白涛,牛勃,韩旭涛,吴旭涛,刘威峰,查辉
(1.国网宁夏电力有限公司电力科学研究院,宁夏 银川 750011;2.国网宁夏电力有限公司石嘴山供电公司,宁夏 石嘴山 753000;3.西安交通大学电气工程学院,陕西 西安 710049)
高压组合电器设备(gas insulated switchgear,GIS)自20世纪60年代以来在世界各地推广,并逐渐成为变电站用户首选。其结构紧凑、占地面积小、配置灵活、安装方便,在日常维护方面具有很大的优势[1-3]。但GIS在运行过程中可能产生异常机械振动缺陷,这些源于操作机构卡涩、弹簧断裂、接触异常、局部放电等的机械振动会导致结构件松动[4],诱发局部过热、气体泄漏、绝缘件损坏甚至击穿等,对设备危害极大,因此可以通过检测振动信号对GIS进行故障诊断,而且机械振动检测直接使用传感器在壳体上测取信号,与脉冲电流法[5]、特高频法[5]、超声波法[6]、化学分析法[6]、光测法[7]等针对局部放电的检测手段相比,更适合电力设备机械性振动故障的诊断。
基于振动信号特征量的可靠选取,国内外学者针对GIS机械缺陷的诊断开展了一系列研究。重庆大学丁屹林等在550 kV气体绝缘输电管道大电流激励振动模拟平台开展了正常情况和母线底座松动缺陷时的振动特性对比分析,得到了该类设备的固有振动模态及异响振动特性[8]。冯俊宗等搭建了1台110 kV单相分箱GIS试验平台,对在多种实际GIS运行状态下的GIS振动信号进行研究,为基于振动信号的GIS隔离开关状态诊断提供理论依据[9]。北京航空航天大学冯英等提出了一种多层融合振动数据分析的GIS设备机械缺陷诊断方法,实现了辨识准确率为98.66%的缺陷有效识别[10]。山东大学侯焰针对螺丝松动和金属微粒振动两种常见的机械故障,通过变分模态分解算法从振动信号中可靠提取了对应的特征信息[11]。河海大学臧旭针对GIS母线导电杆松动故障,提出了基于振动检测的故障诊断方法[12]。重庆大学钟尧等基于GIS设备平台开展3种典型机械振动缺陷的模拟,对比分析缺陷在不同负载电流和严重程度联合作用下时频域非线性振动特性的演化规律,建立基于负载率分级的机械缺陷诊断模型[13]。清华四川能源互联网研究院丁登伟等提出利用振动声学图谱区分设备机械故障的方法[14]。李凯等研究了GIS正常运行时的振动机理,从电磁力与磁致伸缩2个方面分析 GIS 正常运行时的振动特性[15]。上述工作为GIS水平母线振动特性的研究提供了思路借鉴和方法遵循。
GIS正常运行时的振动特性是进行可靠振动故障诊断的基础。为了完整描述GIS无缺陷时的机械状态,需要振动机理分析和现场实测数据两方面的相互对照。尽管国内外学者从电磁力的角度出发,针对GIS的振动机理开展了一系列理论、仿真和实验的研究[15-16],但由于缺少现场实测数据,实验大多基于搭建的GIS模拟平台,不同于实际运行中受多种因素影响的电力设备,因此,从实测数据出发进行GIS水平母线振动特性的研究,对于完善GIS振动特性描述,进而通过机械振动检测进行故障诊断具有重要意义。
本文搭建了以三轴加速度传感器为核心的振动检测系统,在某330 kV变电站GIS水平母线上测取正常运行时的振动信号,从时域和频域出发分析实验结果,并在机理层面研究了振动特性的成因。
1.1 振动检测系统
振动检测系统以三轴加速度传感器为核心,包括探头、恒流源、示波器和上位机,如图1所示。
图1 振动检测系统
振动信号由集成电子压电式 (integrated electronics piezo electric,IEPE) 加速度计采集后,经过虚拟示波器显示在上位机,恒流源供给4 mA稳定电流,各部分简述如下。
1)三轴加速度传感器。根据电磁力和磁致伸缩效应,理想情况下GIS腔体外壳在通流导杆的影响下将以2倍工频为基频沿径向发生持续稳定振动,使得GIS整体表现为 “膨胀-收缩-膨胀”的规律运动。实际上,由于GIS母线与两侧端盖、底部支架、其他母线段等部件存在机械连接或电连接,导致振动特性的进一步复杂化,因此,实验采用三轴加速度传感器以探测振动信号的更多细节。所使用传感器的三轴灵敏度分别为0.050 08,0.049 20 V/ms-2和0.050 94 V/ms-2,测量范围为±10 g,使用时通过M5螺栓或胶粘方式固定。
