GIS设备非电接触松动缺陷的振动试验研究与特性分析.pdf

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，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 Nonelectric 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，China）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 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 defects 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，and 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 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 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 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/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 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(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，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。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幅值均随着电流增加而升高，且3条曲线基本重合，说明地脚螺栓松动对100 Hz幅值基本无影响。图13(b)为1 700 Hz以上频率幅值均值统计，1 700 Hz以上幅值均值随电流的增大而升高，松动两颗地脚螺栓时，幅值升高，最高是无缺陷的1.47倍，松动4颗地脚螺栓时，幅值升高，最高可达无缺陷情况下的2.05倍。地脚螺栓松动导致1 700 Hz以上频率幅值均值升高明显，且涨幅随着缺陷严重程度加深而升高。3特征量的提取GIS设备振动信号中包含着丰富的运行状态信息，其特性与GIS机械结构息息相关，因此根据第2节的基本特性，本节主要通过统计学算法对时域幅值和特征频率提取特征量并进行对比研究，采用幅值特征量和算法特征量来描述缺陷特征。幅值特征量是指某频率的幅值大小，可以初步地判断信号的频率变化特征，但这需要不同状态的信号数据作横向比较，难以直接应用于现场试验检测；为进一步图8典型测量点频谱图Fig.8Frequency domain spectrogram of typicalmeasurement point图9特征频率分量的幅值与电流关系Fig.9Relationship between the amplitude of thecharacteristic frequency component and the current 140获得信号中的频率幅值分布情况，文中提出将频谱中的频率占比作为算法特征量，直接从测量信号本身获得频率分布情况，占比为Pfx=A2xy=1002 000A2y(1)根据上文中缺陷的特征频率，分别提取100、200、300、1 700 Hz以上的频率占比，即占比特征量分别有Pf100、Pf200、Pf300、Pf1700。3.1内部屏蔽罩松动缺陷1)幅值特征量。屏蔽罩松动缺陷：200 Hz幅值A200升高，最高是无缺陷的1.60倍；300 Hz幅值A300升高，最高是无缺陷的1.7倍；时域幅值Am、100 Hz幅值A100和1 700 Hz以上频率幅值均值A1700无明显变化。图10典型测量点时域波形Fig.10Time domain waveform of typicalmeasurement point图11时域幅值随电流变化Fig.11The varies of time domain signal amplitudewith current图12典型测量点频谱Fig.12Frequency domain spectrogram of typicalmeasurement point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 1412023年8月第59卷第8期2)算法特征量。振动频谱中特征频率占比统计见图14，图14(a)中两曲线基本重合，100 Hz占比Pf100在不同状态下变化很小，即屏蔽罩松动不会导致100 Hz占比明显变化；图14(b)中屏蔽罩松动缺陷下占比较无缺陷升高，特别是电流大于600 A时，屏蔽罩松动缺陷导致占比较无缺陷大幅升高，最大占比是0.14；整体来说，占比随电流增大先减少后增大；图14(c)中频谱300 Hz占比在负荷电流小于1 800 A时，缺陷曲线基本和无缺陷重合，电流大于1 800 A时，屏蔽罩松动导致300 Hz占比升高，最大是0.99，无缺陷的1.53倍。300 Hz占比特征量识别内部屏蔽罩松动缺陷不明显。此外，因为内部屏蔽罩松动缺陷频谱中1 700 Hz以上频率占比均小于0.01，变化很小，所以该特征量Pf1700在内部屏蔽罩松动缺陷下无明显规律。3.2外部地脚螺栓松动缺陷1)幅值特征量。针对地脚螺栓松动缺陷，1700Hz以上幅值均值A1700升高，松动2颗地脚螺栓时，最高是无缺陷的1.47倍，松动4颗地脚螺栓时，最高是无缺陷的2.05倍；时域幅值Am、100 Hz幅值A100、200 Hz幅值A200和300 Hz幅值A300无明显变化。