詹江楊，孫 翔，邵先軍，劉浩軍，王文浩

（國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014）

252 kV GIS狀態(tài)仿真及故障診斷平臺(tái)的構(gòu)建

詹江楊，孫 翔，邵先軍，劉浩軍，王文浩

（國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014）

針對(duì)GIS設(shè)備故障仿真試驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)建展開研究，設(shè)計(jì)開發(fā)了一套完整間隔的252 kV GIS設(shè)備故障仿真試驗(yàn)系統(tǒng)。該仿真試驗(yàn)系統(tǒng)具備金屬尖端、懸浮電位、微粒等典型GIS局放缺陷的多源實(shí)物模擬功能，同時(shí)集成了特高頻、超聲、光學(xué)以及脈沖電流法等局放檢測手段，可針對(duì)局放信號(hào)特性、傳播特性開展全面綜合的檢測分析和診斷評(píng)估研究。

GIS；局部放電；實(shí)物仿真；多源局放；傳播特性

0 引言

GIS（氣體絕緣組合電器）是電網(wǎng)中的重要設(shè)備，具有運(yùn)行可靠性高、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)。隨著我國GIS運(yùn)行年限的增加，GIS內(nèi)部缺陷導(dǎo)致的絕緣事故時(shí)有發(fā)生。當(dāng)GIS中存在缺陷時(shí)，會(huì)產(chǎn)生局部放電（以下簡稱局放）現(xiàn)象，通過對(duì)局放的檢測可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備缺陷。在實(shí)驗(yàn)室中通過構(gòu)建GIS設(shè)備故障仿真試驗(yàn)系統(tǒng)，并在缺陷設(shè)置單元中設(shè)置人工缺陷，可以有針對(duì)性地對(duì)放電特性、放電譜圖等進(jìn)行研究，對(duì)于現(xiàn)場檢測結(jié)果的分析及人員培訓(xùn)具有重要意義。目前國內(nèi)外相關(guān)研究通常是在單一GIS試驗(yàn)段上進(jìn)行，少見在整個(gè)GIS間隔中進(jìn)行，但實(shí)際上GIS發(fā)生局放時(shí)，GIS的結(jié)構(gòu)對(duì)特高頻及超聲波等檢測方法均有重要影響。因此針對(duì)GIS設(shè)備故障仿真試驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)建展開研究，在充分考慮各種局放檢測方法特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，研究包括完整間隔252 kV GIS設(shè)備、成套升壓和升流裝置的GIS設(shè)備故障仿真試驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)建方法具有重要意義。

1 GIS仿真平臺(tái)研究現(xiàn)狀

目前國內(nèi)外多家機(jī)構(gòu)和GIS生產(chǎn)廠家均建立了GIS仿真試驗(yàn)平臺(tái)，其部分實(shí)物圖片如圖1所示[1-2]?；贕IS仿真試驗(yàn)平臺(tái)，學(xué)者們針對(duì)GIS典型局放缺陷的檢測、定位、診斷、分析進(jìn)行了大量的研究[3-12]。邵先軍等人開展了UHF傳感器GIS局部放電檢測特性的實(shí)驗(yàn)研究，比較了內(nèi)置式、外置式和抽取式環(huán)形UHF傳感器在不同頻段和不同放電模式下的檢測靈敏度[3]；丁登偉等人開展了GIS中典型局部放電的特高頻信號(hào)頻譜特征及傳播特性的研究[4]，提出了優(yōu)化的特高頻檢測的頻帶選擇；Imagawa H，Okabe S等人重點(diǎn)研究了GIS中典型局部放電的特高頻信號(hào)在GIS腔體傳播過程中的折反射過程和模式轉(zhuǎn)變規(guī)律[7-9]。

