GIS设备非电接触松动缺陷的振动试验研究与特性分析.pdf
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1、GIS设备非电接触松动缺陷的振动试验研究与特性分析屈斌1,张佳成1,张昭宇2,韩旭涛2(1.国网天津市电力公司电力科学研究院,天津300384;2.西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室,西安710049)摘要:气体绝缘组合电器GIS包含设备众多,机械结构复杂,工作时处于高电压、大电流的状态,容易产生机械故障,通过振动检测可对GIS设备机械状态进行判断。为进一步研究GIS设备机械缺陷检测方法,探究设备内非电接触松动缺陷的振动特性,文中在一台550 kV GIS设备上开展振动试验,在试验回路中设置内部屏蔽罩松动和外部地脚螺栓松动两种机械缺陷,通过测量不同状态、不同电流下GIS外壳的振动信号,
2、从时域、频域方面总结振动信号特征和变化规律,并提出基本特征量的提取方法。结果表明GIS设备内部非电接触机械缺陷所产生的异常振动不会引起信号中100 Hz基频分量变化,内部屏蔽罩松动缺陷会导致200 Hz和300 Hz分量的幅值升高;地脚螺栓松动缺陷会导致1 700 Hz以上频率幅值均值升高,随着电流的增加,幅值增大越明显。研究结果补充了GIS设备非电接触机械缺陷检测研究,为设备振动检测试验提供了新的思路与参考。关键词:气体绝缘组合电器;屏蔽罩;地脚螺栓;机械松动缺陷Research on Vibration Test and Characteristic Analysis of Nonelec
3、tric ContactLooseness Defect of GIS EquipmentQU Bin1,ZHANG Jiacheng1,ZHANG Zhaoyu2,HAN Xutao2(1.State Grid Tianjin Electric Power Co.,Ltd.Electric Power Research Institute,Tianjin 300384,China;2.State Key Laboratory ofElectrical Insulation and Power Equipment,Xi an Jiaotong University,Xi an 710049,C
4、hina)Abstract:Gasinsulated metal enclosed switchgear(GIS)includes many components and has complex mechanicalstructures.It is at the condition of high voltage and high current during the operation,which is prone to mechanicalfault.The mechanical status of the GIS equipment can be judged by vibration
5、detection.In order to study further thedetection method of mechanical defects of GIS equipment and explore the vibration characteristics of nonelectriccontact looseness defects in the equipment,the vibration test on a 550 kV GIS equipment is performed in this paper.Such two types of mechanical defec
6、ts as looseness of internal shield and external anchor bolt are set in the test circuit.Through measuring the vibration signal of GIS enclosure under different conditions and currents,the characteristics and changes of the vibration signals are summarized from the time domain and frequency domain,an
