252 kV GIS状态仿真及故障诊断平台的构建

詹江杨，孙 翔，邵先军，刘浩军，王文浩

（国网浙江省电力公司电力科学研究院，杭州 310014）

252 kV GIS状态仿真及故障诊断平台的构建

詹江杨，孙 翔，邵先军，刘浩军，王文浩

（国网浙江省电力公司电力科学研究院，杭州 310014）

针对GIS设备故障仿真试验系统的构建展开研究，设计开发了一套完整间隔的252 kV GIS设备故障仿真试验系统。该仿真试验系统具备金属尖端、悬浮电位、微粒等典型GIS局放缺陷的多源实物模拟功能，同时集成了特高频、超声、光学以及脉冲电流法等局放检测手段，可针对局放信号特性、传播特性开展全面综合的检测分析和诊断评估研究。

GIS；局部放电；实物仿真；多源局放；传播特性

0 引言

GIS（气体绝缘组合电器）是电网中的重要设备，具有运行可靠性高、占地面积小等优点。随着我国GIS运行年限的增加，GIS内部缺陷导致的绝缘事故时有发生。当GIS中存在缺陷时，会产生局部放电（以下简称局放）现象，通过对局放的检测可以及时发现设备缺陷。在实验室中通过构建GIS设备故障仿真试验系统，并在缺陷设置单元中设置人工缺陷，可以有针对性地对放电特性、放电谱图等进行研究，对于现场检测结果的分析及人员培训具有重要意义。目前国内外相关研究通常是在单一GIS试验段上进行，少见在整个GIS间隔中进行，但实际上GIS发生局放时，GIS的结构对特高频及超声波等检测方法均有重要影响。因此针对GIS设备故障仿真试验系统的构建展开研究，在充分考虑各种局放检测方法特点的基础上，研究包括完整间隔252 kV GIS设备、成套升压和升流装置的GIS设备故障仿真试验系统的构建方法具有重要意义。

1 GIS仿真平台研究现状

目前国内外多家机构和GIS生产厂家均建立了GIS仿真试验平台，其部分实物图片如图1所示[1-2]。基于GIS仿真试验平台，学者们针对GIS典型局放缺陷的检测、定位、诊断、分析进行了大量的研究[3-12]。邵先军等人开展了UHF传感器GIS局部放电检测特性的实验研究，比较了内置式、外置式和抽取式环形UHF传感器在不同频段和不同放电模式下的检测灵敏度[3]；丁登伟等人开展了GIS中典型局部放电的特高频信号频谱特征及传播特性的研究[4]，提出了优化的特高频检测的频带选择；Imagawa H，Okabe S等人重点研究了GIS中典型局部放电的特高频信号在GIS腔体传播过程中的折反射过程和模式转变规律[7-9]。

现有GIS仿真试验平台多为单一GIS试验段，可实现一些典型单一GIS局放缺陷的模拟和测试，但是对于GIS实际及运行过程中可能出现的多源局放缺陷缺少相应的仿真模拟能力；同时实际GIS具有复杂的三维结构，在进行局放检测定位时信号往往经过了 L型、T型结构，单一GIS段难以对局放信号在复杂结构中的传播特性进行有效模拟；另一方面，现场针对GIS的局放检测手段主要包含特高频、超声或SF6气体分解产物分析，难以对局放缺陷进行定量分析。针对上述问题，设计开发了一套完整间隔的252 kV GIS设备故障仿真试验系统，可实现针对金属尖端、悬浮电位、微粒等典型GIS局放缺陷的多源局放模拟，同时平台集成了特高频、超声、光学以及脉冲电流法等检测手段，可对局放信号特性、传播特性进行全面综合的检测分析和诊断评估。

图1 现有部分GIS仿真平台

2 GIS仿真平台整体结构和功能

GIS仿真平台整体布置如图2所示，主要由GIS本体、控制系统、调压系统、局放模拟和检测诊断系统组成。GIS本体尺寸为9.24m×3.88m×4.73m，主要由试验腔体、隔离开关、出线套管、耦合电容器和TV（电压互感器）、电流互感器组成。其中试验腔体包含5个独立水平腔体、3个独立垂直腔体和1个缺陷盆式绝缘子专用腔体。所有试验腔体长度均为1 m，两侧水平位置分别设置1个特高频局放传感器和石英玻璃观察窗，可对每个腔体进行特高频局放检测和光学检测，同时每个腔体均配置了1个SF6气体阀门，可实现对腔体压力的独立控制和监控。5个水平腔体导杆正下方分别设置不等间距的螺纹孔，可实现模块化局放模型的接入和试验。隔离开关主要有2个三工位隔离开关和1个单相隔离刀闸，如图2中DES1，DES2，DES3所示，其中DES1主要对出线套管进行隔离和接地，DES2主要对试验腔体和TV进行隔离和接地，DES主要用于将缺陷盆式绝缘子腔体进行隔离和接地。耦合电容器电容量300 pF，主要用于脉冲电流法的局放测试。

