基于物聯網的GIS故障定位系統及其應用研究

摘要：在氣體絕緣封閉組合電器（"Gas"Insulated"Switchgear，GIS）設備交流耐壓試驗中，如果設備發生閃絡擊穿故障，則其故障點難以精確定位。為確保"GIS設備順利投運，介紹了一種基于物聯網的GIS故障定位系統。系統采用無線通訊方式，通過超聲波信號幅值比較和時差比較兩種定位方法，結合GIS設備現場交接耐壓試驗實際應用，能夠準確定位分析出故障點的位置。該系統具有使用方便、定位精確、安全可靠、性能穩定等優點。

關鍵詞：氣體絕緣封閉組合電器"耐壓試驗"局放閃絡"故障定位"幅值和時差

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備，其結構緊湊、占地面積較小、受外界環境影響較小、運行可靠性高和檢修周期長［1-3］，被廣泛應用在變電站、電廠高壓設備的建設中。然而，設備制造、運輸和現場組裝會對設備產生不必要的磨損、磕碰；同時，設備運行時間較長，其內部器件會存在老化等現象。這些問題會引發GIS設備產生局部放電，當局部放電衍生到一定程度后會發生閃絡事故。閃絡故障會導致設備損壞，嚴重時還會發生電氣事故，必須停電檢修。因此，國內明文規定"GIS"設備在投入使用前必須進行耐壓測試［4］。

早期在GIS設備耐壓試驗時，依靠試驗人員聽覺的傳統方法去判斷故障位置，后期發展為通過聲成像、全脈沖、超高頻檢測法、氣體成分檢測等方法來進行故障定位［5］。同時，基于超聲波信號檢測法的應用也在GIS設備耐壓試驗中得到了廣泛關注［6］。

基于物聯網無線傳輸協議，本文介紹了一種GIS故障定位系統。其采用超聲波檢測原理，通過比較信號幅值和時差來進行故障定位，通過GIS設備現場交接試驗實際案例，對GIS設備局放閃絡故障點位置做出精確定位。

1"GIS故障定位系統

1.1"GIS故障定位系統原理

GIS故障定位系統由后臺分析系統、無線傳輸基站、無線授時模塊無線定位監測單元和超聲傳感器組成。超聲傳感器吸附在GIS罐體上，傳感器同時與無線定位監測單元連接；通過無線授時模塊進行統一授時，實現每個無線定位監測單元的同步采集；通過無線數據傳輸協議，將采集的數據傳輸給后臺分析系統；后臺分析系統進行數據分析處理并保存數據，最終得到定位結果。該系統支持無線定位監測單元的擴展，最多可擴展到256個，其系統原理示意圖如圖1所示。

在GIS設備耐壓試驗時，如果設備發生閃絡故障，則不同部位的超聲波信號強度和延遲時間就會被傳感器同步捕獲。監測單元將采集的數據通過無線傳輸方式傳輸給后臺分析系統，最后綜合幅值和時差兩種比較算法快速分析出故障點的位置，提高了現場試驗人員的工作效率。同時，系統能夠在耐壓試驗時檢測GIS設備內部局部放電信號，提前發現絕緣缺陷，防止缺陷今后進一步發展。

1.2"GIS無線定位監測單元

GIS無線定位監測單元內部結構原理如圖2所示，監測單元主要由信號采集單元、信號調理單元和數據處理單元3個部分組成。信號采集單元用于采集"GIS"局放閃絡時的信號；信號調理單元將監測到的超聲波信號進行信號調理，其調理鏈路分為獨立的局放測量通道與閃絡測量通道。

在GIS設備耐壓試驗時，裝置放置在GIS相應檢測間隔位置處，超聲傳感器將采集到的超聲信號同時傳遞給局放測量通道和閃絡測量通道。在局放測量通道內，采集到的超聲信號經過前置放大器放大，再經過濾波器濾除雜波干擾信號得到有效信號，經第二級放大，再經過包絡檢波控制器得到有效峰值信號，最后送至數據處理單元進行處理。同樣，在閃絡測量通道內，采集到的超聲信號也經過前置可調放大器放大，再經過濾波器濾除雜波干擾信號得到有效信號，經后級放大，再經過包絡檢波控制器得到有效峰值信號，最后送至數據處理單元進行處理。

裝置既能測量局放信號，也能在閃絡故障時捕捉閃絡信號，兩通道檢測互不干擾。數據處理單元一直對局放測量信號進行處理，閃絡測量信號經過預定時間再進行處理。當局放檢測的信號幅值一旦超過閃絡設定的閾值時，微控制器會對局放檢測通道發出中斷命令，開始處理閃絡測量數據。微控制器對采集的信號進行模數轉換處理，處理后的數字信號將存儲在微控器內部存儲單元中；同時，微控制器按照無線傳輸通訊協議，通過無線收發模塊將數據壓縮編碼傳輸到后臺分析系統，后臺分析系統通過解壓編碼邏輯運算，最終在后臺顯示出GIS耐壓試驗時的局放檢測和閃絡定位檢測結果。

2"GIS故障定位系統的現場應用

在某500"kV"變電站220"kV"GIS"交流耐壓交接試驗中，該"GIS"試驗采用單相加壓。為了全面監測"GIS"的絕緣狀況，每相布置監測點時，在6個間隔斷路器處分別布置"1"個監測點，線路側刀閘與套管之間氣室處布置1個監測點，每相總共"12"個監測點。其現場監測點布置示意圖如圖3所示、監測單元布置如圖4所示。

在B相耐壓試驗中368"kV"耐壓過程持續"1"min，在加壓到"50"s時發生閃絡，1、3、4、5號采集單元均采集到放電信號，其他監測點均未檢測到異常信號。其中，4號采集單元采集到的信號幅值最大，時間響應值最短，4號采集單元及其鄰近監測單元檢測到的信號幅值及響應時間如表1所示。

綜合以上檢測數據，初步判斷閃絡故障位置位于監測點1、3、4、5號之間。其中，在4號監測單元監測位置，裝置檢測到的信號幅值最大，信號到達時間也是最快的；1、3、5號監測單元檢測到的信號幅值衰減較大，并且3號監測單元時間響應比1、5號監測單元時間響應較快。根據超聲波傳播特性，閃絡故障位置最近的監測單元檢測到的幅值最大，同時，其幅值也會隨著距離的增加，而逐漸向遠處衰減的態勢。因此，故障位置位于4號監測單元側。

經過現場勘查，4號監測單元位于刀閘與套管連接氣室處，通過對該氣室解體后發現，該氣室出線側套管下方盆式絕緣子發生閃絡故障，并且清晰可見放電痕跡。現場故障位置盆式絕緣子放電如圖5所示，拆解證明GIS"故障定位系統定位結果與現場實際故障位置一致。

3"結語

本文介紹了一種基于物聯網的GIS故障定位系統。該系統采用幅值和時差雙重定位的方法來對檢測數據進行綜合分析，在GIS設備現場交接試驗中準確定位出故障缺陷位置。系統改變了傳統的GIS閃絡定位方式，保證在耐壓時的操作人員的人身安全，節省了大量的人力、物力，提高了工作效率。其研究技術成果將對國家電網推行的狀態監測及故障診斷工作產生積極的推動作用，有著廣泛的應用前景。

參考文獻

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