一種GIS故障快速定位方法

王 一，黃 超，顧水平，吳建偉

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司檢修分公司，杭州 311232）

一種GIS故障快速定位方法

王 一，黃 超，顧水平，吳建偉

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司檢修分公司，杭州 311232）

GIS因其諸多優(yōu)點(diǎn)近年來(lái)獲得了廣泛應(yīng)用，與此同時(shí)，GIS發(fā)生故障時(shí)，故障點(diǎn)的查找、隔離及電網(wǎng)恢復(fù)都比敞開式設(shè)備復(fù)雜。通過(guò)分析GIS故障時(shí)的保護(hù)動(dòng)作行為以及母線故障零序電流的分布特點(diǎn)，提出了一種GIS故障快速定位方法，該方法采集信息少、分析簡(jiǎn)便。通過(guò)2起GIS母線故障案例驗(yàn)證了該方法的有效性，發(fā)現(xiàn)通過(guò)該方法，可縮小故障查找范圍，盡快恢復(fù)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

GIS；故障定位；母線故障；零序電流

0 引言

GIS（氣體絕緣組合電器）由斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)、母線、TA（電流互感器）、TV（電壓互感器）、避雷器、套管等諸多電器設(shè)備組合而成，因其系統(tǒng)性強(qiáng)、集成度高、占地面積小、檢修周期長(zhǎng)、不受環(huán)境干擾及安裝周期短等諸多優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)獲得了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[1]。特別是1 000 kV特高壓工程中，由于外絕緣設(shè)計(jì)可靠性和占地面積小等原因，GIS更是成為了不二選擇[2-4]。但是近年來(lái)GIS設(shè)備故障時(shí)有發(fā)生，并且故障率持續(xù)上升。相比其他電器設(shè)備，GIS故障類型復(fù)雜，并且一旦發(fā)生故障，其影響范圍較大[2]。當(dāng)母線及其相鄰元件內(nèi)部發(fā)生故障后，因外觀無(wú)恙，難以憑肉眼直接查找故障點(diǎn)，需要通過(guò)逐個(gè)檢測(cè)各氣室SF6氣體的含量進(jìn)行故障點(diǎn)定位，工作量巨大，工作效率低，電網(wǎng)恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)，特別是對(duì)于1 000 kV特高壓工程，母線持續(xù)非正常停運(yùn)將嚴(yán)重影響電網(wǎng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。因此，有必要對(duì)GIS母線故障進(jìn)行分析，尋求一種故障點(diǎn)快速定位方法，縮短故障恢復(fù)時(shí)間，保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

文獻(xiàn)[5]提出了一種通過(guò)保護(hù)動(dòng)作電流定位1 000 kV GIS故障點(diǎn)的方法，但是該方法需采集全站所有間隔故障電流，而且應(yīng)用不直觀。以下對(duì)該方法進(jìn)行優(yōu)化，考慮到GIS設(shè)備構(gòu)造特點(diǎn)，且絕大多數(shù)故障為接地故障，故可以僅采集故障母線所連支路的零序電流，通過(guò)簡(jiǎn)便分析便可進(jìn)行快速精確的故障定位。

1 通過(guò)零序電流快速定位GIS故障點(diǎn)

1.1 GIS故障保護(hù)動(dòng)作分析

GIS內(nèi)任一電站設(shè)備發(fā)生故障都會(huì)引起保護(hù)動(dòng)作，并且不同點(diǎn)發(fā)生故障保護(hù)動(dòng)作行為有所不同。下面以3/2接線保護(hù)為例說(shuō)明。

1.1.1 母線故障（K1點(diǎn)）

若圖1中母線K1點(diǎn)發(fā)生故障，在母線差動(dòng)保護(hù)范圍內(nèi)，母差保護(hù)動(dòng)作。

圖1 3/2接線GIS設(shè)備保護(hù)TA配置

1.1.2 TA與開關(guān)之間死區(qū)故障（K2點(diǎn)）

若圖1中K2點(diǎn)發(fā)生故障，在母線差動(dòng)保護(hù)與線路保護(hù)范圍內(nèi)，母差保護(hù)與線路保護(hù)將會(huì)同時(shí)動(dòng)作。

因此可以通過(guò)線路保護(hù)是否與母差保護(hù)同時(shí)動(dòng)作，確定故障發(fā)生在母線上還是開關(guān)死區(qū)。如果是死區(qū)故障，那么故障點(diǎn)就在開關(guān)與TA之間，定位較為精確；如果是母線故障，由于母線范圍廣，氣室多，還需進(jìn)一步精確定位。

1.2 GIS母線故障零序電流分布估算

零序網(wǎng)絡(luò)具有網(wǎng)架結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定、不受過(guò)渡電阻和負(fù)荷分量影響的特點(diǎn)。由于零序電流的故障特征量更為明顯，因此采用零序電流進(jìn)行故障點(diǎn)定位較全電流估算更為精確。