7、d the extraction method of the basic feature quantities is proposed.The results show that the abnormal vibration generated bythe nonelectrical contact mechanical defect inside the GIS equipment will not cause the 100 Hz fundamental frequency component to change in the signal,and the internal shield
8、looseness defect will cause the amplitude of the 200 Hzand 300 Hz components to increase;the anchor bolt looseness defect will cause the average value of the frequencyamplitude above 1 700 Hz to increase,and the amplitude increases more obviously with the increase of the current.The research results
9、 complement the research on nonelectric contact mechanical defect detection of GIS equipment,and provide new idea and reference for vibration detection tests of equipment.Key words:gas insulated metalenclosed switchgear;shielding cover;anchor bolts;mechanical loose defects第59卷第8期:013601452023年 8月16日
10、High Voltage ApparatusVol.59,No.8:01360145Aug.16,2023DOI:10.13296/j.10011609.hva.2023.08.016_收稿日期:20230302;修回日期:202305050引言随着电网电压等级的不断提高,电力系统对运行设备的可靠性、紧凑性、便于维护性等要求越来越 高,气 体 绝 缘 组 合 电 器(gas insulated metal enclosed switchgear,GIS)因满足以上要求,自20世纪60年代中期开始得到迅速发展1-13,但GIS机械结构复杂,具有高电压、大电流的工作特点,在现场安装和长期运行中,由
11、于人为操作、零部件老化和环境变化等原因会导致设备逐渐出现严重的机械故障14-15。相关文献表明,近几年GIS现场事故中,机械性缺陷在 GIS 事故诱因中占比很高16-18。2013 年甘肃某220 kV变电站运行时某110 kV侧出线间隔GIS隔离开关发生一起因合闸不到位引起的短路事故,导致GIS隔离开关动、静触头及分子筛完全烧毁,线路停运,从而引发了严重的现场事故,造成巨大的经济财产损失19;某220 kV变电站110 kV GIS母线状态异常,是由于B相支撑绝缘子金属嵌件制造尺寸高于正常相,导致安装屏蔽罩后金属嵌件高于屏蔽罩外表面,从而造成B相屏蔽罩未能与母线有效压紧20;此外,某220
12、kV GIS设备在运行过程中产生异响缺陷,解体检查表明引起该次设备异响的原因为GIS母线卡簧松动,在电磁力的作用下设备内部导体振动引起21。GIS设备故障原因统计见图1。图1GIS设备故障原因统计Fig.1Statistics of GIS equipment failure causes当GIS存在如隔离开关触头接触不良、屏蔽罩松动和紧固螺栓松动等机械性缺陷时,其会在交流电流产生的电动力作用下产生异常振动22-23。GIS的异常振动会逐渐改变其本身的机械结构,导致部分器件老化、劣化或松动,从而引发设备故障24-26。目前针对GIS设备机械缺陷的检测主要集中于设备内的电接触松动机械缺陷。刘媛等
