杜鋼，熊俊，張若兵

(1.廣州供電局有限公司，廣東 廣州 510620；2.清華大學(xué)深圳研究生院，廣東 深圳 518055)

氣體絕緣全封閉組合電器(gas insulated switchgear，GIS)由斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)、互感器、避雷器、母線、連接件和出線終端等組成。這些設(shè)備或部件全部封閉在金屬接地的外殼中，在其內(nèi)部充有一定壓力的SF6絕緣氣體，故也稱SF6全封閉組合電器。GIS不僅在高壓、超高壓領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，而且在特高壓領(lǐng)域也被使用。與常規(guī)敞開式變電站相比，GIS的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、可靠性高、配置靈活、安裝方便、安全性強(qiáng)、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)和維護(hù)工作量小，其主要部件的維修間隔不小于20 a。

GIS母線是GIS設(shè)備中最重要的間隔，母線故障失壓會(huì)直接導(dǎo)致掛在母線上的其他間隔跳閘，無(wú)法正常供電?；謴?fù)供電需要進(jìn)行倒母線操作，但會(huì)極大加重電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。因此，需要對(duì)母線故障進(jìn)行快速定位并進(jìn)行檢修。實(shí)際母線和單個(gè)氣室發(fā)生故障后雖可通過SF6氣體成分分析判斷出故障發(fā)生在哪個(gè)氣室，但無(wú)法確認(rèn)故障發(fā)生的具體位置。傳統(tǒng)的內(nèi)部檢測(cè)方法是分段重復(fù)加壓，依靠人的聽覺、經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷，但這種方法不準(zhǔn)確，而且對(duì)設(shè)備絕緣危害較大。

文獻(xiàn)[1-2]提出了通過對(duì)故障時(shí)保護(hù)動(dòng)作電流的分布來定位故障點(diǎn)的思路；文獻(xiàn)[3]結(jié)合GIS設(shè)備的結(jié)構(gòu)，提出了僅利用故障母線支路的零序電流進(jìn)行故障判斷的方法，但這種基于保護(hù)電流的故障判斷的方法只能確認(rèn)故障發(fā)生的隔間，而不能精確確定故障點(diǎn)的位置。

文獻(xiàn)[4]利用GIS內(nèi)部擊穿時(shí)產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)信號(hào)來定位故障點(diǎn)，屬于振動(dòng)法的應(yīng)用。由于檢測(cè)振動(dòng)信號(hào)的有效距離很短，且振動(dòng)信號(hào)頻率低、噪聲高，因此需要大量的振動(dòng)傳感器同時(shí)工作，同時(shí)振動(dòng)法的定位準(zhǔn)確性不如超聲法。目前關(guān)于超聲法的研究主要集中在GIS設(shè)備在工頻電壓下放電的超聲波檢測(cè)上，這種方法使設(shè)備長(zhǎng)期處于危險(xiǎn)電壓下，對(duì)絕緣設(shè)備危害較大，且分析過程較為復(fù)雜[5-6]。

基于以上原因，本文針對(duì)GIS母線高阻故障采用給母線施加脈沖電壓并布置多個(gè)超聲波局部放電(簡(jiǎn)稱“局放”，下同)傳感器進(jìn)行故障定位的方法對(duì)母線故障點(diǎn)進(jìn)行精準(zhǔn)定位。該方法在廣州電網(wǎng)某220 kV變電站進(jìn)行了應(yīng)用，且精確地找到了故障點(diǎn)，從而為該類故障提出了一般性診斷方法。

