白濤,牛勃,韓旭濤,吳旭濤,劉威峰,查輝

(1.國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司電力科學(xué)研究院,寧夏 銀川 750011;2.國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司石嘴山供電公司,寧夏 石嘴山 753000;3.西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,陜西 西安 710049)

0 引 言

高壓組合電器設(shè)備(gas insulated switchgear,GIS)自20世紀(jì)60年代以來(lái)在世界各地推廣,并逐漸成為變電站用戶首選。其結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、配置靈活、安裝方便,在日常維護(hù)方面具有很大的優(yōu)勢(shì)[1-3]。但GIS在運(yùn)行過(guò)程中可能產(chǎn)生異常機(jī)械振動(dòng)缺陷,這些源于操作機(jī)構(gòu)卡澀、彈簧斷裂、接觸異常、局部放電等的機(jī)械振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件松動(dòng)[4],誘發(fā)局部過(guò)熱、氣體泄漏、絕緣件損壞甚至擊穿等,對(duì)設(shè)備危害極大,因此可以通過(guò)檢測(cè)振動(dòng)信號(hào)對(duì)GIS進(jìn)行故障診斷,而且機(jī)械振動(dòng)檢測(cè)直接使用傳感器在殼體上測(cè)取信號(hào),與脈沖電流法[5]、特高頻法[5]、超聲波法[6]、化學(xué)分析法[6]、光測(cè)法[7]等針對(duì)局部放電的檢測(cè)手段相比,更適合電力設(shè)備機(jī)械性振動(dòng)故障的診斷。

基于振動(dòng)信號(hào)特征量的可靠選取,國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)GIS機(jī)械缺陷的診斷開(kāi)展了一系列研究。重慶大學(xué)丁屹林等在550 kV氣體絕緣輸電管道大電流激勵(lì)振動(dòng)模擬平臺(tái)開(kāi)展了正常情況和母線底座松動(dòng)缺陷時(shí)的振動(dòng)特性對(duì)比分析,得到了該類設(shè)備的固有振動(dòng)模態(tài)及異響振動(dòng)特性[8]。馮俊宗等搭建了1臺(tái)110 kV單相分箱GIS試驗(yàn)平臺(tái),對(duì)在多種實(shí)際GIS運(yùn)行狀態(tài)下的GIS振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行研究,為基于振動(dòng)信號(hào)的GIS隔離開(kāi)關(guān)狀態(tài)診斷提供理論依據(jù)[9]。北京航空航天大學(xué)馮英等提出了一種多層融合振動(dòng)數(shù)據(jù)分析的GIS設(shè)備機(jī)械缺陷診斷方法,實(shí)現(xiàn)了辨識(shí)準(zhǔn)確率為98.66%的缺陷有效識(shí)別[10]。山東大學(xué)侯焰針對(duì)螺絲松動(dòng)和金屬微粒振動(dòng)兩種常見(jiàn)的機(jī)械故障,通過(guò)變分模態(tài)分解算法從振動(dòng)信號(hào)中可靠提取了對(duì)應(yīng)的特征信息[11]。河海大學(xué)臧旭針對(duì)GIS母線導(dǎo)電桿松動(dòng)故障,提出了基于振動(dòng)檢測(cè)的故障診斷方法[12]。重慶大學(xué)鐘堯等基于GIS設(shè)備平臺(tái)開(kāi)展3種典型機(jī)械振動(dòng)缺陷的模擬,對(duì)比分析缺陷在不同負(fù)載電流和嚴(yán)重程度聯(lián)合作用下時(shí)頻域非線性振動(dòng)特性的演化規(guī)律,建立基于負(fù)載率分級(jí)的機(jī)械缺陷診斷模型[13]。清華四川能源互聯(lián)網(wǎng)研究院丁登偉等提出利用振動(dòng)聲學(xué)圖譜區(qū)分設(shè)備機(jī)械故障的方法[14]。李凱等研究了GIS正常運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)機(jī)理,從電磁力與磁致伸縮2個(gè)方面分析 GIS 正常運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)特性[15]。上述工作為GIS水平母線振動(dòng)特性的研究提供了思路借鑒和方法遵循。

