0 引言
气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)具有占地面积小、运行可靠性高、检修周期长等优点,目前已经在电力系统中得到了越来越广泛的应用,特别是在高电压等级电网中。虽然GIS设备具有运行可靠性高的优势,但在其运行过程中,绝缘及机械缺陷、故障仍然时有发生,且事故停电范围广,修复难度大[1-3]。隔离开关作为GIS中的主要单元之一,其操作次数最为频繁,在大量的操作过程中,触头在机械闭合力的冲击和触头间的应力作用下会不断磨损,经常出现触指镀层裂缝、剥落等情况,从而导致触头接触不良[4-5]。此外,安装调试不当引起机构卡涩等,也会导致隔离开关合闸不到位,使得触头接触不良。触头接触不良会使得回路接触电阻变大,温升过高,从而引起绝缘老化甚至击穿,进而引发短路,造成重大事故[6-8]。另外,触头接触不良时,接触方式会发生变化,此时当电流流过触头时,触头间会产生电动力,从而引起异常振动,而长期的振动可能使螺栓松动,造成GIS气体泄露、压力降低,从而引发事故。因此,有必要开展GIS隔离开关触头接触状态检测技术的研究,以及时发现隔离开关触头接触故障,从而避免隔离开关设备故障影响电网安全运行。
目前,工程实际中应用的GIS隔离开关触头接触状态检测方法主要有回路电阻测量方法、红外检测法、光纤光栅测温法,以及振动检查法等[8-11]。其中,回路电阻法需GIS设备停电检修,且需要根据设备出厂管理值来判断触头的接触状态,因此故障判断比较被动;红外检测法由于金属表面发射率低以及SF6气体对红外光强烈的吸收性使得其分辨率和精度都难以达到要求;光纤光栅测温法虽然实现了GIS隔离开关的在线监测,但是由于GIS内部导体与外壳温度的对应关系需要大量的基础数据支撑,对于不同结构的GIS不具有通用性,且传感器的成本较高,因此也未能得到广泛应用;振动检测法因与设备主回路无电气连接,不影响设备正常运行,同时具有抗干扰能力强、灵敏度高、安全可靠等优点,因此被逐渐应用于电力设备机械状态的检测中,且应用前景良好[12-14]。20世纪90年代国外就有研究者通过检测GIS的振动信号进行其触头接触不良缺陷的检测,但是该项研究仅限于实验室中,并未形成现场可用的检测系统[15-18]。国内对于通过振动信号的检测来进行GIS的故障诊断也有一定的研究,但都停留在实验室阶段,目前还未见现场可用的检测装置及机械缺陷评估方法[19-20]。
本文在对GIS隔离开关机械振动机理深入研究的基础上,首先针对GIS设备机械振动的机理及测试方法进行深入探讨,研制机械振动检测系统;在此基础上,搭建隔离开关触头接触不良缺陷振动检测实验平台,开展振动检测实验;最后研究振动信号特征提取方法,并给出GIS隔离开关触头接触状态的评估方法及判据。
1 振动机理及特征信号分析
GIS设备的振动信号中包含了丰富的机械特征信息,GIS中的每一种机械缺陷在振动信号上都对应一个振动事件,因此可利用振动信号来分析GIS的机械状态。
1.1 三相分体的GIS机械振动机理
与变压器等具有线圈结构的设备不同,GIS的机械振动是一个相对复杂的过程。
对于三相分体的GIS,由于外壳的屏蔽作用,单相导体不受其他两相导体电磁场的影响。设备振动的原因是,隔离开关通过触头与导杆相连,当回路中有电流流过时,电流线在触头接触面附近发生收缩产生电动力,从而引起设备振动,触头所受电动力如
设流过触头的电流为
\(F=\frac{{{\mu }_{0}}}{4\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }}{{i}^{2}}\ln \frac{D}{2a}\) (1)
其中
\(a=\sqrt{\frac{{{F}_{\text{j}}}}{\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }\zeta {{H}_{\text{b}}}}}\) (2)
式中：
图1
触头所受电动力
Fig.1
Electrodynamic force in the contact
1.2 三相共体GIS机械振动机理