13、在实际设备上模拟GIS隔离开关不同程度的接触不良缺陷,试验研究了针对此类机械缺陷的检测技术27;冯俊宗在一台 110 kV GIS 设备上模拟多种实际 GIS 运行状态,获得不同运行状态下GIS隔离开关的振动特性28;日本学者Youichi Ohshita等在GIS触头模型上进行接触不良缺陷下外壳振动的试验,研究了不同接触状态和电流大小对振动信号的影响29。然而,目前针对GIS设备内的非电接触类松动缺陷的检测研究较少,长期的设备振动可能使外部紧固螺栓松动,造成气体泄漏;会对绝缘子和绝缘柱的内部结构造成损害;振动也会引起内部屏蔽罩等绝缘器件松动,影响设备外壳接地和内部导电回路接触的牢固状态,进而
14、可能引发较严重的绝缘性故障,造成巨大的经济损失30-31。所以针对GIS设备非电接触类机械缺陷的检测能够提前预防较为严重的机械或绝缘故障发生,保证GIS的安全运行。文中通过试验研究了GIS设备非电接触松动缺陷的振动特征并由此提出诊断方法。基于550 kVGIS试验平台开展研究,对内部屏蔽罩松动缺陷和外部地脚螺栓松动两种典型缺陷情况下的设备振动信号时域、频域特性进行分析,并提取信号中的幅值特征量和算法特征量进行对比研究,总结振动信号的基本特征,实现对典型非电接触松动缺陷的定性分析。文中的研究为GIS设备机械缺陷检测提供了试验参考,补充了针对非电接触松动缺陷的振动特性研究,对及时发现和消除GIS潜
15、在性机械缺陷,完善设备维护水平,提高设备的运行可靠性,具有重要的现实和科学意义。1550 kV GIS设备机械振动检测试验系统1.1振动检测设备文中使用的振动加速度测量系统由压电式加速度传感器、集成的信号采集处理单元和上位机组成。加速度传感器将测量到的GIS振动信号传输到信号采集处理集成单元中,经该单元预处理后输送到上位机数据处理软件中,上位机将完成对该信号的时域和频谱显示及初步特征参量计算等功能。所使用的压电式加速度传感器参数见表1。表1压电式加速度传感器参数Table 1The parameters of piezoelectricacceleration sensor参数分辨率频率范围/
16、Hz无阻尼固有频率/kHz量程安装谐振频率/kHz灵敏度/(mVg-1)对地绝缘电阻/最大承受加速度工作温度/C重量/g数值0.000 04g14 0002116.7g16300108150g-4012095开关设备屈 斌,张佳成,张昭宇,等.GIS设备非电接触松动缺陷的振动试验研究与特性分析 1372023年8月第59卷第8期文中采用的信号处理单元能够实现信号的滤波和放大,滤波器是14 kHz的低通滤波器;放大器可进行160倍放大;采集单元是一个采样率为250 kHz的AD转换器,其精度高,能读取16位有效数字并通过USB线将信号数据传入上位机来进行处理和分析。1.2550 kV GIS振动
17、试验平台1.2.1大电流发生器GIS设备振动主要由大电流产生,为了模拟实际GIS振动情况,文中通过一台大电流发生器为试验提供可变电流,见图2。图2(a)为升流器实际接线,将图中红色示意的大绕组套在GIS套筒上,构成发生器一次侧,将GIS回路视作发生器二次侧,构成图2(b)所示的电路原理图,一次侧绕组匝数远大于二次侧绕组匝数,所以输入稍高电压较低电流可以在回路中产生低电压大电流以满足试验要求。大电流发生器的电流最高可升至5 000 A,文中试验最大升到2 000 A。图2试验升流器结构Fig.2The structure of power current transformer1.2.2550
18、kV GIS试验平台GIS试验平台见图3(a),平台涵盖了断路器、隔离开关、电流互感器、电压互感器、避雷器、接地开关、快速接地开关等所有GIS关键单元,可同时施加680 kV工频耐压和5 000 A大电流,真实模拟实际GIS设备的运行情况。图3(b)为该平台中文中的实验回路结构,在其中设置了外部地脚螺栓松动缺陷和内部屏蔽罩松动缺陷。1.3试验方案文中设置了内部屏蔽罩松动缺陷和外部地脚螺栓松动缺陷,通过振动测量系统测量不同电流下每种缺陷引起的GIS振动信号,比对时域和频域信号,得出不同缺陷下振动信号的基本特性。试验中的电流步长为100 A,最高升到2 000 A。1.3.1内部屏蔽罩松动缺陷试验
19、文中在550 kV GIS试验平台一段转角母线上设置屏蔽罩松动的缺陷模型,见图4,图4(a)是转角母线的屏蔽罩,由上下两半球组成,分别通过一个紧固螺栓固定在导体上,本次试验通过松动两个紧固螺栓,使上下半球能够活动至图4(b)所示,缺陷设置完成。图4(c)为试验中的采集面,文中通过给出采集面上的一个测量点的时域、频域图来描述该缺陷的基本特性。图4内部屏蔽罩松动缺陷设置Fig.4Internal shield loose defect setting图3550 kV GIS试验平台Fig.3550 kV GIS test platform 1381.3.2外部地脚螺栓松动缺陷试验通常GIS的地脚螺
