GIS击穿定位系统及其在耐压试验中的应用

李晓峰 ，顾朝敏 ，庞先海 ，李天辉 ，章 啸

（1.国网河北省电力有限公司电力科学研究院，河北 石家庄 050021；2.北京兴泰学成仪器有限公司，北京 101102）

0 引言

GIS作为一种可靠的输变电设备，因其具有结构紧凑、运行可靠性高和检修周期长的特点［1-2］，在110kV及以上变电站、电厂中有着广泛的应用。但是，GIS在制造和运输过程中，其内部往往会留下一些小的缺陷，如：金属微粒、绝缘气隙、GIS元件或内部紧固件出现松动和相对位移等；GIS在现场安装过程中也可能会出现绝缘损伤、联结、密封失误、安装错位及灰尘、杂物混入等。这些微小的缺陷在GIS运行过程中可能会发展为危险的放电通道，并最终引起绝缘击穿事故［3-5］。因此，GIS投入运行前必须进行现场交流耐压试验以有效地发现上述绝缘缺陷［6-13］。

交流耐压试验中，一旦发生绝缘放电击穿，就需要对放电点进行迅速准确定位。最传统的方法就是依靠人耳听觉进行判断，后来，发展为根据放电时的振动监测、光学检测、放电后气室的气体成分分析、特高频或超声波的在线监测等进行定位，并被应用于交流耐压试验中击穿点的定位［14-17］。基于超声波法的专门用于耐压试验击穿定位的研究及相关设备的研制得到广泛关注［18-20］。

介绍一种基于超声波检测原理的GIS击穿定位系统，在实验室完成多种电压等级下GIS击穿定位系统的定位功能及准确性研究，通过现场应用，成功定位了多起GIS内部击穿故障。

1 GIS击穿定位系统

1.1 GIS击穿定位系统方案设计

现有的GIS击穿定位系统一般采用基于超声波监测原理的无线传感网络系统。而GIS耐压试验现场电磁环境复杂，特别是高电压等级GIS耐压击穿时的电弧会对无线信号的传输造成较大的干扰。GIS击穿定位系统方案设计必须考虑无线通信出现故障时的情况。另外，现有的击穿定位系统其定位监测装置的传感器和无线数据处理单元之间通过一段较长的同轴电缆连接，发生闪络击穿时，在冲击电压和急剧抬升的地电压的作用下，两者之间的电位差异存在导致数据处理单元被击穿而丧失定位功能的可能。因此，本文GIS击穿定位系统的方案是以击穿定位就地监测单元为核心，将传感器、信号处理以及数据处理、显示和无线传输集成在一起，采用一体化设计击穿定位监测单元，每个击穿定位监测单元既可独立工作，也可与任意数目的击穿定位监测单元组成无线传感网络，通过笔记本监测终端进行击穿定位测试，系统设计方案如图1所示。

图1 基于无线数据传输的GIS击穿定位系统

1.2 GIS击穿定位监测单元

GIS击穿定位监测单元结构如图2所示，主要由超声波传感器、信号调理模块、数据处理模块及人机交互模块组成。超声波传感器用于监测GIS内部放电击穿时的信号；信号调理模块将超声波传感器检测到的信号经过40 dB的前置放大、10 kHz高通滤波、可控制的两级放大、200 kHz的低通滤波、信号包络及模数转换后转换为数字信号，进入数据处理模块；数据处理模块采集数字信号，并存储在存储器内，同时按照ZigBee通信协议IEEE 802.15.4将数据压缩编码传输到无线数据接收装置。

GIS击穿定位监测单元具有人机交互界面，包括LCD显示屏，1组7段的信号强弱指示灯和功能按键。通过功能按键可预先设置监测时的增益倍数、测定时长和触发阈值等参数。击穿定位监测单元测得的数据可直接显示在LCD屏上，也可通过点亮信号强弱指示灯的数目来指示超声信号的幅值大小。LCD显示界面如图3所示，可显示测量信号的时域图，每屏显示时间跨度为5 min；也可显示整个测量过程中最大信号的波形，幅值和时间以及列表显示5 min内每分钟内信号的最大值及其出现时刻。

