CN111596168B - 基于gil分布热特性差异的故障定位方法 - Google Patents

Abstract

一种基于GIL分布热特性差异的故障定位方法，属于GIL故障且异常发热的故障监测。首先，在整条线路的壳体外表面按一定距离分布安装温度监测点，可全面监测整条线路；其次，通过热特性模型得到壳体的温度，通过公式推导正常运行状态下的壳体温度变化率，以此温度变化率作为故障判定的基础条件；然后，推导故障运行时壳体温度异常变化率；再次，计算故障点左右两侧的温度异常变化率，实现故障定位；本发明通过确定GIL分布热特性差异，实现故障定位。通过温度监测点，计算变化率并绘制曲线，依次对相邻两点进行对比，找出整条线路的故障区段。可以进一步精确反映线路状态，加强线路的可靠性和安全性。

Description

基于GIL分布热特性差异的故障定位方法

技术领域：

本发明涉及一种基于GIL分布热特性差异的故障定位方法，属于GIL异常发热故障定位。

背景技术：

随着高压交流输电建设的发展，气体绝缘输电线路GIL在特高压输电等工程中应用的显著增加，长距离GIL输电线路运行维护复杂，一旦GIL某区段发生故障，通过人工巡线的故障排查手段繁复耗时，如不能及时识别、定位故指点，将可能导致该段GIL长期停运造成巨额经济损失。为了迎合电网管理与运行日趋自动化和智能化，提高GIL运行维护的便捷程度，数据采集监控***在输电线路中逐步被广泛采用。

为了进一步实现GIL故障的自动辨识，以GIL温度变化率特性为研究内容之一的GIL故障特性研究对GIL安全稳定运行具有重要意义。GIL导体的通流后焦耳热损耗产生的热量使其温度升高，同时通过热交换使绝缘气体升温，进一步由GIL壳体感应电流热损耗与涡流热损耗，引起导体、壳体和内部绝缘气体温度的升高，因此GIL设备温度是判断GIL是否正常运行的重要技术指标。并且，GIL承载电流常常达到数千安培，受电流变化影响而产生的GIL温度改变是GIL温度变化的最主要原因。

目前，对于GIL沿线温度的数据采集明显不足，而在具备温度采集条件的现场对温度数据的利用率仍较低，通过温度数据提高GIL整体运行可观性，特别是进行故障定位的方法较少，故而分析GIL热特性、高效率利用温度维度的运行数据，进而实现GIL的故障定位是十分必要的，可以大大提高GIL运行的可靠性。

发明内容

本发明的目的是要提供基于GIL分布热特性差异的故障定位方法，解决从热特性差异角度判断GIL故障区段的问题，考虑整条线路的分布热特性差异，对比故障点左右两侧壳体温度变化率曲线的差异，提出基于GIL热特性差异实现故障定位。

为解决上述技术问题，本发明的基于GIL分布热特性差异的故障定位方法，其特征在于具体步骤如下：

步骤S1：在GIL母线的外壳上寻找易发生高温及故障处全线安装温度监测点，所述的易发生高温及故障处为易受高温影响导致绝缘和材料老化的盆式绝缘子和导体触头位置；

步骤S2：通过正常运行状态下的热特性，计算正常运行状态时壳体温度的温度变化率范围，最终将各个温度监测点测量的温度变化率范围作为正常样本记录下来；

步骤S3：分析GIL母线中某点故障状态下的故障点左右两侧热特性，由于故障点左右两侧故障电流值存在差异，因此引起故障点两侧的热特性存在差异，推导故障时通用的壳体温度异常变化率公式，计算故障点左右侧壳体温度异常变化率，对比故障点两侧温度变化率是否存在差异，并计算故障点两侧温度变化率差异的差值作为差异值，对比差异值，若计算的变化率的取值范围超出正常状态的温度变化率范围，则判断该点发生故障，且故障点位于全线路温度变化率存在差异的两个温度检查点之间；

步骤S4：利用壳体温度异常变化率公式，对温度监测点采集到的GIL母线壳体各处温度进行计算，得到GIL母线壳体各个温度监测点采集到的实时温度变化率，各实时温度变化率与正常状态的壳体温度变化率样本作对比，从而判别GIL母线运行是否处于正常状态：若各个温度监测点的实时检测温度均在正常状态温度变化率范围内，则判断GIL母线正常运行；如果出现任意温度监测点的温度不在正常状态温度变化率范围内，则预判为GIL母线发生故障，如果相邻两个温度监测点传感器的监测数据计算的温度变化率存在差异值，则两个温度监测点之间就是故障区段；如果全线路温度变化率都不在正常状态温度变化率，且没有差异值出现，则判断故障发生在GIL母线的首尾处。