鑒于GIS設(shè)備本身阻抗相對(duì)系統(tǒng)阻抗要小得多，故假設(shè)GIS設(shè)備阻抗為0，在此前提下得到經(jīng)簡(jiǎn)化處理的零序網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。零序電源作用在故障點(diǎn)K處，假設(shè)該變電站有L1—L6共6條零序分支。

圖2（a）表示在故障點(diǎn)作用一個(gè)零序電動(dòng)勢(shì)，零序電流經(jīng)零序支路L1—L6流入大地；圖2（b）在圖2（a）基礎(chǔ)上進(jìn)一步簡(jiǎn)化，將各零序支路等效簡(jiǎn)化后合并為零序總支路，忽略GIS設(shè)備阻抗，那么在故障點(diǎn)左右兩側(cè)的零序電流將平分，為零序總電流的1/2，即：

圖2 GIS母線故障零序等效網(wǎng)絡(luò)

根據(jù)母線故障點(diǎn)的不同，可進(jìn)一步劃分成2種情況。

1.2.1 靠母線側(cè)設(shè)備故障的零序電流分布

圖3表示3/2接線的母線，支路2所在的母線分支發(fā)生故障，各支路的零序電流分布。故障可能發(fā)生在該支路的母線側(cè)隔離開關(guān)、接地開關(guān)或者預(yù)留開關(guān)間隔。

圖3 靠母線側(cè)設(shè)備故障的零序電流分布

因故障點(diǎn)兩側(cè)電流相等，由式（11）可以得到式（2）：

式中：I10，I20，I30分別為支路 1，2，3的零序電流。

考慮到實(shí)際GIS內(nèi)部阻抗的影響，故障點(diǎn)左右兩側(cè)支路的零序電流并不絕對(duì)相等，因此得到式（3）：

式中：Ik0為第k個(gè)故障支路零序電流；Ii0為第i個(gè)非故障支路零序電流。

即故障支路零序電流約等于該母線上其他非故障支路零序電流之和。

1.2.2 母線氣室故障的零序電流分布

圖4表示3/2接線的母線在母線氣室發(fā)生故障時(shí)各支路的零序電流分布。

圖4 母線氣室故障的零序電流分布

因故障點(diǎn)兩側(cè)電流相等，由式（1）可得到：

式中：I10，I20，I30，I40分別為支路 1，2，3，4的零序電流。

考慮到實(shí)際GIS內(nèi)部阻抗的影響，故障點(diǎn)左右兩側(cè)支路的零序電流并不絕對(duì)相等，因此有：

式中：Ii0為故障點(diǎn)左側(cè)第i個(gè)支路零序電流；Ij0為故障點(diǎn)右側(cè)第j個(gè)支路零序電流。

1.3 GIS母線故障快速定位方法

GIS母線故障快速定位步驟如下：

（1）通過(guò)保護(hù)動(dòng)作行為判定故障在開關(guān)死區(qū)還是在母線上，若僅母差保護(hù)動(dòng)作，那么故障點(diǎn)在母線上，需進(jìn)一步精確定位。

（2）通過(guò)故障錄波圖記錄故障母線上各支路的零序電流。

（3）找出最大零序電流所在支路。

（4）比較其余支路零序電流，若其余支路零序電流總和≈支路最大零序電流，那么最大零序電流所在支路即為故障支路，故障點(diǎn)在該支路TA至母線之間，轉(zhuǎn)入步驟（6），否則轉(zhuǎn)步驟（5）。

（5）若不滿足步驟（4）估算結(jié)果則判斷故障點(diǎn)在母線氣室，將母線氣室分段，分別估算每段母線零序電流是否滿足式（5），吻合度最高的分段母線氣室即為故障點(diǎn)。

（6）對(duì)故障點(diǎn)相關(guān)氣室進(jìn)行SF6氣體檢測(cè)分析，準(zhǔn)確定位故障點(diǎn)。

（7）對(duì)故障間隔進(jìn)行隔離，恢復(fù)母線運(yùn)行。

圖5 GIS母線故障定位流程

2 案例分析

2.1 案例一

2014年，某特高壓變電站1 000 kVⅡ母發(fā)生C相接地故障，第一套、第二套母差保護(hù)正確動(dòng)作，線路保護(hù)未動(dòng)作，母線各支路零序電流見圖6，因此可判斷故障點(diǎn)在母線上，需進(jìn)一步定位。

圖6 案例一故障母線各支路零序電流錄波

（1）根據(jù)故障錄波圖讀取零序電流，選取故障1個(gè)周波之后的零序電流，按照TA極性調(diào)整相位，得到零序電流分布如圖7所示。

（2）找出最大零序電流所在支路為T052支路。

（3）經(jīng)比較發(fā)現(xiàn)T052支路電流與其它支路電流總和近似相等。

圖7 案例一故障母線各支路零序電流分布

（4）對(duì)T052支路相關(guān)母線氣室進(jìn)行SF6氣體檢測(cè)分析，在對(duì)預(yù)留T053開關(guān)間隔C相5號(hào)氣室（位于T0522隔離開關(guān)C相與T0532隔離開關(guān)C相之間）進(jìn)行檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)異常分解物，由此可確定，預(yù)留T053開關(guān)間隔C相存在故障。