图2 GIS击穿定位监测单元的设计框

图3 GIS击穿定位监测单元的LCD显示及功能按键界面

GIS击穿定位监测单元具有如下特点：1）超声波传感器与数据处理单元一体化设计，安装方便，能保证测试时定位监测单元与GIS罐体位于同一电位上，避免击穿产生的冲击电压和地线反击电压损坏定位监测单元；2）多样化的数据就地显示，7段LED信号强度指示灯，指示灯亮灯个数与信号幅值成正比，简单直观，大尺寸的LCD显示屏，显示全过程中的最大值、每分钟内的最大值、最大值处的脉冲波形细节，现场测试时可通过亮灯数量初步确定击穿点位置，然后通过显示屏的幅值和时间数据进行幅值比较定位和时差辅助定位；3）每个击穿定位监测单元既可独立工作，也可与任意数量监测单元组网工作；4）内置锂电池可连续工作时长达5 h。

1.3 基于ZigBee技术的无线通信网络

ZigBee技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术，主要应用于自动控制和远程控制领域，其模块化的设计可方便地嵌入到各种设备中，利用该技术可以方便地将大量设备组成网络。GIS击穿定位系统就是利用该技术将监测终端和击穿定位监测单元阵列连接组成一套无线传感网络，如图1所示。安装在GIS不同位置的击穿定位监测单元作为整个网络系统的节点，监测耐压试验时GIS内部的放电信号，将数据通过自组织的无线传感网络传输到监测终端，监测终端作为网络的主节点管理与各节点之间的指令下达和测试数据的传输。

2 GIS击穿定位系统的实验室验证

2.1 尖端缺陷击穿定位测试

在某试验大厅开展110 kV GIS模拟缺陷击穿定位测试，如图4所示。该GIS内部设置有一尖端，用于产生放电点。试验1在110 kV GIS母线上2个相邻气室的测试点A和B各安装1个击穿定位监测单元，其编号分别为1号和2号，其中，测试点B距离模拟放电点距离较远；试验2将测试点B的击穿定位监测单元2号移至放电点所在的气室位置C。

图4 模拟击穿定位试验现场

2次试验均在电压升至20 kV左右时发生放电击穿，如表1所示。试验1中1号击穿定位监测单元距离放电点近，其测得超声波信号幅值远大于距离远的2号击穿定位监测单元；试验2将2号击穿定位监测单元安装于位置C，与放电点处于同一气室，与1号的距离仅相隔一个绝缘盆子。可见此时2号击穿定位监测单元较1号击穿定位监测单元测得的信号幅值大，且指示灯点亮数目多。试验证明定位监测单元测试的幅值大小与其距离放电点的距离增大而减小，该定位监测单元可以利用幅值比较的方法进行有效地击穿点定位。

表1 尖端模拟缺陷下110 kV GIS击穿定位测试

2.2 工频耐压试验和雷电冲击试验下击穿定位测试

在某高压开关厂高压试验大厅110 kV GIS，利用该GIS击穿定位系统进行了工频耐压及雷电冲击试验条件下的击穿定位测试并进行了多次重复，如图5所示。试验采用调节1号气室的隔离开关动静触头间的间距来人为制造放电源和控制放电电压，调节工频耐压（125 kV左右）或冲击耐压（1 230 kV左右）直至闪络放电击穿。试验时在与放电点相邻的6个连续气室布置了7个或8个击穿定位监测单元（工频耐压试验未在1号气室布置），气室结构与监测单元布置如图5所示。气室4号与5号之间形成L型转角，由于3号和5号气室结构较长，各布置了2个监测单元。2次工频耐压试验与6次冲击耐压试验击穿定位测试结果如表2所示。可见距离放电点最近的监测单元测得的信号幅值最大，经过一个绝缘盆子后信号衰减非常明显，平均衰减率接近40%，到达第5个气室信号基本衰减完。这种明显的衰减特性使得利用幅值比较法可快速准确地实现击穿点定位。4号气室监测到的信号略大于距离放电点更近的3号气室，可能是因为端头回波和直径变大所致。说明在现场时，击穿定位监测单元设备数量充足的情况下这种转角处可以将监测单元布置得更密集一些，避免一旦击穿发生在转角处，难以判断具体在哪个气室。

