基于物聯(lián)網(wǎng)的GIS故障定位系統(tǒng)及其應(yīng)用研究

摘要：在氣體絕緣封閉組合電器（"Gas"Insulated"Switchgear，GIS）設(shè)備交流耐壓試驗(yàn)中，如果設(shè)備發(fā)生閃絡(luò)擊穿故障，則其故障點(diǎn)難以精確定位。為確保"GIS設(shè)備順利投運(yùn)，介紹了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的GIS故障定位系統(tǒng)。系統(tǒng)采用無線通訊方式，通過超聲波信號(hào)幅值比較和時(shí)差比較兩種定位方法，結(jié)合GIS設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)交接耐壓試驗(yàn)實(shí)際應(yīng)用，能夠準(zhǔn)確定位分析出故障點(diǎn)的位置。該系統(tǒng)具有使用方便、定位精確、安全可靠、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：氣體絕緣封閉組合電器"耐壓試驗(yàn)"局放閃絡(luò)"故障定位"幅值和時(shí)差

Research"on"GIS"Fault"Location"System"and"Its"Application"Based"on"Internet"of"Things"for"Terrain"Adaptation

SUO"Xilai

Baoding"Tianwei"Xinyu"Technology"Development"Co.，"Ltd.，"Baoding，"Hebei"Province，"071052"China

Abstract："In"the"AC"withstand"voltage"test"of"Gas"Insulated"Switchgear"（GIS）"equipment，"if"a"flashover"breakdown"fault"occurs，"it"is"difficult"to"accurately"locate"the"fault"point."To"ensure"the"smooth"operation"of"GIS"equipment，"a"GIS"fault"location"system"based"on"the"Internet"of"Thingsnbsp;is"introduced."The"system"adopts"wireless"communication"method，"and"through"two"positioning"methods"of"ultrasonic"signal"amplitude"comparison"and"time"difference"comparison."Combined"with"the"practical"application"of"GIS"equipment"on-site"handover"withstand"voltage"test，"it"can"accurately"locate"and"analyze"the"location"of"the"fault"point."The"system"has"the"advantages"of"easy"use，"accurate"positioning，"safety"and"reliability，"and"stable"performance.

Key"Words："Gas"insulated"switchgear";"Voltage"withstand"test;"Partial"discharge"flashover;"Fault"location;"Amplitude"and"time"difference

氣體絕緣封閉組合電器（Gas"Insulated"Switchgear，GIS）作為一種可靠的輸變電設(shè)備，其結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積較小、受外界環(huán)境影響較小、運(yùn)行可靠性高和檢修周期長［1-3］，被廣泛應(yīng)用在變電站、電廠高壓設(shè)備的建設(shè)中。然而，設(shè)備制造、運(yùn)輸和現(xiàn)場(chǎng)組裝會(huì)對(duì)設(shè)備產(chǎn)生不必要的磨損、磕碰；同時(shí)，設(shè)備運(yùn)行時(shí)間較長，其內(nèi)部器件會(huì)存在老化等現(xiàn)象。這些問題會(huì)引發(fā)GIS設(shè)備產(chǎn)生局部放電，當(dāng)局部放電衍生到一定程度后會(huì)發(fā)生閃絡(luò)事故。閃絡(luò)故障會(huì)導(dǎo)致設(shè)備損壞，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)發(fā)生電氣事故，必須停電檢修。因此，國內(nèi)明文規(guī)定"GIS"設(shè)備在投入使用前必須進(jìn)行耐壓測(cè)試［4］。

早期在GIS設(shè)備耐壓試驗(yàn)時(shí)，依靠試驗(yàn)人員聽覺的傳統(tǒng)方法去判斷故障位置，后期發(fā)展為通過聲成像、全脈沖、超高頻檢測(cè)法、氣體成分檢測(cè)等方法來進(jìn)行故障定位［5］。同時(shí)，基于超聲波信號(hào)檢測(cè)法的應(yīng)用也在GIS設(shè)備耐壓試驗(yàn)中得到了廣泛關(guān)注［6］。

基于物聯(lián)網(wǎng)無線傳輸協(xié)議，本文介紹了一種GIS故障定位系統(tǒng)。其采用超聲波檢測(cè)原理，通過比較信號(hào)幅值和時(shí)差來進(jìn)行故障定位，通過GIS設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)交接試驗(yàn)實(shí)際案例，對(duì)GIS設(shè)備局放閃絡(luò)故障點(diǎn)位置做出精確定位。