現(xiàn)有GIS仿真試驗(yàn)平臺(tái)多為單一GIS試驗(yàn)段，可實(shí)現(xiàn)一些典型單一GIS局放缺陷的模擬和測試，但是對(duì)于GIS實(shí)際及運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)的多源局放缺陷缺少相應(yīng)的仿真模擬能力；同時(shí)實(shí)際GIS具有復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行局放檢測定位時(shí)信號(hào)往往經(jīng)過了 L型、T型結(jié)構(gòu)，單一GIS段難以對(duì)局放信號(hào)在復(fù)雜結(jié)構(gòu)中的傳播特性進(jìn)行有效模擬；另一方面，現(xiàn)場針對(duì)GIS的局放檢測手段主要包含特高頻、超聲或SF6氣體分解產(chǎn)物分析，難以對(duì)局放缺陷進(jìn)行定量分析。針對(duì)上述問題，設(shè)計(jì)開發(fā)了一套完整間隔的252 kV GIS設(shè)備故障仿真試驗(yàn)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)針對(duì)金屬尖端、懸浮電位、微粒等典型GIS局放缺陷的多源局放模擬，同時(shí)平臺(tái)集成了特高頻、超聲、光學(xué)以及脈沖電流法等檢測手段，可對(duì)局放信號(hào)特性、傳播特性進(jìn)行全面綜合的檢測分析和診斷評(píng)估。

圖1 現(xiàn)有部分GIS仿真平臺(tái)

2 GIS仿真平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)和功能

GIS仿真平臺(tái)整體布置如圖2所示，主要由GIS本體、控制系統(tǒng)、調(diào)壓系統(tǒng)、局放模擬和檢測診斷系統(tǒng)組成。GIS本體尺寸為9.24m×3.88m×4.73m，主要由試驗(yàn)腔體、隔離開關(guān)、出線套管、耦合電容器和TV（電壓互感器）、電流互感器組成。其中試驗(yàn)腔體包含5個(gè)獨(dú)立水平腔體、3個(gè)獨(dú)立垂直腔體和1個(gè)缺陷盆式絕緣子專用腔體。所有試驗(yàn)腔體長度均為1 m，兩側(cè)水平位置分別設(shè)置1個(gè)特高頻局放傳感器和石英玻璃觀察窗，可對(duì)每個(gè)腔體進(jìn)行特高頻局放檢測和光學(xué)檢測，同時(shí)每個(gè)腔體均配置了1個(gè)SF6氣體閥門，可實(shí)現(xiàn)對(duì)腔體壓力的獨(dú)立控制和監(jiān)控。5個(gè)水平腔體導(dǎo)桿正下方分別設(shè)置不等間距的螺紋孔，可實(shí)現(xiàn)模塊化局放模型的接入和試驗(yàn)。隔離開關(guān)主要有2個(gè)三工位隔離開關(guān)和1個(gè)單相隔離刀閘，如圖2中DES1，DES2，DES3所示，其中DES1主要對(duì)出線套管進(jìn)行隔離和接地，DES2主要對(duì)試驗(yàn)腔體和TV進(jìn)行隔離和接地，DES主要用于將缺陷盆式絕緣子腔體進(jìn)行隔離和接地。耦合電容器電容量300 pF，主要用于脈沖電流法的局放測試。

調(diào)壓系統(tǒng)主要包含1臺(tái)15 kVA的單相變頻調(diào)壓電源，輸出電壓0～150 V，最大輸出電流不小于150 A，輸出頻率45～120 Hz連續(xù)可調(diào)，具備手動(dòng)面板控制和通信協(xié)議控制2種控制方式。試驗(yàn)時(shí)平臺(tái)通過TV進(jìn)行反向加壓。

控制系統(tǒng)主要分為就地控制和遠(yuǎn)程控制2種方式。就地控制主要通過就地匯控柜實(shí)現(xiàn)，可完成隔離開關(guān)的分/合閘操作以及氣體壓力、溫/濕度、開關(guān)狀態(tài)量等監(jiān)測狀態(tài)量的實(shí)時(shí)監(jiān)測和讀取。同時(shí)就地控制柜與主控平臺(tái)通過網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議進(jìn)行連接，所有功能均可通過主控平臺(tái)進(jìn)行遠(yuǎn)程操作和監(jiān)視。