图5 工频耐压和冲击耐压试验GIS击穿定位监测单元布置示意

3 GIS击穿定位的现场应用

3.1 220 kV变电站交流耐压试验

在某220 kV变电站交流耐压试验中，利用GIS击穿定位系统，实现击穿定位点的快速查找，为检修GIS设备缺陷和变电站的建设节省了宝贵时间。该变电站的耐压试验分2个阶段进行，第1阶段和第2阶段在三相上均布置了28个击穿定位单元，主要分布于各间隔的刀闸、断路器及母线上。第1阶段在三相的耐压试验均顺利通过。第2阶段A相电压提升到368 kV时发生了闪络击穿，共有6个测试点监测到了明显的放电信号，其信号指示灯也有不同数目的点亮。如图6和表3所示，测试点2监测到的信号最强，其附近的几个监测单元也监测到放电信号，但均远低于测试点2。结果表明，放电可能发生在测试点2所在气室的远端或相隔1个绝缘盆子的概率最大。拆解维修证实击穿点在II段母线靠近测试点2的筒体附近。

表2 工频耐压和冲击耐压试验气体间隙击穿定位测试电压值 mV

图6 220 kV GIS耐压试验击穿定位测试击穿定位监测单元现场布置

表3 220 kV GIS耐压试验击穿定位测试 mV

3.2 1100 kV特高压冲击耐压试验

在某1 100 kV变电站第5间隔的冲击耐压试验中，根据现场试验情况，使用40个定位监测单元对GIS的各个气室进行监测，分别布置到A，B，C三相。A相14个测试点，B，C相各13个测试点。由于A相、C相顺利通过试验，故仅列出B相测试点布置，如图7所示。

图7 1 100 kV GIS冲击耐压试验GIS击穿定位监测单元布置示意

B相进行到1 800 kV冲击试验时，发生击穿。击穿发生后，首先查找定位监测单元亮灯数最大处，在图7所示测试点3对应的63号定位单元亮灯数最多（7个灯全亮），测试点3及其附近的定位监测单元指示灯亮灯数及信号幅值如表4所示。根据以上测量结果，初步判断击穿发生在测试点2，3，4之间的母线上。测试点3定位监测单元幅值为3 177 mV，是定位单元中最大值，故击穿点应位于测试点3所在母线筒或附近，不会超过测试点2和4。测试点5和4之间相隔一个弯头和一个封闭的绝缘盆子，信号衰减较大，应该不是测试点5所在气室击穿。测试点3和4处于同一气室，相距7 m左右，中间隔一个通盆，幅值为2 023 mV，小于测试点3，因此，击穿点更靠近测试点3侧。拆解证明在测试点3所在GIS筒体内发生了由毛刺引发的击穿放电。

表4 1 100 kV GIS冲击耐压试验击穿定位测试 mV

4 结语

介绍了一种基于超声波原理的GIS击穿定位系统，实验室工频耐压和冲击耐压试验中依靠幅值比较的方法均准确定位了模拟放电位置。在现场220 kV GIS工频耐压试验和1 100 kV GIS冲击耐压试验中，依靠幅值比较方法实现了2起放电故障的准确定位。研究表明幅值比较定位方法是耐压试验击穿定位的有效方法，为GIS击穿定位设备厂家采用何种原理定位提供了一定参考。