2)算法特征量。图15(a)中3条曲线基本重叠，100 Hz占比Pf100在不同状态下变化很小，即Pf100在地脚螺栓松动缺陷下无明显变化。由于地脚螺栓松动缺陷频谱中200 Hz和300 Hz的频率占比很小，变化很小，所以特征量Pf200、Pf300同样无明显变化。振动频谱中 1 700 Hz 以上频率占比统计如图15(b)所示，所有状态下占比均随电流的增大而增大，松2颗地脚螺栓占比Pf1700升高，松动4颗地脚螺栓占比Pf1700更高，最大占比是0.6，是无缺陷的2.38倍。综上，在内部屏蔽罩松动缺陷和外部地脚螺栓松动缺陷情况下，对振动信号提取幅值和算法共计图13频率分量幅值随电流变化Fig.13The varies of the frequency component amplitudewith the current图14内部屏蔽罩松动缺陷下频率占比情况Fig.14The proportion of frequency under the loosedefect of the internal shield 1429个基本特征量，并同正常情况下的振动信号进行比对，总结得到的信号特征库见表2。表2基于时域、频域提取的特征库Table 2Feature library based on time domain andfrequency domain extraction特征量类别幅值特征量算法特征量屏蔽罩松动Am不变A100不变A200升高A300升高A1700不变Pf100不变Pf200升高Pf300不变Pf1700不变地脚螺栓松动Am不变A100不变A200不变A300不变A1700升高Pf100不变Pf200不变Pf300不变Pf1700升高由表2可知，与正常情况相比，基频100 Hz相关的特征量未发生变化，说明GIS设备非电接触松动缺陷引起的异常振动不涉及基频100 Hz分量，而电接触机械缺陷会导致振动信号的100 Hz频率分量发生明显变化23，27-28，32，由此可判断设备内机械缺陷是否与回路电流相关；此外当200、300 Hz特征量增加，说明非电接触机械缺陷发生于设备内部，如屏蔽罩松动，若1 700 Hz以上的特征量增加，说明缺陷发生于设备外部，如紧固螺栓松动。4结论文中在所搭建的550 kV GIS试验平台上开展机械振动试验，研究了GIS设备在内部屏蔽罩松动和外部地脚螺栓松动缺陷下的振动信号特征，讨论了GIS设备非电接触松动缺陷的振动特性及诊断方法，所得结论如下：1)GIS 设备非电接触松动缺陷不会导致频谱100 Hz基频幅值变化，其内部的屏蔽罩松动缺陷会导致200、300 Hz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。2)基于各类缺陷下时域、频域的基本特性，通过拟合等算法，提取9个基本特征量，其中5个幅值特征量与电流相关性大，4个频率占比特征量与电流相关性较小。参考文献：1SRIVASTAVA K D，MORCOS M M.A review of some critical aspects of insulation design of GIS/GIL systemsC/2001 IEEE/PES Transmission and Distribution 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bolt looseness 1432023年8月第59卷第8期6王德辉，吴小飞，王伟光，等.基于资源图模融合的离线电网GIS关键技术研究J.电子设计工程，2022，30(6)：122126.WANG Dehui，WU Xiaofei，WANG Weiguang，et al.Research on key technologies of offline power grid GISbased on resource graph model fusionJ.Electronic DesignEngineering，2022，30(6)：122126.7李波，胡秀敏，何志琴，等.X射线无损检测的GIS设备缺陷检测研究J.电子设计工程，2021，29(1)：7882.LI Bo，HU Xiumin，HE Zhiqin，et al.Research on Xray non destructive testing for defects of GIS equipmentJ.Electronic Design Engineering，2021，29(1)：7882.8屈斌，张利，王永宁，等.基于振动信号的GIS机械松动与局部放电诊断方法J.电力科学与技术学报，2021，36(2)：98106.QU Bin，ZHANG Li，WANG Yongning，et al.Study ofmechanical looseness and partial discharge diagnoses ofGIS based on vibration signalsJ.Journal of Electric PowerScience and Technology，2021，36(2)：98106.9王彦彪，陈振勇，郭文萍，等.基于双注意力机制优化CNN架构的GIS局部放电模式识别J.电力科学与技术学报，2022，37(2)：2229.WANG Yanbiao，CHEN Zhenyong，GUO Wenping，et al.PD pattern recognition for GIS based on CNN architectureoptimized by the double attention mechanismJ.Journal ofElectric Power Science and 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