GIS擊穿定位系統(tǒng)及其在耐壓試驗(yàn)中的應(yīng)用

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(xué)研究院，河北 石家莊 050021；2.北京興泰學(xué)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(yùn)行可靠性高和檢修周期長的特點(diǎn)［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(yùn)輸過程中，其內(nèi)部往往會(huì)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(dòng)和相對(duì)位移等；GIS在現(xiàn)場安裝過程中也可能會(huì)出現(xiàn)絕緣損傷、聯(lián)結(jié)、密封失誤、安裝錯(cuò)位及灰塵、雜物混入等。這些微小的缺陷在GIS運(yùn)行過程中可能會(huì)發(fā)展為危險(xiǎn)的放電通道，并最終引起絕緣擊穿事故［3-5］。因此，GIS投入運(yùn)行前必須進(jìn)行現(xiàn)場交流耐壓試驗(yàn)以有效地發(fā)現(xiàn)上述絕緣缺陷［6-13］。

交流耐壓試驗(yàn)中，一旦發(fā)生絕緣放電擊穿，就需要對(duì)放電點(diǎn)進(jìn)行迅速準(zhǔn)確定位。最傳統(tǒng)的方法就是依靠人耳聽覺進(jìn)行判斷，后來，發(fā)展為根據(jù)放電時(shí)的振動(dòng)監(jiān)測、光學(xué)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(jìn)行定位，并被應(yīng)用于交流耐壓試驗(yàn)中擊穿點(diǎn)的定位［14-17］?；诔暡ǚǖ膶ｉT用于耐壓試驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室完成多種電壓等級(jí)下GIS擊穿定位系統(tǒng)的定位功能及準(zhǔn)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(jì)

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(yàn)現(xiàn)場電磁環(huán)境復(fù)雜，特別是高電壓等級(jí)GIS耐壓擊穿時(shí)的電弧會(huì)對(duì)無線信號(hào)的傳輸造成較大的干擾。GIS擊穿定位系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)必須考慮無線通信出現(xiàn)故障時(shí)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(shí)，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(hào)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(jì)擊穿定位監(jiān)測單元，每個(gè)擊穿定位監(jiān)測單元既可獨(dú)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(jìn)行擊穿定位測試，系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(hào)調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)處理模塊及人機(jī)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(shí)的信號(hào)；信號(hào)調(diào)理模塊將超聲波傳感器檢測到的信號(hào)經(jīng)過40 dB的前置放大、10 kHz高通濾波、可控制的兩級(jí)放大、200 kHz的低通濾波、信號(hào)包絡(luò)及模數(shù)轉(zhuǎn)換后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，進(jìn)入數(shù)據(jù)處理模塊；數(shù)據(jù)處理模塊采集數(shù)字信號(hào)，并存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器內(nèi)，同時(shí)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(jī)交互界面，包括LCD顯示屏，1組7段的信號(hào)強(qiáng)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(shí)的增益倍數(shù)、測定時(shí)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(diǎn)亮信號(hào)強(qiáng)弱指示燈的數(shù)目來指示超聲信號(hào)的幅值大小。LCD顯示界面如圖3所示，可顯示測量信號(hào)的時(shí)域圖，每屏顯示時(shí)間跨度為5 min；也可顯示整個(gè)測量過程中最大信號(hào)的波形，幅值和時(shí)間以及列表顯示5 min內(nèi)每分鐘內(nèi)信號(hào)的最大值及其出現(xiàn)時(shí)刻。

圖2 GIS擊穿定位監(jiān)測單元的設(shè)計(jì)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(diǎn)：1）超聲波傳感器與數(shù)據(jù)處理單元一體化設(shè)計(jì)，安裝方便，能保證測試時(shí)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(hào)強(qiáng)度指示燈，指示燈亮燈個(gè)數(shù)與信號(hào)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(xì)節(jié)，現(xiàn)場測試時(shí)可通過亮燈數(shù)量初步確定擊穿點(diǎn)位置，然后通過顯示屏的幅值和時(shí)間數(shù)據(jù)進(jìn)行幅值比較定位和時(shí)差輔助定位；3）每個(gè)擊穿定位監(jiān)測單元既可獨(dú)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(shí)長達(dá)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(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，其模塊化的設(shè)計(jì)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(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)，監(jiān)測耐壓試驗(yàn)時(shí)GIS內(nèi)部的放電信號(hào)，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(diǎn)管理與各節(jié)點(diǎn)之間的指令下達(dá)和測試數(shù)據(jù)的傳輸。

2 GIS擊穿定位系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證

2.1 尖端缺陷擊穿定位測試

在某試驗(yàn)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(diǎn)。試驗(yàn)1在110 kV GIS母線上2個(gè)相鄰氣室的測試點(diǎn)A和B各安裝1個(gè)擊穿定位監(jiān)測單元，其編號(hào)分別為1號(hào)和2號(hào)，其中，測試點(diǎn)B距離模擬放電點(diǎn)距離較遠(yuǎn)；試驗(yàn)2將測試點(diǎn)B的擊穿定位監(jiān)測單元2號(hào)移至放電點(diǎn)所在的氣室位置C。

