基于超聲波法的長距離超高壓GIL電弧故障定位

羅楚軍，岳 浩，李 健，但京民，陳 媛，孫冠群

(1.中南電力設(shè)計院有限公司，湖北 武漢 430071；2.華中科技大學(xué)， 湖北 武漢 430074)

氣體絕緣金屬封閉輸電線路(Gas-Insulated Metal-enclosed Transmission Line，簡稱GIL)，通常也被稱為氣體絕緣電纜(Gas-insulated Cable，簡稱GIC)、壓縮氣體絕緣輸電線路(Compressed Gas Insulated Transmission Line，簡稱CGIT)或管道輸電線，是一種采用SF6氣體或SF6和N2混合氣體絕緣，外殼與導(dǎo)體同軸布置的高電壓、大電流電力傳輸設(shè)備[1]。GIL具有輸電容量大、占地少、布置靈活、可靠性高、維護(hù)量小、壽命長、環(huán)境影響小等顯著優(yōu)點[2]，特別適用于發(fā)電廠或變電站的大容量出線及聯(lián)絡(luò)線，是較為理想的城網(wǎng)輸電方式。由于價格較高，GIL曾經(jīng)難以推廣。隨著土地走廊資源的日益稀缺，目前相同輸送容量的500 kV GIL工程成本已低于電纜輸送方式[3]，并且GIL可以與通信、燃?xì)狻⒐?、給排水等各種工程管線共用通道和走廊，節(jié)約了成本和空間，將極大地優(yōu)化未來的城市基礎(chǔ)設(shè)施布局，有利于能源輸送通道的建設(shè)。

浙江瓶窯550 kV GIL線路于2004年投入運行，為緩解浙江用電緊張的局面起到了積極作用。2013年投運的溪洛渡水電站550 kV GIL設(shè)備設(shè)計有7回線路，是目前世界線路最長、垂直高差最大的GIL設(shè)備[4]。武漢市江夏區(qū)譚鑫培路城市地下綜合管廊GIL輸電工程新建GIL艙總長度為6.4 km，建成后將成為世界上最長的GIL。

氣體絕緣設(shè)備普遍被認(rèn)為是少維護(hù)甚至免維護(hù)的電氣設(shè)備[5]，目前已安裝和運行的GIS等氣體絕緣設(shè)備，總體運行狀況良好。盡管氣體絕緣設(shè)備運行可靠性整體呈上升趨勢，但因存在不可避免的隱性絕緣缺陷，仍然會發(fā)生絕緣故障，導(dǎo)致電網(wǎng)停電等事故的發(fā)生。GIL作為一種體型龐大的氣體絕緣設(shè)備，通常采用單元運輸、現(xiàn)場組裝的安裝方式[6]，在運輸、存儲和安裝過程中，由于工藝等問題會使GIL內(nèi)部留下一些小的缺陷，如金屬微粒、絕緣氣隙等，也可能會出現(xiàn)絕緣損傷、裝配不到位及灰塵、雜物混入等微小缺陷[7]。在GIL運行過程中，這些小缺陷可能會引起絕緣損傷，造成絕緣擊穿事故的發(fā)生。

在實際工程中，包括皖電東送工程淮南站1 000 kV GIS、特高壓浙福工程1 000 kV GIS、溪洛渡500 kV GIL等多個超特高壓工程的GIS和GIL在出廠試驗、耐壓試驗、運行過程中均發(fā)生過擊穿事故[8]。出廠時GIL分段進(jìn)行試驗，較易進(jìn)行人工查找，從而排除造成擊穿放電的絕緣缺陷；耐壓試驗時，試驗段長度均在數(shù)百米以上，若發(fā)生擊穿情況，難以準(zhǔn)確定位擊穿間隔和放電點，檢修難度大，嚴(yán)重影響設(shè)備安裝調(diào)試質(zhì)量及工程進(jìn)度；而投運后GIL設(shè)備已經(jīng)連接為一體，并且采用全密封設(shè)計，對體積龐大的GIL設(shè)備而言，一旦發(fā)生電弧故障，將嚴(yán)重影響整條輸電線路的電能輸送，造成很大的經(jīng)濟(jì)損失和負(fù)面的社會影響。因此，如何迅速地對故障缺陷位置進(jìn)行定位是GIL工程應(yīng)用的關(guān)鍵，尤其是隧道安裝的長距離GIL。

