252 kV GIS狀態仿真及故障診斷平臺的構建

詹江楊，孫 翔，邵先軍，劉浩軍，王文浩

（國網浙江省電力公司電力科學研究院，杭州 310014）

252 kV GIS狀態仿真及故障診斷平臺的構建

詹江楊，孫 翔，邵先軍，劉浩軍，王文浩

（國網浙江省電力公司電力科學研究院，杭州 310014）

針對GIS設備故障仿真試驗系統的構建展開研究，設計開發了一套完整間隔的252 kV GIS設備故障仿真試驗系統。該仿真試驗系統具備金屬尖端、懸浮電位、微粒等典型GIS局放缺陷的多源實物模擬功能，同時集成了特高頻、超聲、光學以及脈沖電流法等局放檢測手段，可針對局放信號特性、傳播特性開展全面綜合的檢測分析和診斷評估研究。

GIS；局部放電；實物仿真；多源局放；傳播特性

0 引言

GIS（氣體絕緣組合電器）是電網中的重要設備，具有運行可靠性高、占地面積小等優點。隨著我國GIS運行年限的增加，GIS內部缺陷導致的絕緣事故時有發生。當GIS中存在缺陷時，會產生局部放電（以下簡稱局放）現象，通過對局放的檢測可以及時發現設備缺陷。在實驗室中通過構建GIS設備故障仿真試驗系統，并在缺陷設置單元中設置人工缺陷，可以有針對性地對放電特性、放電譜圖等進行研究，對于現場檢測結果的分析及人員培訓具有重要意義。目前國內外相關研究通常是在單一GIS試驗段上進行，少見在整個GIS間隔中進行，但實際上GIS發生局放時，GIS的結構對特高頻及超聲波等檢測方法均有重要影響。因此針對GIS設備故障仿真試驗系統的構建展開研究，在充分考慮各種局放檢測方法特點的基礎上，研究包括完整間隔252 kV GIS設備、成套升壓和升流裝置的GIS設備故障仿真試驗系統的構建方法具有重要意義。

1 GIS仿真平臺研究現狀

目前國內外多家機構和GIS生產廠家均建立了GIS仿真試驗平臺，其部分實物圖片如圖1所示[1-2]。基于GIS仿真試驗平臺，學者們針對GIS典型局放缺陷的檢測、定位、診斷、分析進行了大量的研究[3-12]。邵先軍等人開展了UHF傳感器GIS局部放電檢測特性的實驗研究，比較了內置式、外置式和抽取式環形UHF傳感器在不同頻段和不同放電模式下的檢測靈敏度[3]；丁登偉等人開展了GIS中典型局部放電的特高頻信號頻譜特征及傳播特性的研究[4]，提出了優化的特高頻檢測的頻帶選擇；Imagawa H，Okabe S等人重點研究了GIS中典型局部放電的特高頻信號在GIS腔體傳播過程中的折反射過程和模式轉變規律[7-9]。

現有GIS仿真試驗平臺多為單一GIS試驗段，可實現一些典型單一GIS局放缺陷的模擬和測試，但是對于GIS實際及運行過程中可能出現的多源局放缺陷缺少相應的仿真模擬能力；同時實際GIS具有復雜的三維結構，在進行局放檢測定位時信號往往經過了 L型、T型結構，單一GIS段難以對局放信號在復雜結構中的傳播特性進行有效模擬；另一方面，現場針對GIS的局放檢測手段主要包含特高頻、超聲或SF6氣體分解產物分析，難以對局放缺陷進行定量分析。針對上述問題，設計開發了一套完整間隔的252 kV GIS設備故障仿真試驗系統，可實現針對金屬尖端、懸浮電位、微粒等典型GIS局放缺陷的多源局放模擬，同時平臺集成了特高頻、超聲、光學以及脈沖電流法等檢測手段，可對局放信號特性、傳播特性進行全面綜合的檢測分析和診斷評估。

圖1 現有部分GIS仿真平臺

2 GIS仿真平臺整體結構和功能

GIS仿真平臺整體布置如圖2所示，主要由GIS本體、控制系統、調壓系統、局放模擬和檢測診斷系統組成。GIS本體尺寸為9.24m×3.88m×4.73m，主要由試驗腔體、隔離開關、出線套管、耦合電容器和TV（電壓互感器）、電流互感器組成。其中試驗腔體包含5個獨立水平腔體、3個獨立垂直腔體和1個缺陷盆式絕緣子專用腔體。所有試驗腔體長度均為1 m，兩側水平位置分別設置1個特高頻局放傳感器和石英玻璃觀察窗，可對每個腔體進行特高頻局放檢測和光學檢測，同時每個腔體均配置了1個SF6氣體閥門，可實現對腔體壓力的獨立控制和監控。5個水平腔體導桿正下方分別設置不等間距的螺紋孔，可實現模塊化局放模型的接入和試驗。隔離開關主要有2個三工位隔離開關和1個單相隔離刀閘，如圖2中DES1，DES2，DES3所示，其中DES1主要對出線套管進行隔離和接地，DES2主要對試驗腔體和TV進行隔離和接地，DES主要用于將缺陷盆式絕緣子腔體進行隔離和接地。耦合電容器電容量300 pF，主要用于脈沖電流法的局放測試。

調壓系統主要包含1臺15 kVA的單相變頻調壓電源，輸出電壓0～150 V，最大輸出電流不小于150 A，輸出頻率45～120 Hz連續可調，具備手動面板控制和通信協議控制2種控制方式。試驗時平臺通過TV進行反向加壓。