1"GIS故障定位系統(tǒng)

1.1"GIS故障定位系統(tǒng)原理

GIS故障定位系統(tǒng)由后臺(tái)分析系統(tǒng)、無線傳輸基站、無線授時(shí)模塊無線定位監(jiān)測(cè)單元和超聲傳感器組成。超聲傳感器吸附在GIS罐體上，傳感器同時(shí)與無線定位監(jiān)測(cè)單元連接；通過無線授時(shí)模塊進(jìn)行統(tǒng)一授時(shí)，實(shí)現(xiàn)每個(gè)無線定位監(jiān)測(cè)單元的同步采集；通過無線數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，將采集的數(shù)據(jù)傳輸給后臺(tái)分析系統(tǒng)；后臺(tái)分析系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理并保存數(shù)據(jù)，最終得到定位結(jié)果。該系統(tǒng)支持無線定位監(jiān)測(cè)單元的擴(kuò)展，最多可擴(kuò)展到256個(gè)，其系統(tǒng)原理示意圖如圖1所示。

在GIS設(shè)備耐壓試驗(yàn)時(shí)，如果設(shè)備發(fā)生閃絡(luò)故障，則不同部位的超聲波信號(hào)強(qiáng)度和延遲時(shí)間就會(huì)被傳感器同步捕獲。監(jiān)測(cè)單元將采集的數(shù)據(jù)通過無線傳輸方式傳輸給后臺(tái)分析系統(tǒng)，最后綜合幅值和時(shí)差兩種比較算法快速分析出故障點(diǎn)的位置，提高了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)人員的工作效率。同時(shí)，系統(tǒng)能夠在耐壓試驗(yàn)時(shí)檢測(cè)GIS設(shè)備內(nèi)部局部放電信號(hào)，提前發(fā)現(xiàn)絕緣缺陷，防止缺陷今后進(jìn)一步發(fā)展。

1.2"GIS無線定位監(jiān)測(cè)單元

GIS無線定位監(jiān)測(cè)單元內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理如圖2所示，監(jiān)測(cè)單元主要由信號(hào)采集單元、信號(hào)調(diào)理單元和數(shù)據(jù)處理單元3個(gè)部分組成。信號(hào)采集單元用于采集"GIS"局放閃絡(luò)時(shí)的信號(hào)；信號(hào)調(diào)理單元將監(jiān)測(cè)到的超聲波信號(hào)進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，其調(diào)理鏈路分為獨(dú)立的局放測(cè)量通道與閃絡(luò)測(cè)量通道。

在GIS設(shè)備耐壓試驗(yàn)時(shí)，裝置放置在GIS相應(yīng)檢測(cè)間隔位置處，超聲傳感器將采集到的超聲信號(hào)同時(shí)傳遞給局放測(cè)量通道和閃絡(luò)測(cè)量通道。在局放測(cè)量通道內(nèi)，采集到的超聲信號(hào)經(jīng)過前置放大器放大，再經(jīng)過濾波器濾除雜波干擾信號(hào)得到有效信號(hào)，經(jīng)第二級(jí)放大，再經(jīng)過包絡(luò)檢波控制器得到有效峰值信號(hào)，最后送至數(shù)據(jù)處理單元進(jìn)行處理。同樣，在閃絡(luò)測(cè)量通道內(nèi)，采集到的超聲信號(hào)也經(jīng)過前置可調(diào)放大器放大，再經(jīng)過濾波器濾除雜波干擾信號(hào)得到有效信號(hào)，經(jīng)后級(jí)放大，再經(jīng)過包絡(luò)檢波控制器得到有效峰值信號(hào)，最后送至數(shù)據(jù)處理單元進(jìn)行處理。

