特高壓GIS擊穿定位方法及其應(yīng)用研究

騰　云，趙　科，賈勇勇，陶風(fēng)波，高　山，周志成，關(guān)為民

（1.國網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇南京211103；2.國網(wǎng)江蘇省電力公司檢修分公司，江蘇南京211102）

特高壓GIS擊穿定位方法及其應(yīng)用研究

騰云1，趙科1，賈勇勇1，陶風(fēng)波1，高山1，周志成1，關(guān)為民2

（1.國網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇南京211103；2.國網(wǎng)江蘇省電力公司檢修分公司，江蘇南京211102）

為解決特高壓氣體絕緣開關(guān)設(shè)備（GIS）現(xiàn)場耐壓試驗擊穿定位不準(zhǔn)確的難題，文中梳理了特高壓GIS設(shè)備現(xiàn)場沖擊試驗過程中可以采用的幾種擊穿定位方法，分析了每種方法的優(yōu)缺點。針對較為先進的超聲波定位，介紹了其基本原理及系統(tǒng)組成。并以一個實際應(yīng)用的案例，具體分析了特高壓GIS現(xiàn)場耐壓試驗中基于超聲波探測原理的擊穿判定及定位方法。該方法可為后續(xù)特高壓工程中，特高壓GIS的現(xiàn)場擊穿定位技術(shù)提供一定的參考。

擊穿定位；超聲波檢測方法；特高壓工程；特高壓GIS設(shè)備

近幾十年來，氣體絕緣開關(guān)設(shè)備（GIS）逐漸受到越來越大的關(guān)注。究其原因，一是由于其全封閉的結(jié)構(gòu)特點，使得其結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、運行可靠、維護簡單且基本不受外界環(huán)境影響；二是由于隨著電壓等級的不斷提高，傳統(tǒng)敞開式高壓開關(guān)在實際應(yīng)用中很難保證足夠的絕緣距離，投運后將帶來較大的安全隱患。然而，也正是由于GIS全封閉結(jié)構(gòu)的特點，如果其在投運之后出現(xiàn)故障，后果十分嚴重。通常所有GIS在設(shè)計后制造前都會經(jīng)過復(fù)雜的型式試驗，理論上不會出現(xiàn)由于絕緣強度降低導(dǎo)致?lián)舸┕收稀５窃谏a(chǎn)、存儲、運輸直至最后現(xiàn)場安裝投運過程中，任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)設(shè)備缺陷都會為GIS設(shè)備的運行帶來安全隱患。GIS設(shè)備缺陷主要分為兩大類：一是在設(shè)備本體各部件（導(dǎo)電桿外邊面、筒體內(nèi)表面和絕緣盆子外表面等）出現(xiàn)“毛刺”，引起GIS本體局部電場畸變，導(dǎo)致設(shè)備絕緣強度下降；二是GIS設(shè)備中SF6絕緣氣體中混入灰塵、其他氣體成分、微小雜物等，引起SF6氣體絕緣強度降低［1-3］。

為了盡可能在GIS設(shè)備投運前發(fā)現(xiàn)設(shè)備這些缺陷，需要在設(shè)備出廠試驗以及現(xiàn)場交接試驗中進行GIS耐壓試驗。特別是對于特高壓GIS設(shè)備，其體積龐大，設(shè)備制造、運輸以及現(xiàn)場安裝都更為困難，更容易產(chǎn)生缺陷。另一方面，由于電壓等級越高，設(shè)備出現(xiàn)故障后引起的損失也更為嚴重。也正是由于龐大的體積，耐壓試驗過程中的擊穿定位技術(shù)也更為困難［4-6］。

1　特高壓GIS定位方法的選擇

特高壓GIS設(shè)備體積較為龐大，試驗段長度經(jīng)?？蛇_到百余米。由于現(xiàn)場條件復(fù)雜，耐壓試驗過程中一旦發(fā)生故障，擊穿氣室和擊穿點的準(zhǔn)確定位一直是現(xiàn)場耐壓試驗的難點。如果擊穿后沒能準(zhǔn)確找到放電點，極易導(dǎo)致GIS氣室的錯誤拆卸，影響工程進度。有時甚至需再次加壓，對設(shè)備造成二次損害。GIS耐壓試驗過程中常用的擊穿定位方法主要有人工監(jiān)聽法、低頻振動監(jiān)測法、超高頻監(jiān)測法及超聲波監(jiān)測法［7-10］。

