基于超声波法的长距离超高压GIL电弧故障定位

2021-03-25罗楚军但京民孙冠群

电力与能源 2021年1期

罗楚军，岳浩，李健，但京民，陈媛，孙冠群

(1.中南电力设计院有限公司，湖北武汉 430071；2.华中科技大学，湖北武汉 430074)

气体绝缘金属封闭输电线路(Gas-Insulated Metal-enclosed Transmission Line，简称GIL)，通常也被称为气体绝缘电缆(Gas-insulated Cable，简称GIC)、压缩气体绝缘输电线路(Compressed Gas Insulated Transmission Line，简称CGIT)或管道输电线，是一种采用SF6气体或SF6和N2混合气体绝缘，外壳与导体同轴布置的高电压、大电流电力传输设备[1]。GIL具有输电容量大、占地少、布置灵活、可靠性高、维护量小、寿命长、环境影响小等显著优点[2]，特别适用于发电厂或变电站的大容量出线及联络线，是较为理想的城网输电方式。由于价格较高，GIL曾经难以推广。随着土地走廊资源的日益稀缺，目前相同输送容量的500 kV GIL工程成本已低于电缆输送方式[3]，并且GIL可以与通信、燃气、供热、给排水等各种工程管线共用通道和走廊，节约了成本和空间，将极大地优化未来的城市基础设施布局，有利于能源输送通道的建设。

浙江瓶窑550 kV GIL线路于2004年投入运行，为缓解浙江用电紧张的局面起到了积极作用。2013年投运的溪洛渡水电站550 kV GIL设备设计有7回线路，是目前世界线路最长、垂直高差最大的GIL设备[4]。武汉市江夏区谭鑫培路城市地下综合管廊GIL输电工程新建GIL舱总长度为6.4 km，建成后将成为世界上最长的GIL。

气体绝缘设备普遍被认为是少维护甚至免维护的电气设备[5]，目前已安装和运行的GIS等气体绝缘设备，总体运行状况良好。尽管气体绝缘设备运行可靠性整体呈上升趋势，但因存在不可避免的隐性绝缘缺陷，仍然会发生绝缘故障，导致电网停电等事故的发生。GIL作为一种体型庞大的气体绝缘设备，通常采用单元运输、现场组装的安装方式[6]，在运输、存储和安装过程中，由于工艺等问题会使GIL内部留下一些小的缺陷，如金属微粒、绝缘气隙等，也可能会出现绝缘损伤、装配不到位及灰尘、杂物混入等微小缺陷[7]。在GIL运行过程中，这些小缺陷可能会引起绝缘损伤，造成绝缘击穿事故的发生。

在实际工程中，包括皖电东送工程淮南站1 000 kV GIS、特高压浙福工程1 000 kV GIS、溪洛渡500 kV GIL等多个超特高压工程的GIS和GIL在出厂试验、耐压试验、运行过程中均发生过击穿事故[8]。出厂时GIL分段进行试验，较易进行人工查找，从而排除造成击穿放电的绝缘缺陷；耐压试验时，试验段长度均在数百米以上，若发生击穿情况，难以准确定位击穿间隔和放电点，检修难度大，严重影响设备安装调试质量及工程进度；而投运后GIL设备已经连接为一体，并且采用全密封设计，对体积庞大的GIL设备而言，一旦发生电弧故障，将严重影响整条输电线路的电能输送，造成很大的经济损失和负面的社会影响。因此，如何迅速地对故障缺陷位置进行定位是GIL工程应用的关键，尤其是隧道安装的长距离GIL。

本文以武汉市江夏区谭鑫培路城市地下综合管廊GIL输电工程为例，提出使用超声波法开展长距离超高压GIL电弧故障定位的策略，以实现故障的精确定位和快速修复，为谭鑫培输电工程及后续城市管廊GIL输电工程故障定位提供参考。

1 GIL电弧故障定位常用方法

1.1 电磁波法(特高频法)

特高频(Ultra-High Frequency，简称UHF)法是电气设备局部放电检测的一种重要手段。该方法通过特高频传感器(天线)接收放电过程中辐射的高频电磁波实现放电的检测[9]，主要检测高频段(500 MHz～1.5 GHz)。

特高频法需要事先把传感器放到GIL内部，采用高采样率的大容量高速监测装置+高精度传感器+高精度时钟同步[10]，因为全覆盖条件下成本昂贵，不适用于GIL长度长、内部绝缘子数量多的实际情况。

1.2 振动法

振动法利用故障缺陷在试验过程中被击穿时产生的声响来进行定位[11]。当超/特高压GIL在击穿瞬间产生的声信号会引起GIL管体表面产生振动，通过振动检测可以达到故障定位的目的。

在实际应用过程中，当击穿信号能量过大时，临近几个气室的振动单元盒将会全部都亮灯，无法做到精确定位，并且在试验过程中存在误碰导致亮灯的情况，容易受到环境干扰。

1.3 光测法

GIL内部放电时有光产生，利用光电倍增器可检测到放电的发生[12]。光测法需要事先把传感器放到GIL内部，虽然很灵敏，但只能检测到放电发生在哪个隔室，并且易受到内部导杆和支撑绝缘子的遮挡，因此该方法没有实用价值。