调压系统主要包含1台15 kVA的单相变频调压电源，输出电压0～150 V，最大输出电流不小于150 A，输出频率45～120 Hz连续可调，具备手动面板控制和通信协议控制2种控制方式。试验时平台通过TV进行反向加压。

控制系统主要分为就地控制和远程控制2种方式。就地控制主要通过就地汇控柜实现，可完成隔离开关的分/合闸操作以及气体压力、温/湿度、开关状态量等监测状态量的实时监测和读取。同时就地控制柜与主控平台通过网络通信协议进行连接，所有功能均可通过主控平台进行远程操作和监视。

图2 GIS仿真平台整体结构

局放模拟系统主要包含盆式绝缘子缺陷模拟模块和母线缺陷模拟模块，可开展存在开裂、气泡和毛刺等缺陷的盆式绝缘子缺陷以及金属尖端、悬浮电位、颗粒舞动等母线缺陷的局放特性模拟。

局放检测系统集成了电学、光学、声学和化学检测模块，可采用特高频法、脉冲电流法、紫外红外光谱法、超声法和SF6气体分解产物分析法等多种局放检测手段，对缺陷的局放特性和传播特性进行综合检测分析研究。

3 典型功能介绍

3.1 多源局放模拟功能

目前针对GIS设备内部单一局放源的检测、定位等工作已有不少研究成果和实践经验，但GIS设备在运行过程中难免会出现多个局放源共存的现象，此时基于单一局放源的检测理论会产生较大的测量误差，造成分析误判。因此，为更有效地开展GIS设备内部绝缘状况的缺陷诊断，十分有必要开展GIS设备内部多源局部放电的多信息融合识别与状态评估技术研究。

在仿真平台中，5个水平试验腔体、3个垂直试验腔体均设置了观察手孔，中心导杆均预留了螺纹孔，可在任意一个腔体中进行自由局放模型和模块化局放模型的设置。可设置局放缺陷包括高压导体针尖、外壳尖刺、悬浮金属颗粒以及盆式绝缘子裂缝、气泡、杂质等典型GIS设备局放缺陷，可实现针对GIS设备中不同类型、不同位置、不同严重程度的多源局放缺陷模拟。

3.2 特高频局放信号标定功能

特高频局放检测法是通过对局放过程中产生的特高频电磁波信号的检测分析来对设备缺陷进行检测分析和定位，因其具有较高的检测灵敏度和抗干扰性能被广泛应用于现场GIS设备的带电及在线局放检测。但是局放产生的UHF信号波形仅受放电电流变化率影响，与放电量的变化没有直接关系，且仅能给出以幅值（mV）或能量（dBm）为单位的UHF信号大小，无法提供GIS内部真实放电量的信息，而放电量的大小往往能直接反映内部缺陷的严重程度。因此，探索UHF信号与视在放电量之间的对应关系，即UHF信号的标定，是目前急需解决的问题。为此，在仿真平台中增加了GIS结构式的耦合电容器，可采用脉冲电流法对局放信号进行检测，并对特高频信号进行局放量的标定。耦合电容器电容量300 pF，可满足脉冲电流法检测精度要求。

3.3 缺陷盆式绝缘子局放模拟功能

统计数据表明，GIS内部的绝缘缺陷主要包括表面自由金属颗粒、高压导体尖刺、壳体尖刺、绝缘子表面脏污及内部缺陷等方面，目前对于高压导体和壳体表面的诸如尖刺、金属颗粒等局放缺陷研究较多，但因盆式绝缘子被固定于设备中无法进行自由更换，因此对于盆式绝缘子内部裂缝、气泡、杂质等缺陷的研究目前仍不充分。针对这一点，仿真平台单独设置了一个缺陷盆式绝缘子试验腔体，该腔体位于GIS母线端部，通过单相隔离开关DES3可实现与主母线的连接和隔离，因其位于端部，可方便地对盆式绝缘子进行更换，从而可对不同缺陷类型的盆式绝缘子进行局放缺陷的检测和诊断。

