基于脉冲电压及超声检测的GIS母线故障定位技术研究

杜钢，熊俊，张若兵

(1.广州供电局有限公司，广东 广州 510620；2.清华大学深圳研究生院，广东 深圳 518055)

气体绝缘全封闭组合电器(gas insulated switchgear，GIS)由断路器、隔离开关、接地开关、互感器、避雷器、母线、连接件和出线终端等组成。这些设备或部件全部封闭在金属接地的外壳中，在其内部充有一定压力的SF6绝缘气体，故也称SF6全封闭组合电器。GIS不仅在高压、超高压领域被广泛应用，而且在特高压领域也被使用。与常规敞开式变电站相比，GIS的优点在于结构紧凑、占地面积小、可靠性高、配置灵活、安装方便、安全性强、环境适应能力强和维护工作量小，其主要部件的维修间隔不小于20 a。

GIS母线是GIS设备中最重要的间隔，母线故障失压会直接导致挂在母线上的其他间隔跳闸，无法正常供电。恢复供电需要进行倒母线操作，但会极大加重电网运行风险。因此，需要对母线故障进行快速定位并进行检修。实际母线和单个气室发生故障后虽可通过SF6气体成分分析判断出故障发生在哪个气室，但无法确认故障发生的具体位置。传统的内部检测方法是分段重复加压，依靠人的听觉、经验进行判断，但这种方法不准确，而且对设备绝缘危害较大。

文献[1-2]提出了通过对故障时保护动作电流的分布来定位故障点的思路；文献[3]结合GIS设备的结构，提出了仅利用故障母线支路的零序电流进行故障判断的方法，但这种基于保护电流的故障判断的方法只能确认故障发生的隔间，而不能精确确定故障点的位置。

文献[4]利用GIS内部击穿时产生的机械振动信号来定位故障点，属于振动法的应用。由于检测振动信号的有效距离很短，且振动信号频率低、噪声高，因此需要大量的振动传感器同时工作，同时振动法的定位准确性不如超声法。目前关于超声法的研究主要集中在GIS设备在工频电压下放电的超声波检测上，这种方法使设备长期处于危险电压下，对绝缘设备危害较大，且分析过程较为复杂[5-6]。

基于以上原因，本文针对GIS母线高阻故障采用给母线施加脉冲电压并布置多个超声波局部放电(简称“局放”，下同)传感器进行故障定位的方法对母线故障点进行精准定位。该方法在广州电网某220 kV变电站进行了应用，且精确地找到了故障点，从而为该类故障提出了一般性诊断方法。

1 故障判断方法原理介绍

本文提出对母线短路故障停电之后外施脉冲电压，激发内部击穿故障重现，并辅助以超声波击穿定位的方法对GIS母线故障进行精准定位。GIS设备发生内部绝缘击穿，绝缘件绝缘性能下降，绝缘电阻就会出现3种可能：①是绝缘电阻降低到0，这种现象一般为贯穿性绝缘故障；②是绝缘电阻降低，呈现为高阻故障，这种现象一般为绝缘件局部出现故障，或沿面出现了击穿现象；③是绝缘电阻基本合格，无法确认是何种绝缘故障。对于第①种和第③种情况，在不解体的情况下目前尚无较好的手段进行击穿点定位查找。对于GIS竣工交接耐压试验，可以在GIS设备外壳布置多个超声传感器，在击穿时通过幅值比较即可判断哪个气室或绝缘盆子发生了击穿故障。但是，运行中的GIS设备击穿是无法预料的，很难在事前开展监测工作。因此，本文拟对第②种类型的击穿故障进行分析研究，在不解体的情况下，外部施加电压，使故障点重新产生击穿现象；同时在GIS设备外壳布置超声传感器，检测GIS设备击穿时的超声信号，通过幅值比较判断GIS设备击穿的具体位置，以达到快速精准定位，减少停电时间和检修工作量的目的。

这种检测方法的关键技术在于两个方面：首先，在母线上施加脉冲电压激发母线短路故障点产生局部放电或者再次击穿，一般短路故障点会呈现出低阻缺陷或者高阻缺陷[7-8]，这需要脉冲电压发生装置有足够的容量以及能够输出足够高的电压；其次，布置在母线筒外壳的多个超声传感器能够检测到母线放电或者击穿信号，通过幅值大小比较确定故障位置，但这需要超声传感器满足一定的灵敏度且各个传感器具有较好的增益一致性。通过脉冲电压激发故障点产生放电信号，并采用多个超声传感器对放电信号进行检测可以将短路故障点精准找出[9-12]。

