李曉峰 ，顧朝敏 ，龐先海 ，李天輝 ，章 嘯

（1.國網(wǎng)河北省電力有限公司電力科學研究院，河北 石家莊 050021；2.北京興泰學成儀器有限公司，北京 101102）

0 引言

GIS作為一種可靠的輸變電設(shè)備，因其具有結(jié)構(gòu)緊湊、運行可靠性高和檢修周期長的特點［1-2］，在110kV及以上變電站、電廠中有著廣泛的應(yīng)用。但是，GIS在制造和運輸過程中，其內(nèi)部往往會留下一些小的缺陷，如：金屬微粒、絕緣氣隙、GIS元件或內(nèi)部緊固件出現(xiàn)松動和相對位移等；GIS在現(xiàn)場安裝過程中也可能會出現(xiàn)絕緣損傷、聯(lián)結(jié)、密封失誤、安裝錯位及灰塵、雜物混入等。這些微小的缺陷在GIS運行過程中可能會發(fā)展為危險的放電通道，并最終引起絕緣擊穿事故［3-5］。因此，GIS投入運行前必須進行現(xiàn)場交流耐壓試驗以有效地發(fā)現(xiàn)上述絕緣缺陷［6-13］。

交流耐壓試驗中，一旦發(fā)生絕緣放電擊穿，就需要對放電點進行迅速準確定位。最傳統(tǒng)的方法就是依靠人耳聽覺進行判斷，后來，發(fā)展為根據(jù)放電時的振動監(jiān)測、光學檢測、放電后氣室的氣體成分分析、特高頻或超聲波的在線監(jiān)測等進行定位，并被應(yīng)用于交流耐壓試驗中擊穿點的定位［14-17］?；诔暡ǚǖ膶ｉT用于耐壓試驗擊穿定位的研究及相關(guān)設(shè)備的研制得到廣泛關(guān)注［18-20］。

介紹一種基于超聲波檢測原理的GIS擊穿定位系統(tǒng)，在實驗室完成多種電壓等級下GIS擊穿定位系統(tǒng)的定位功能及準確性研究，通過現(xiàn)場應(yīng)用，成功定位了多起GIS內(nèi)部擊穿故障。

1 GIS擊穿定位系統(tǒng)

1.1 GIS擊穿定位系統(tǒng)方案設(shè)計

現(xiàn)有的GIS擊穿定位系統(tǒng)一般采用基于超聲波監(jiān)測原理的無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。而GIS耐壓試驗現(xiàn)場電磁環(huán)境復(fù)雜，特別是高電壓等級GIS耐壓擊穿時的電弧會對無線信號的傳輸造成較大的干擾。GIS擊穿定位系統(tǒng)方案設(shè)計必須考慮無線通信出現(xiàn)故障時的情況。另外，現(xiàn)有的擊穿定位系統(tǒng)其定位監(jiān)測裝置的傳感器和無線數(shù)據(jù)處理單元之間通過一段較長的同軸電纜連接，發(fā)生閃絡(luò)擊穿時，在沖擊電壓和急劇抬升的地電壓的作用下，兩者之間的電位差異存在導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理單元被擊穿而喪失定位功能的可能。因此，本文GIS擊穿定位系統(tǒng)的方案是以擊穿定位就地監(jiān)測單元為核心，將傳感器、信號處理以及數(shù)據(jù)處理、顯示和無線傳輸集成在一起，采用一體化設(shè)計擊穿定位監(jiān)測單元，每個擊穿定位監(jiān)測單元既可獨立工作，也可與任意數(shù)目的擊穿定位監(jiān)測單元組成無線傳感網(wǎng)絡(luò)，通過筆記本監(jiān)測終端進行擊穿定位測試，系統(tǒng)設(shè)計方案如圖1所示。

圖1 基于無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)腉IS擊穿定位系統(tǒng)

1.2 GIS擊穿定位監(jiān)測單元

GIS擊穿定位監(jiān)測單元結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由超聲波傳感器、信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)處理模塊及人機交互模塊組成。超聲波傳感器用于監(jiān)測GIS內(nèi)部放電擊穿時的信號；信號調(diào)理模塊將超聲波傳感器檢測到的信號經(jīng)過40 dB的前置放大、10 kHz高通濾波、可控制的兩級放大、200 kHz的低通濾波、信號包絡(luò)及模數(shù)轉(zhuǎn)換后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，進入數(shù)據(jù)處理模塊；數(shù)據(jù)處理模塊采集數(shù)字信號，并存儲在存儲器內(nèi)，同時按照ZigBee通信協(xié)議IEEE 802.15.4將數(shù)據(jù)壓縮編碼傳輸?shù)綗o線數(shù)據(jù)接收裝置。

GIS擊穿定位監(jiān)測單元具有人機交互界面，包括LCD顯示屏，1組7段的信號強弱指示燈和功能按鍵。通過功能按鍵可預(yù)先設(shè)置監(jiān)測時的增益倍數(shù)、測定時長和觸發(fā)閾值等參數(shù)。擊穿定位監(jiān)測單元測得的數(shù)據(jù)可直接顯示在LCD屏上，也可通過點亮信號強弱指示燈的數(shù)目來指示超聲信號的幅值大小。LCD顯示界面如圖3所示，可顯示測量信號的時域圖，每屏顯示時間跨度為5 min；也可顯示整個測量過程中最大信號的波形，幅值和時間以及列表顯示5 min內(nèi)每分鐘內(nèi)信號的最大值及其出現(xiàn)時刻。