GIS正常運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)特性是進(jìn)行可靠振動(dòng)故障診斷的基礎(chǔ)。為了完整描述GIS無(wú)缺陷時(shí)的機(jī)械狀態(tài),需要振動(dòng)機(jī)理分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)兩方面的相互對(duì)照。盡管國(guó)內(nèi)外學(xué)者從電磁力的角度出發(fā),針對(duì)GIS的振動(dòng)機(jī)理開(kāi)展了一系列理論、仿真和實(shí)驗(yàn)的研究[15-16],但由于缺少現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),實(shí)驗(yàn)大多基于搭建的GIS模擬平臺(tái),不同于實(shí)際運(yùn)行中受多種因素影響的電力設(shè)備,因此,從實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)出發(fā)進(jìn)行GIS水平母線振動(dòng)特性的研究,對(duì)于完善GIS振動(dòng)特性描述,進(jìn)而通過(guò)機(jī)械振動(dòng)檢測(cè)進(jìn)行故障診斷具有重要意義。

本文搭建了以三軸加速度傳感器為核心的振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng),在某330 kV變電站GIS水平母線上測(cè)取正常運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)信號(hào),從時(shí)域和頻域出發(fā)分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果,并在機(jī)理層面研究了振動(dòng)特性的成因。

1 振動(dòng)信號(hào)采集

1.1 振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)

振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)以三軸加速度傳感器為核心,包括探頭、恒流源、示波器和上位機(jī),如圖1所示。

圖1 振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)

振動(dòng)信號(hào)由集成電子壓電式 (integrated electronics piezo electric,IEPE) 加速度計(jì)采集后,經(jīng)過(guò)虛擬示波器顯示在上位機(jī),恒流源供給4 mA穩(wěn)定電流,各部分簡(jiǎn)述如下。

1)三軸加速度傳感器。根據(jù)電磁力和磁致伸縮效應(yīng),理想情況下GIS腔體外殼在通流導(dǎo)桿的影響下將以2倍工頻為基頻沿徑向發(fā)生持續(xù)穩(wěn)定振動(dòng),使得GIS整體表現(xiàn)為 “膨脹-收縮-膨脹”的規(guī)律運(yùn)動(dòng)。實(shí)際上,由于GIS母線與兩側(cè)端蓋、底部支架、其他母線段等部件存在機(jī)械連接或電連接,導(dǎo)致振動(dòng)特性的進(jìn)一步復(fù)雜化,因此,實(shí)驗(yàn)采用三軸加速度傳感器以探測(cè)振動(dòng)信號(hào)的更多細(xì)節(jié)。所使用傳感器的三軸靈敏度分別為0.050 08,0.049 20 V/ms-2和0.050 94 V/ms-2,測(cè)量范圍為±10 g,使用時(shí)通過(guò)M5螺栓或膠粘方式固定。

2)恒流源。IEPE傳感器自帶的放大器需要電流激勵(lì),因此,設(shè)計(jì)了能夠穩(wěn)定輸出4 mA電流的恒流源,裝置包括LM334芯片、1N457二極管、貼片電阻和可調(diào)穩(wěn)壓器(5～24 V)等元件,通過(guò)1根Micro-USB數(shù)據(jù)線連接上位機(jī)供電,輸出端用1個(gè)三通結(jié)構(gòu)連接傳感器輸出和示波器的采集通道。

3)示波器和上位機(jī)。使用USB供電的示波器和上位機(jī)分析傳感器采集的數(shù)據(jù)。由于振動(dòng)信號(hào)的頻率范圍在20 kHz以下,為了在不損失波形信息的同時(shí)減少雜波,根據(jù)奈奎斯特定律的限制將采樣率設(shè)置為200 kHz,并加有5 kHz的低通濾波[17]。測(cè)量時(shí)為保證信號(hào)采集的有效性,待波形穩(wěn)定后每個(gè)測(cè)點(diǎn)記錄3.2 s,保存數(shù)據(jù)量約為104個(gè)。

1.2 測(cè)點(diǎn)布置

圖2為某330 kV變電站一次回路接線的一部分,DS表示隔離開(kāi)關(guān),CB表示斷路器。在選取測(cè)量位置時(shí),不僅需要考慮所選氣室的代表性,還應(yīng)使傳感器安裝方便,便于調(diào)試。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)分析,滿足測(cè)量要求的水平母線段位于3號(hào)主母線,該氣室兩側(cè)均設(shè)有隔離開(kāi)關(guān)和斷路器,且其位于1號(hào)主母線和3號(hào)主母線的連接處,四周均設(shè)有步梯,方便實(shí)驗(yàn)中的拆裝操作。