圖2 GIS仿真平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)

局放模擬系統(tǒng)主要包含盆式絕緣子缺陷模擬模塊和母線缺陷模擬模塊，可開展存在開裂、氣泡和毛刺等缺陷的盆式絕緣子缺陷以及金屬尖端、懸浮電位、顆粒舞動(dòng)等母線缺陷的局放特性模擬。

局放檢測系統(tǒng)集成了電學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)和化學(xué)檢測模塊，可采用特高頻法、脈沖電流法、紫外紅外光譜法、超聲法和SF6氣體分解產(chǎn)物分析法等多種局放檢測手段，對(duì)缺陷的局放特性和傳播特性進(jìn)行綜合檢測分析研究。

3 典型功能介紹

3.1 多源局放模擬功能

目前針對(duì)GIS設(shè)備內(nèi)部單一局放源的檢測、定位等工作已有不少研究成果和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，但GIS設(shè)備在運(yùn)行過程中難免會(huì)出現(xiàn)多個(gè)局放源共存的現(xiàn)象，此時(shí)基于單一局放源的檢測理論會(huì)產(chǎn)生較大的測量誤差，造成分析誤判。因此，為更有效地開展GIS設(shè)備內(nèi)部絕緣狀況的缺陷診斷，十分有必要開展GIS設(shè)備內(nèi)部多源局部放電的多信息融合識(shí)別與狀態(tài)評(píng)估技術(shù)研究。

在仿真平臺(tái)中，5個(gè)水平試驗(yàn)腔體、3個(gè)垂直試驗(yàn)腔體均設(shè)置了觀察手孔，中心導(dǎo)桿均預(yù)留了螺紋孔，可在任意一個(gè)腔體中進(jìn)行自由局放模型和模塊化局放模型的設(shè)置?？稍O(shè)置局放缺陷包括高壓導(dǎo)體針尖、外殼尖刺、懸浮金屬顆粒以及盆式絕緣子裂縫、氣泡、雜質(zhì)等典型GIS設(shè)備局放缺陷，可實(shí)現(xiàn)針對(duì)GIS設(shè)備中不同類型、不同位置、不同嚴(yán)重程度的多源局放缺陷模擬。

3.2 特高頻局放信號(hào)標(biāo)定功能

特高頻局放檢測法是通過對(duì)局放過程中產(chǎn)生的特高頻電磁波信號(hào)的檢測分析來對(duì)設(shè)備缺陷進(jìn)行檢測分析和定位，因其具有較高的檢測靈敏度和抗干擾性能被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)場GIS設(shè)備的帶電及在線局放檢測。但是局放產(chǎn)生的UHF信號(hào)波形僅受放電電流變化率影響，與放電量的變化沒有直接關(guān)系，且僅能給出以幅值（mV）或能量（dBm）為單位的UHF信號(hào)大小，無法提供GIS內(nèi)部真實(shí)放電量的信息，而放電量的大小往往能直接反映內(nèi)部缺陷的嚴(yán)重程度。因此，探索UHF信號(hào)與視在放電量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即UHF信號(hào)的標(biāo)定，是目前急需解決的問題。為此，在仿真平臺(tái)中增加了GIS結(jié)構(gòu)式的耦合電容器，可采用脈沖電流法對(duì)局放信號(hào)進(jìn)行檢測，并對(duì)特高頻信號(hào)進(jìn)行局放量的標(biāo)定。耦合電容器電容量300 pF，可滿足脈沖電流法檢測精度要求。

