今天的主讲嘉宾是西安交通大学李军浩教授，讲课的题目是“基于振动信号分析的GIS机械状态带电检测技术”。

以往对GIS设备带电检测的内容主要是对于局部放电及红外等信号的检测，但是从开关的机械状态这个角度来进行检测比较少见的，这是一个重大的检测技术方面的创新。

电力变压器和GIS，不仅仅是关键的电气设备，还是非常复杂的机械设备。国内几个主要的开关厂---平高、西开等，每年的所招的毕业生里有40%~50%是机械专业的，30%~40%是电气专业的，对于他们而言，机械方面所占的比重更重要一些。

GIS是一个电气设备，运行时会通有电流，当电流达到一定程度就会有电动力。在电动力的作用下，GIS设备是不是会发生振动？电力变压器会产生振动，GIS之前被认为是一个静止的设备，因此不太有人去关注它的振动方面的问题。但是，近年来现场却出现了很多GIS异常振动的一些问题。到底是什么原因导致了GIS的异常振动？所以就有了今天的主题，即：基于振动信号分析的GIS设备的机械状态带电检测技术。

对一个大型的电气设备，要关注它的两个方面：电气和机械。GIS设备是现场组装的，因此不太可能是一个严丝合缝的整体。它有很多接触点，特别是其中的断路器、隔离开关等开关类的设备，触头会频繁的操作。断路器是比较重要的设备，造价比较高，有很多的防护措施。而隔离开关这种设备，价格不高，也不去切断大的电流，但是反复的操作会使它的接触状态发生一些改变。如果在运行中这些接触状态出现了问题，就可能在一些力学的作用下产生异常振动。这个振动如果能够被检测到，就能知道现在的接触状态是什么样。有人可能会问，局部放电的一些检测方法能不能检测到这些异常振动？实际上如果故障发展到一定程度，出现一些悬浮电位等，也有可能检测到，只是这时候已经达到比较严重的程度了。

因此，机械和电气反映了设备状态的两个重要的方面，这两个方面既有联系又有区别。对于电气状态，大家可能更熟悉一点，用局放检测或用一些绝缘实验，在运行中用微水、红外或气体分解产物等去评价它的状态。对于机械方面，目前没有特别好的办法。在现场我们发现了GIS的很多机械方面的问题，原因也非常多。刚才讲到有一些开关类的设备如隔离开关，反复的操作会使它的动静触头可能接触不好。另一个原因就是GIS设备为现场安装，安装品质难以精确控制。GIS里面有很多接触点，现场如果安装质量控制不好，会产生接触上的问题。

GIS设备出现机械缺陷不是一个偶然的事件，这些机械缺陷往往伴随着其他问题的出现。比如，隔离开关触头频繁的摩擦、磨损，就会出现接触上的问题，就会出现悬浮点，就有产生放电的可能。长期的机械振动还会导致密封出现问题，也会使它的机械强度下降。对这些问题，之前考虑得不多。实际上，电气设备的机械状态的问题应该一并考虑。那么怎么样才能在现场做这样的带电检测呢？有什么样的方法、有什么样的特征量能够去表征设备的机械状态？或者说有什么样的方法能够去把设备的机械缺陷检测出来？这就是我们今天的主题。更应该关注的问题是，振动到底是怎样产生的？

GIS在运行时会流过电流，如果是一个三相共体的设备，电流的方向总是不同，三个导体一直受到电动力的作用，运行模型比较复杂。我们重点考虑一个单相的设备。一个单相的设备在运行时，电动力是平衡的，如果完全对中是不受力的。比方隔离开关的动静触头完全紧密接触时是个面接触，这时接触没有问题。一旦接触点出现了问题，没有接触好，面接触变成了点接触，会产生一个电流，会有一个方向的改变，有个收缩力。这时触头就会受力，触头一旦受力，如果它又接触不好，会有一个小的间隙，小的间隙来回不断的碰撞，产生一个非线性的振动。这时会产生一个与激励信号频率所不一样的信号，这个信号被认为是机器缺陷所带来的。实际上，完全对中不会有任何振动，但很难做到，电动力往往会引起振动。

如果不考虑接触出现问题的情况，设备的振动频率一般是100Hz---激励信号的两倍。一旦触头有了一些小的间隙，在里面不断的碰撞，就会产生非线性的振动，就会产生不同于100Hz的分量，这也是对设备的机械缺陷进行判断的一个非常重要的方面。机械缺陷和设备的模态有什么样的关系呢？实际上模态反应的是设备的结构方面的特征，在激励信号频率不变的情况下，模态没有特别大的意义。

利用振动的方法对旋转设备的机械缺陷诊断是比较普遍的方法。采用振动加速度传感器进行振动信号的感知，再对信号进行检测和放大，配上信号采集处理单元、电池和平板电脑，形成一套检测系统。