1 故障判斷方法原理介紹

本文提出對(duì)母線短路故障停電之后外施脈沖電壓，激發(fā)內(nèi)部擊穿故障重現(xiàn)，并輔助以超聲波擊穿定位的方法對(duì)GIS母線故障進(jìn)行精準(zhǔn)定位。GIS設(shè)備發(fā)生內(nèi)部絕緣擊穿，絕緣件絕緣性能下降，絕緣電阻就會(huì)出現(xiàn)3種可能：①是絕緣電阻降低到0，這種現(xiàn)象一般為貫穿性絕緣故障；②是絕緣電阻降低，呈現(xiàn)為高阻故障，這種現(xiàn)象一般為絕緣件局部出現(xiàn)故障，或沿面出現(xiàn)了擊穿現(xiàn)象；③是絕緣電阻基本合格，無(wú)法確認(rèn)是何種絕緣故障。對(duì)于第①種和第③種情況，在不解體的情況下目前尚無(wú)較好的手段進(jìn)行擊穿點(diǎn)定位查找。對(duì)于GIS竣工交接耐壓試驗(yàn)，可以在GIS設(shè)備外殼布置多個(gè)超聲傳感器，在擊穿時(shí)通過幅值比較即可判斷哪個(gè)氣室或絕緣盆子發(fā)生了擊穿故障。但是，運(yùn)行中的GIS設(shè)備擊穿是無(wú)法預(yù)料的，很難在事前開展監(jiān)測(cè)工作。因此，本文擬對(duì)第②種類型的擊穿故障進(jìn)行分析研究，在不解體的情況下，外部施加電壓，使故障點(diǎn)重新產(chǎn)生擊穿現(xiàn)象；同時(shí)在GIS設(shè)備外殼布置超聲傳感器，檢測(cè)GIS設(shè)備擊穿時(shí)的超聲信號(hào)，通過幅值比較判斷GIS設(shè)備擊穿的具體位置，以達(dá)到快速精準(zhǔn)定位，減少停電時(shí)間和檢修工作量的目的。

這種檢測(cè)方法的關(guān)鍵技術(shù)在于兩個(gè)方面：首先，在母線上施加脈沖電壓激發(fā)母線短路故障點(diǎn)產(chǎn)生局部放電或者再次擊穿，一般短路故障點(diǎn)會(huì)呈現(xiàn)出低阻缺陷或者高阻缺陷[7-8]，這需要脈沖電壓發(fā)生裝置有足夠的容量以及能夠輸出足夠高的電壓；其次，布置在母線筒外殼的多個(gè)超聲傳感器能夠檢測(cè)到母線放電或者擊穿信號(hào)，通過幅值大小比較確定故障位置，但這需要超聲傳感器滿足一定的靈敏度且各個(gè)傳感器具有較好的增益一致性。通過脈沖電壓激發(fā)故障點(diǎn)產(chǎn)生放電信號(hào)，并采用多個(gè)超聲傳感器對(duì)放電信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)可以將短路故障點(diǎn)精準(zhǔn)找出[9-12]。

1.1 脈沖電壓發(fā)生回路

脈沖電壓發(fā)生裝置采用已有的電纜故障測(cè)尋車上的高壓脈沖發(fā)生電路[13-14]，如圖1所示。220 V市電通過調(diào)壓器按照一定變比升高電壓，再經(jīng)整流裝置產(chǎn)生直流，電容器進(jìn)行濾波，最后通過球隙開關(guān)動(dòng)作產(chǎn)生高壓脈沖電壓。調(diào)壓器可以調(diào)節(jié)脈沖電壓輸出的大小。球隙開關(guān)每動(dòng)作一次就產(chǎn)生一個(gè)脈沖，連續(xù)動(dòng)作則產(chǎn)生連續(xù)脈沖，電纜試驗(yàn)車操作臺(tái)可對(duì)球隙開關(guān)動(dòng)作時(shí)間進(jìn)行控制，從而控制輸出高壓脈沖的周期[15-18]。該裝置最高可以持續(xù)輸出64 kV高壓脈沖電壓，并具有較大的輸出功率，實(shí)物如圖2所示[19]。車載式脈沖電壓發(fā)生裝置，可以輸出較大容量的高電壓，并具有過流保護(hù)模塊，當(dāng)被試品擊穿時(shí)可以快速跳閘，從而保護(hù)脈沖電壓發(fā)生裝置。

圖1 脈沖電壓發(fā)生電路Fig.1 Pulse voltage generating circuit

1.2 多通道超聲波局放檢測(cè)系統(tǒng)