圖2 試驗(yàn)回路一次接線

為準(zhǔn)確采集實(shí)際GIS在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào),需以一定標(biāo)準(zhǔn)確定測(cè)點(diǎn)布置方式,以全面反映振動(dòng)特性的普遍特點(diǎn)。在實(shí)驗(yàn)中,選取3號(hào)主母線三相長(zhǎng)度分別為3,4 m和5 m的GIS水平母線,內(nèi)部中心導(dǎo)桿通有345 A交流電流,以端部所在位置為原點(diǎn),根據(jù)對(duì)稱原則,從端部到母線中央等距離設(shè)置3個(gè)測(cè)量面,如圖3所示,每個(gè)測(cè)量面繞GIS筒體一圈設(shè)置5個(gè)測(cè)量點(diǎn),如圖4所示。

圖3 振動(dòng)信號(hào)測(cè)量面布置

圖4 振動(dòng)信號(hào)測(cè)量點(diǎn)布置

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

在測(cè)量過(guò)程中安裝可靠的傳感器是信號(hào)采集的基礎(chǔ),實(shí)驗(yàn)所用傳感器的固定方式有M5螺栓連接和粘接2種,粘接包括膠水和蜂蠟。在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)時(shí),與螺栓和膠水相比,蜂蠟粘接具有安裝位置靈活、采集范圍廣、便于拆裝和使用方便等優(yōu)勢(shì),因此選擇牢固可靠的蜂蠟粘接。在安裝時(shí)始終保持傳感器的粘接方向不變,如圖5所示,X軸測(cè)量GIS外殼“膨脹-收縮-膨脹”方向的徑向振動(dòng)、Y軸測(cè)量軸向振動(dòng)、Z軸測(cè)量切向振動(dòng),使用示波器和上位機(jī)記錄振動(dòng)信號(hào),X、Y、Z軸的振動(dòng)信號(hào)分別由示波器的A、B、C 3個(gè)通道采集。實(shí)驗(yàn)時(shí),用“母線-測(cè)量面-測(cè)量點(diǎn)”的形式命名測(cè)點(diǎn)的位置,例如3號(hào)母線測(cè)量面2測(cè)量點(diǎn)1記為測(cè)點(diǎn)“3-2-1”,并在記錄數(shù)據(jù)前進(jìn)行3次重復(fù)預(yù)測(cè)。

圖5 傳感器的安裝

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 時(shí)域特性

圖6為2號(hào)GIS母線上15個(gè)測(cè)點(diǎn)的時(shí)域振動(dòng)波形,以測(cè)點(diǎn)“2-3-1”的時(shí)域振動(dòng)特性為例進(jìn)行逐個(gè)研究可知:從振動(dòng)幅值考察,該位置徑向振動(dòng)最大,切向振動(dòng)次之,軸向振動(dòng)最小;從振動(dòng)相位考察,該位置徑向振動(dòng)和切向振動(dòng)近似正交,并與軸向振動(dòng)反相。

(a)測(cè)點(diǎn)“2-1-1”

由上述分析可知,從單個(gè)測(cè)點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果出發(fā)考察水平母線的整體振動(dòng)行為時(shí),時(shí)域幅值特性是一個(gè)重要的指標(biāo)。盡管3個(gè)方向的振動(dòng)信號(hào)均為正弦型曲線或近似正弦型曲線,但相同測(cè)量面的不同測(cè)量點(diǎn)之間、相同測(cè)量點(diǎn)的不同測(cè)量面之間的信號(hào)幅值均有差別,且存在高度規(guī)律性的穩(wěn)定特征。相同測(cè)量面的5個(gè)位置繞母線筒體均勻分布,從重力方向與外殼切線的角度考察,它們代表了5種具有代表性的受力模式。如圖6所示,從GIS最上方的測(cè)量點(diǎn)1到最下方的測(cè)量點(diǎn)5,徑向振動(dòng)幅值先減小后增大,測(cè)量點(diǎn)1處幅值最大,測(cè)量點(diǎn)3處信號(hào)很小或幾乎沒(méi)有信號(hào),測(cè)量點(diǎn)5處幅值回升但比測(cè)量點(diǎn)1處小。整體來(lái)看,軸向振動(dòng)幅值變化不大,保持穩(wěn)定;切向振動(dòng)幅值的變化規(guī)律與徑向振動(dòng)相反,從GIS最上方的測(cè)量點(diǎn)1到最下方的測(cè)量點(diǎn)5,切向振動(dòng)幅值先增大后減小,測(cè)量點(diǎn)1處幅值最小,測(cè)量點(diǎn)3處信號(hào)達(dá)到峰值,測(cè)量點(diǎn)5處幅值回落但比測(cè)量點(diǎn)1處大。