3.4 L型、T型结构下局放信号传播特性研究

高频电磁波在GIS管道中传播时，GIS各结构将引起电磁波衰减，包括盆式绝缘子、L形和T形结构、隔离开关和接地开关等，同时特高频信号在传播过程中还会发生多次反射和模式转换。单一试验腔体很难对特高频及超声信号的传播自特性进行模拟。为模拟特高频型号在通过L形结构、T形结构和盆式绝缘子、隔离开关等结构时的时域和频域衰减特性，在该试验平台中，对GIS结构进行了优化设计和布置，5 m的水平腔体和3 m的垂直腔体形成L型传输结构，缺陷盆式绝缘子试验腔体与主母线间形成T型传输结构，再结合隔离开关、接地开关和盆式绝缘子，试验平台基本涵盖了GIS设备中特高频信号的典型传播路径。

设计搭建的252 kV GIS仿真试验及诊断平台实物如图3所示。

图3 252 kV GIS仿真试验及诊断平台

4 结论

针对GIS设备故障仿真试验系统的构建展开研究，设计开发了一套完整间隔的252 kV GIS设备故障仿真试验系统。基于该仿真试验系统可开展针对金属尖端、悬浮电位、微粒以及盆式绝缘子内部裂缝、气隙等典型GIS局放缺陷的多源实物模拟功能，结合特高频、超声、光学以及脉冲电流法等局放检测手段，可对GIS设备局放信号特性、传播特性开展全面综合的检测分析和诊断评估研究。

[1]律方成，金虎，王子建，等．252 kV GIS局部放电实验仿真平台的设计[J]．高压电器，2014，50（7）∶21-23．

[2]杨波，王慧君．GIS盆式绝缘子表面自由金属颗粒缺陷导致局部放电的发展过程[J]．南方电网技术.2015，9（11）∶73-77．

[3]邵先军，何文林，石华军，等．UHF传感器GIS局部放电检测特性的实验研究[J]．高压电器，51（1）∶46-55．

[4]丁登伟，唐诚，高文胜，等．GIS中典型局部放电的频谱特征及传播特性[J]．高电压技术，2014，40（10）∶3243-3251．

[5]徐华，顾文涛，沈中元．GIS设备超声波局放信号异常的分析[J]．浙江电力，2013，32（12）∶6-8．

[6]刘有为，吴立远，弓艳朋．GIS设备气体分解物及其影响因素研究[J]．电网技术．2009，33（5）∶58-61．

[7]OKABE S，KANEKO S，Yoshimura M,et al.Propagation characteristics of electromagnetic waves in three-phasetype tank from viewpoint of partial discharge diagnosis on gas insulated switchgear[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，2009，16（1）∶199-205.

[8]IMAGAWA H，EMOTO K，MURASE H，et al.PD signal propagation characteristics in GIS and its location system by frequency components comparison[J].IEEE Transactions on Power Delivery，2001，16（4）∶564-570.

[9]OKABE S，YUASA S，KANEKO S，et al.Simulation of propagation characteristics of higher order mode electromagnetic waves in GIS[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，2006，13（4）∶855-861.

[10]HIKITA M，OHTSUKA S，TESHIMA T，et al.Electromagnetic（EM）wave characteristics in GIS and measuring the EM wave leakage at the spacer aperture for partial discharge diagnosis[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，2007，14（2）∶453-460.

[11]王康宁，王天正，闫杰．GIS中典型绝缘缺陷模拟及局部放电信号特征分析[J]．科技论坛，2013（22）∶215-217．

[12]王辉，郭志红，云玉新，等．GIS四种缺陷局放UHF信号标定技术研究[J]．电力系统保护与控制．2012，40（21）∶7-13．

（本文编辑：徐 晗）

Construction of A Condition Simulation and Fault Diagnosis Platform of 252 kV GIS

ZHAN Jiangyang，SUN Xiang，SHAO Xianjun，LIU Haojun，WANG Wenhao
（State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China）

Through investigation on GIS fault simulation and test system，this paper designs and builds an integrated 252 kV GIS fault simulation and test platform.This platform has function of multi-source physical simulation including metal tip，suspension potential and dust.It also integrates partial detection methods such as UHF method,ultrasonic method，optical detection and pulse current method，and can conduct a thorough and comprehensive detection analysis as well as diagnosis and evaluation research on partial discharge signal characteristics and transmission characteristics.

GIS；PD；physical simulation；multi-source PD；transmission characteristic

TM835.4

B

1007-1881（2016）10-0022-03

2016-03-28

詹江杨（1988），男，工程师，从事变压器专业技术工作。