GIL母线易发生高温及故障区域全线间隔安装温度监测点：对GIL母线的连接两个独立气室的法兰结构安装温度监测点，当检测GIL母线的伸缩节时，由于在每一个GIL母线的伸缩节下都有导体触头包括滑动触头和固定触头，导体触头是接触劣化情况最易发生的地方，因此每一个伸缩节处都需要安装温度监测点，为保证故障定位的准确度，在每两个伸缩节中间设置安装温度监测点，使GIL母线的测温区间间隔不大于20m；

通过布置温度测量点可获得对应位置点外壳的实时温度，通过对上传的温度数据的分析计算，可以依次对相邻两温度测量点温度正常情况和异常情况进行对比，在判定为正常情况时温度测量点传感器的温度数据上传间隔为预设的长时间周期，若判断为异常，则温度监测点后续的温度数据上传间隔提升至100ms每次，及时对故障信息做出预警通知，直至故障解除。

计算正常运行状态时壳体温度的温度变化率范围为：

设在稳定运行时刻开始的n组温度数据的平均值，正常GIL母线线段的壳体温度变化率计算过程如下：

式中，T_k为正常GIL母线壳体温度值，单位℃；ΔT_k为某时刻正常壳体温度变化率，单位℃；t为正常壳体温度值取值所对应的仿真时间，单位s；Δt为温度变化率取值的时间间隔，单位s，取值与温度监测点的采样频率相关；m为稳定运行的某时刻；m+1为稳定运行m的下一个采集温度的时间；Δθ_n为正常壳体温度变化率，温度变化率范围取其中最大值Δθ_nb与最小值Δθ_ns，因此正常温度变化率范围为(Δθ_ns,Δθ_nb)。

当GIL母线发生故障时，负载电流在短时间内有较大波动，因此依据GIL母线热特性，GIL母线壳体温度有相应波动：当三相GIL母线中的某相出现绝缘气体击穿时发生单相接地故障时，因为故障点两侧***容量不对称且与故障点之间距离不等时，即故障发生点并不在两个温度检测器正中间位置时，会导致故障点左右两侧电流将突增并伴随左右侧电流幅值不同，因为壳体的温度变化率与电流的平方成正比关系，将会一并存在差异，即会检测到故障点左侧温度变化率Δθ_fl和故障点右侧温度变化率Δθ_fr突然增加且不等，假设故障时刻为h，壳体温度异常变化率公式如下，以故障点左侧的壳体温度变化率计算公式为例：

ΔT_fl＝T_fl(h+1)-T_fl(h)

Δt＝t_(h+1)-t_(h)

式中，T_fl为故障点左侧壳体温度值，单位℃；ΔT_fl为故障壳体温度变化率差值，单位℃；t为故障壳体温度值取值所对应的仿真时间，单位s；Δt为故障温度变化率取值的时间间隔，单位s；h为故障运行的某时刻；h+1为故障运行h的下一时刻；Δθ_fl为左侧异常壳体温度变化率取值上限，故障点左右两侧变化率计算公式一致。

设待测区段的温度监测点采集点数量为n，n为整数，将n个采集点在一定时间内的温度变化率绘制成n条曲线(a₁,a₂,…,a_k,…,a_n)，选取第k个点与第k+1个点的温度变化率曲线进行对比，如果两条变化率曲线相似，则对比后一个点；如果两条变化率曲线出现奇异值，则预判为故障区间，但还需进一步比较第k+1个和第k+2个点的温度变化率曲线，如果这两点的曲线相似，则可确定故障区段在第k个和k+1个点之间；如果两条曲线不一致，则对比k+2与k+3，直到最终确认所有故障区段的位置；选取第k个传感器曲线a_k为例，总结如下：

若a_k＝a_k+1，则令k＝k+1，进行下一轮比较；

若a_k≠a_k+1，若a_k+1＝a_k+2，故障区段(k-k+1)；

若a_k≠a_k+1，若a_k+1≠a_k+2，比较k+2与k+3，直到最终确认所有故障区段的位置。

有益效果：

通过分布在整条线路的温度监测点，实时监测GIL整条线路的温度值，数据采集点间距较小，可实现较精准的区段定位；利用包括GIL模型建立、热特性差异分析、温度变化率计算及分析、温度监测点布点，并将GIL依据气室进行分段，有利于数据的采集与存储，提高故障定位的精准度，同时针对热特性差异提出计算温度变化率对GIL故障定位，提高GIL运行的可靠性；

通过计算和分析正常线段温度以及故障点左右两侧温度，给出额定工况下正常运行时壳体温度变化率的范围以及故障运行时故障点左右两侧壳体温度变化率的范围，有助于温度监测***对GIL运行状态进行评估并基于热特性差异进行故障定位；由于GIL故障多样，无法将所有故障进行仿真，其余温度都设为不正常温度，利用故障点左右侧的热特性差异并可以通过温度变化率来体现，且温度变化率差异值明显，在工程中通过测量温度并简单计算容易进行故障定位，仿真获得正常温度变化率；