我们用这种方法做了大量的现场检测和一些实验室的检测。在实验室，验证了触头出现接触问题时的信号特征，是否如之前分析的那样会引起非线性的振动。我们在实验室搭建了这样一个实验平台。一个模拟的GIS，中间有一个隔离开关，两端有两个套管，用升流器直接用一个连线连起来，形成一个回路，给它加不同的幅值的50Hz的电流，人工调节隔离开关的接触状态，从而观察不同的接触状态下振动信号的情况。我们发现在不同的接触状态下，振动信号确实不同。当接触非常紧密时，基本上没有振动。但是随着接触状态慢慢变差，振动信号的幅值会迅速的上升，而且也会出现更多的信号频率---非100Hz的频率。这样也印证了刚才的分析：一旦接触出现问题，电流会使触头受力，引起一个小范围的来回碰撞，产生非线性的信号，导致振动信号出现非激励信号频率的情况。一般来说，对于线性系统，激励源和响应的频率是一致的。如果出现了非线性因素，会出现和激励信号不一样的频率的分量。

这种方法比较简单，就是采用一个加速度传感器，对信号进行采集放大处理，然后显示和分析。在实验室我们还做了振动方面的试验，包括检测位置对振动影响的试验，电流电压影响的试验，还有振动的传播情况试验，还做了一些屏蔽罩松动和固定的螺栓松动的振动曲线。

在这里讲一个现场运行的隔离开关的案例。在某变电站的一个隔离开关处，我们在检测时发现出现了一个比较明显的振动，而且它的频谱分布各个分量都有，比较符合实验室的结果。在现场也进行了局放检测和分解产物检测，都没什么问题，只有振动比较明显。之后用X射线照射，发现确实是动静触头没有接触好，把它修复之后就没振动了。这说明如果机械上出现了一些问题，通过振动信号可以比较明显的检测出来。

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以下为互动交流版块。

第一个问题：现场怎样排除干扰？

现场机械振动的干扰不是特别明显，因为振动的频率不是特别高。我们在现场对分相分体的设备进行测试（A、B、C三相都去测），三相的结果互相对比，从而来排除干扰（三相的电流基本相等）。根据我们的经验，如果不是刻意施加干扰，采取振动加速度传感器贴到设备上测试的方法是比较可靠的，因为在现场没有这么大的振动方面的干扰源。

第二个问题：超声的检测和机械振动的关系？

因为超声信号频率范围在20kHz以上，它对测放电信号比较敏感，有时也能测到机械振动信号，但是主要适用范围还是对局放。机械振动主要的频段是在低频段，在几百Hz或者是一、二k的频段。如果用超声传感器测机械振动，很多频率的振动信号是测不到的。刚才提到，如果没有明显的机械缺陷，振动频率应该是100Hz为主；如果有机械缺陷，在别的频率分量上会有显示，这时用超声传感器检测不到。

第三个问题：隔离开关接触良好时主要频率是多少？

实际上对于三相分体的GIS设备，如果安装完全没有问题，没有振动，因为力学上是平衡的。对于三相共体的设备，时刻都在受力，应该会有100Hz的振动，但是要看约束和紧固是否良好。如果没有明显的局部接触方面的问题，即使有一些微弱的振动，应该以100Hz为主，但是如果出现了100Hz之外的分量，就要考虑是不是有机械接触上的问题。因为激励源---电动力是50Hz，振动加速度就是100Hz。所以如果没有非线性的因素，就不会出现别的分量。

第四个问题：用什么传感器测振动？

我们调研过速度传感器、加速度传感器和位移传感器，从灵敏度和频谱范围上考虑，加速度传感器比较合适，所以用的是加速度传感器。

第五个问题：如果检测出比较微小的机械振动信号怎么处理？

如果是100Hz的振动信号，而且幅值比较低，可以不用处理。如果信号确实比较大（根据我们的经验判定），就要多关注，要再看一看绝缘有没有问题。如果大到一定的程度，建议用X光去照射，如果X光确诊了问题就赶紧处理。

第六个问题：断路器的触头怎么样？

只要是接触的，如果触头出现了接触上的问题，都会出现异常振动，这些振动都可以检测到。经验表明，断路器比较昂贵，动作不太频繁，相对而言不会像隔离开关容易出问题。

第七个问题：振动的严重等级怎么划分？

目前还没有明确的标准，还是根据现场普测的经验确定。

第八个问题：加速度传感器能否检测到迟滞阻尼振动？

加速度传感器能够检测到。PT、CT等含有线圈或者铁芯的设备运行过程中肯定有振动信号，需要持续的观测，特别要关注振动信号的变化情况。

第九个问题：加速度传感器检测的振动频率范围是多少？

我们所用的加速度传感器是用0.1Hz到4kHz，基本上机械振动都是在这个频带范围内。

第十个问题：灭弧室内部的故障能否检测到？

要看灭弧室内部的缺陷类型。如果是放电型缺陷肯定检测不到，如果是机械方面的问题，特别是接触方面问题，有可能检测到。

关于基于振动信号分析的带电检测技术，还有许多工作要做，特别是需要确定标准和判断准则，从而进一步促进该项技术的发展和应用。

今天的分享课程到此结束。

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