对于三相共体GIS,单相导体始终处于其他两相导体的电磁场中,因此运行过程中会受到电磁力的作用。三相导体受力情况如
式中,
如
式中
在工程实际中,三相共体GIS内部的导线一般成等边三角形,即
\(f=\frac{{{F}_{\text{a}}}}{{{l}_{\text{a}}}}=\frac{\sqrt{3}\times {{10}^{-7}}\times {{I}^{2}}}{d}\left| \sin (\omega t) \right|\) (5)
由此可见,对于三相共体GIS而言,其内部的导体所受电磁力的频率为电流频率的2倍。当回路流过50 Hz的工频电流时,电磁力的频率为100 Hz。
2 GIS机械振动检测实验系统
2.1 GIS机械振动检测仪
采用由传感器、信号采集与处理单元及上位机这3部分组成的自主研制振动信号检测仪器,整体装置框图如
1）传感器：GIS设备的机械振动主要是由导体中的电磁力引起的,且其频率大多介于10~2 000 Hz范围之间,振动幅值在0.5~50 μm之间,而加速度传感器具有小、轻、稳,频率范围宽,可在强磁场、大电流等环境下工作的特点,因此传感器选用加速度传感器,其具体参数如
2）信号采集与处理单元：提供相应接口,与加速度传感器连接,对传感器采集到的信号进行分析和处理,并通过USB与上位机连接进行数据交换;整个单元密封在金属外壳内,以防止现场的电磁干扰。
3）上位机软件：具有量程调节功能,可进行1 V、5 V和10 V这3个量程的调节;时时显示检测到的振动信号时域波形,并对其进行处理和计算,以实现振动信号频域特性的时时显示;此外,还可对检测到的信号进行命名与保存,方便后期数据导出后进一步分析、提取特征量,从而实现故障诊断。
2.2 隔离开关机械振动实验平台
隔离开关机械振动实验平台由单相GIS构成,
图2
三相导体受力
Fig.2
Force in three-phase conductor
图3
振动检测系统框图
Fig.3
Schematic of vibration detection system
表1
加速度传感器的参数
Table
1 Parameters of vibration detection system with acceleration sensor
包含2个实验回路,如
2.3 振动检测实验
2.3.1 测试对象选取
由于GIS设备振动主要是由大电流作用下的电磁力引起的,且在工程实际中由于隔离开关触头接触不良引起的异常发热、局部放电检测超标以及GIS设备故障的事情经常发生,因此本次研究选取能够流过大电流且能控制触头接触状态的隔离开关进行实验。
2.3.2 振动信号采集点布置方案
振动信号采集点布置方式如
2.3.3 隔离开关触头不同接触程度下的振动检测
由于实验隔离开关有电动和手动这2种操作方式,实验时可通过转动手动把手控制触头接触的程度,并辅以回路电阻测试仪量化触头的接触状态,因此本次实验不需要打开气室。
实验时,隔离开关从闭合到断开,其手动把手一共可转动54圈。测量时发现,在把手退20圈以上时,其回路电阻值已经无法测量,即阻值无穷大,可见,此时动静触头已完全分离,因此后续实验手动把手最多退19圈。
实验时,在每种接触状态(已完成操作)下分别施加不同的电流,进行振动检测实验,电流施加的方法以及采集点的布置方案参照2.3.2节。
图4
GIS振动信号检测平台示意图
Fig.4
Vibration signal test-bed of GIS
图5
550 kV GIS综合实验平台实验回路
Fig.5
Test circuit of 500 kV GIS integrated test-bed
3 结果及分析
3.1 无缺陷时振动信号的检测结果
随机选取采集面A上的采集点2,即A2采集点进行研究,发现其振动信号时域信号为周期信号,
图6
振动信号采集点布置
Fig.6
Arrangement of vibration signal collection point
对其进行频谱变换,发现当回路电流不同时,振动信号频域谱都只在100 Hz基频点存在明显的振动信号,这是由于正常运行情况下,GIS设备导体只受到工频电流产生的电磁力作用。当回路电流为1 800 A时,A2点的时域及频域谱振动信号波形如