多通道超聲局放檢測(cè)系統(tǒng)[20-21]，能夠同時(shí)監(jiān)測(cè)多個(gè)超聲傳感器采集到的信號(hào)并實(shí)時(shí)傳輸給上位機(jī)，原理如圖3所示。

圖2 脈沖電壓發(fā)生裝置Fig.2 Pulse voltage generator

圖3 多通道超聲局放檢測(cè)系統(tǒng)原理圖Fig.3 Schematic diagram of multi-channel ultrasonic partial discharge detection system

各個(gè)模塊介紹如下：

a)超聲傳感器。超聲傳感器性能參數(shù)見表1。

表1 超聲傳感器參數(shù)Tab.1 Parameters of ultrasonic sensor

超聲傳感器頻率響應(yīng)曲線如圖4所示。

圖4 傳感器幅頻響應(yīng)曲線Fig.4 Sensor amplitude-frequency response curve

b)就地單元。該單元負(fù)責(zé)對(duì)傳感器輸入的信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換、放大、包絡(luò)、檢波等一系列信號(hào)調(diào)理工作，并根據(jù)上位機(jī)的指令將調(diào)理后的數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸至監(jiān)控終端。

就地單元結(jié)構(gòu)如圖5所示。其中，高速數(shù)字信號(hào)處理器(digital signal processing,DSP)、低功耗單片機(jī)構(gòu)成雙系統(tǒng)，單片機(jī)主要完成電源、通信管理等功能；DSP是數(shù)據(jù)采集、處理的核心，完成數(shù)據(jù)的程控增益、程控濾波、數(shù)據(jù)采集、數(shù)字信號(hào)處理、通信控制以及人機(jī)交互等功能；擴(kuò)展采用FLASH存儲(chǔ)芯片，便于測(cè)試數(shù)據(jù)的大量保存；采用高速高精度高分辨率數(shù)模轉(zhuǎn)換器，解析度和轉(zhuǎn)換時(shí)間得到了充分保障。

就地?cái)?shù)據(jù)采集單元每通道帶寬為1 MHz，輸入靈敏度為0.01 mV，采樣頻率為10 MHz，放大器增益為30～3 000，通信速率為1.92×104bit/s。

FIFO為先入先出存儲(chǔ)器，first input first output的縮寫。

圖5 就地單元結(jié)構(gòu)
Fig.5 In-situ unit structure

c)無(wú)線通信單元。該單元負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)和無(wú)線通信協(xié)調(diào)，一方面負(fù)責(zé)將上位機(jī)指令或參數(shù)設(shè)置等信息發(fā)布給就地單元，指揮就地單元按指令工作；另一方面接收就地單元返回的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，中轉(zhuǎn)給上位機(jī)系統(tǒng)。

d)監(jiān)控主機(jī)。通過安裝在電腦上的上位機(jī)軟件，實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)定、對(duì)就地單元的指令發(fā)布、信號(hào)解析、顯示和故障定位等功能。

該系統(tǒng)根據(jù)通過多個(gè)傳感器信號(hào)的幅值對(duì)比來判斷放電具體發(fā)生的位置，距離放電點(diǎn)越近其信號(hào)幅值越大。在長(zhǎng)母線上布置多個(gè)超聲傳感器進(jìn)行檢測(cè)就可以判斷放電點(diǎn)的位置范圍，從而縮小檢修區(qū)域，降低工作量，如圖6所示。

圖6 母線故障定位超聲傳感器布置示意圖Fig.6 Layout of ultrasonic sensor for bus fault location

2 典型應(yīng)用案例

2015年11月27日，廣州電網(wǎng)某220 kV變電站2號(hào)母線—6號(hào)母線(母線為三相共筒)發(fā)生短路故障，試驗(yàn)人員通過氣體成分測(cè)試鎖定了2號(hào)母線靠近2號(hào)電壓互感器側(cè)氣室的特征氣體驗(yàn)證超標(biāo)，認(rèn)為該段母線存在電弧放電故障。由于該段母線長(zhǎng)達(dá)10 m，無(wú)法進(jìn)一步確定具體放電故障點(diǎn)，開蓋檢修尋找故障點(diǎn)非常麻煩。此后，試驗(yàn)人員采用基于脈沖電壓及超聲檢測(cè)的GIS母線短路故障定位技術(shù)的方法成功找到了放電位置，極大縮小了開蓋檢修范圍，節(jié)省了人力物力。