20、栓共有4颗,本试验依次松动一边2颗和两边4颗螺栓进行缺陷设置。考虑到现场缺陷设置的可行性,选取一段水平母线下的地脚螺栓进行缺陷的设置,信号测量点选择靠近缺陷位置,其振动信号测量点分布的采集面见图5。图5外部地脚螺栓松动缺陷设置Fig.5External anchor bolt loose defect setting2振动信号的时域、频域特性分析2.1内部屏蔽罩松动缺陷内部屏蔽罩松动缺陷下,GIS设备典型测量点的振动信号时域波形见图6,以1800A下的振动信号为例。图6典型测量点时域波形Fig.6Time domain waveform of typicalmeasurement point由
21、图6可知,不同状态下GIS振动信号时域波形的周期为0.01 s,即基频为100 Hz。正常状态时振动平均幅值是8.1710-3g,屏蔽罩松动时的平均幅值是8.3810-3g。相比较两者时域幅值,屏蔽罩松动缺陷导致时域幅值略有升高,仅是无缺陷的1.03倍。将典型测量点的时域幅值在不同电流下进行比较,统计结果见图7。图7中典型测量点有、无缺陷的两条曲线幅值均随电流幅值增大而升高,且缺陷下的幅值与无缺陷数据近似重叠,说明内部屏蔽罩松动对振动信号时域幅值无影响。图7时域幅值随电流变化Fig.7The varies of time domain signal amplitudewith current图
22、8(a)中基频100 Hz幅值约2.5410-3g,200 Hz幅值约5.8310-4g,300 Hz幅值约4.1710-4g,其他分量幅值较小;图8(b)中基频100 Hz幅值约2.8210-3g,200 Hz幅值约8.3310-4g,300 Hz幅值约6.6710-4g,其他分量幅值较小。相比较两幅频谱图,可以看出屏蔽罩松动缺陷导致基频100 Hz幅值略有升高,约是无缺陷的1.11倍,200 Hz幅值和300 Hz幅值也略有升高,约是无缺陷的1.42倍和1.60倍,其他分量的幅值几乎无变化。屏蔽罩松动缺陷下,将典型测量点振动频谱的100、200、300 Hz的幅值随电流变化统计见图9,图9
23、(a)中100 Hz幅值均值随着电流的增加而升高,两条曲线基本重合,说明缺陷对100 Hz幅值基本无影响;图9(b)中两曲线200 Hz幅值均随电流的增大而升高,且幅值增速也随电流增大而增大,缺陷导致200 Hz幅值较无缺陷升高,且最高幅值是无缺陷的1.60倍,因此该缺陷导致200 Hz幅值和幅值增速均变大明显;图9(c)中典型测量点两曲线300 Hz幅值均随电流增大而升高,增速也随电流增大而增大,最高幅值是无缺陷的1.71倍,该缺陷导致300 Hz幅值和幅值增速均变大。2.2外部地脚螺栓松动缺陷试验针对外部地脚螺栓松动缺陷情况,施加1 800 A的电流,典型测量点的振动信号时域波形见图10,
24、图中振动信号的周期均为0.01 s,图10(a)正常情况下信号平均幅值为5.4210-3g;图10(b)中振动信号平均幅值为5.6210-3g;图10(c)中振动信号平均幅开关设备屈 斌,张佳成,张昭宇,等.GIS设备非电接触松动缺陷的振动试验研究与特性分析 1392023年8月第59卷第8期值为5.6310-3g。相比较三者时域幅值,可以看出地脚螺栓松动缺陷情况下振动时域幅值变化不大,最高仅为无缺陷时的1.03倍。将典型测量点的时域幅值在不同电流下进行比较,统计结果见图11,3条曲线的振动幅值均值均随电流增大而升高,且缺陷下幅值与无缺陷情况相比无明显规律,可见地脚螺栓松动对时域幅值基本无影响
25、。在1 800 A电流下典型测量点振动信号的频谱图见图12,图12(a)中幅值最高在1 500 Hz处,幅值约1.1510-3g;图12(b)中幅值最高在1 600 Hz处,幅值约1.2510-3g;图12(c)中幅值最高在1 800 Hz处,幅值约1.3310-3g,并且3副图中1 500 Hz以上的高频分量均较高。比对3幅频谱图,可以看出随着地脚螺栓松动缺陷严重程度加深,最高幅值频率向高频移动,所以地脚螺栓松动导致高频分量幅值升高,可以以1 700 Hz以上频率幅值的均值作为特征值分析。典型测量点处特征频率幅值均值随电流幅值变化的统计见图13。图13(a)中,3种状态下100 Hz幅值均随
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