圖2 GIS擊穿定位監(jiān)測單元的設(shè)計框

圖3 GIS擊穿定位監(jiān)測單元的LCD顯示及功能按鍵界面

GIS擊穿定位監(jiān)測單元具有如下特點：1）超聲波傳感器與數(shù)據(jù)處理單元一體化設(shè)計，安裝方便，能保證測試時定位監(jiān)測單元與GIS罐體位于同一電位上，避免擊穿產(chǎn)生的沖擊電壓和地線反擊電壓損壞定位監(jiān)測單元；2）多樣化的數(shù)據(jù)就地顯示，7段LED信號強度指示燈，指示燈亮燈個數(shù)與信號幅值成正比，簡單直觀，大尺寸的LCD顯示屏，顯示全過程中的最大值、每分鐘內(nèi)的最大值、最大值處的脈沖波形細節(jié)，現(xiàn)場測試時可通過亮燈數(shù)量初步確定擊穿點位置，然后通過顯示屏的幅值和時間數(shù)據(jù)進行幅值比較定位和時差輔助定位；3）每個擊穿定位監(jiān)測單元既可獨立工作，也可與任意數(shù)量監(jiān)測單元組網(wǎng)工作；4）內(nèi)置鋰電池可連續(xù)工作時長達5 h。

1.3 基于ZigBee技術(shù)的無線通信網(wǎng)絡(luò)

ZigBee技術(shù)是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)，主要應(yīng)用于自動控制和遠程控制領(lǐng)域，其模塊化的設(shè)計可方便地嵌入到各種設(shè)備中，利用該技術(shù)可以方便地將大量設(shè)備組成網(wǎng)絡(luò)。GIS擊穿定位系統(tǒng)就是利用該技術(shù)將監(jiān)測終端和擊穿定位監(jiān)測單元陣列連接組成一套無線傳感網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示。安裝在GIS不同位置的擊穿定位監(jiān)測單元作為整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的節(jié)點，監(jiān)測耐壓試驗時GIS內(nèi)部的放電信號，將數(shù)據(jù)通過自組織的無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)測終端，監(jiān)測終端作為網(wǎng)絡(luò)的主節(jié)點管理與各節(jié)點之間的指令下達和測試數(shù)據(jù)的傳輸。

2 GIS擊穿定位系統(tǒng)的實驗室驗證

2.1 尖端缺陷擊穿定位測試

在某試驗大廳開展110 kV GIS模擬缺陷擊穿定位測試，如圖4所示。該GIS內(nèi)部設(shè)置有一尖端，用于產(chǎn)生放電點。試驗1在110 kV GIS母線上2個相鄰氣室的測試點A和B各安裝1個擊穿定位監(jiān)測單元，其編號分別為1號和2號，其中，測試點B距離模擬放電點距離較遠；試驗2將測試點B的擊穿定位監(jiān)測單元2號移至放電點所在的氣室位置C。

圖4 模擬擊穿定位試驗現(xiàn)場

2次試驗均在電壓升至20 kV左右時發(fā)生放電擊穿，如表1所示。試驗1中1號擊穿定位監(jiān)測單元距離放電點近，其測得超聲波信號幅值遠大于距離遠的2號擊穿定位監(jiān)測單元；試驗2將2號擊穿定位監(jiān)測單元安裝于位置C，與放電點處于同一氣室，與1號的距離僅相隔一個絕緣盆子?？梢姶藭r2號擊穿定位監(jiān)測單元較1號擊穿定位監(jiān)測單元測得的信號幅值大，且指示燈點亮數(shù)目多。試驗證明定位監(jiān)測單元測試的幅值大小與其距離放電點的距離增大而減小，該定位監(jiān)測單元可以利用幅值比較的方法進行有效地擊穿點定位。