圖4 模擬擊穿定位試驗(yàn)現(xiàn)場

2次試驗(yàn)均在電壓升至20 kV左右時(shí)發(fā)生放電擊穿，如表1所示。試驗(yàn)1中1號(hào)擊穿定位監(jiān)測單元距離放電點(diǎn)近，其測得超聲波信號(hào)幅值遠(yuǎn)大于距離遠(yuǎn)的2號(hào)擊穿定位監(jiān)測單元；試驗(yàn)2將2號(hào)擊穿定位監(jiān)測單元安裝于位置C，與放電點(diǎn)處于同一氣室，與1號(hào)的距離僅相隔一個(gè)絕緣盆子。可見此時(shí)2號(hào)擊穿定位監(jiān)測單元較1號(hào)擊穿定位監(jiān)測單元測得的信號(hào)幅值大，且指示燈點(diǎn)亮數(shù)目多。試驗(yàn)證明定位監(jiān)測單元測試的幅值大小與其距離放電點(diǎn)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(jìn)行有效地?fù)舸c(diǎn)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(yàn)和雷電沖擊試驗(yàn)下?lián)舸┒ㄎ粶y試

在某高壓開關(guān)廠高壓試驗(yàn)大廳110 kV GIS，利用該GIS擊穿定位系統(tǒng)進(jìn)行了工頻耐壓及雷電沖擊試驗(yàn)條件下的擊穿定位測試并進(jìn)行了多次重復(fù)，如圖5所示。試驗(yàn)采用調(diào)節(jié)1號(hào)氣室的隔離開關(guān)動(dòng)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(yàn)時(shí)在與放電點(diǎn)相鄰的6個(gè)連續(xù)氣室布置了7個(gè)或8個(gè)擊穿定位監(jiān)測單元（工頻耐壓試驗(yàn)未在1號(hào)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(hào)與5號(hào)之間形成L型轉(zhuǎn)角，由于3號(hào)和5號(hào)氣室結(jié)構(gòu)較長，各布置了2個(gè)監(jiān)測單元。2次工頻耐壓試驗(yàn)與6次沖擊耐壓試驗(yàn)擊穿定位測試結(jié)果如表2所示?？梢娋嚯x放電點(diǎn)最近的監(jiān)測單元測得的信號(hào)幅值最大，經(jīng)過一個(gè)絕緣盆子后信號(hào)衰減非常明顯，平均衰減率接近40%，到達(dá)第5個(gè)氣室信號(hào)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(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)擊穿點(diǎn)定位。4號(hào)氣室監(jiān)測到的信號(hào)略大于距離放電點(diǎn)更近的3號(hào)氣室，可能是因?yàn)槎祟^回波和直徑變大所致。說明在現(xiàn)場時(shí)，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(gè)氣室。

圖5 工頻耐壓和沖擊耐壓試驗(yàn)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(yàn)

在某220 kV變電站交流耐壓試驗(yàn)中，利用GIS擊穿定位系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)擊穿定位點(diǎn)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(shí)間。該變電站的耐壓試驗(yàn)分2個(gè)階段進(jìn)行，第1階段和第2階段在三相上均布置了28個(gè)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(yàn)均順利通過。第2階段A相電壓提升到368 kV時(shí)發(fā)生了閃絡(luò)擊穿，共有6個(gè)測試點(diǎn)監(jiān)測到了明顯的放電信號(hào)，其信號(hào)指示燈也有不同數(shù)目的點(diǎn)亮。如圖6和表3所示，測試點(diǎn)2監(jiān)測到的信號(hào)最強(qiáng)，其附近的幾個(gè)監(jiān)測單元也監(jiān)測到放電信號(hào)，但均遠(yuǎn)低于測試點(diǎn)2。結(jié)果表明，放電可能發(fā)生在測試點(diǎn)2所在氣室的遠(yuǎn)端或相隔1個(gè)絕緣盆子的概率最大。拆解維修證實(shí)擊穿點(diǎn)在II段母線靠近測試點(diǎn)2的筒體附近。

表2 工頻耐壓和沖擊耐壓試驗(yàn)氣體間隙擊穿定位測試電壓值 mV

圖6 220 kV GIS耐壓試驗(yàn)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(yàn)擊穿定位測試 mV

3.2 1100 kV特高壓沖擊耐壓試驗(yàn)

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

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

B相進(jìn)行到1 800 kV沖擊試驗(yàn)時(shí)，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(diǎn)3對(duì)應(yīng)的63號(hào)定位單元亮燈數(shù)最多（7個(gè)燈全亮），測試點(diǎn)3及其附近的定位監(jiān)測單元指示燈亮燈數(shù)及信號(hào)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(diǎn)2，3，4之間的母線上。測試點(diǎn)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(diǎn)應(yīng)位于測試點(diǎn)3所在母線筒或附近，不會(huì)超過測試點(diǎn)2和4。測試點(diǎn)5和4之間相隔一個(gè)彎頭和一個(gè)封閉的絕緣盆子，信號(hào)衰減較大，應(yīng)該不是測試點(diǎn)5所在氣室擊穿。測試點(diǎn)3和4處于同一氣室，相距7 m左右，中間隔一個(gè)通盆，幅值為2 023 mV，小于測試點(diǎn)3，因此，擊穿點(diǎn)更靠近測試點(diǎn)3側(cè)。拆解證明在測試點(diǎn)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(yàn)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(shí)驗(yàn)室工頻耐壓和沖擊耐壓試驗(yàn)中依靠幅值比較的方法均準(zhǔn)確定位了模擬放電位置。在現(xiàn)場220 kV GIS工頻耐壓試驗(yàn)和1 100 kV GIS沖擊耐壓試驗(yàn)中，依靠幅值比較方法實(shí)現(xiàn)了2起放電故障的準(zhǔn)確定位。研究表明幅值比較定位方法是耐壓試驗(yàn)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。