。它是将断路器、隔离开关、接地开关、电流互感器、电压互感器、母线等元件组合封闭在接地的金属壳体内，充以一定压力的SF6气体作为绝缘介质和灭弧介质所组成的成套开关设备[2]。GIS设备自问世以来得到了很快的发展。但由于GIS设备运行时间不是很长，运行人员和检修人员现场运行经验还不多，对其内部结构了解也不是很全面，这就可能对设备故障判断出现误差，不能对故障进行正确处理，引起设备损坏发生。
1.2 GIS设备的优点和主要生产厂家
相对于传统的敞开式配电装置来说，GIS设备主要具有占地面积小 、设备运输和维护都方便等特点，比如220kV的GIS设备，其占地面积不到常规设备面积的一半，而且往往随着电压等级升高，占地面积反而越小[3]。其次，GIS设备由金属外壳包围，主要带电的元件都密闭在优良灭弧和绝缘性能强的六氟化硫气体内，所以受外界影响非常小，而且可以防震。此外由于GIS设备选材优良、加工技术先进且精密，因此还具有维修周期长，电损耗较小，故障率低以及噪声弱等优点。GIS设备需求量越来越大，国内外生产厂家也不断增加，国内的生产厂家主要集中在沈阳、西安、上海和平顶山等地，而国外的生产厂家主要有西门子、东芝[4]。
2 GIS机械故障的类型
随着GIS设备应用越来越广泛，机械故障逐渐成为GIS设备的主要故障之一。现阶段针对GIS振动状态的检测方法已经有了一定的研究，但并没有系统的明确的GIS机械故障检测工具，因此振动检测的方法的实际应用还是有待于进一步研究与完善。
GIS机械振动形成原因有很多，比如物体受外力而振动，或者运行中GIS 的壳体所受激振力主要有开关操作的机械力， 导体中交流电流产生的交变电动力，互感器铁芯的电磁力， 外界噪声振动等，而当这些振动导致螺栓松动，外壳接触不平衡等就形成了GIS机械振动故障。因此总体说，GIS常见的机械故障有有杂物引起外壳振动，电磁力、磁致伸缩引起的振动，开关操作引起的振动，由于GIS触头接触过热导致接触不良引起的振动，内部元件接地引起的振动、外界噪声引起的异响振动、由于倒闸操作事故引起的振动等故障[5]。
3 GIS振动故障检测装置设计
GIS振动检测系统的整体结构图如图1所示。
系统由传感器、信号处理单元、信号采集单元及上位机组成。
3.1 传感器的选择
由于GIS外壳的振动信号为电气机械振动信号，频宽基本为10～2000Hz，振幅在0.5～50之间。初步选择三种传感器，分别为位移传感器、速度传感器、加速度传感器。振动传感器是用检测物体振动的，振动传感器将振动转化为电信号，一般适用于监测系统。加速度传感器测量振动频率较高，特别是超过1kHz振动频率的，优势比较高。与其他传感器相比，加速度传感器的灵敏度比较高。
由已知的GIS设备数据，可知速度传感器频率响应10Hz～1kHz，不符合频宽，因此不适合GIS外壳振动的测量，而位移传感器也不适合在电磁干扰比较强的环境下使用，因此综合传感器特点来看，加速度传感器能满足GIS外壳振动的要求。加速度传感器从大类上可分为压电式、应变式和伺服加速度传感器。根据GIS设备的属性， 压电式加速度传感器因具有足够的频宽，量程大、体积小、安装谐振频率比较高，且应用范围广以及易于安装等优点，作为传感器的最佳选择。
3.2 信号处理及采集单元
信号处理单元主要是信号的滤波和放大，根据传感器的测量频率范围，滤波器采用1-4kHz的低通滤波器，放大器采可进行160倍放大。采集单元采用一个采样率为250kHz的AD进行采集，并通过USB模块将数据送入上位机进行进一步的分析和处理。整个信号处理和采集单元密封在金属外壳内防止现场的电磁干扰。
3.3 上位机软件
上位机指的是人可以直接发出操控命令的计算机。一般是pc机。它安装在主控室，可定时和下位机通讯、数据处理。存储、查询、曲线显示、报警及报表打印;远方计算机也可通过线或者络适配器，用络浏览方式浏览数据和进行数据通讯。
因此本系统运用上位机软件，可将GIS机械故障振动检测系统软件根据功能划分为如图2所示的10个区域。
各个区域的名称如下介绍： 1-波形显示区域， 2-频谱分析结果， 3-量程调节区域， 4-文件路径显示区域， 5-注释显示区域， 6-文件操作区域， 7-幅值显示区域， 8-文件保存路径区域， 9-累加幅值显示区域， 10-Logo及连接示意图区域。
4 实验结果分析
为了验证GIS机械故障振动检测系统应用于GIS及机械故障检测的鲁棒性，利用实验室的一台330kV GIS进行试验。应用GIS机械故障检测系统检测，进行了接地螺丝松动试验，并测量了不同设备处的振动信号特征。试验用330kV GIS及各个检测点如图3所示。
该设备为330kV GIS，采用升流器对其内部导杆进行大电流的施加，最大可施加3kA工频电流。各个检测点中4为CT，5为开关。当不对GIS施加电流时的检测结果如图4所示。GIS所显示波形可以看做一条平稳的直线，幅值没有大的波动。此时的背景噪声最大幅值为0.09V。
其次首先对无螺丝松动点时各个部分进行检测，施加电流为2kA。不同检测点检测到的波形如图4所示。
可以看出，对于GIS，各个位置的检测点其振动信号均不相同，检测点3、5、6处信号最大，这三处刚好是竖直摆放的位置，而其他位置则为平放，此时的振动信号均较小。这也说明了对于GIS而言，直立部分的振动相比平放部分要大，而且直立部分的高度越高，其振动信号越强。不同检测点的信号幅值曲线如图5所示。