2)恒流源。IEPE传感器自带的放大器需要电流激励,因此,设计了能够稳定输出4 mA电流的恒流源,装置包括LM334芯片、1N457二极管、贴片电阻和可调稳压器(5～24 V)等元件,通过1根Micro-USB数据线连接上位机供电,输出端用1个三通结构连接传感器输出和示波器的采集通道。
3)示波器和上位机。使用USB供电的示波器和上位机分析传感器采集的数据。由于振动信号的频率范围在20 kHz以下,为了在不损失波形信息的同时减少杂波,根据奈奎斯特定律的限制将采样率设置为200 kHz,并加有5 kHz的低通滤波[17]。测量时为保证信号采集的有效性,待波形稳定后每个测点记录3.2 s,保存数据量约为104个。
1.2 测点布置
图2为某330 kV变电站一次回路接线的一部分,DS表示隔离开关,CB表示断路器。在选取测量位置时,不仅需要考虑所选气室的代表性,还应使传感器安装方便,便于调试。经现场分析,满足测量要求的水平母线段位于3号主母线,该气室两侧均设有隔离开关和断路器,且其位于1号主母线和3号主母线的连接处,四周均设有步梯,方便实验中的拆装操作。
图2 试验回路一次接线
为准确采集实际GIS在运行过程中产生的振动信号,需以一定标准确定测点布置方式,以全面反映振动特性的普遍特点。在实验中,选取3号主母线三相长度分别为3,4 m和5 m的GIS水平母线,内部中心导杆通有345 A交流电流,以端部所在位置为原点,根据对称原则,从端部到母线中央等距离设置3个测量面,如图3所示,每个测量面绕GIS筒体一圈设置5个测量点,如图4所示。
图3 振动信号测量面布置
图4 振动信号测量点布置
1.3 实验方案
在测量过程中安装可靠的传感器是信号采集的基础,实验所用传感器的固定方式有M5螺栓连接和粘接2种,粘接包括胶水和蜂蜡。在现场实验时,与螺栓和胶水相比,蜂蜡粘接具有安装位置灵活、采集范围广、便于拆装和使用方便等优势,因此选择牢固可靠的蜂蜡粘接。在安装时始终保持传感器的粘接方向不变,如图5所示,X轴测量GIS外壳“膨胀-收缩-膨胀”方向的径向振动、Y轴测量轴向振动、Z轴测量切向振动,使用示波器和上位机记录振动信号,X、Y、Z轴的振动信号分别由示波器的A、B、C 3个通道采集。实验时,用“母线-测量面-测量点”的形式命名测点的位置,例如3号母线测量面2测量点1记为测点“3-2-1”,并在记录数据前进行3次重复预测。
图5 传感器的安装
2.1 时域特性
图6为2号GIS母线上15个测点的时域振动波形,以测点“2-3-1”的时域振动特性为例进行逐个研究可知:从振动幅值考察,该位置径向振动最大,切向振动次之,轴向振动最小;从振动相位考察,该位置径向振动和切向振动近似正交,并与轴向振动反相。
(a)测点“2-1-1”
由上述分析可知,从单个测点的实验结果出发考察水平母线的整体振动行为时,时域幅值特性是一个重要的指标。尽管3个方向的振动信号均为正弦型曲线或近似正弦型曲线,但相同测量面的不同测量点之间、相同测量点的不同测量面之间的信号幅值均有差别,且存在高度规律性的稳定特征。相同测量面的5个位置绕母线筒体均匀分布,从重力方向与外壳切线的角度考察,它们代表了5种具有代表性的受力模式。如图6所示,从GIS最上方的测量点1到最下方的测量点5,径向振动幅值先减小后增大,测量点1处幅值最大,测量点3处信号很小或几乎没有信号,测量点5处幅值回升但比测量点1处小。整体来看,轴向振动幅值变化不大,保持稳定;切向振动幅值的变化规律与径向振动相反,从GIS最上方的测量点1到最下方的测量点5,切向振动幅值先增大后减小,测量点1处幅值最小,测量点3处信号达到峰值,测量点5处幅值回落但比测量点1处大。
相同测量点的3个位置由于受力模式相同,具有相似的振动特性,但由于它们与母线中央的距离不同,振动强度存在明显的规律性变化。由图6可知,对于径向振动和切向振动,越靠近母线中央,振动幅值越大;越靠近母线端盖,振动幅值越小。对于轴向振动,其规律则与测量点有关:随着测量位置越来越靠近母线中央,在测量点1处,振动幅值减小;在测量点2处,振动幅值略微减小;在测量点3,4处,振动幅值略微增大;在测量点5处,振动幅值增大。总之,轴向振动的幅值特性受测量面和测量点同时影响,越靠近GIS上方,越有减小的趋势;越靠近GIS下方,越有增大的趋势。
