GIS异响的振动信号特性

摘 要

早期针对GIS振动信号的研究，集中在对其放电性故障的研究上，主要是研究如何通过振动信号进行微粒等放电性故障的检测，其检测频段还是集中在超声频段。而近年来则开始进行通过振动信号的测量来进行其机械故障的检测，特别是特高压工程的建设，更需要对GIS机械故障进行及时检测，那么我们需要对GIS异响的振动信号特性进行分析，汇总。

【关键词】GIS 振动信号

1 GIS受力分析

对于三相分体式GIS，可将母线等效为圆导体。对于长度为l的两根平行圆导体，分别通过电流和，并且=，两导体的中心距离为a，直径为d，当导体的截面或直径d比a小得很多以及a比导体长度l小得很多时，可以认为导体中的电流和集中在各自的几何轴线上流过。

计算两导体间的电动力可以根据比奥—沙瓦定律。计算导体2所受的电动力时，可以认为导体2处在导体1所产生的磁场里，其磁感应强度用B1表示，B1的方向与导体2垂直，其大小为

式中—导体1中的电流所产生的磁场在导体2处的磁场强度

—空气的倒磁系数

则导体2全长上所受的电动力为

同样，计算导体1所受的电动力时，可认为导体1处在导体2所产生的磁场里，显然，导体1所受到的电动力与导体2相等。

由公式可知，两平行圆导体间的电动力大小与两导体通过的电流和导体长度成正比，与导体间中心距离成反比，当两根导体流过电流同方向时，电动力表现为引力，当两个导体方向相反时，电动力表现为斥力。

对于三相分体的GIS，当导体中流过电流时，由于外壳接地，不存在电流，因此导体只存在于自身的磁场中，不会受力，因此单根导体不受电动力的影响。但对于GIS而言，由于目前较长，且存在GIS、隔离开关及断路器等设备，这些设备均通过触头与导杆相连。

尽管触头的接触面看起来很平坦光滑，但它们实际上尽在一些接触斑点上互相接触。当电流流过触头时，由于电流线在接触面附近发生收缩，因而在触头见会出现电动力，这是一种电流自身磁场下作用下的电动力，其相当于变截面载流导体收到的电动力。

触头间的电动力为：

式中D—触头接触面的直径；a—触头接触斑点的半径；F—触头间电动力；Fj—作用在触头上的初压力；—材料变形系数，在0.3-1之间；Hb—透出材料的布式硬度；—真空磁导率。

2 GIS共振频率的计算

GIS的导体是圆形空心导体，其直径一般为0.1-0.15m，导体厚度为0.01-0.015米，外壳直径为0.4-0.55m，厚度为0.006-0.008m。在导体与外壳之间充满SF6气体作为绝缘介质。导体的支撑点是盆式绝缘子。由于GIS导体尺寸较小，刚度小，而外壳尺寸较大，盆式绝缘子的尺寸也较大，刚度也大。绝缘子与导体的刚度比大于1000.导体的支撑点是刚性支撑。对于支撑点间距（跨距）相等的多跨GIS母线，其主频率及振型接近于单跨一阶固有频率f。等跨多跨母线跨距改变时，固有频率f也随之改变。

3 GIS外壳振动信号的测量

3.1 振动信号的分类

机械振动是工程中普遍存在的现象，机械设备的零部件、整机都有不同程度的振动。机械设备的振动往往会影响其工作精度，加剧机器的磨损，加速疲劳破坏；而随着磨损的增加和疲劳损伤的产生，机械设备的振动将更加剧烈，如此恶性循环，直至设备发生故障、破坏。由此可见，振动加剧往往是伴随着机器部件工作状态不正常、乃至失效而发生的一种物理现象。据统计，有60%以上的机械故障都是通过振动反映出来的。因此，不用停机和解体，通过对机械振动信号的测量和分析，就可对其劣化程度和故障性质有所了解。另外，振动的理论和方法比较成熟，且简单易行。所以在机械设备的状态监测和故障诊断技术中，振动检测技术是一种普遍被采用的基本方法。

研究振动问题时，一般将研究对象（如一部机器、一种结构）称为系统；把外界对系统的作用或机器自身运动产生的力，称为激励或输入；把机器或结构在激励作用下产生的动态行为，称为响应或输出。振动分析（理论或实验分析）就是研究这三者间的相互关系。

所谓振动诊断，就是对正在运行的机械设备进行振动测量，对得到的各种数据进行分析处理，然后将结果与事先制订的某种标准进行比较，进而判断系统内部结构的破坏、裂纹、开焊、磨损、松脱及老化等各种影响系统正常运行的故障，依此采取相应的对策来消除故障、保证系统安全运行。振动诊断还包含对其环境的预测，即已知系统的输出及系统的参数（质量、刚度、阻尼等）来确定系统的输入，以判断系统环境的特性，如寻找振源等问题的研究。

振动是物体的一种运动形式，它是指物体在平衡位置上作往复运动的现象。

3.2 振动参数及其选择

振动位移是质量块运动的总的距离，也就是说当质量块振动时，位移就是质量块上、下运动有多远。位移的单位可以用μm 表示。进一步可以从振动位移的时间波形推出振动的速度和加速度值。可以是静态位移，可以是动态位移。通常我们测试的都是动态位移量。有角位移、线位移等。

振动速度是指质量块在振荡过程中运动快慢的度量。质量块在运动波形的上部和下部极限位置时，其速度为0，这是因为质量块在这两点处，在它改变运动方向之前，必须停下来。质量块的振动速度在平衡位置处达到最大值，在此点处质量块已经加速到最大值，在此点以后质量块开始减速运动。振动速度的单位是用mm/s来表示。

振动加速度被定义为振动速度的变化率，其单位是用有多少个m/s2 或 g来表示。由下图可见加速度最大值处是速度值最小值的地方，在这些点处质量块由减速到停止然后再开始加速。

振幅分别用振动位移、振动速度、振动加速度值加以描述、度量，三者相互之间可以通过微分或积分进行换算。实际测量中，根据频率的高低进行检测量的确定。

4 总结

本项目理论分析了GIS单根导体和三相共体结构下的受力情况，并对不同尺寸GIS的共振频率进行了计算；并分析了GIS异响的振动信号特性。

参考文献

[1]邱向群，胡万平.用测振动检测GIS触头接触异常[J].高压电器，1990（04）：56-60.

[2]杨瑞棠.GIS振动分析[J].华通技术，2001（02）：11-14.

作者单位

西安供电公司 陕西省西安市 710032