2.1 特征氣體測(cè)試結(jié)果

母線故障后試驗(yàn)人員對(duì)2號(hào)母線—6號(hào)母線間隔及相連接的間隔氣室進(jìn)行了特征氣體成分測(cè)試，見表2和表3。從表2、表3中的數(shù)據(jù)可以看出： 220 kV 2號(hào)母線靠近2號(hào)電壓互感器側(cè)的氣體成分CO、H2S、SO2的體積分?jǐn)?shù)(分別用“φ(CO)、φ(H2S)、φ(SO2)”表示)分別為4.8 μL/L、29 μL/L 、212 μL/L，其中H2S和SO2的含量嚴(yán)重超過參考值(φ(H2S)、φ(SO2)的參考值分別為2 μL/L、3 μL/L)。因此可以初步判斷故障位置為母線靠2號(hào)電壓互感器側(cè)，其余氣室無(wú)明顯異常。

2.2 母線故障定位

通過對(duì)故障后氣體分析發(fā)現(xiàn)故障氣室為2號(hào)電壓互感器側(cè)。這一段氣室起止為2號(hào)—6號(hào)母線分段間隔至2號(hào)母線氣隔，約為10 m長(zhǎng)。它連接了華聯(lián)乙線間隔、2號(hào)變壓器高壓側(cè)間隔和2號(hào)電壓互感器間隔，涉及的絕緣件較多，逐個(gè)解體排查盲目性較大。為此采用在母線施加脈沖電壓并輔以超聲局放定位的方法對(duì)2號(hào)母線故障位置進(jìn)行定位。

試驗(yàn)首先將2號(hào)及6號(hào)母線與其他間隔通過隔離刀閘斷開，母線被試相接地刀閘接地連片解開，非被試相接地。接地連片與地解開之后，連片與GIS外殼之間通過環(huán)氧板絕緣，確?？梢栽谶B片上注入脈沖電壓。在2號(hào)母線氣體成分超標(biāo)氣室布置局放超聲傳感器，監(jiān)測(cè)各個(gè)位置的超聲局放信號(hào)，以確定放電故障位置。對(duì)2號(hào)和6號(hào)母線間隔氣室進(jìn)行抽真空、充氮?dú)馓幚?，約為1個(gè)大氣壓。在故障母線上施加脈沖電壓，采用高壓電纜將輸出電壓接至2號(hào)電壓互感器間隔地刀接地連片位置，加壓位置如圖7中橢圓框所示，其中一相加壓另外兩相接地。

表2 故障母線間隔及間隔氣室特征氣體測(cè)試結(jié)果(故障前)Tab.2 Test results of fault bus intervals and characteristic gas in gas chambers(before fault)

表3 故障母線間隔及間隔氣室特征氣體測(cè)試結(jié)果(故障后)Tab.3 Test results of fault bus intervals and characteristic gas in gas chambers(after fault)

圖7 母線加壓位置Fig.7 Applied voltage location of GIS bus

2.3 定位結(jié)果

為確定施加高壓脈沖的相序，首先對(duì)故障母線段的相地絕緣電阻和相間絕緣電阻進(jìn)行測(cè)量，測(cè)試結(jié)果見表4。

表4 絕緣電阻測(cè)試結(jié)果Tab.4 Test results of insulation resistance

從表4可以看出：C相絕緣良好，A相絕緣電阻最低，B相絕緣電阻也偏低，A、B相之間的相間絕緣電阻較低。初步判斷故障相可能為A相和B相?？梢赃x擇在絕緣最低的A相施加一定幅值的高壓脈沖電壓，使其產(chǎn)生局放甚至擊穿。