1.1 脉冲电压发生回路

脉冲电压发生装置采用已有的电缆故障测寻车上的高压脉冲发生电路[13-14]，如图1所示。220 V市电通过调压器按照一定变比升高电压，再经整流装置产生直流，电容器进行滤波，最后通过球隙开关动作产生高压脉冲电压。调压器可以调节脉冲电压输出的大小。球隙开关每动作一次就产生一个脉冲，连续动作则产生连续脉冲，电缆试验车操作台可对球隙开关动作时间进行控制，从而控制输出高压脉冲的周期[15-18]。该装置最高可以持续输出64 kV高压脉冲电压，并具有较大的输出功率，实物如图2所示[19]。车载式脉冲电压发生装置，可以输出较大容量的高电压，并具有过流保护模块，当被试品击穿时可以快速跳闸，从而保护脉冲电压发生装置。

图1 脉冲电压发生电路Fig.1 Pulse voltage generating circuit

1.2 多通道超声波局放检测系统

多通道超声局放检测系统[20-21]，能够同时监测多个超声传感器采集到的信号并实时传输给上位机，原理如图3所示。

图2 脉冲电压发生装置Fig.2 Pulse voltage generator

图3 多通道超声局放检测系统原理图Fig.3 Schematic diagram of multi-channel ultrasonic partial discharge detection system

各个模块介绍如下：

a)超声传感器。超声传感器性能参数见表1。

表1 超声传感器参数Tab.1 Parameters of ultrasonic sensor

超声传感器频率响应曲线如图4所示。

图4 传感器幅频响应曲线Fig.4 Sensor amplitude-frequency response curve

b)就地单元。该单元负责对传感器输入的信号进行模数转换、放大、包络、检波等一系列信号调理工作，并根据上位机的指令将调理后的数据无线传输至监控终端。

就地单元结构如图5所示。其中，高速数字信号处理器(digital signal processing,DSP)、低功耗单片机构成双系统，单片机主要完成电源、通信管理等功能；DSP是数据采集、处理的核心，完成数据的程控增益、程控滤波、数据采集、数字信号处理、通信控制以及人机交互等功能；扩展采用FLASH存储芯片，便于测试数据的大量保存；采用高速高精度高分辨率数模转换器，解析度和转换时间得到了充分保障。

就地数据采集单元每通道带宽为1 MHz，输入灵敏度为0.01 mV，采样频率为10 MHz，放大器增益为30～3 000，通信速率为1.92×104bit/s。

FIFO为先入先出存储器，first input first output的缩写。

图5 就地单元结构
Fig.5 In-situ unit structure

c)无线通信单元。该单元负责数据中转和无线通信协调，一方面负责将上位机指令或参数设置等信息发布给就地单元，指挥就地单元按指令工作；另一方面接收就地单元返回的监测数据，中转给上位机系统。

d)监控主机。通过安装在电脑上的上位机软件，实现参数设定、对就地单元的指令发布、信号解析、显示和故障定位等功能。

该系统根据通过多个传感器信号的幅值对比来判断放电具体发生的位置，距离放电点越近其信号幅值越大。在长母线上布置多个超声传感器进行检测就可以判断放电点的位置范围，从而缩小检修区域，降低工作量，如图6所示。

图6 母线故障定位超声传感器布置示意图Fig.6 Layout of ultrasonic sensor for bus fault location

2 典型应用案例

2015年11月27日，广州电网某220 kV变电站2号母线—6号母线(母线为三相共筒)发生短路故障，试验人员通过气体成分测试锁定了2号母线靠近2号电压互感器侧气室的特征气体验证超标，认为该段母线存在电弧放电故障。由于该段母线长达10 m，无法进一步确定具体放电故障点，开盖检修寻找故障点非常麻烦。此后，试验人员采用基于脉冲电压及超声检测的GIS母线短路故障定位技术的方法成功找到了放电位置，极大缩小了开盖检修范围，节省了人力物力。

2.1 特征气体测试结果

母线故障后试验人员对2号母线—6号母线间隔及相连接的间隔气室进行了特征气体成分测试，见表2和表3。从表2、表3中的数据可以看出： 220 kV 2号母线靠近2号电压互感器侧的气体成分CO、H2S、SO2的体积分数(分别用“φ(CO)、φ(H2S)、φ(SO2)”表示)分别为4.8 μL/L、29 μL/L 、212 μL/L，其中H2S和SO2的含量严重超过参考值(φ(H2S)、φ(SO2)的参考值分别为2 μL/L、3 μL/L)。因此可以初步判断故障位置为母线靠2号电压互感器侧，其余气室无明显异常。