（1）人工監(jiān)聽法。一般在每個GIS氣室附近安排1個或2個試驗人員，通過聽到的聲音判斷擊穿點所在位置。很顯然這種方法極易因試驗人員主觀性的影響，產(chǎn)生誤判或錯判，且準(zhǔn)確性難以保證。

（2）低頻振動監(jiān)測法。GIS設(shè)備擊穿時，SF6分子之間短時間產(chǎn)生劇烈震蕩，進而產(chǎn)生大量幅值較高的低頻聲波。通過在GIS筒體外邊面安置低頻振動監(jiān)測單元盒，當(dāng)聲波的幅值大于這些單元盒預(yù)先設(shè)定好的閾值時，便會發(fā)出提示信號，現(xiàn)場試驗人員再通過觀察提示信號，判斷所在氣室是否發(fā)生擊穿現(xiàn)象。在實際應(yīng)用中，觸發(fā)閾值的選擇十分困難，設(shè)定不當(dāng)極易導(dǎo)致觸發(fā)失敗，或者擊穿點附近多個單元盒同時發(fā)出擊穿信號，且極易受到現(xiàn)場環(huán)境噪聲的干擾。

（3）超高頻監(jiān)測法。擊穿現(xiàn)象發(fā)生時，除了低頻振蕩聲波，還會產(chǎn)生大量帶寬為100～1400 MHz、頻率可達1 GHz的超高頻諧振電磁波。通過在GIS筒體外殼安裝耦合傳感器，在經(jīng)過信號放大器和分析軟件解析，便可以在擊穿現(xiàn)象發(fā)生時確定點位置。該方法靈敏度較高，但同時也需要大量精度較高的超高頻電磁波傳感器，對試驗人員的素質(zhì)和使用成本均較高。

（4）超聲波監(jiān)測法。超聲波是一種頻率高于20 kHz的聲波，該頻率范圍介于低頻振蕩和高頻諧振電磁波之間，具有較高的方向性、良好的穿透能力。當(dāng)GIS內(nèi)部發(fā)生擊穿時，放電點附近的GIS筒體外殼會產(chǎn)生超聲波，而后超聲波會沿著外殼表面朝著2個方向傳播。通過測量GIS外殼每個位置傳感器接收信號的時間順序和幅值便可定位擊穿點所在氣室。該方法既可以排除變電站低頻振動噪聲的干擾，使用成本也比超高頻檢測法低得多，特別適合用于特高壓GIS現(xiàn)場耐壓試驗的擊穿定位。

2　超聲波定位原理及擊穿定位系統(tǒng)

當(dāng)GIS內(nèi)部發(fā)生擊穿放電時，電能在極短的時間內(nèi)釋放出來，將SF6氣體分子分解，電能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能。同時，在放電處產(chǎn)生大量的密度不同的分子成分，如SF4，HF，SO2等。然后這些新生成的分子迅速膨脹，與SF6氣體分子碰撞，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化成機械能。SF6分子又與相鄰的其他SF6分子碰撞，將機械能以波（含超聲波）的形式傳遞出去。此時超聲波有2條主要路徑，如圖1所示。第一條是直接通過SF6分子振蕩到達超聲波傳感器所在位置，另一條是先通過SF6分子振蕩達到最近的GIS金屬外殼，再沿著外殼傳播，并不斷衰減，依次到達每個超聲波傳感器，如：

式（1）中：h為放電點到GIS管壁的垂直距離；β為放電方向與垂直方向的夾角；v1和v2分別為超聲波在SF6氣體中和沿著金屬中的傳播速度。

圖1　基于超聲波檢測原理的無線傳感GIS擊穿定位系統(tǒng)

由于v1（約6000 m/s）遠大于v2（約140 m/s），且超聲波沿著金屬傳播更不易衰減，因而超聲波將通過第二條傳播路徑最快到達傳感器，且可以將β近似為0，再考慮到表征超聲波在金屬中衰減的一維粘性波動方程，超聲波在GIS管壁傳輸過程可進一步改寫。如：

式（2）中：V1為超聲波到達GIS管壁的初始速度；α可以用來描述超聲波振蕩強度隨距離衰減程度，又叫做超聲波吸收系數(shù)；k為波矢量。

根據(jù)式（2），通過測量并計算GIS筒體外表面超聲波傳感器的響應(yīng)時間t和超聲波強度v即可判斷擊穿點所在位置，這2種判別方法分別稱作時差比較法和幅值比較法。