本文以武漢市江夏區(qū)譚鑫培路城市地下綜合管廊GIL輸電工程為例，提出使用超聲波法開展長距離超高壓GIL電弧故障定位的策略，以實現(xiàn)故障的精確定位和快速修復(fù)，為譚鑫培輸電工程及后續(xù)城市管廊GIL輸電工程故障定位提供參考。

1 GIL電弧故障定位常用方法

1.1 電磁波法(特高頻法)

特高頻(Ultra-High Frequency，簡稱UHF)法是電氣設(shè)備局部放電檢測的一種重要手段。該方法通過特高頻傳感器(天線)接收放電過程中輻射的高頻電磁波實現(xiàn)放電的檢測[9]，主要檢測高頻段(500 MHz～1.5 GHz)。

特高頻法需要事先把傳感器放到GIL內(nèi)部，采用高采樣率的大容量高速監(jiān)測裝置+高精度傳感器+高精度時鐘同步[10]，因為全覆蓋條件下成本昂貴，不適用于GIL長度長、內(nèi)部絕緣子數(shù)量多的實際情況。

1.2 振動法

振動法利用故障缺陷在試驗過程中被擊穿時產(chǎn)生的聲響來進(jìn)行定位[11]。當(dāng)超/特高壓GIL在擊穿瞬間產(chǎn)生的聲信號會引起GIL管體表面產(chǎn)生振動，通過振動檢測可以達(dá)到故障定位的目的。

在實際應(yīng)用過程中，當(dāng)擊穿信號能量過大時，臨近幾個氣室的振動單元盒將會全部都亮燈，無法做到精確定位，并且在試驗過程中存在誤碰導(dǎo)致亮燈的情況，容易受到環(huán)境干擾。

1.3 光測法

GIL內(nèi)部放電時有光產(chǎn)生，利用光電倍增器可檢測到放電的發(fā)生[12]。光測法需要事先把傳感器放到GIL內(nèi)部，雖然很靈敏，但只能檢測到放電發(fā)生在哪個隔室，并且易受到內(nèi)部導(dǎo)桿和支撐絕緣子的遮擋，因此該方法沒有實用價值。

1.4 化學(xué)檢測法

化學(xué)檢測法通過檢測SF6被擊穿后生成的一系列金屬化合物和劇毒氟化物來間接確定放電的發(fā)生[13]。但其檢測時間長、取氣困難，可能影響裝置的絕緣性能。加之SF6電氣設(shè)備內(nèi)部往往放置了吸附劑，電弧故障產(chǎn)生的SF6分解物會在一定時間內(nèi)被吸附掉，這些都嚴(yán)重限制了化學(xué)檢測法在故障定位中的應(yīng)用，通?；瘜W(xué)檢測法僅在離線檢測時使用。

1.5 超聲波法

GIL內(nèi)部發(fā)生電弧故障時，會產(chǎn)生大量的電荷，電荷在中和過程會激發(fā)較陡的電流脈沖，使得故障區(qū)域瞬間受熱而膨脹，擊穿結(jié)束后膨脹區(qū)域恢復(fù)到原來的大小[14]。這種由于放電擊穿產(chǎn)生的體積變化引起了介質(zhì)的疏密瞬間變化，形成超聲波脈沖[15]，類型包括縱波、橫波和表面波。

通過布置在外殼上的超聲發(fā)射傳感器即可檢測到該信號，由于超聲經(jīng)過外殼傳播時幅度存在衰減，因此在不同測量點收到的聲信號幅度和時間上有差別，可以通過比較各測量點間的信號幅值差和時間差對超聲波聲源位置進(jìn)行定位[16]，從而達(dá)到故障缺陷檢測定位的目的。GIL設(shè)備放電超聲波檢測示意圖如圖1所示。

圖1 GIL設(shè)備放電超聲波檢測示意圖

對比多種GIL故障定位技術(shù)可知，超聲波法具有技術(shù)成熟、抗電磁干擾能力強(qiáng)、工程應(yīng)用廣泛等優(yōu)點，普遍應(yīng)用于電力變壓器、GIS等電力設(shè)備。從技術(shù)可行性、工程可靠性來講，超聲波法是長距離超高壓GIL電弧故障定位在線監(jiān)測的最優(yōu)方法。目前，超聲波法已廣泛應(yīng)用于GIS/GIL交接試驗故障定位，在國內(nèi)特高壓晉中變電站1 100 kV GIS、溪洛渡水電站500 kV GIL等多個超特高壓工程成功定位電弧故障。

2 超聲波法定位技術(shù)