相同測(cè)量點(diǎn)的3個(gè)位置由于受力模式相同,具有相似的振動(dòng)特性,但由于它們與母線中央的距離不同,振動(dòng)強(qiáng)度存在明顯的規(guī)律性變化。由圖6可知,對(duì)于徑向振動(dòng)和切向振動(dòng),越靠近母線中央,振動(dòng)幅值越大;越靠近母線端蓋,振動(dòng)幅值越小。對(duì)于軸向振動(dòng),其規(guī)律則與測(cè)量點(diǎn)有關(guān):隨著測(cè)量位置越來(lái)越靠近母線中央,在測(cè)量點(diǎn)1處,振動(dòng)幅值減小;在測(cè)量點(diǎn)2處,振動(dòng)幅值略微減小;在測(cè)量點(diǎn)3,4處,振動(dòng)幅值略微增大;在測(cè)量點(diǎn)5處,振動(dòng)幅值增大。總之,軸向振動(dòng)的幅值特性受測(cè)量面和測(cè)量點(diǎn)同時(shí)影響,越靠近GIS上方,越有減小的趨勢(shì);越靠近GIS下方,越有增大的趨勢(shì)。

2.2 頻域特性

GIS表面的振動(dòng)信號(hào)頻率集中在100 Hz左右,圖7展示了測(cè)點(diǎn)“2-1-1”的軸向振動(dòng)頻域圖譜。

圖7 測(cè)點(diǎn)“2-1-1”軸向振動(dòng)頻域圖譜

整體來(lái)看,它代表了絕大部分測(cè)點(diǎn)顯示的頻域特性,但存在兩種差異明顯的特殊情況:特殊情況1是頻率集中在超低頻,以測(cè)點(diǎn)“1-1-3”的徑向振動(dòng)頻域圖譜為例,如圖8所示;特殊情況2是出現(xiàn)占比不小的200,300 Hz的倍頻信號(hào),此時(shí)100 Hz分量不占主導(dǎo),以測(cè)點(diǎn)“1-2-4”的徑向振動(dòng)頻域圖譜為例,如圖9所示。

圖8 測(cè)點(diǎn)“1-1-3”徑向振動(dòng)頻域圖譜

圖9 測(cè)點(diǎn)“1-2-4”徑向振動(dòng)頻域圖譜

經(jīng)統(tǒng)計(jì),在1條水平母線上出現(xiàn)特殊情況1的概率為20%,出現(xiàn)特殊情況2的概率約為5.9%,表明GIS的固有振動(dòng)受環(huán)境因素影響較大。

3 分析與討論

GIS水平母線的振動(dòng)時(shí)域特性與測(cè)量面、測(cè)量點(diǎn)關(guān)系密切,且由1號(hào)GIS和3號(hào)GIS的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,上述規(guī)律適用于一般的GIS水平母線,現(xiàn)從定量的角度考察其變化規(guī)律。

對(duì)于GIS水平母線,一方面,當(dāng)高壓導(dǎo)桿中通過(guò)交變電流時(shí),金屬外殼中將會(huì)產(chǎn)生以渦流為主要形式的感應(yīng)電流,進(jìn)而引起感生電動(dòng)勢(shì);另一方面,由于磁致伸縮效應(yīng),鐵磁性金屬外殼在外磁場(chǎng)作用下尺寸會(huì)發(fā)生改變[18-22],在感生電動(dòng)勢(shì)和磁致伸縮效應(yīng)的共同穩(wěn)定作用下,GIS外殼將以2倍工頻為基頻發(fā)生持續(xù)穩(wěn)定振動(dòng)[15],但由于GIS水平母線質(zhì)量很大,重力的作用減弱了水平方向的振動(dòng),增強(qiáng)了豎直方向的振動(dòng),使得徑向振動(dòng)和切向振動(dòng)表現(xiàn)出如圖6所示的特征。軸向振動(dòng)則是由旁側(cè)氣室的機(jī)械運(yùn)動(dòng)引起的,振動(dòng)信號(hào)從外殼邊緣出發(fā)經(jīng)由盆式絕緣子傳導(dǎo)至測(cè)量氣室,引起軸向的正弦運(yùn)動(dòng),由于水平方向的振動(dòng)不受重力影響,其在各個(gè)測(cè)量位置的幅值大小保持穩(wěn)定。