1.4 化学检测法

化学检测法通过检测SF6被击穿后生成的一系列金属化合物和剧毒氟化物来间接确定放电的发生[13]。但其检测时间长、取气困难，可能影响装置的绝缘性能。加之SF6电气设备内部往往放置了吸附剂，电弧故障产生的SF6分解物会在一定时间内被吸附掉，这些都严重限制了化学检测法在故障定位中的应用，通常化学检测法仅在离线检测时使用。

1.5 超声波法

GIL内部发生电弧故障时，会产生大量的电荷，电荷在中和过程会激发较陡的电流脉冲，使得故障区域瞬间受热而膨胀，击穿结束后膨胀区域恢复到原来的大小[14]。这种由于放电击穿产生的体积变化引起了介质的疏密瞬间变化，形成超声波脉冲[15]，类型包括纵波、横波和表面波。

通过布置在外壳上的超声发射传感器即可检测到该信号，由于超声经过外壳传播时幅度存在衰减，因此在不同测量点收到的声信号幅度和时间上有差别，可以通过比较各测量点间的信号幅值差和时间差对超声波声源位置进行定位[16]，从而达到故障缺陷检测定位的目的。GIL设备放电超声波检测示意图如图1所示。

图1 GIL设备放电超声波检测示意图

对比多种GIL故障定位技术可知，超声波法具有技术成熟、抗电磁干扰能力强、工程应用广泛等优点，普遍应用于电力变压器、GIS等电力设备。从技术可行性、工程可靠性来讲，超声波法是长距离超高压GIL电弧故障定位在线监测的最优方法。目前，超声波法已广泛应用于GIS/GIL交接试验故障定位，在国内特高压晋中变电站1 100 kV GIS、溪洛渡水电站500 kV GIL等多个超特高压工程成功定位电弧故障。

2 超声波法定位技术

2.1 击穿信号特征研究

GIL电弧故障产生的超声信号以球面波的形式，经SF6气体传递到布置在管壁的超声传感器，因此需要对击穿信号进行特征研究。

目前没有类似结构的GIL试验段，难以检测GIL电弧故障超声信号特征，因此使用试验室GIS单母线管模型模拟GIL击穿，通过多次击穿试验来研究击穿时的超声信号特征。

击穿试验系统的接线图如图2所示。试验用GIS管实物图如图3所示。试验回路由220 kV无晕变压器提供高电压，并串联10 kΩ保护电阻Z用以防止电流过大。试验缺陷模型采用针-板模型(模拟导体尖刺放电击穿)，板—板模型(模拟气隙放电击穿)，移动金属颗粒和悬浮电极等模型来模拟GIL中常见的绝缘缺陷，击穿时域及频域波形图如图4和图5所示。

图2 击穿试验系统接线图

图3 试验用GIS管实物图

图4 不同缺陷的击穿时域波形

图5 不同缺陷的击穿频域波形

从图4可知，导体尖刺、移动金属颗粒、悬浮电极、气隙放电的击穿电压依次为31.442，30.847，32.624，29.687 kV。这说明在击穿电压相近时，不同缺陷模型的击穿信号形状相似，并且击穿电压相近时击穿信号的幅值差距也不大。从图5可以看出，击穿时超声信号的频带分布比较广，在50～600 kHz的有效测量范围内均存在分量，但是其较大幅值的频段相对集中于几个较小的频率范围内。对频率分量较大的频段进行统计可以发现，击穿产生的超声信号的频率主要分布在40～60 kHz，100～150 kHz，230～250 kHz以及500～530 kHz这几个频率区间内。因此，超声传感器的谐振频带最好落在40～60 kHz，100～150 kHz，230～250 kHz以及500～530 kHz这几个频带区间。

2.2 超声在GIL中传播特性研究

超声信号在GIL中的传播过程很复杂，在SF6介质中传播时会发生介质损耗，同时伴随着扩散衰减。当传播至GIL外壳体时，会在气-固交接面发生折反射并发生模式转化，因此使得置于GIL外壳体的超声传感器接收到的信号变得复杂。

超声信号在GIL中传播至传感器时有两个路径：一是以纵波形式在SF6气体中传播，然后透过壳体传播至探头；二是通过SF6气体传播至外壳，在金属壳体中传播一段距离后到达探头，主要为复合波。由于声波在金属中传播的速度非常快，远大于SF6气体中的传播速度，因此往往是第二种路径的声波首先到达传感器中。

以常规的三相GIL为基础进行简化后建模，导体外径为5 cm，外壳内径为24 cm，壳体厚度为1 cm，长度为60 cm，其物理模型如图6所示。

图6 GIL径向模型

为探究GIL管壁对声信号的衰减，在内外管壁的相同位置上设置场点，其剖面图如图7所示，测得内外管壁的声压分布见图8。由图8可知，管内壁的声压在任何时刻都比管外壁的声压要大。如果设内管壁声压为A，外管壁声压为B，则内外管壁处的声压满足以下关系：