表1 尖端模擬缺陷下110 kV GIS擊穿定位測試

2.2 工頻耐壓試驗和雷電沖擊試驗下?lián)舸┒ㄎ粶y試

在某高壓開關(guān)廠高壓試驗大廳110 kV GIS，利用該GIS擊穿定位系統(tǒng)進行了工頻耐壓及雷電沖擊試驗條件下的擊穿定位測試并進行了多次重復(fù)，如圖5所示。試驗采用調(diào)節(jié)1號氣室的隔離開關(guān)動靜觸頭間的間距來人為制造放電源和控制放電電壓，調(diào)節(jié)工頻耐壓（125 kV左右）或沖擊耐壓（1 230 kV左右）直至閃絡(luò)放電擊穿。試驗時在與放電點相鄰的6個連續(xù)氣室布置了7個或8個擊穿定位監(jiān)測單元（工頻耐壓試驗未在1號氣室布置），氣室結(jié)構(gòu)與監(jiān)測單元布置如圖5所示。氣室4號與5號之間形成L型轉(zhuǎn)角，由于3號和5號氣室結(jié)構(gòu)較長，各布置了2個監(jiān)測單元。2次工頻耐壓試驗與6次沖擊耐壓試驗擊穿定位測試結(jié)果如表2所示。可見距離放電點最近的監(jiān)測單元測得的信號幅值最大，經(jīng)過一個絕緣盆子后信號衰減非常明顯，平均衰減率接近40%，到達第5個氣室信號基本衰減完。這種明顯的衰減特性使得利用幅值比較法可快速準確地實現(xiàn)擊穿點定位。4號氣室監(jiān)測到的信號略大于距離放電點更近的3號氣室，可能是因為端頭回波和直徑變大所致。說明在現(xiàn)場時，擊穿定位監(jiān)測單元設(shè)備數(shù)量充足的情況下這種轉(zhuǎn)角處可以將監(jiān)測單元布置得更密集一些，避免一旦擊穿發(fā)生在轉(zhuǎn)角處，難以判斷具體在哪個氣室。

圖5 工頻耐壓和沖擊耐壓試驗GIS擊穿定位監(jiān)測單元布置示意

3 GIS擊穿定位的現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 220 kV變電站交流耐壓試驗

在某220 kV變電站交流耐壓試驗中，利用GIS擊穿定位系統(tǒng)，實現(xiàn)擊穿定位點的快速查找，為檢修GIS設(shè)備缺陷和變電站的建設(shè)節(jié)省了寶貴時間。該變電站的耐壓試驗分2個階段進行，第1階段和第2階段在三相上均布置了28個擊穿定位單元，主要分布于各間隔的刀閘、斷路器及母線上。第1階段在三相的耐壓試驗均順利通過。第2階段A相電壓提升到368 kV時發(fā)生了閃絡(luò)擊穿，共有6個測試點監(jiān)測到了明顯的放電信號，其信號指示燈也有不同數(shù)目的點亮。如圖6和表3所示，測試點2監(jiān)測到的信號最強，其附近的幾個監(jiān)測單元也監(jiān)測到放電信號，但均遠低于測試點2。結(jié)果表明，放電可能發(fā)生在測試點2所在氣室的遠端或相隔1個絕緣盆子的概率最大。拆解維修證實擊穿點在II段母線靠近測試點2的筒體附近。

表2 工頻耐壓和沖擊耐壓試驗氣體間隙擊穿定位測試電壓值 mV

圖6 220 kV GIS耐壓試驗擊穿定位測試擊穿定位監(jiān)測單元現(xiàn)場布置

表3 220 kV GIS耐壓試驗擊穿定位測試 mV

3.2 1100 kV特高壓沖擊耐壓試驗

在某1 100 kV變電站第5間隔的沖擊耐壓試驗中，根據(jù)現(xiàn)場試驗情況，使用40個定位監(jiān)測單元對GIS的各個氣室進行監(jiān)測，分別布置到A，B，C三相。A相14個測試點，B，C相各13個測試點。由于A相、C相順利通過試驗，故僅列出B相測試點布置，如圖7所示。

圖7 1 100 kV GIS沖擊耐壓試驗GIS擊穿定位監(jiān)測單元布置示意

B相進行到1 800 kV沖擊試驗時，發(fā)生擊穿。擊穿發(fā)生后，首先查找定位監(jiān)測單元亮燈數(shù)最大處，在圖7所示測試點3對應(yīng)的63號定位單元亮燈數(shù)最多（7個燈全亮），測試點3及其附近的定位監(jiān)測單元指示燈亮燈數(shù)及信號幅值如表4所示。根據(jù)以上測量結(jié)果，初步判斷擊穿發(fā)生在測試點2，3，4之間的母線上。測試點3定位監(jiān)測單元幅值為3 177 mV，是定位單元中最大值，故擊穿點應(yīng)位于測試點3所在母線筒或附近，不會超過測試點2和4。測試點5和4之間相隔一個彎頭和一個封閉的絕緣盆子，信號衰減較大，應(yīng)該不是測試點5所在氣室擊穿。測試點3和4處于同一氣室，相距7 m左右，中間隔一個通盆，幅值為2 023 mV，小于測試點3，因此，擊穿點更靠近測試點3側(cè)。拆解證明在測試點3所在GIS筒體內(nèi)發(fā)生了由毛刺引發(fā)的擊穿放電。

表4 1 100 kV GIS沖擊耐壓試驗擊穿定位測試 mV

4 結(jié)語

介紹了一種基于超聲波原理的GIS擊穿定位系統(tǒng)，實驗室工頻耐壓和沖擊耐壓試驗中依靠幅值比較的方法均準確定位了模擬放電位置。在現(xiàn)場220 kV GIS工頻耐壓試驗和1 100 kV GIS沖擊耐壓試驗中，依靠幅值比較方法實現(xiàn)了2起放電故障的準確定位。研究表明幅值比較定位方法是耐壓試驗擊穿定位的有效方法，為GIS擊穿定位設(shè)備廠家采用何種原理定位提供了一定參考。