劉 翔,周玉琦,馬慧芳,胡 坤,沈 慶

(1.國網安徽省電力有限公司檢修分公司,安徽 合肥 230000; 2.國網安徽省電力有限公司蕪湖供電公司,安徽 蕪湖 241000)

0 引言

特高壓輸電工程具有長距離、低損耗、大容量等特點，是先進、安全、高效、綠色的輸電技術。特高壓電網實現了經濟高效的電能大規(guī)模送出和大范圍消納，發(fā)展特高壓電網，對減少能源損耗、優(yōu)化電網架構資源、提升電網運行安全、生態(tài)環(huán)境保護等都具有重要的意義。

由于特高壓設備絕緣水平要求，特高壓變電站若全部采用常規(guī)敞開式設備，其占地規(guī)模將達到典型500 kV變電站的6到8倍，因此考慮到節(jié)約土地資源，特高壓變電站內斷路器、隔離開關等切換類設備一般采用混合式氣體絕緣組合電器(HGIS)或氣體絕緣全封閉組合電器(GIS)形式。特高壓GIS設備一般包括基本的斷路器、隔離開關、接地隔離開關、出線套管、電流互感器、電壓互感器、母線等設備，這些基本的電氣元件都是分相布置，并通過充有絕緣介質氣體的全密閉金屬罐體實現與外界絕緣，絕緣介質氣體一般采用具有良好絕緣及滅弧能力的六氟化硫(SF)氣體，GIS設備的結構可以讓其內部設備可以長時間保持穩(wěn)定運行，且發(fā)生故障時不會對周邊的人員、設備安全造成影響，特高壓GIS設備裝用規(guī)模也是隨著特高壓電網設備的發(fā)展逐年攀升。但在特高壓電網設備的發(fā)展過程中，GIS設備故障率一直處于高位，且相比敞開式設備，故障類型更加復雜，故障氣室難以查找定位，尤其是特高壓GIS母線氣室發(fā)生故障擊穿時，僅依靠人工檢測定位故障點耗費時間極長。若1000 kV特高壓母線長時間保持非正常運行狀態(tài)，站內特高壓線路的輸送功率將會受到嚴重影響，所以快速準確定位、隔離故障氣室，恢復正常設備的運行尤為重要。傳統故障氣室定位查找方法是通過SF組分檢測儀對所有可能發(fā)生故障的母線氣室逐一進行檢測分析，工作量大、耗費時間極長，制約管轄調度的故障處置決策。文獻[8]提出基于開關保護二次電流分布查找定位GIS故障氣室。文獻[9]結合GIS設備結構，提出了通過故障母線支路零序電流查找定位故障氣室的思路。文獻[10]利用GIS內部擊穿產生的機械振動信號對故障氣室進行定位。雖然這些提出的方法可以幫助定位故障氣室，但定位精度較差。

為了精準定位沒有明顯故障特征的GIS設備故障，本文研究了GIS設備中電磁波的傳播特性，提出了一種基于保護動作行為和超高頻在線監(jiān)測的GIS設備故障定位方法。通過一起特高壓GIS母線氣室故障定位實例驗證了此方法的有效性。

1 GIS設備內部電磁波的傳播特性

GIS設備內部發(fā)生局部放電時的電流脈沖會激勵產生特高頻電磁波信號，受到GIS設備特殊結構的影響，局部放電點的特高頻電磁波信號傳播到特高頻傳感器時，幅值和波形等參數會發(fā)生變化。GIS氣室發(fā)生擊穿故障時激勵產生的特高頻電磁波信號可以沿GIS設備罐體傳播。由于GIS設備包含很多法蘭連接的門型結構、T型接頭、絕緣盆子、斷路器、隔離開關等斷開點，特高頻電磁波信號在GIS設備內部傳播過程中必然存在損耗，導致特高頻電磁波信號的振幅將沿傳播方向衰減。

結合現場安裝的1 100 kV GIS設備尺寸，通過電磁波仿真軟件XFDTD建立電磁波信號經過GIS絕緣盆子的模型，如圖1所示。設置局部放電源位于第I節(jié)氣室中間的導體表面，放電源沿Y軸方向延伸。放電源的長度為10 mm，波形為高斯脈沖，其時域形式如式(1)所示：

