GIS设备的机械故障原理

陈炫宏+高阳+许傲然

摘 要：电气设备在独立运作时要比组合情况下发生故障的概率要高，从而出现了由母线、电流互感器、电压互感器、隔离开关、断路器、接地开关和避雷器等构成的GIS设备。随着GIS的广泛使用，对其故障研究也更深入，经研究发现，GIS故障主要有两方面成因：第一方面，在制造GIS的过程中，如果有不规则的操作比如漏气、漏油都会导致GIS的故障；另一方面，机械故障也是GIS故障的主要原因，即在密封的高压环境下，组成器件的老化以及器件接触不良所造成的故障。在此情况下，机械故障会造成气体泄漏和绝缘故障等问题，且GIS内部存在断路器和隔离开关等开关动作的设备，所以操作机构的可靠性对GIS设备可靠性至关重要，所以本文介绍了常见机械故障的工作原理以利于检测，从而保证GIS设备的正常运行。

关键词：GIS；机械故障；检测；工作原理

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.19.145

1 引言

为了使GIS电气设备高效率且安全可靠的运行，本文通过对GIS机械故障进行分类，然后从三方面的机械故障进行讨论其工作原理，主要包括电磁力、电动力和铁磁谐振引起的振动；开关操作引起的振动；断路器机械故障引起的振动。

2 电磁力、电动力、铁磁谐振引起的振动

在GIS设备运行过程中由于电磁力和静电力的作用会导致不同程度的震动，同时也反映出不同程度的问题，如果是细微振动就是正常运行现象，如果是异常振动，就说明有故障问题需要检测。

GIS励磁振动是机械振动的一种，通常是由电磁场受力引起的内部设备振动或者金属壳表面的振动，励磁的声音通常为100HZ。振动在外罩和门的部分传播是最快的，当励磁的声音与平时存在明显差异时，第一步应该检测门和外罩部分的零件是否有松动，通常螺栓的松动会导致强烈的共振，从而导致严重的危害。

如果是GIS内部导致的机械振动，就要考虑是否有电气故障发生。GIS的内部元件通常是根据磁通特性进行工作的，主要包括：电压互感器，电磁接触器，电流互感器。在对其进行故障检测时可以通过励磁声音和加速度传感器来判断故障程度。

按照塞瓦定律，当电流通过GIS主回路时，就会在周围产生磁场，从而造成励磁效应，导致金属壳内的零件互相吸引，振动频率随之升高。在电流通过正常三相并列的导体时，导体间就会产生力的作用。当电压加到内部导体上时，金属壳内就会产生由电场导致的场强，内部带电体就会受到静电力的影响。

在高压GIS设备中，并联电容器通常会被安装在断路器端口，用于改善电压分布，当电源电压充足时，电压互感器和并联电容器形成回路，电感随着随着电压互感器的铁心饱和而逐渐减少，减少到一定程度时，电磁式电压互感器就会产生低频电压，此现象被称为铁磁谐振。谐振的发生就会造成电压互感器的异响，从而导致GIS外壳的振动，励磁电流的过大，线圈的发热最终造成短路。而过激磁时，便会导致声音过大的异响。

3 开关操作引起的振动

在GIS设备工作状态下，其开关操作时非常频繁，主要指高压断路器的分合闸设备，它属于瞬动式的机械组件，它的开关过程是把机械所提供的能量非常快速地通过各个部件完成能量的传递。在此程序中所发生的高速撞击，运动和摩擦所形成的振动会导致很大程度的冲击。当内部工作状态发生变化时，内部器件所受的力非常大，同时冲击性强烈，时间极快，衔接部位的器件运作速度也非常快，从而在制动和缓冲过程中造成强烈的撞击，同时此撞击造成的振动也有利于反映信息，利于检测。所以，GIS内部的分合闸操作是否有规律的运作可以通过振动所形成的波形清晰直观的呈现。

动静触头系统是GIS内部至关重要的连接装置，在重复的工作过程中，其内部器件通常按照启动，运动，制动，产生碰撞的顺序运行，此运行状态可以通过传感器检测出振动波形为衰减振动波，呈现出一定的时序性，即反映出机械部件的工作状态，从而实现GIS设备的故障诊断和状态检测。

在机械故障中，一方面为断路器分合闸，另一方面是隔离开关的操作。举例来讲，在GIS事故中，隔离开关的操动机构被换流站的工作人员卸下，经手动操作发现隔离开关的输出力矩锥形齿轮不转动，通过齿轮带动的轴传出的隔离开关现场机械位置指示和辅助接点信号显示，机械位置指示和OWO上都显示拉开到位。但是事实上隔离开关并不到位。

隔离开关传动轴通过电子力矩扳手转动，其力矩在大气压下为6NM，与正常力矩相比存在较大差距。经工作人员的拆卸检查发现，连接部位的转动轴和连接器件受到一定程度地损坏，从而导致隔离开关在工作过程中发生开关卡涩，最终隔离开关的动静触头的间距不够导致击穿现象的发生。

4 断路器机械故障引起的振动

经国际大电网会议的调查显示，在机械故障的事故中，成因为高压断路器所占的比例高达百分之七十，与此同时，断路器是GIS设备内部组成部件的重要部分，操动机构故障和二次控制回路故障分別占比约为3%和29%。其中液压操动机构，电磁操动机构和弹簧操动机构是高压断路器中常见的操动机构。电磁操动机构和弹簧操动机构是最易发生机械故障的，导致弹簧操动机构故障的主要有：螺栓松动，机械部件卡涩，连杆机构和弹簧的变形；导致电磁操动机构故障的主要有：机械卡涩，起订位置和托架位置的不当以及铁心顶杆长度脱落或太长等故障。这些操动机构故障会导致GIS内部组成部件的松动变形或移位损坏。

5 结论

本文介绍了几种常见的GIS机械故障类型，分别为电磁力、电动力、铁磁谐振引起的振动，开关操作引起的振动和断路器机械故障引起的振动，GIS内部是由很多复杂的机械结构组成的封闭系统，所以GIS在运行中可以通过一系列机械声波和电气等信息所传递出的信号来监测GIS设备的运行状态和故障情况。从以上对GIS各种机械故障原理的了解，可以很明确的通过反应出的不同情况来完成GIS设备的安全有效运行。所以，从经济效益以及供电安全可靠性方面考虑，非常有必要对GIS机械故障进行检测及诊断。

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