(1)

即A，B两点处的声压相差5个数量级。由于超声波以纵波的形式在SF6中传播，波头到达内管壁后引起整个罐体的应力变化，即第一次声-固耦合，管壁应力如图9所示，声波由单纯的纵波变成纵波和横波的组合形式。罐体的震动引起外管壁处空气的震动发声(第二次声-固耦合)，最终被传感器接收，宏观上表现为超声波由管内传播到管外，其传播经过了多次能量转换，能量衰减剧烈。

图7 GIL管道剖面图

图8 GIL内外管壁声压分布

为了详细研究GIL圆桶结构内外的声场分布特性，在分析模型中放置探针计算该点的声压，在频率范围内，计算不同测量位置的声压分布。场点设置位置如图10所示。其中，A，C点位于铝合金圆桶的外表面，C点位于远离声源的左上方。B点位于密闭铝合金圆桶内表面。D点位于靠近声源与导电杆的位置。

图10 信号源及场点分布

场点的声压分布如图11所示。通过图11(a)、图11(b)的对比可以看出，铝合金外壳内表面的声强比铝合金外壳外表面的大，在GIL外壳中测量放电需要更高灵敏度的传感器，或者需要将外壳表面的信号放大，才能获得与内部测量的声强在同一数量级。由图11(a)、图11(c)对比可以看出，声波在固体铝合金外壳中传播发生衰减。通过超声波传感器的信号大小，可以沿 GIL 桶壁定性确认传感器距离放电声源的远近。由图11(b)、图11(d)对比可以看出，放电发出的声波在SF6气体中随着传播距离的增加，信号能量有一定衰减。

3 谭鑫培GIL电弧故障定位策略

3.1 传感器配置方案

超声传感器的作用是接收声信号，将之转换成电信号，将一种形式的能量转换成另一种形式的能量，因此又称为声电换能器。从GIL电弧故障超声信号频域特性分析中可知，弧光放电超声信号频带很宽，从几十赫兹到几兆赫兹，但超声信号能量大部分集中在40～60 kHz，100～150 kHz，230～250 kHz以及500～530 kHz这几个频带区间。综合传播速度、传输损耗、回声、抗干扰等因素，再结合工程经验，选用谐振型传感器，频带为20～200 kHz，中心频率为40～150 kHz。

GIL在工作过程中可能会发热，同时GIL管廊属于地下空间，湿气能够通过各种方式渗透到管廊内，空气流通也会带来湿气。超声传感器布置于GIL管壁，这对超声传感器的工作温度和防护等级都提出了更高要求，参考电力系统在线监测标准和管廊相关标准，确定超声传感器工作温度为-20～80℃，防护等级不低于IP55，可长期在管廊潮湿环境下稳定运行，因此可采用针对江夏GIL管廊定制的专用在线监测超声传感器，传感器参数如表1所示。

表1 超声传感器主要参数表

谭鑫培GIL计划方案为每108 m设置一个气室，每6 m一个三支柱，18 m一标准节，一个气室有6标准节。因此，可每108 m长的标准气室布置2个压电陶瓷式超声波传感器，如图12所示。

图12 传感器布置示意图

故障定位智能电子装置(Intelligent Electronic Device, 简称IED)的主要功能是汇集多个超声传感器信号经滤波、放大、采集，并完成电光转换，最后通过光纤将信号传输至故障监测系统。GIL故障定位系统传感器数量大，可采用1个故障定位IED带多个传感器，即同一位置A，B，C三相的3个超声波传感器共用一个GIL电弧IED，可大大节省供电、同步和光纤端口资源，简化系统结构，提高可靠性，同时可以避免管壁的高温和振动对IED的影响。

3.2 GIL定位算法研究

声发射现象是GIL故障缺陷被击穿时产生的特有声波，通过检测该声波并对声波数据进行分析计算可以得出故障缺陷的具体位置，信号强度指示(RSSI)和到达时间差(TDOA)算法是常用的超声定位技术[17]。RSSI利用发射信号与接收信号之间的强度差，以及信号衰减系数等参数来分析接收节点与发射节点之间的距离关系。TDOA算法利用信号到达节点的时间差来计算节点与发射节点之间的距离。

长距离GIL通常呈“一”字型线性结构，通常将GIL设备等效为空间一维模型，其坐标范围满足集合：

{X∈R，Y=0，Z=0}

(2)

在该等效的基础上，长距离GIL可以看作一条只有长度，粗细和高度忽略不计的线性设备。基于RSSI和TDOA的定位技术，在长距离设备上应用的过程中可以由空间定位转为一维的线性定位。

因此，可结合RSSI算法、TDOA算法等实现精确定位，即先通过RSSI算法粗定位，再结合TDOA算法进一步精确定位。