无缺陷时,100 Hz基频幅值(记为
观察同一采集面不同采集点的结果发现,4个采集点的振动信号特征相似,以采集面B为例,各采集点的振动信号频谱特征如
由
3.2 触头不同接触状态下的振动检测结果
不同接触程度时,GIS隔离开关触头插入深度与测得回路电阻之间的对应关系如
图7
1 800 A电流时A2点的振动信号
Fig.7
Vibration signals of point A2 in 1 800 A current
图8
无缺陷时100 Hz基频幅值与电流大小关系曲线
Fig.8
Relationship curves between base frequency amplitude at 100 Hz and the current without defect
插入深度的不断减小其有效导通面积急剧减小,回路电阻急剧增大,因此回路导电能力大大降低,从而影响了设备的正常运行。在手动把手退19圈以后,隔离开关动静触头已完全分离,此时回路的电阻值已趋于无穷大,其值将无法测量。
不同的触头插入深度(手动把手所退圈数)下,A2采集点的振动信号检测结果如
由
图9
采集面B上各采集点振动信号频谱特征
Fig.9
Amplitude frequency characteristics of vibration signals for the points on surface B
及
3.3 振动信号特征提取
由以上实验结果可以看出,无缺陷时各采集点的时域波形具有很强的周期性,干扰很小,且不同采集点的振动信号频率均集中在100 Hz基频点,而其他频率点的振动信号非常小,几乎为0。当隔离开关触头接触不良时,在50 Hz及200 Hz频率点出现了明显的振动信号。由于不同测量点测得的振动信号强度不同,且不同接触状态下其振动信号特征也大不相同,因此为了对比不同情况下的振动信号,以量化隔离开关触头的接触状态,本文选取频域谱中100 Hz频率点对应的幅值为基频幅值
由
表2
不同接触状态下回路电阻值
Table
2 Circuit resistances in different connection states
表3
不同接触状态下特征频率点幅值与基频幅值比值
Table
3 Ratios of amplitude at characteristic frequency to amplitude at base frequency under different connection states
图10
不同接触状态下采集点A2振动信号的检测结果
Fig.10
Vibration signal of point A2 in different contact state
出圈数的增大,即隔离开关触头插入深度的减小,50 Hz及200 Hz频率点幅值与基频幅值的比值
由
图11
特征量与隔离开关触头接触程度之间的对应关系
Fig.11
Relationship between characteristic parameter and the connection state of disconnector
4 结论
1）GIS在正常运行时,其外壳存在频率为100 Hz的振动信号,且水平方向的振动信号稍大于竖直方向,对于三相分体式GIS隔离开关,这种振动信号是由于隔离开关触头处磁致收缩产生的电动力引起的。
2）隔离开关触头接触不良时,GIS隔离开关外壳在50 Hz和200 Hz频率点出现明显的振动信号,且随着隔离开关触头插入深度的减小,振动信号在50 Hz和200 Hz频率点处的幅值逐渐增大。
3）可将100 Hz频率对应的幅值作为基频幅值,50 Hz和200 Hz频率点处的幅值与100 Hz基频幅值的比值作为特征量表征隔离开关的接触状态。当200 Hz的比值>0.2且50 Hz的比值在0.1~0.3之间时,可以认为离开关触头接触不良;当200 Hz的比值>0.5且50 Hz的比值>0.2时,可以认为触头存在严重缺陷。
参考文献
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
[14]
[15]
[16]
[17]
[18]
[19]
[20]