3.3 缺陷盆式絕緣子局放模擬功能

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，GIS內(nèi)部的絕緣缺陷主要包括表面自由金屬顆粒、高壓導(dǎo)體尖刺、殼體尖刺、絕緣子表面臟污及內(nèi)部缺陷等方面，目前對(duì)于高壓導(dǎo)體和殼體表面的諸如尖刺、金屬顆粒等局放缺陷研究較多，但因盆式絕緣子被固定于設(shè)備中無法進(jìn)行自由更換，因此對(duì)于盆式絕緣子內(nèi)部裂縫、氣泡、雜質(zhì)等缺陷的研究目前仍不充分。針對(duì)這一點(diǎn)，仿真平臺(tái)單獨(dú)設(shè)置了一個(gè)缺陷盆式絕緣子試驗(yàn)腔體，該腔體位于GIS母線端部，通過單相隔離開關(guān)DES3可實(shí)現(xiàn)與主母線的連接和隔離，因其位于端部，可方便地對(duì)盆式絕緣子進(jìn)行更換，從而可對(duì)不同缺陷類型的盆式絕緣子進(jìn)行局放缺陷的檢測和診斷。

3.4 L型、T型結(jié)構(gòu)下局放信號(hào)傳播特性研究

高頻電磁波在GIS管道中傳播時(shí)，GIS各結(jié)構(gòu)將引起電磁波衰減，包括盆式絕緣子、L形和T形結(jié)構(gòu)、隔離開關(guān)和接地開關(guān)等，同時(shí)特高頻信號(hào)在傳播過程中還會(huì)發(fā)生多次反射和模式轉(zhuǎn)換。單一試驗(yàn)腔體很難對(duì)特高頻及超聲信號(hào)的傳播自特性進(jìn)行模擬。為模擬特高頻型號(hào)在通過L形結(jié)構(gòu)、T形結(jié)構(gòu)和盆式絕緣子、隔離開關(guān)等結(jié)構(gòu)時(shí)的時(shí)域和頻域衰減特性，在該試驗(yàn)平臺(tái)中，對(duì)GIS結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)和布置，5 m的水平腔體和3 m的垂直腔體形成L型傳輸結(jié)構(gòu)，缺陷盆式絕緣子試驗(yàn)腔體與主母線間形成T型傳輸結(jié)構(gòu)，再結(jié)合隔離開關(guān)、接地開關(guān)和盆式絕緣子，試驗(yàn)平臺(tái)基本涵蓋了GIS設(shè)備中特高頻信號(hào)的典型傳播路徑。

設(shè)計(jì)搭建的252 kV GIS仿真試驗(yàn)及診斷平臺(tái)實(shí)物如圖3所示。

圖3 252 kV GIS仿真試驗(yàn)及診斷平臺(tái)

4 結(jié)論

針對(duì)GIS設(shè)備故障仿真試驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)建展開研究，設(shè)計(jì)開發(fā)了一套完整間隔的252 kV GIS設(shè)備故障仿真試驗(yàn)系統(tǒng)。基于該仿真試驗(yàn)系統(tǒng)可開展針對(duì)金屬尖端、懸浮電位、微粒以及盆式絕緣子內(nèi)部裂縫、氣隙等典型GIS局放缺陷的多源實(shí)物模擬功能，結(jié)合特高頻、超聲、光學(xué)以及脈沖電流法等局放檢測手段，可對(duì)GIS設(shè)備局放信號(hào)特性、傳播特性開展全面綜合的檢測分析和診斷評(píng)估研究。

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（本文編輯：徐 晗）

Construction of A Condition Simulation and Fault Diagnosis Platform of 252 kV GIS

ZHAN Jiangyang，SUN Xiang，SHAO Xianjun，LIU Haojun，WANG Wenhao
（State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China）

Through investigation on GIS fault simulation and test system，this paper designs and builds an integrated 252 kV GIS fault simulation and test platform.This platform has function of multi-source physical simulation including metal tip，suspension potential and dust.It also integrates partial detection methods such as UHF method,ultrasonic method，optical detection and pulse current method，and can conduct a thorough and comprehensive detection analysis as well as diagnosis and evaluation research on partial discharge signal characteristics and transmission characteristics.

GIS；PD；physical simulation；multi-source PD；transmission characteristic

TM835.4

B

1007-1881（2016）10-0022-03

2016-03-28

詹江楊（1988），男，工程師，從事變壓器專業(yè)技術(shù)工作。