圖1 電磁波穿過GIS絕緣盆子的仿真模型

(1)

式中：

I

為信號幅值；

τ

為時間常數，表征高斯脈沖信號的寬度。仿真中，脈沖幅值取15 mA，脈寬取1 ns。在3個GIS絕緣盆子澆注孔表面分別設置特高頻局放檢測點1、2和3。

電磁波信號經過GIS絕緣盆子時衰減特性的仿真分析結果如表1所示。電磁波信號經過單個絕緣盆子時，絕緣盆子會造成較大的信號衰減，電磁波信號中頻率為700 MHz以下的分量衰減較小，700 MHz以上的分量頻率越高、衰減越大。而絕緣盆子泄露的電磁波信號衰減更嚴重，尤其是頻率為1.1 GHz以下的分量，這種衰減近似1.1 GHz的高通濾波器。局部放電激勵的電磁波信號經過第一個絕緣子時由于色散效應、反射及泄露等影響，衰減較大，達7.1 dB，而后電磁波信號經過后面的絕緣子衰減變得較小。經過5個絕緣盆子后電磁波信號幅值與放電源電磁波信號幅值相比只有10%，即衰減達20 dB。

對電磁波信號經過GIS設備L分支和T分支時衰減特性進行仿真分析，結果如表2所示。通過表1、表2可以看出，電磁波信號經過GIS設備各部件時會發(fā)生信號衰減，因此可以通過比較各特高頻內置傳感器采集到信號幅值定位GIS設備故障點。

表1 電磁波信號經過GIS絕緣盆子時衰減特性

表2 電磁波信號通過GIS其他部分的衰減特性

2 基于保護動作行為和特高頻局放在線監(jiān)測的GIS母線故障定位系統

特高壓GIS設備通常采用3/2接線方式，GIS設備的保護配置均采用雙重化配置，母線、線路、主變壓器(主變)的電氣量保護保護范圍有交叉。根據保護動作行為可以一定程度上縮小故障定位范圍，但是縮小后的故障定位范圍仍然較大，直接進行SF組分分析定位的工作量大。本文提出了一種基于保護動作行為和特高頻局放在線監(jiān)測聯合的GIS設備故障定位方法，可以進一步縮小故障定位范圍。

2.1 特高壓變電站保護配置情況分析

以我國某特高壓變電站保護配置情況為例，通過保護動作行為初步縮小GIS故障定位范圍，但是定位的工作量還是很大。該特高壓變電站的1 000 kV部分的主接線如圖2所示，變電站一共有1臺主變和4條出線(HA I線、HA II線、HQ I線、HQ II線、HW I線和HW II線)，形成了兩個完整串和三個不完整串。該站的1 000 kV斷路器采用雙電流互感器配置，母線保護、線路保護、主變的電氣量保護均采用相應開關遠離母線、線路、主變壓器側的電流互感器二次電流作為判斷依據。將存在電氣連接的開關都納入保護范圍，這樣可讓保護動作不存在死區(qū)，但是會造成母線保護、線路保護、主變的電氣量保護的范圍存在交叉。如果在保護交叉范圍發(fā)生故障，會導致與該交叉范圍相連的母線、線路或主變同時跳閘，導致停電范圍增大。當母線、線路或主變中有兩個元件同時發(fā)生跳閘，排除開關失靈保護動作的情況后可以判斷故障位置在這兩個元件交叉的開關兩側流變之間的氣室。對于站內GIS設備故障，母線保護、線路保護或主變的電氣量保護僅有一個動作，可判斷故障位置在保護交叉范圍之外。線路或主變保護交叉范圍之外需要進行SF組分分析的氣室較少，一般不多于5個。母線保護交叉范圍之外的GIS氣室高達20～30個，僅通過SF組分分析定位非常費時費力。

圖2 1000 kV特高壓變電站的主接線

2.2 基于保護動作行為和特高頻局放在線監(jiān)測的GIS母線故障定位系統

基于保護動作行為與特高頻局部放電在線監(jiān)測自動診斷的GIS母線故障快速定位系統由保護動作行為分析診斷子系統、GIS特高頻局放在線監(jiān)測子系統組成，如圖3所示。