在2號(hào)母線A相接地刀閘位置注入高壓脈沖電壓，沿2號(hào)母線方向布置8個(gè)傳感器。當(dāng)脈沖電壓達(dá)到12 kV時(shí)，2號(hào)母線間隔有明顯的放電信號(hào)和周期性的擊穿現(xiàn)象。在放電點(diǎn)附近的傳感器探頭檢測(cè)到比較明顯的放電超聲脈沖信號(hào)。

對(duì)沿母線筒外殼布置的超聲傳感器測(cè)出的信號(hào)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：2號(hào)母線2號(hào)電壓互感器至2號(hào)母線氣隔段超聲信號(hào)幅值很大，即7號(hào)傳感器信號(hào)幅值較大，并沿著母聯(lián)間隔方向傳感器信號(hào)幅值減弱，即幅值大小排序依次為7號(hào)、6號(hào)、5號(hào)、4號(hào)、3號(hào)、2號(hào)、1號(hào)傳感器。超聲定位結(jié)果判斷故障位置在7號(hào)傳感器附近位置。各個(gè)超聲傳感器信號(hào)時(shí)域幅值如圖8所示。

2.4 解體結(jié)果

基于2號(hào)母線故障定位結(jié)果，從2號(hào)母線氣隔位置開始，對(duì)2號(hào)母線故障氣室進(jìn)行逐步解體檢查，結(jié)果如圖9所示。在2號(hào)母線氣隔2號(hào)電壓互感器側(cè)找到了故障支撐絕緣件和故障導(dǎo)體，這與超聲故障定位的結(jié)果一致。解體發(fā)現(xiàn)，2號(hào)母線氣隔2號(hào)電壓互感器側(cè)最近的支撐絕緣件和一段導(dǎo)體有明顯的故障現(xiàn)象，3個(gè)支撐絕緣件被電弧灼燒，表面有燒黑現(xiàn)象，B相支撐絕緣件支撐的一段導(dǎo)體有融化現(xiàn)象。

圖8 各個(gè)超聲傳感器信號(hào)Fig.8 Ultrasonic sensor signals

圖9 解體展示Fig.9 Disintegration display

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的解體情況，認(rèn)為故障原因?yàn)锽相金屬導(dǎo)體接觸不良，引起接觸電阻超過規(guī)定值。由于GIS設(shè)備的額定電流較大，B相內(nèi)部導(dǎo)電回路的接觸不良處局部溫度增高，進(jìn)而引起接觸部分烙焊或接觸電阻較大的部分發(fā)生過熱融化。融化的金屬液體滴在絕緣件表面，使得絕緣件表面形成懸浮電位，從而發(fā)生放電現(xiàn)象，直至母線擊穿短路。

3 結(jié)束語(yǔ)

GIS母線在變電站中起到了分配負(fù)荷的重要作用。GIS母線故障影響范圍大、涉及面廣，為保證供電可靠性必須快速對(duì)GIS母線故障進(jìn)行精準(zhǔn)定位和檢修處理，從而快速?gòu)?fù)電。本文提出了利用脈沖電壓及超聲檢測(cè)進(jìn)行GIS母線故障定位方法，并通過在廣州電網(wǎng)中某220 kV變電站GIS母線故障檢測(cè)中驗(yàn)證該方法的有效性和可靠性。利用該方法進(jìn)行GIS母線故障定位流程如下：①解開GIS母線接地刀閘連片，分別對(duì)三相開展絕緣電阻測(cè)試；②選擇絕緣電阻偏低的一相施加高壓脈沖電壓，并在故障GIS母線筒沿線布置超聲傳感器；③施加高壓脈沖電壓(不應(yīng)高于運(yùn)行電壓)，直至故障點(diǎn)重復(fù)放電或擊穿，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各個(gè)超聲波局放傳感器檢測(cè)到的信號(hào)；④比較各個(gè)超聲波傳感器檢測(cè)的信號(hào)幅值，故障點(diǎn)位于信號(hào)幅值最強(qiáng)的位置，定位誤差在1 m范圍內(nèi)。