通过使用温度监测点，实时监测GIL的壳体外表面温度值，对比不同采集点的壳体温度变化率曲线，对比数据库中的正常运行时壳体温度变化率的范围以及通过对比故障运行时故障点左右两侧壳体温度变化率差异，可以实现故障定位。

附图说明

图1为本发明的基于GIL分布热特性差异的故障定位方法流程示意图；

图2为本发明的基于GIL分布热特性差异的故障定位方法温度变化率曲线对比流程图；

图3为本发明的故障时GIL各区段温度变化率分布图；

图4为本发明的温度监测点布点示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

如图1所示，本发明的基于GIL分布热特性差异的故障定位方法，其步骤如下：

步骤S1：在GIL母线的外壳上寻找易发生高温及故障处全线安装温度监测点，所述的易发生高温及故障处为易受高温影响导致绝缘和材料老化的盆式绝缘子和导体触头位置；当选择对GIL的连接两个独立气室的法兰结构安装温度监测点；当检测GIL的伸缩节时，在每一个伸缩节下都有导体触头包括滑动触头和固定触头，导体触头是接触劣化情况最易发生的地方，因此对每一个伸缩节都安装温度监测点，为保证故障定位的准确度，在每两个伸缩节中间适量安装温度监测点，使全线测温区间不大于20m；通过布置测温点，可获得此点外壳的实时温度，通过对上传的温度数据的分析计算，可以依次对相邻两点温度正常情况和异常情况进行对比，在判定为正常情况时传感器的温度数据上传间隔较长，若判断为异常，则温度监测点的温度数据上传间隔提升至100ms，以及时对故障信息做出动作；

步骤S2：通过正常运行状态下的热特性，计算正常运行状态时壳体温度的温度变化率范围，最终将各个温度监测点测量的温度变化率范围作为正常样本记录下来；

计算正常运行状态时壳体温度的温度变化率范围具体步骤为：

设在稳定运行时刻开始的n组温度数据的平均值，正常线段的壳体温度变化率计算过程如下：

式中，T_k为正常GIL壳体温度值，单位℃；ΔT_k为某时刻正常壳体温度变化率，单位℃；t为正常壳体温度值取值所对应的仿真时间，单位s；Δt为温度变化率取值的时间间隔，单位s，取值与温度监测点的采样频率相关；m为稳定运行的某时刻；m+1为稳定运行m的下一个采集温度的时间；Δθ_n为正常壳体温度变化率，温度变化率范围取其中最大值Δθ_nb与最小值Δθ_ns，因此正常温度变化率范围为(Δθ_ns,Δθ_nb)；

步骤S3：分析GIL母线中某点故障状态下的故障点左右两侧热特性，由于故障点左右两侧故障电流值有差异，因此引起故障点两侧的热特性存在差异，推导故障时通用的壳体温度异常变化率公式，计算故障点左右侧壳体温度异常变化率，对比其两侧温度变化率是否存在差异，并计算故障点两侧温度变化率差异的差值作为差异值，对比差异值，若计算的变化率的取值范围超出正常状态的温度变化率范围，则判断该点发生故障，且故障点位于全线路温度变化率存在差异的两个温度检查装置之间；

当GIL母线发生故障时，负载电流在短时间内有较大波动，因此依据GIL热特性，壳体温度有相应波动，，发生故障时，以三相GIL母线中的某相出现绝缘气体击穿时发生单相接地故障为例，因为故障点两侧***容量不对称且与故障点之间距离不等时，即故障发生点并不在两个温度检测器正中间位置时，会导致故障点左右两侧电流将突增并伴随左右侧电流幅值不同，因为壳体的温度变化率与电流的平方成正比关系，将会一并存在差异，即会检测到故障点左侧温度变化率Δθ_fl和故障点右侧温度变化率Δθ_fr突然增加且不等，假设故障时刻为h，壳体温度异常变化率公式如下，以故障点左侧的壳体温度变化率计算公式为例：

ΔT_fl＝T_fl(h+1)-T_fl(h)

Δt＝t_(h+1)-t_(h)

式中，T_fl为故障点左侧壳体温度值，单位℃；ΔT_fl为故障壳体温度变化率差值，单位℃；t为故障壳体温度值取值所对应的仿真时间，单位s；Δt为故障温度变化率取值的时间间隔，单位s；h为故障运行的某时刻；h+1为故障运行h的下一时刻；Δθ_fl为左侧异常壳体温度变化率取值上限，故障点左右两侧变化率计算公式一致；