（5）對(duì)故障間隔進(jìn)行隔離，恢復(fù)母線運(yùn)行。

2.2 案例二

2015年，某特高壓變電站1 000 kVⅠ母發(fā)生C相接地故障，第一套、第二套母差保護(hù)正確動(dòng)作，線路保護(hù)未動(dòng)作，母線各支路零序電流見圖8，因此可判斷故障點(diǎn)在母線上，需進(jìn)一步定位。

圖8 案例二故障母線各支路零序電流錄波

（1）根據(jù)故障錄波圖讀取零序電流，選取故障1個(gè)周波之后的零序電流，按照TA極性調(diào)整相位，得到零序電流分布如圖9所示。

圖9 案例二故障母線各支路零序電流分布

（2）找出最大零序電流所在支路為T022支路。

（3）經(jīng)比較發(fā)現(xiàn)T022支路電流與其它支路電流總和近似相等。

（4）對(duì)T022支路相關(guān)母線氣室進(jìn)行SF6氣體檢測(cè)分析，在對(duì)預(yù)留T021預(yù)留間隔C相6號(hào)和8號(hào)氣室（位于T0211隔離開關(guān)與T0221隔離開關(guān)之間）進(jìn)行檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)異常分解物，由此可確定，預(yù)留T021開關(guān)間隔C相存在故障。

（5）對(duì)故障間隔進(jìn)行隔離，恢復(fù)母線運(yùn)行。

3 結(jié)語(yǔ)

提出了一種GIS故障快速定位方法。首先通過(guò)分析故障時(shí)的保護(hù)動(dòng)作行為確定是母線故障還是開關(guān)死區(qū)故障。若是母線故障，通過(guò)進(jìn)一步分析母線故障時(shí)母線所連各支路的零序電流分布特點(diǎn)，快速判斷故障點(diǎn)所在位置。最后以2起GIS母線故障案例加以佐證。結(jié)果表明，通過(guò)該方法可縮小故障查找范圍，節(jié)省時(shí)間，提高工作效率，有助于盡快恢復(fù)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

[1]羅學(xué)琛.SF6氣體絕緣全封閉組合電器（GIS）[M].北京：中國(guó)電力出版社，1999.

[2]崔楊柳，馬宏忠，王濤云，等.基于故障樹理論的GIS故障分析[J].高壓電器，2015，51（7）∶125-129.

[3]李乃永，張輝，蘇欣，等.氣體絕緣全封閉組合電器母線跳閘快速恢復(fù)方案[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2015，39（22）∶170-175.

[4]李乃永，張美玲，王昕，等.實(shí)現(xiàn)GIS故障精準(zhǔn)辨識(shí)切除及自動(dòng)恢復(fù)供電的母線保護(hù)新原理[J].電網(wǎng)技術(shù)，2015，39（10）∶2965-2971.

[5]趙曉明，余志慧.通過(guò)保護(hù)動(dòng)作電流定位1 000 kV GIS故障點(diǎn)的實(shí)例分析[J].浙江電力，2014，33（9）∶6-9.

[6]姜炯挺，邵先軍，周建平，等.一起GIS支柱絕緣子內(nèi)部擊穿故障的定位與分析[J].浙江電力，2015，34（8）∶4-8.

[7]李秀廣，郭榮坤，馬波，等.一起110 kV變電站GIS絕緣子故障定位分析[J].電氣技術(shù)，2016（12）∶162-166.

[8]張浩，吳凱，管敏淵，等.一起GIS設(shè)備SF6氣體泄漏故障的分析與處理[J].浙江電力，2016，35（9）∶35-38.

（本文編輯：方明霞）

A New Method of Rapid GIS Fault Location

WANG Yi，HUANG Chao，GU Shuiping，WU Jianwei
（State Grid Zhejiang Maintenance Branch Company，Hangzhou 311232，China）

Due to its advantages，GIS（gas insulated switchgear）has been widely used in recent years.Meantime fault point location,separation of GIS and power grid restoration are more complicated than that of open type devices in the case of faults.By analysis on the behavior of protection action and distribution characteristics of zero-sequence fault bus current，a rapid GIS fault location method is proposed，which collects less information and is simple and easy for analysis.Through two examples of bus faults，the method is proved effective；besides，the method can narrow fault detection range and restore operation safety and stability of the system as quickly as possible.

GIS；fault location；bus fault；zero-sequence current

TM595

B

1007-1881（2017）02-0043-04

2016-12-01

王 一（1985），女，工程師，從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)工作。