陳凌琦，石雪梅，張李明，萬 磊

(國網(wǎng)安徽省電力有限公司建設分公司，安徽 合肥 230071)

隨著現(xiàn)代電力技術(shù)的不斷發(fā)展，對變電站建設的模塊化程度要求也不斷提高。變電站的模塊化建設核心是貫徹“標準化設計、工廠化加工、裝配式建設、機械化施工”建設理念，推進電網(wǎng)高質(zhì)量和高速度建設，以滿足日益增長的電力需求。各類先進開關設備被廣泛應用于電網(wǎng)工程建設中，其中氣體絕緣開關(Gas Insulated Switchgear, 簡稱GIS)設備是將變電站內(nèi)包括母線、斷路器隔離開關、電壓互感器、電流互感器和接地刀閘等封閉在由六氟化硫氣體作為絕緣的封閉金屬罐體內(nèi)[1]。因為GIS具有占地面積小、可靠性高且安裝快捷等特點物被廣泛應用。隨著城市規(guī)模的不斷發(fā)展和用電量的不斷增加，對于城市內(nèi)作為電力樞紐的500 kV變電站建設需求越來越高，同時城市土地成本提高致使征地面積也越來越嚴苛，因此全電壓等級應用GIS設備已經(jīng)成為勢在必行之策。

隨著投入運行的GIS基數(shù)不斷增大以及設備運行年數(shù)的不斷增加，GIS設備的各類缺陷故障也不斷暴露出來。根據(jù)中國電力科學研究院的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2013—2015年由于GIS設備引發(fā)的電網(wǎng)故障比例分別達到了17.6%，35.7%和45.0%，并且呈現(xiàn)出逐年升高的趨勢。由于GIS設備全封閉的結(jié)構(gòu)特點，其發(fā)生故障后內(nèi)部狀態(tài)難以觀察和獲取。因此，有必要通過對GIS不同故障狀態(tài)下各類運行參數(shù)的測量及差異性分析快速獲取其相關故障信息，為下一步建立故障預警模型奠定基礎。

1 GIS設備故障類型及常規(guī)判別方式

GIS設備故障按照故障發(fā)生位置可分為放電性故障和機械性故障[2]。

放電性故障是在絕緣結(jié)構(gòu)內(nèi)部的氣隙、油膜或者是中低場強去懸浮金屬體的斷續(xù)微電流的挑落或是導體邊緣發(fā)生的非貫穿性放電現(xiàn)象。對放電性故障的檢測技術(shù)主要包括紅外檢測、紫外檢測等光學檢測技術(shù)、SF6分解物檢測的化學檢測技術(shù)以及壓力監(jiān)測、特高頻與超聲波等局部放電檢測技術(shù)、GIS隔離開關氣室X光探測技術(shù)等[3]。其中，以局部放電作為GIS設備絕緣狀態(tài)的一個重要狀態(tài)參數(shù)。因為局部放電與絕緣的劣化和擊穿都有著密切的聯(lián)系，同時當局部放電發(fā)生時又會對設備的絕緣造成進一步損壞，最后惡性循環(huán)導致設備被擊穿。

除了放電性故障，機械性故障也是造成GIS設備故障的主要原因之一。根據(jù)故障統(tǒng)計，GIS的機械性故障率達到了40%。當然機械性故障與放電性故障并不存在明顯界限，部分機械性的缺陷也往往會導致放電性故障的產(chǎn)生。造成機械性缺陷的原因也有很多，有的是由于制造、運輸或裝配過程中的錯誤操作造成，如電暈護罩的松動、開關接觸不良等。其中最為常見的機械故障部位為隔離開關，故障類型主要包括導電回路的故障、傳動機構(gòu)的故障、操作機構(gòu)的故障等。對于機械故障的判別目前主要基于GIS殼體表面的振動信號、檢測分合閘線圈電流大小以及時間與觸頭行程的曲線。

2 GIS設備機械故障與各運行參數(shù)差異性測試

GIS機械故障與隔離開關分合閘過程中的振動信號、電機電流、電機時間-行程等密切相關，開展電機電流、電機時間-行程及振動特性等指標參數(shù)的對比分析，可以找到GIS設備機械故障與運行參數(shù)的關聯(lián)性。

以GIS隔離開關為測試對象，GIS隔離開關通過驅(qū)動電機帶動操作機構(gòu)，實現(xiàn)動靜觸頭的分合。其中，隔離開關操作機構(gòu)由驅(qū)動電機和連桿機構(gòu)等部件組成，而隔離開關的動靜觸頭靠驅(qū)動電機驅(qū)動連桿動作完成可靠的分合閘操作。在執(zhí)行動作時，機械的機構(gòu)瞬變，機構(gòu)動作將伴隨強烈的沖擊與振動；在閉合通電時又長時間不動作，一旦發(fā)生故障，則會要求隔離開關穩(wěn)定動作，實現(xiàn)對隔離開關主設備的開斷。

因一般隔離開關的驅(qū)動電機主要安裝在B相，以電流卡鉗對電機電流進行測試，同時振動信號通過放置于GIS殼體表面的振動傳感器來進行測試。行程曲線則使用旋轉(zhuǎn)編碼器進行測試，布置于隔離開關A相傳動機構(gòu)的軸承處，連接件與軸承相連，高度則與A相傳動機構(gòu)軸承安裝高度一致。

對于GIS隔離開關的機械缺陷主要包括觸頭缺陷、電機缺陷和傳動缺陷3種。其中，本期缺陷通過取走靜觸頭最上面一根彈簧進行模擬；電機缺陷則主要是驅(qū)動電機輸出力不足，通過將輸出功率為300 W的驅(qū)動電機更換為200 W的驅(qū)動電機進行模擬；傳動缺陷則主要是傳動機構(gòu)軸承卡澀，通過增加軸承摩擦力實現(xiàn)。

3 GIS設備故障參數(shù)測試

3.1 電機電流

隔離開關在正常狀況和典型缺陷下的電機電流測試結(jié)果如下。

兩種情況在啟動時均有一個瞬時的大啟動電流，然后在到達額定轉(zhuǎn)速時恢復到電機的額定電流，最后保持幅值恒定的正弦波。

3.2 時間-行程曲線

隔離開關在正常狀況和典型缺陷下的時間-行程曲線的測試結(jié)果如表1和表2所示，包括行程、分/合閘速度和最大速度等。

表1 分閘過程相關參數(shù)測試

表2 合閘過程相關參數(shù)測試

3.3 振動信號

以GIS隔離開關分合閘過程中B相的振動信號說明，在正常狀況下和各類故障條件下，振動信號在電機開始驅(qū)動直至動觸頭動作前都呈現(xiàn)出較為平穩(wěn)的非線性時變特性，而動觸頭的開或者合的過程則出現(xiàn)了沖擊時變特性。

隨著電機停轉(zhuǎn)后GIS隔離開關的機構(gòu)振動信號逐漸衰減為0。

4 結(jié)語與展望

(1)GIS隔離開關各類故障下電機電流與振動信號的對比測試區(qū)分度較差，難以判別是否發(fā)生故障及故障類型。

(2)GIS隔離開關各類故障下時間-行程曲線下各類參數(shù)對比度較好，通過合閘速度、分閘速度和最大速度均可較好區(qū)分不同類型故障。

(3)通過設置觸頭、傳動和電機等典型機械缺陷，對GIS隔離開關正常與典型機械缺陷下分合閘過程中的各種參數(shù)進行了測試，獲取了與GIS隔離開關機械性能密切相關的多組測試數(shù)據(jù)，為獲取機械性能在不同缺陷條件下的相應特征量奠定了基礎。