控制系統主要分為就地控制和遠程控制2種方式。就地控制主要通過就地匯控柜實現，可完成隔離開關的分/合閘操作以及氣體壓力、溫/濕度、開關狀態量等監測狀態量的實時監測和讀取。同時就地控制柜與主控平臺通過網絡通信協議進行連接，所有功能均可通過主控平臺進行遠程操作和監視。

圖2 GIS仿真平臺整體結構

局放模擬系統主要包含盆式絕緣子缺陷模擬模塊和母線缺陷模擬模塊，可開展存在開裂、氣泡和毛刺等缺陷的盆式絕緣子缺陷以及金屬尖端、懸浮電位、顆粒舞動等母線缺陷的局放特性模擬。

局放檢測系統集成了電學、光學、聲學和化學檢測模塊，可采用特高頻法、脈沖電流法、紫外紅外光譜法、超聲法和SF6氣體分解產物分析法等多種局放檢測手段，對缺陷的局放特性和傳播特性進行綜合檢測分析研究。

3 典型功能介紹

3.1 多源局放模擬功能

目前針對GIS設備內部單一局放源的檢測、定位等工作已有不少研究成果和實踐經驗，但GIS設備在運行過程中難免會出現多個局放源共存的現象，此時基于單一局放源的檢測理論會產生較大的測量誤差，造成分析誤判。因此，為更有效地開展GIS設備內部絕緣狀況的缺陷診斷，十分有必要開展GIS設備內部多源局部放電的多信息融合識別與狀態評估技術研究。

在仿真平臺中，5個水平試驗腔體、3個垂直試驗腔體均設置了觀察手孔，中心導桿均預留了螺紋孔，可在任意一個腔體中進行自由局放模型和模塊化局放模型的設置。可設置局放缺陷包括高壓導體針尖、外殼尖刺、懸浮金屬顆粒以及盆式絕緣子裂縫、氣泡、雜質等典型GIS設備局放缺陷，可實現針對GIS設備中不同類型、不同位置、不同嚴重程度的多源局放缺陷模擬。

3.2 特高頻局放信號標定功能

特高頻局放檢測法是通過對局放過程中產生的特高頻電磁波信號的檢測分析來對設備缺陷進行檢測分析和定位，因其具有較高的檢測靈敏度和抗干擾性能被廣泛應用于現場GIS設備的帶電及在線局放檢測。但是局放產生的UHF信號波形僅受放電電流變化率影響，與放電量的變化沒有直接關系，且僅能給出以幅值（mV）或能量（dBm）為單位的UHF信號大小，無法提供GIS內部真實放電量的信息，而放電量的大小往往能直接反映內部缺陷的嚴重程度。因此，探索UHF信號與視在放電量之間的對應關系，即UHF信號的標定，是目前急需解決的問題。為此，在仿真平臺中增加了GIS結構式的耦合電容器，可采用脈沖電流法對局放信號進行檢測，并對特高頻信號進行局放量的標定。耦合電容器電容量300 pF，可滿足脈沖電流法檢測精度要求。

3.3 缺陷盆式絕緣子局放模擬功能

統計數據表明，GIS內部的絕緣缺陷主要包括表面自由金屬顆粒、高壓導體尖刺、殼體尖刺、絕緣子表面臟污及內部缺陷等方面，目前對于高壓導體和殼體表面的諸如尖刺、金屬顆粒等局放缺陷研究較多，但因盆式絕緣子被固定于設備中無法進行自由更換，因此對于盆式絕緣子內部裂縫、氣泡、雜質等缺陷的研究目前仍不充分。針對這一點，仿真平臺單獨設置了一個缺陷盆式絕緣子試驗腔體，該腔體位于GIS母線端部，通過單相隔離開關DES3可實現與主母線的連接和隔離，因其位于端部，可方便地對盆式絕緣子進行更換，從而可對不同缺陷類型的盆式絕緣子進行局放缺陷的檢測和診斷。

3.4 L型、T型結構下局放信號傳播特性研究

高頻電磁波在GIS管道中傳播時，GIS各結構將引起電磁波衰減，包括盆式絕緣子、L形和T形結構、隔離開關和接地開關等，同時特高頻信號在傳播過程中還會發生多次反射和模式轉換。單一試驗腔體很難對特高頻及超聲信號的傳播自特性進行模擬。為模擬特高頻型號在通過L形結構、T形結構和盆式絕緣子、隔離開關等結構時的時域和頻域衰減特性，在該試驗平臺中，對GIS結構進行了優化設計和布置，5 m的水平腔體和3 m的垂直腔體形成L型傳輸結構，缺陷盆式絕緣子試驗腔體與主母線間形成T型傳輸結構，再結合隔離開關、接地開關和盆式絕緣子，試驗平臺基本涵蓋了GIS設備中特高頻信號的典型傳播路徑。

設計搭建的252 kV GIS仿真試驗及診斷平臺實物如圖3所示。

圖3 252 kV GIS仿真試驗及診斷平臺

4 結論

針對GIS設備故障仿真試驗系統的構建展開研究，設計開發了一套完整間隔的252 kV GIS設備故障仿真試驗系統。基于該仿真試驗系統可開展針對金屬尖端、懸浮電位、微粒以及盆式絕緣子內部裂縫、氣隙等典型GIS局放缺陷的多源實物模擬功能，結合特高頻、超聲、光學以及脈沖電流法等局放檢測手段，可對GIS設備局放信號特性、傳播特性開展全面綜合的檢測分析和診斷評估研究。

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[4]丁登偉，唐誠，高文勝，等．GIS中典型局部放電的頻譜特征及傳播特性[J]．高電壓技術，2014，40（10）∶3243-3251．

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（本文編輯：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

詹江楊（1988），男，工程師，從事變壓器專業技術工作。