2.1 擊穿信號特征研究

GIL電弧故障產(chǎn)生的超聲信號以球面波的形式，經(jīng)SF6氣體傳遞到布置在管壁的超聲傳感器，因此需要對擊穿信號進(jìn)行特征研究。

目前沒有類似結(jié)構(gòu)的GIL試驗段，難以檢測GIL電弧故障超聲信號特征，因此使用試驗室GIS單母線管模型模擬GIL擊穿，通過多次擊穿試驗來研究擊穿時的超聲信號特征。

擊穿試驗系統(tǒng)的接線圖如圖2所示。試驗用GIS管實物圖如圖3所示。試驗回路由220 kV無暈變壓器提供高電壓，并串聯(lián)10 kΩ保護(hù)電阻Z用以防止電流過大。試驗缺陷模型采用針-板模型(模擬導(dǎo)體尖刺放電擊穿)，板—板模型(模擬氣隙放電擊穿)，移動金屬顆粒和懸浮電極等模型來模擬GIL中常見的絕緣缺陷，擊穿時域及頻域波形圖如圖4和圖5所示。

圖2 擊穿試驗系統(tǒng)接線圖

圖3 試驗用GIS管實物圖

圖4 不同缺陷的擊穿時域波形

圖5 不同缺陷的擊穿頻域波形

從圖4可知，導(dǎo)體尖刺、移動金屬顆粒、懸浮電極、氣隙放電的擊穿電壓依次為31.442，30.847，32.624，29.687 kV。這說明在擊穿電壓相近時，不同缺陷模型的擊穿信號形狀相似，并且擊穿電壓相近時擊穿信號的幅值差距也不大。從圖5可以看出，擊穿時超聲信號的頻帶分布比較廣，在50～600 kHz的有效測量范圍內(nèi)均存在分量，但是其較大幅值的頻段相對集中于幾個較小的頻率范圍內(nèi)。對頻率分量較大的頻段進(jìn)行統(tǒng)計可以發(fā)現(xiàn)，擊穿產(chǎn)生的超聲信號的頻率主要分布在40～60 kHz，100～150 kHz，230～250 kHz以及500～530 kHz這幾個頻率區(qū)間內(nèi)。因此，超聲傳感器的諧振頻帶最好落在40～60 kHz，100～150 kHz，230～250 kHz以及500～530 kHz這幾個頻帶區(qū)間。

2.2 超聲在GIL中傳播特性研究

超聲信號在GIL中的傳播過程很復(fù)雜，在SF6介質(zhì)中傳播時會發(fā)生介質(zhì)損耗，同時伴隨著擴(kuò)散衰減。當(dāng)傳播至GIL外殼體時，會在氣-固交接面發(fā)生折反射并發(fā)生模式轉(zhuǎn)化，因此使得置于GIL外殼體的超聲傳感器接收到的信號變得復(fù)雜。

超聲信號在GIL中傳播至傳感器時有兩個路徑：一是以縱波形式在SF6氣體中傳播，然后透過殼體傳播至探頭；二是通過SF6氣體傳播至外殼，在金屬殼體中傳播一段距離后到達(dá)探頭，主要為復(fù)合波。由于聲波在金屬中傳播的速度非常快，遠(yuǎn)大于SF6氣體中的傳播速度，因此往往是第二種路徑的聲波首先到達(dá)傳感器中。

以常規(guī)的三相GIL為基礎(chǔ)進(jìn)行簡化后建模，導(dǎo)體外徑為5 cm，外殼內(nèi)徑為24 cm，殼體厚度為1 cm，長度為60 cm，其物理模型如圖6所示。

圖6 GIL徑向模型

為探究GIL管壁對聲信號的衰減，在內(nèi)外管壁的相同位置上設(shè)置場點，其剖面圖如圖7所示，測得內(nèi)外管壁的聲壓分布見圖8。由圖8可知，管內(nèi)壁的聲壓在任何時刻都比管外壁的聲壓要大。如果設(shè)內(nèi)管壁聲壓為A，外管壁聲壓為B，則內(nèi)外管壁處的聲壓滿足以下關(guān)系：

(1)

即A，B兩點處的聲壓相差5個數(shù)量級。由于超聲波以縱波的形式在SF6中傳播，波頭到達(dá)內(nèi)管壁后引起整個罐體的應(yīng)力變化，即第一次聲-固耦合，管壁應(yīng)力如圖9所示，聲波由單純的縱波變成縱波和橫波的組合形式。罐體的震動引起外管壁處空氣的震動發(fā)聲(第二次聲-固耦合)，最終被傳感器接收，宏觀上表現(xiàn)為超聲波由管內(nèi)傳播到管外，其傳播經(jīng)過了多次能量轉(zhuǎn)換，能量衰減劇烈。