2.2 频域特性
GIS表面的振动信号频率集中在100 Hz左右,图7展示了测点“2-1-1”的轴向振动频域图谱。
图7 测点“2-1-1”轴向振动频域图谱
整体来看,它代表了绝大部分测点显示的频域特性,但存在两种差异明显的特殊情况:特殊情况1是频率集中在超低频,以测点“1-1-3”的径向振动频域图谱为例,如图8所示;特殊情况2是出现占比不小的200,300 Hz的倍频信号,此时100 Hz分量不占主导,以测点“1-2-4”的径向振动频域图谱为例,如图9所示。
图8 测点“1-1-3”径向振动频域图谱
图9 测点“1-2-4”径向振动频域图谱
经统计,在1条水平母线上出现特殊情况1的概率为20%,出现特殊情况2的概率约为5.9%,表明GIS的固有振动受环境因素影响较大。
GIS水平母线的振动时域特性与测量面、测量点关系密切,且由1号GIS和3号GIS的实验结果可知,上述规律适用于一般的GIS水平母线,现从定量的角度考察其变化规律。
对于GIS水平母线,一方面,当高压导杆中通过交变电流时,金属外壳中将会产生以涡流为主要形式的感应电流,进而引起感生电动势;另一方面,由于磁致伸缩效应,铁磁性金属外壳在外磁场作用下尺寸会发生改变[18-22],在感生电动势和磁致伸缩效应的共同稳定作用下,GIS外壳将以2倍工频为基频发生持续稳定振动[15],但由于GIS水平母线质量很大,重力的作用减弱了水平方向的振动,增强了竖直方向的振动,使得径向振动和切向振动表现出如图6所示的特征。轴向振动则是由旁侧气室的机械运动引起的,振动信号从外壳边缘出发经由盆式绝缘子传导至测量气室,引起轴向的正弦运动,由于水平方向的振动不受重力影响,其在各个测量位置的幅值大小保持稳定。
图10反映了振动峰-峰值的特性,图中的9条曲线分别代表3个测量面上不同方向的振动信号。可以看出,母线筒体的正上方和正下方既取到径向振动的极大值,同时取到切向振动的极小值,两者表现出相反和互补的特性。对于轴向振动,其幅值相对稳定,但在靠近端盖的位置表现出下降趋势。针对一种振动模型单独分析可知,随着测量面的改变,径向振动和切向振动的幅值变化明显而稳定,由于母线轴向连接的其他电力设备较多,该方向振动幅值同时受测量面和测量点影响。
图10 振动峰-峰值特性
振动频域特性与受力模式有关,据此分析特殊频域信号的产生机理。第一种特殊情况主要出现在测点1,3,5处,由于该处振动信号取到极大或极小的幅值当某轴振动信号过于微弱时,该方向的主要频率就可能被周围环境产生的超低频信号占据,导致如图8所示情况的出现。第二种特殊情况主要出现在测点2,4处,由于传感器的粘接方式始终不变,该位置切线方向与水平和竖直方向的夹角均为45°,导致该处GIS外壳所受重力和电磁力方向相交,力的变化引起相位的变化,同时考虑断路器、隔离开关、支架等其他设备产生的力的传导效应,多个力的叠加可能会导致振动频率的变化,出现200,300 Hz等倍频信号。
本文搭建了以三轴加速度传感器为核心的振动检测系统,在某330 kV变电站开展了GIS水平母线振动特性的研究,结论如下:
1)水平母线的振动由径向振动、轴向振动和切向振动合成得到,径向振动描述外壳“膨胀-收缩-膨胀”方向的运动,轴向振动表征外壳沿导杆轴向的运动,切向振动体现了外壳的扭转特性,使用加速度传感器能较好测取其振动特性。
2)时域振动特性与测点位置有关。对同一测量面的不同测量点,由上至下,径向振动幅值先减小后增大,轴向振动幅值保持稳定,切向振动幅值先增大后减小;对同一测量点的不同测量面,越靠近母线中央,径向振动和切向振动幅值越大,轴向振动则在母线上方有减小的趋势,下方有增大的趋势。
3)绝大部分测点振动信号频率集中在100 Hz左右,但存在2种特殊情况:一是频率集中在超低频的情况,这与环境噪声的淹没有关;二是出现占比较大的倍频信号,这与具有叠加特征的受力模式有关。
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