每個超聲波傳感器單元接收到超聲波信號，再經(jīng)信號放大、濾波、數(shù)模轉(zhuǎn)換后，變成數(shù)字信號。帶有超聲波數(shù)字信息的數(shù)字信號會存儲于與傳感器相連的就地存儲單元，并采用無線信號傳輸?shù)礁浇某暡ú杉髦惺占饋?。超聲波采集器與終端控制計算機相連，處理收集到的信息，并判斷擊穿點所在位置。

一種典型特高壓GIS擊穿定位裝置參數(shù)如表1所示。且針對特高壓GIS管母線較長的特點做了優(yōu)化設(shè)計。一是采用可擴展無線節(jié)點功能，可以根據(jù)特高壓GIS實際需求擴展無線節(jié)點數(shù)量；二是無線節(jié)點之間可以互為中繼，擴大了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆秶?；三是自帶就地存儲和顯示功能，可以備份并校驗終端計算機得到的判斷結(jié)論。

表1　典型特高壓GIS擊穿定位裝置參數(shù)

3　特高壓GIS現(xiàn)場擊穿定位試驗實例

在某特高壓變電站1100 kV特高壓GIS設(shè)備現(xiàn)場耐壓試驗過程中，發(fā)生了擊穿現(xiàn)象，通過該方法迅速而準(zhǔn)確地確定了擊穿位置，為設(shè)備的檢查和更換節(jié)省了時間，也驗證了該方法用于特高壓GIS擊穿定位的可行性。如圖2所示，該1100 kV特高壓GIS設(shè)備采用3/2接線方式，本期為1個完整串及3個不完整串，共有出線4回。試驗中所用裝置及測控系統(tǒng)如圖3所示，裝置由沖擊電壓發(fā)生裝置本體、分壓電容、波頭電阻、波尾電阻以及若干連接導(dǎo)線組成，試驗中采用共地接線方式。試驗中的控制信號、電氣信號以及擊穿定位信號統(tǒng)一集成到測量及擊穿定位系統(tǒng)中，以便實時監(jiān)控試驗情況。

當(dāng)對圖2中T043斷路器B相進行耐壓試驗時，GIS內(nèi)部傳出巨大的聲響，初步判定GIS內(nèi)部發(fā)生了擊穿現(xiàn)象，設(shè)備擊穿后，就地定位單元顯示181號、182號、183號傳感器數(shù)值均超過報警值，發(fā)出報警信號，181號幅值最強，182號和183號稍弱。與此同時，終端計算機上超聲波波形出現(xiàn)強烈的振蕩。如圖4所示。181號傳感器接收到的振蕩信號強度v可達2000 mV以上，而182號和183號傳感器接收到的振蕩信號強度v均在500 mV以下，181號傳感器的震蕩強度明顯高于182號和183號傳感器；從響應(yīng)時間t上看，181號傳感器在2 ms左右首先感受到振蕩信號，182號和183號傳感器分別在4 ms和5 ms左右時刻開始出現(xiàn)明顯的振蕩波形。根據(jù)前面的理論分析，并考慮到圖4所示3個傳感器所在氣室的相對位置，可以判定擊穿位置位于182號傳感器所在氣室，且靠近181號傳感器的位置，即18-BUS-3B氣室。打開該氣室檢查后發(fā)現(xiàn)，放電點位于圖4所示位置，驗證了前面的分析。與傳統(tǒng)方法相比，采用該方法可以在擊穿瞬間立刻判定擊穿點所在位置，且精確度更高，避免了二次加壓導(dǎo)致的對GIS設(shè)備損害以及試驗時間的增加。

圖2　擊穿點所在位置

圖3　標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊發(fā)生器及其監(jiān)控系統(tǒng)

4　結(jié)束語

特高壓GIS現(xiàn)場耐壓試驗可以在設(shè)備運行前及時發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部存在的潛在缺陷。擊穿定位是試驗過程中一個十分重要的環(huán)節(jié)。試驗結(jié)果顯示超聲波監(jiān)測法更適合用于特高壓GIS設(shè)備現(xiàn)場耐壓試驗的擊穿定位。通過理論分析，設(shè)計了一種改進的基于超聲波檢測技術(shù)的擊穿定位方法。在某特高壓變電站1100 kV特高壓GIS設(shè)備現(xiàn)場耐壓試驗過程中，采用該方法成功判斷出擊穿點所在位置，有效避免了二次加壓導(dǎo)致的對GIS設(shè)備損害以及試驗時間的增加，成功地解決了特高壓GIS現(xiàn)場耐壓試驗中擊穿定位的難題，為后續(xù)特高壓GIS定位方法的選擇提供了依據(jù)。

圖4　擊穿發(fā)生時刻傳感器相對位置及其超聲波振蕩波形圖

［1］劉振亞.特高壓交直流電網(wǎng)［M］.北京：中國電力出版社，2014：1-11.

