摘要：气体绝缘开关设备是当今输电网络中一种应用广泛的电气设备。与传统的敞开式设备相比较，GIS具有结构紧凑、可靠性高、安全性强等众多优点，但由于其采用全封闭结构，一旦发生故障，影响范围大并且难以准确定位及快速抢修，将会带来严重的经济损失。因此，对GIS设备进行状态监测十分必要。针对GIS放电性故障和机械性故障产生振动信号的异同，进行了如下工作：本文在分析已有检测技术的基础上，在实验室平台上构建了常见的GIS放电性缺陷模型，并运用针对GIS外壳振动的超声波检测方法获取了典型图谱，分析了图谱特征。
关键词：GIS设备；局部放电；振动特性；机械性缺陷；检测技术
中图分类号：TM855 文献标识码：A
1 引言
与传统的敞开式设备相比较，GIS具有占地面积小、可靠性高、安全性强、运行维护工作量很小等优点，因而被大量使用在重要负荷、枢纽变电站中。但由于其采用全封闭结构，一旦发生故障，影响范围大并且难以准确定位及快速抢修，将会带来严重的经济损失。随着GIS设备逐步在特高压输电网络推广应用，设备故障所造成的影响将进一步加大。近年来，电网公司状态检修工作不断深化，对设备可靠性的要求不断提高，及时、有效发现GIS设备内部潜伏性缺陷，保证GIS设备安全稳定运行、合理安排检修周期成为状态检修模式下的当务之急。
2 GIS设备的特点
（1）GIS适用于不同场合的布置，户外布置十分简便，只须妥善放置并连接好进出线即可使用；户内布置则可依托穿墙套管（架空进线）或电缆筒（电缆进线）连接，极易隐藏于城市内，也适用于大坝或山洞。（2）由于SF6气体不易燃烧，极大地降低了开关设备发生火灾甚至爆炸的几率，使设备运行更加安全、可靠。（3）根据静电屏蔽的原理，利用全封闭式的金属外壳可以有效隔离外界电磁波或噪声的干扰，使其能在电磁环境恶劣的地区运行。（4）通过对配电设备的有机整合与合理分布，使开关设备所需的空间资源得到充分利用，即使电压等级较高，作用也十分明显。
3 GIS缺陷种类
3.1 外来异物及颗粒
在众多引起GIS发生局部发电的缺陷中，异物和颗粒引起的GIS故障占到了总数的五分之一以上。这些异物和颗粒引起放电性故障的机理比较简单。在GIS内部电场的作用下，进入GIS腔体内的异物或颗粒（尤其是金属颗粒）容易带上电荷，并发生移动，一旦电场强度超过某一定值，这些异物或颗粒就会获得足够的动能，与腔体内各种设备发生碰撞，最终形成不规则运动。而这种剧烈运动的结果往往就是局部放电。研究显示，运动的剧烈程度与异物或颗粒本身的属性有关。
3.2 接触不良
一般而言，GIS制造商会通过设计减若部分重要区域的电场强度（如采用静电屏蔽），避免由于电场强度过大而造成敏感部件的损坏。为达到这一个目的，需要在GIS内部设置可以改变电场分布的部件。部件一般有两个设计要求，一是不能通过负荷电流，即与连接部件间采取轻负载接触，二是采用金属材料，以便带电位来改变电场分布。然而，这种设计却容易因为GIS开关频繁动作或设备老化而变得松散，即部件连接处出现接触不良的缺陷。这种缺陷引起局部放电机理如下：连接导体的部件带有电位，却因为接触不良，与导体间形成类似于电容充放电的现象。该现象伴随电、热、声等效应，增加了间隙击穿的速度。另外，间隙中频繁放电也会产生多种化学杂质，也是产生局部放电的因素之一。
3.3 金属突起物
由于在制造及安装过程中，容易出现工艺不良、碰撞损坏等现象，可能造成GIS内各种金属部件表面凹凸不平或产生“尖突”。
这些“尖突”会改变GIS内部的场强分布，造成部分区域电场强度过大。而然在实际运行中，却没有发生太多由金属突起物引起的局部放电故障，这是因为在GIS正常运行时，GIS内部仍能承受工频电压电流产生的电晕效应，而线路一旦发生雷击过电压或操作过电压，将会使该区域场强突增，从而引起故障。
4 GIS外壳振动信号在机械性故障诊断中的应用
4.1 振动信号的分类
通常而言，振动分析有三个要素：一是研究对象，比如机械设备，我们将其整体作为研究的系统；二是激励或输入，它可能存在于系统内，即由系统本身运动引起，称为自激，也可能是外力的作用。三是响应或输出，即系统在激励或输入的作用下作出的运动或状态。可以这么认为，响应等于激励乘以系统结构函数。可见，要对机械设备进行机械性故障的诊断，必须掌握与上述三要素相关的各种信息。一般而言，机械性缺陷都会影响系统本身的结构函数，但不排除也会产生一种自激现象。对系统本身结构函数的掌握是展开研究的基础。同时，要对外界影响因素有充分的认识，由于不可能将外界输入函数全部计算或工作量十分多，因此尽可能在研究中应采取措施进行屏蔽，不能屏蔽的因素必须纳入分析（包括检测时的自发输入）。诊断的核心部分还是对振动情况，也就是响应或输出进行检测，获取测量信号在进行分析计算、类型判断，以及振动源定位。
4.2 振动参数及其选择
一般来说，通过记录物体在初始时刻到终止时刻的整个振动过程，可以计算出速度和加速度这另外两个参数。一般而言，在实际应用中，都是通过检测动态位移来判断其余两个参数。振动速度是指物体在振动的运动形式中，运动快慢的程度。在完成一次往复运动的过程中，物体不同时刻、不同位置的振动速度是不一样的。通常在初始时刻动能为零、速度为零，在平衡位置动能最大、速度最大，当改变运动方向时，动能再次为零、速度为零。也就是说，完成一次往复运动，振动速度要经历变大、变小、再变大、再变小的过程。振动加速度是指物体在振动的运动形式中，振动速度改变快慢的程度。在完成一次往复运动的过程中，振动加速度在振动速度为零时达到最大，在平衡位置等于零。
4.3 传感器的选择
位移传感器主要是电涡流式的，电涡流式位移传感器一般都是采取非接触的方式测量振动信号，而不适合直接粘贴在GIS的外壳上，所以测量系统中不能选用位移传感器来测量GIS外壳的振动信号。速度传感器主要是电动式的，它灵敏度高，输出为电压信号，后续的放大器设计起来比较容易。但它的频宽主要集中在1000Hz以内，也不能满足测量GIS外壳振动的要求。加速度传感器从大类上可分为压电式、应变式和伺服加速度传感器。压电式与应变式相比较，压电式加速度传感器应用更为广泛，就自重来说，小到2g，大到500g，安装谐振频率比较高，有足够的频宽，使用者可以根据测量要求合理选择。
5 结束语
我国经济进入发展的平稳期，但由于变电站建设征地难、投入大、工期长，负荷需求的增长速度仍然高于变电站的建设速度，这造成了我国结构性缺电的问题相当严重。由于拥有诸多优点，GIS设备的迅速投入为变电站的建设提供了极大的便利。但GIS设备的可靠运行却也成了一个必须有效控制的方面。对GIS设备进行状态监测和检修已经是日常运维中不可或缺的环节。
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