圖3 母線故障快速定位系統

保護動作行為分析診斷子系統由現場保護自動裝置采集跳閘信號，根據繼電保護裝置動作情況、故障測距等信息診斷分析是否為站內GIS設備故障，若為站內GIS設備故障，將跳閘信號關聯站內一次設備，通過光纖上傳GIS故障時間、相別及定位范圍等信息至上位機主控平臺。特高頻局部放電在線監(jiān)測子系統獲取上位機主控平臺下發(fā)的GIS故障時間、相別及范圍，通過北斗+GPS雙模同步時鐘裝置對時后，調取對應時間對應相別對應定位范圍內GIS特高頻傳感器幅值及放電率信號，通過基于信號強度幅值定位法確定故障可能性最大的GIS氣室，并將結果通過光纖上傳至主控平臺，具體的算法流程圖如圖4所示。

圖4 算法流程圖

3 典型應用案例

2019年9月26日，華東電網某1 000 kV特高壓變電站1 000 kV I母線發(fā)生短路故障，現場人員通過保護動作信息，判斷該GIS母線C相存在電弧放電故障。由于該段母線長達400米，逐個氣室開展組分分析尋找故障點非常麻煩。此后，現場人員采用基于保護動作行為和特高頻局放在線監(jiān)測的GIS母線故障定位系統快速準確地定位、隔離故障氣室，極大地提升了現場應急處置效率，保障了特高壓電網的安全穩(wěn)定運行。

3.1 保護動作行為分析

2019年9月26日15時50分25秒，1 000 kV I母線第一套、第二套母差保護動作，1 000 kV I母線上的所有開關T021、T031、T042、T051 及T061三跳。1 000 kV I母線第一套母差保護故障差動電流(C相)22.44 kA(二次電流7.48 A)，1 000 kV I母線第二套母差保護故障差動電流(C相)11.07 kA(二次電流3.69 A)。由于I母線相關的失靈保護未動作，判斷1 000 kV I母線保護非交叉部分存在氣室發(fā)生故障。故障氣室可能范圍如圖5所示。

圖5 故障氣室可能范圍

3.2 特高頻局放在線監(jiān)測系統定位

通過保護動作行為分析，上位機主控平臺獲得了故障時間、相別和可能存在故障氣室的范圍，并將這些信息發(fā)送給特高頻局放在線監(jiān)測子系統，特高頻局放在線監(jiān)測子系統通過比對該時刻該范圍內C相特高頻傳感器的數據，如圖6所示。

比對圖6中特高頻傳感器的幅值放電率信息，發(fā)現G6C傳感器在故障時刻信號幅值放電率最大，G33C傳感器相對較少，G7C和G13C傳感器信號幅值、放電率很小，其余傳感器無明顯信號，如圖7所示(X軸代表相位，Y軸代表信號周期數，Z軸代表信號強度，+pk代表90度的相位，-pk代表270度的相位)?？膳袛喙收蠚馐以贕6C傳感器附近。

圖6 可能故障范圍的特高頻傳感器

(a)G6C傳感器的信號幅值和放電速率

圖8 上位機主控平臺故障詳情展示

3.3 結果

上位機主控平臺故障詳情展示如圖8所示。

運維人員立即對G6C傳感器附近的氣室逐一進行了SF氣體組分檢測。最接近的T0211C氣室成分異常，SO含量為105 ppm(合格值:SO<1 ppm)，HS含量為0 ppm，CO含量為26 ppm。對故障開關進行了故障檢查，打開了動觸頭側蓋板。結果表明，動接觸屏蔽罩下(檢查孔附近)的墻體嚴重燒蝕，并有大量的分解產物。

4 結論

通過特高壓GIS母線故障定位實例，驗證了基于保護動作行為和特高頻在線監(jiān)測的GIS母線故障定位方法的有效性。本文主要研究了特高頻在線監(jiān)測系統在GIS設備故障定位中的應用，而關于特高頻在線監(jiān)測系統在GIS設備絕緣缺陷定位中的作用值得進一步深入研究。