［2］周云鋒，張子陽，楊景剛，等.基于超聲波法的GIS盆式絕緣子內(nèi)部氣隙放電特性研究［J］.江蘇電機工程，2012，31（4）：3-8.

［3］侍海軍，王光前，張少炎.GIS現(xiàn)場絕緣試驗技術(shù)［J］.高壓電器，2005，41（1）：55-58.

［4］楊景剛，賈勇勇，趙 科，等.GIS內(nèi)典型絕緣缺陷的局部放電信號超聲特性分析［J］.江蘇電機工程，2015，34（2）：10-14.

［5］李 晨.500 kV變電站GIS系統(tǒng)的交流耐壓試驗研究［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2012（2）：14-16.

［6］徐敏驊，吳曉春，陸振華.GIS局部放電檢測與定位技術(shù)的現(xiàn)場應(yīng)用［J］.華東電力，2009，37（7）：1086-1089.

［7］錢 勇，黃成軍，江秀臣，等.基于超高頻法的GIS局部放電在線監(jiān)測研究現(xiàn)狀及展望［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2005，29（1）：40-43.

［8］劉君華，王 江，錢 勇，等.GIS中電磁波傳播特性的仿真研究［J］.高電壓技術(shù)，2007，33（8）：139-142.

［9］顏湘蓮，王承玉，季嚴松，等.開關(guān)設(shè)備中SF6產(chǎn)物檢測的應(yīng)用［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2010，34（9）：160-165.

［10］陳 敏，白 堯，汪 濤，等.GIS設(shè)備擊穿放電定位技術(shù)研究與現(xiàn)場應(yīng)用［J］.高壓電器，2014，50（6）：81-90.

騰云（1987），男，山東沂水人，工程師，從事高壓開關(guān)技術(shù)研究及輸變電設(shè)備狀態(tài)評價工作；

趙科（1985），男，江蘇無錫人，工程師，從事高壓開關(guān)技術(shù)研究、輸變電設(shè)備狀態(tài)評價工作；

賈勇勇（1986），男，江西九江人，工程師，從事高壓開關(guān)技術(shù)研究、輸變電設(shè)備狀態(tài)評價工作；

高山（1974），男，江蘇鹽城人，高級工程師，從事變電設(shè)備狀態(tài)評價、全過程技術(shù)監(jiān)督工作；

陶風(fēng)波（1982），男，江蘇常州人，高級工程師，從事輸變電技術(shù)管理工作；

周志成（1977），男，湖南株洲人，高級工程師，從事輸變電技術(shù)管理工作；

關(guān)為民（1989），男，山東滕州人，助理工程師，從事變電設(shè)備檢修工作。

Research on Disruptive Discharge Positioning Method and Application

TENG Yun1，ZHAO Ke1，JIA Yongyong1，TAO Fengbo1，ZHOU Zhicheng1，GUAN Weimin2
（1.State Grid Jiangsu Electric Power Company Electric Power Research Institute，Nanjing 211103，China；2.State Grid Jiangsu Electric Power Maintenance Branch Company，Nanjing 211102，China）

In order to solve the difficulty of locating the breakdown spot of UHV gas insulated switchgear（GIS）in field over-voltage withstand testing，this paper summarizes several breakdown spot locating methods，as well as their advantages/disadvantages.Focused on an advanced ultrasonic-wave-detection method，this paper introduces the basic principle and system configuration.Through a practical case，we analyzes the judgment and locating methods of breakdown spot after breakdown discharge occurring in detail.This method offers a reference for breakdown locating method to UHV projects in future.

breakdown spot locating；ultrasonic-wave-detection method；UHV projects；UHV GIS

TM835

A

1009-0665（2016）04-0024-04

2016-04-16；修回日期：2016-05-28

項目：國家自然科學(xué)基金（51177132）