2.2 母线故障定位

通过对故障后气体分析发现故障气室为2号电压互感器侧。这一段气室起止为2号—6号母线分段间隔至2号母线气隔，约为10 m长。它连接了华联乙线间隔、2号变压器高压侧间隔和2号电压互感器间隔，涉及的绝缘件较多，逐个解体排查盲目性较大。为此采用在母线施加脉冲电压并辅以超声局放定位的方法对2号母线故障位置进行定位。

试验首先将2号及6号母线与其他间隔通过隔离刀闸断开，母线被试相接地刀闸接地连片解开，非被试相接地。接地连片与地解开之后，连片与GIS外壳之间通过环氧板绝缘，确保可以在连片上注入脉冲电压。在2号母线气体成分超标气室布置局放超声传感器，监测各个位置的超声局放信号，以确定放电故障位置。对2号和6号母线间隔气室进行抽真空、充氮气处理，约为1个大气压。在故障母线上施加脉冲电压，采用高压电缆将输出电压接至2号电压互感器间隔地刀接地连片位置，加压位置如图7中椭圆框所示，其中一相加压另外两相接地。

表2 故障母线间隔及间隔气室特征气体测试结果(故障前)Tab.2 Test results of fault bus intervals and characteristic gas in gas chambers(before fault)

表3 故障母线间隔及间隔气室特征气体测试结果(故障后)Tab.3 Test results of fault bus intervals and characteristic gas in gas chambers(after fault)

图7 母线加压位置Fig.7 Applied voltage location of GIS bus

2.3 定位结果

为确定施加高压脉冲的相序，首先对故障母线段的相地绝缘电阻和相间绝缘电阻进行测量，测试结果见表4。

表4 绝缘电阻测试结果Tab.4 Test results of insulation resistance

从表4可以看出：C相绝缘良好，A相绝缘电阻最低，B相绝缘电阻也偏低，A、B相之间的相间绝缘电阻较低。初步判断故障相可能为A相和B相。可以选择在绝缘最低的A相施加一定幅值的高压脉冲电压，使其产生局放甚至击穿。

在2号母线A相接地刀闸位置注入高压脉冲电压，沿2号母线方向布置8个传感器。当脉冲电压达到12 kV时，2号母线间隔有明显的放电信号和周期性的击穿现象。在放电点附近的传感器探头检测到比较明显的放电超声脉冲信号。

对沿母线筒外壳布置的超声传感器测出的信号进行分析发现：2号母线2号电压互感器至2号母线气隔段超声信号幅值很大，即7号传感器信号幅值较大，并沿着母联间隔方向传感器信号幅值减弱，即幅值大小排序依次为7号、6号、5号、4号、3号、2号、1号传感器。超声定位结果判断故障位置在7号传感器附近位置。各个超声传感器信号时域幅值如图8所示。

2.4 解体结果

基于2号母线故障定位结果，从2号母线气隔位置开始，对2号母线故障气室进行逐步解体检查，结果如图9所示。在2号母线气隔2号电压互感器侧找到了故障支撑绝缘件和故障导体，这与超声故障定位的结果一致。解体发现，2号母线气隔2号电压互感器侧最近的支撑绝缘件和一段导体有明显的故障现象，3个支撑绝缘件被电弧灼烧，表面有烧黑现象，B相支撑绝缘件支撑的一段导体有融化现象。

图8 各个超声传感器信号Fig.8 Ultrasonic sensor signals

图9 解体展示Fig.9 Disintegration display

根据现场的解体情况，认为故障原因为B相金属导体接触不良，引起接触电阻超过规定值。由于GIS设备的额定电流较大，B相内部导电回路的接触不良处局部温度增高，进而引起接触部分烙焊或接触电阻较大的部分发生过热融化。融化的金属液体滴在绝缘件表面，使得绝缘件表面形成悬浮电位，从而发生放电现象，直至母线击穿短路。

3 结束语

GIS母线在变电站中起到了分配负荷的重要作用。GIS母线故障影响范围大、涉及面广，为保证供电可靠性必须快速对GIS母线故障进行精准定位和检修处理，从而快速复电。本文提出了利用脉冲电压及超声检测进行GIS母线故障定位方法，并通过在广州电网中某220 kV变电站GIS母线故障检测中验证该方法的有效性和可靠性。利用该方法进行GIS母线故障定位流程如下：①解开GIS母线接地刀闸连片，分别对三相开展绝缘电阻测试；②选择绝缘电阻偏低的一相施加高压脉冲电压，并在故障GIS母线筒沿线布置超声传感器；③施加高压脉冲电压(不应高于运行电压)，直至故障点重复放电或击穿，实时监测各个超声波局放传感器检测到的信号；④比较各个超声波传感器检测的信号幅值，故障点位于信号幅值最强的位置，定位误差在1 m范围内。