裝置既能測(cè)量局放信號(hào)，也能在閃絡(luò)故障時(shí)捕捉閃絡(luò)信號(hào)，兩通道檢測(cè)互不干擾。數(shù)據(jù)處理單元一直對(duì)局放測(cè)量信號(hào)進(jìn)行處理，閃絡(luò)測(cè)量信號(hào)經(jīng)過預(yù)定時(shí)間再進(jìn)行處理。當(dāng)局放檢測(cè)的信號(hào)幅值一旦超過閃絡(luò)設(shè)定的閾值時(shí)，微控制器會(huì)對(duì)局放檢測(cè)通道發(fā)出中斷命令，開始處理閃絡(luò)測(cè)量數(shù)據(jù)。微控制器對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換處理，處理后的數(shù)字信號(hào)將存儲(chǔ)在微控器內(nèi)部存儲(chǔ)單元中；同時(shí)，微控制器按照無線傳輸通訊協(xié)議，通過無線收發(fā)模塊將數(shù)據(jù)壓縮編碼傳輸?shù)胶笈_(tái)分析系統(tǒng)，后臺(tái)分析系統(tǒng)通過解壓編碼邏輯運(yùn)算，最終在后臺(tái)顯示出GIS耐壓試驗(yàn)時(shí)的局放檢測(cè)和閃絡(luò)定位檢測(cè)結(jié)果。

2"GIS故障定位系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

在某500"kV"變電站220"kV"GIS"交流耐壓交接試驗(yàn)中，該"GIS"試驗(yàn)采用單相加壓。為了全面監(jiān)測(cè)"GIS"的絕緣狀況，每相布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)，在6個(gè)間隔斷路器處分別布置"1"個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，線路側(cè)刀閘與套管之間氣室處布置1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每相總共"12"個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。其現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意圖如圖3所示、監(jiān)測(cè)單元布置如圖4所示。

在B相耐壓試驗(yàn)中368"kV"耐壓過程持續(xù)"1"min，在加壓到"50"s時(shí)發(fā)生閃絡(luò)，1、3、4、5號(hào)采集單元均采集到放電信號(hào)，其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)均未檢測(cè)到異常信號(hào)。其中，4號(hào)采集單元采集到的信號(hào)幅值最大，時(shí)間響應(yīng)值最短，4號(hào)采集單元及其鄰近監(jiān)測(cè)單元檢測(cè)到的信號(hào)幅值及響應(yīng)時(shí)間如表1所示。

綜合以上檢測(cè)數(shù)據(jù)，初步判斷閃絡(luò)故障位置位于監(jiān)測(cè)點(diǎn)1、3、4、5號(hào)之間。其中，在4號(hào)監(jiān)測(cè)單元監(jiān)測(cè)位置，裝置檢測(cè)到的信號(hào)幅值最大，信號(hào)到達(dá)時(shí)間也是最快的；1、3、5號(hào)監(jiān)測(cè)單元檢測(cè)到的信號(hào)幅值衰減較大，并且3號(hào)監(jiān)測(cè)單元時(shí)間響應(yīng)比1、5號(hào)監(jiān)測(cè)單元時(shí)間響應(yīng)較快。根據(jù)超聲波傳播特性，閃絡(luò)故障位置最近的監(jiān)測(cè)單元檢測(cè)到的幅值最大，同時(shí)，其幅值也會(huì)隨著距離的增加，而逐漸向遠(yuǎn)處衰減的態(tài)勢(shì)。因此，故障位置位于4號(hào)監(jiān)測(cè)單元側(cè)。

經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)勘查，4號(hào)監(jiān)測(cè)單元位于刀閘與套管連接氣室處，通過對(duì)該氣室解體后發(fā)現(xiàn)，該氣室出線側(cè)套管下方盆式絕緣子發(fā)生閃絡(luò)故障，并且清晰可見放電痕跡。現(xiàn)場(chǎng)故障位置盆式絕緣子放電如圖5所示，拆解證明GIS"故障定位系統(tǒng)定位結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際故障位置一致。

3"結(jié)語

本文介紹了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的GIS故障定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用幅值和時(shí)差雙重定位的方法來對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，在GIS設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)交接試驗(yàn)中準(zhǔn)確定位出故障缺陷位置。系統(tǒng)改變了傳統(tǒng)的GIS閃絡(luò)定位方式，保證在耐壓時(shí)的操作人員的人身安全，節(jié)省了大量的人力、物力，提高了工作效率。其研究技術(shù)成果將對(duì)國家電網(wǎng)推行的狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障診斷工作產(chǎn)生積極的推動(dòng)作用，有著廣泛的應(yīng)用前景。

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