圖10反映了振動(dòng)峰-峰值的特性,圖中的9條曲線分別代表3個(gè)測(cè)量面上不同方向的振動(dòng)信號(hào)?？梢钥闯?母線筒體的正上方和正下方既取到徑向振動(dòng)的極大值,同時(shí)取到切向振動(dòng)的極小值,兩者表現(xiàn)出相反和互補(bǔ)的特性。對(duì)于軸向振動(dòng),其幅值相對(duì)穩(wěn)定,但在靠近端蓋的位置表現(xiàn)出下降趨勢(shì)。針對(duì)一種振動(dòng)模型單獨(dú)分析可知,隨著測(cè)量面的改變,徑向振動(dòng)和切向振動(dòng)的幅值變化明顯而穩(wěn)定,由于母線軸向連接的其他電力設(shè)備較多,該方向振動(dòng)幅值同時(shí)受測(cè)量面和測(cè)量點(diǎn)影響。

圖10 振動(dòng)峰-峰值特性

振動(dòng)頻域特性與受力模式有關(guān),據(jù)此分析特殊頻域信號(hào)的產(chǎn)生機(jī)理。第一種特殊情況主要出現(xiàn)在測(cè)點(diǎn)1,3,5處,由于該處振動(dòng)信號(hào)取到極大或極小的幅值當(dāng)某軸振動(dòng)信號(hào)過(guò)于微弱時(shí),該方向的主要頻率就可能被周圍環(huán)境產(chǎn)生的超低頻信號(hào)占據(jù),導(dǎo)致如圖8所示情況的出現(xiàn)。第二種特殊情況主要出現(xiàn)在測(cè)點(diǎn)2,4處,由于傳感器的粘接方式始終不變,該位置切線方向與水平和豎直方向的夾角均為45°,導(dǎo)致該處GIS外殼所受重力和電磁力方向相交,力的變化引起相位的變化,同時(shí)考慮斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、支架等其他設(shè)備產(chǎn)生的力的傳導(dǎo)效應(yīng),多個(gè)力的疊加可能會(huì)導(dǎo)致振動(dòng)頻率的變化,出現(xiàn)200,300 Hz等倍頻信號(hào)。

4 結(jié) 論

本文搭建了以三軸加速度傳感器為核心的振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng),在某330 kV變電站開(kāi)展了GIS水平母線振動(dòng)特性的研究,結(jié)論如下:

1)水平母線的振動(dòng)由徑向振動(dòng)、軸向振動(dòng)和切向振動(dòng)合成得到,徑向振動(dòng)描述外殼“膨脹-收縮-膨脹”方向的運(yùn)動(dòng),軸向振動(dòng)表征外殼沿導(dǎo)桿軸向的運(yùn)動(dòng),切向振動(dòng)體現(xiàn)了外殼的扭轉(zhuǎn)特性,使用加速度傳感器能較好測(cè)取其振動(dòng)特性。

2)時(shí)域振動(dòng)特性與測(cè)點(diǎn)位置有關(guān)。對(duì)同一測(cè)量面的不同測(cè)量點(diǎn),由上至下,徑向振動(dòng)幅值先減小后增大,軸向振動(dòng)幅值保持穩(wěn)定,切向振動(dòng)幅值先增大后減小;對(duì)同一測(cè)量點(diǎn)的不同測(cè)量面,越靠近母線中央,徑向振動(dòng)和切向振動(dòng)幅值越大,軸向振動(dòng)則在母線上方有減小的趨勢(shì),下方有增大的趨勢(shì)。

3)絕大部分測(cè)點(diǎn)振動(dòng)信號(hào)頻率集中在100 Hz左右,但存在2種特殊情況:一是頻率集中在超低頻的情況,這與環(huán)境噪聲的淹沒(méi)有關(guān);二是出現(xiàn)占比較大的倍頻信號(hào),這與具有疊加特征的受力模式有關(guān)。