圖7 GIL管道剖面圖

圖8 GIL內(nèi)外管壁聲壓分布

為了詳細(xì)研究GIL圓桶結(jié)構(gòu)內(nèi)外的聲場分布特性，在分析模型中放置探針計算該點的聲壓，在頻率范圍內(nèi)，計算不同測量位置的聲壓分布。場點設(shè)置位置如圖10所示。其中，A，C點位于鋁合金圓桶的外表面，C點位于遠(yuǎn)離聲源的左上方。B點位于密閉鋁合金圓桶內(nèi)表面。D點位于靠近聲源與導(dǎo)電桿的位置。

圖10 信號源及場點分布

場點的聲壓分布如圖11所示。通過圖11(a)、圖11(b)的對比可以看出，鋁合金外殼內(nèi)表面的聲強(qiáng)比鋁合金外殼外表面的大，在GIL外殼中測量放電需要更高靈敏度的傳感器， 或者需要將外殼表面的信號放大，才能獲得與內(nèi)部測量的聲強(qiáng)在同一數(shù)量級。由圖11(a)、圖11(c)對比可以看出，聲波在固體鋁合金外殼中傳播發(fā)生衰減。通過超聲波傳感器的信號大小，可以沿 GIL 桶壁定性確認(rèn)傳感器距離放電聲源的遠(yuǎn)近。由圖11(b)、圖11(d)對比可以看出，放電發(fā)出的聲波在SF6氣體中隨著傳播距離的增加，信號能量有一定衰減。

3 譚鑫培GIL電弧故障定位策略

3.1 傳感器配置方案

超聲傳感器的作用是接收聲信號，將之轉(zhuǎn)換成電信號，將一種形式的能量轉(zhuǎn)換成另一種形式的能量，因此又稱為聲電換能器。從GIL電弧故障超聲信號頻域特性分析中可知，弧光放電超聲信號頻帶很寬，從幾十赫茲到幾兆赫茲，但超聲信號能量大部分集中在40～60 kHz，100～150 kHz，230～250 kHz以及500～530 kHz這幾個頻帶區(qū)間。綜合傳播速度、傳輸損耗、回聲、抗干擾等因素，再結(jié)合工程經(jīng)驗，選用諧振型傳感器，頻帶為20～200 kHz，中心頻率為40～150 kHz。

GIL在工作過程中可能會發(fā)熱，同時GIL管廊屬于地下空間，濕氣能夠通過各種方式滲透到管廊內(nèi)，空氣流通也會帶來濕氣。超聲傳感器布置于GIL管壁，這對超聲傳感器的工作溫度和防護(hù)等級都提出了更高要求，參考電力系統(tǒng)在線監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)和管廊相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，確定超聲傳感器工作溫度為-20～80℃，防護(hù)等級不低于IP55，可長期在管廊潮濕環(huán)境下穩(wěn)定運行，因此可采用針對江夏GIL管廊定制的專用在線監(jiān)測超聲傳感器，傳感器參數(shù)如表1所示。

表1 超聲傳感器主要參數(shù)表

譚鑫培GIL計劃方案為每108 m設(shè)置一個氣室，每6 m一個三支柱，18 m一標(biāo)準(zhǔn)節(jié)，一個氣室有6標(biāo)準(zhǔn)節(jié)。因此，可每108 m長的標(biāo)準(zhǔn)氣室布置2個壓電陶瓷式超聲波傳感器，如圖12所示。

圖12 傳感器布置示意圖

故障定位智能電子裝置(Intelligent Electronic Device, 簡稱IED)的主要功能是匯集多個超聲傳感器信號經(jīng)濾波、放大、采集，并完成電光轉(zhuǎn)換，最后通過光纖將信號傳輸至故障監(jiān)測系統(tǒng)。GIL故障定位系統(tǒng)傳感器數(shù)量大，可采用1個故障定位IED帶多個傳感器，即同一位置A，B，C三相的3個超聲波傳感器共用一個GIL電弧IED，可大大節(jié)省供電、同步和光纖端口資源，簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高可靠性，同時可以避免管壁的高溫和振動對IED的影響。

3.2 GIL定位算法研究

聲發(fā)射現(xiàn)象是GIL故障缺陷被擊穿時產(chǎn)生的特有聲波，通過檢測該聲波并對聲波數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計算可以得出故障缺陷的具體位置，信號強(qiáng)度指示(RSSI)和到達(dá)時間差(TDOA)算法是常用的超聲定位技術(shù)[17]。RSSI利用發(fā)射信號與接收信號之間的強(qiáng)度差，以及信號衰減系數(shù)等參數(shù)來分析接收節(jié)點與發(fā)射節(jié)點之間的距離關(guān)系。TDOA算法利用信號到達(dá)節(jié)點的時間差來計算節(jié)點與發(fā)射節(jié)點之間的距離。

長距離GIL通常呈“一”字型線性結(jié)構(gòu)，通常將GIL設(shè)備等效為空間一維模型，其坐標(biāo)范圍滿足集合：

{X∈R，Y=0，Z=0}

(2)

在該等效的基礎(chǔ)上，長距離GIL可以看作一條只有長度，粗細(xì)和高度忽略不計的線性設(shè)備。基于RSSI和TDOA的定位技術(shù)，在長距離設(shè)備上應(yīng)用的過程中可以由空間定位轉(zhuǎn)為一維的線性定位。

因此，可結(jié)合RSSI算法、TDOA算法等實現(xiàn)精確定位，即先通過RSSI算法粗定位，再結(jié)合TDOA算法進(jìn)一步精確定位。

3.3 系統(tǒng)安全性設(shè)計

GIL故障定位系統(tǒng)主要用于GIL電弧故障瞬間的故障信號采集和故障定位，要求系統(tǒng)在GIL發(fā)生電弧故障時正常工作，不受故障信號的影響。由超聲波傳感器陣列，故障定位IED陣列以及后臺監(jiān)測系統(tǒng)三個部分組成，故障定位IED采用隔離變壓器供電，其防護(hù)設(shè)計如圖13所示。

圖13 沖擊防護(hù)設(shè)計示意圖

通過防護(hù)設(shè)計，可以實現(xiàn)以下功能。

(1)減小由電源線引入的電磁干擾。故障定位IED采用1∶1隔離變壓器供電，隔離變壓器可以避免把電源中點電位引入；另一方面可隔離一部分電磁干擾自電源引入，以及低頻電磁干擾的引入。IED經(jīng)射頻濾波器接入電源，濾除高頻干擾，同軸扼流線圈抑制了可能嚴(yán)重?fù)p壞在線監(jiān)測節(jié)點的沖擊電流。

(2)減小由信號電纜引入的電磁干擾。采用雙層屏蔽的同軸射頻電纜，在電纜上加設(shè)共模抑制器，同軸電纜套在金屬管道中，管道兩端都接地；采用屏蔽磁環(huán)對信號線纜感應(yīng)到的沖擊電流進(jìn)行抑制。

(3)防止空間電磁波輻射引起的干擾。故障定位IED置于全金屬屏蔽盒內(nèi)，同時信號電纜采用雙屏蔽電纜。電纜的兩端用同軸插頭，并用金屬密封膠對接頭進(jìn)行封堵。

4 結(jié)語

以武漢市江夏區(qū)譚鑫培路城市地下綜合管廊GIL輸電工程為基礎(chǔ)，提出了基于超聲波法的故障定位策略。

(1)比較了常用的各類GIL電弧故障定位方法的優(yōu)缺點，包括特高頻法，振動法，光測法，化學(xué)檢測法，超聲波法，提出了使用超聲波法的優(yōu)越性。

(2)對擊穿信號進(jìn)行了特征研究。使用試驗室GIS單母線管模型模擬GIL擊穿，在擊穿電壓相近時，不同缺陷模型的擊穿信號形狀相似，擊穿信號的幅值差距也不大。擊穿產(chǎn)生的超聲信號的頻率要分布在40～60 kHz，100～150 kHz，230～250 kHz以及500～530 kHz這幾個頻率區(qū)間內(nèi)。

(3)對超聲在GIL中的傳播特性進(jìn)行了研究。通過聲壓測量分析了GIL圓桶結(jié)構(gòu)內(nèi)外的聲場分布特性，即鋁合金外殼內(nèi)表面的聲強(qiáng)比鋁合金外殼外表面的大，聲波在固體鋁合金外殼中傳播發(fā)生衰減，在SF6氣體中隨著傳播距離的增加，也有一定衰減。

(4)根據(jù)譚鑫培GIL輸電工程實際情況，對傳感器的配置、GIL的定位算法進(jìn)行了選擇，同時進(jìn)行了系統(tǒng)安全性設(shè)計。