步骤S4：利用壳体温度异常变化率公式，对温度监测点采集到的GIL母线壳体各处温度进行计算，得到GIL母线壳体各个温度监测点采集到的实时温度变化率，各实时温度变化率与正常状态的壳体温度变化率样本作对比，从而判别GIL母线运行是否处于正常状态：若各个测点的实时温度均在正常状态温度变化率范围内，则判断正常运行；如果出现任意不在正常状态温度变化率范围内，则预判为线路发生故障，如果相邻两个传感器的监测数据计算的温度变化率存在差异值，则两个传感器之间就是故障区段；如果全线路温度变化率都不在正常状态温度变化率，且没有差异值出现，则判断故障发生在线路首尾处；

设待测区段的温度监测点采集点数量为n，n为整数，将n个采集点在一定时间内的温度变化率绘制成n条曲线(a₁,a₂,…,a_k,…,a_n)，选取第k个点与第k+1个点的温度变化率曲线进行对比，如果两条变化率曲线相似，则对比后一个点；如果两条变化率曲线出现奇异值，则预判为故障区间，但还需进一步比较第k+1个和第k+2个点的温度变化率曲线，如果这两点的曲线相似，则可确定故障区段在第k个和k+1个点之间；如果两条曲线不一致，则对比k+2与k+3，直到最终确认所有故障区段的位置；选取第k个传感器曲线a_k为例，总结如下：

若a_k＝a_k+1，则令k＝k+1，进行下一轮比较；

若a_k≠a_k+1，若a_k+1＝a_k+2，故障区段(k-k+1)；

若a_k≠a_k+1，若a_k+1≠a_k+2，比较k+2与k+3，直到最终确认所有故障区段的位置。

结合附图2温度变化率曲线对比流程图，n个红外传感器采集点在一定时间内的温度变化率曲线为a₁,a₂,…,a_k,…,a_n,选取第k个与第k+1个点的曲线进行对比，如果两条变化率曲线相似，则对比后一个点；如果两条变化率曲线出现奇异值，则预判为故障区间，但还需进一步比较第k+1个和第k+2个点的温度变化率曲线，如果这两点的曲线相似，则可确定故障区段在第k个和k+1个点之间；如果两条曲线不一致，则对比k+2与k+3，直到最终确认所有故障区段的位置。

结合附图3故障时GIL各区段温度变化率分布图，通过建立有限元模型以及包含电磁场、温度场、流体场的多物理场耦合计算方法，可以得到GIL正常运行时温度变化率的范围以及线路发生故障后左右两侧的壳体温度变化率，可以看出，温度变化率在故障期间急剧增大，且故障点左右两侧温度变化率不一致，因此可通过计算分析GIL线段两个温度监测点的温度变化率来判定其故障发生区段，仿真中6000s后温度趋于稳定状态，因此取6000s后的温度值进行计算，温度变化率计算的时间间隔为100ms。

正常状态下温度变化率计算八组数据取平均值，当负载电流从1000A增加到最高4000A时认为是正常范围内变化，正常状态温度数据如下表1所示，

表1正常状态温度数据

按正常状态温度变化率计算公式进行计算，取值范围为：[0，0.7]。

以单相母线绝缘气体击穿故障为例，此时为单相接地故障，设置仿真时间7000s时发生单相接地故障，持续时间100ms，故障点左侧温度数据如下表2所示，右侧温度数据如下表3所示。

表2故障点左侧温度数据

按故障状态温度变化率计算公式进行计算，可得到故障点左侧温度变化率取值范围为：(1，4)。

表3故障点右侧温度数据

按故障状态温度变化率计算公式进行计算，可得到故障点右侧温度变化率取值范围为：(0.7，1)。

结合附图4温度监测点布点示意图，根据GIL整体结构安装红外测温仪，为满足测温及计算准确度要求，在GIL输电方向上间隔安装红外测温仪，该间隔可以根据实际情况进行优化调整，同时，选择使用红外测温仪直接检测壳体温度的方法，取代在壳体开孔对导体测温的方法，保证在运行过程中更换红外测温仪不影响GIL的运行。

本实施例中，建立热特性模型，将计算值与红外测温仪采集到并计算的壳体温度变化率对比分析，同时对比相邻两个红外测温仪的温度变化率，从而实现GIL故障定位。

本实施例中，所述GIL线段，通过对线段的监测，更有利于侦测现场实际GIL的运行情况，通过温度变化率进行故障定位，可以提高GIL整体运行的可靠性。

Claims (5)

1.一种基于GIL分布热特性差异的故障定位方法，其特征在于具体步骤如下：

步骤S1：在GIL母线的外壳上寻找易发生高温及故障处全线安装温度监测点，所述的易发生高温及故障处为易受高温影响导致绝缘和材料老化的盆式绝缘子和导体触头位置；

步骤S2：通过正常运行状态下的热特性，计算正常运行状态时壳体温度的温度变化率范围，最终将各个温度监测点测量的温度变化率范围作为正常样本记录下来；

步骤S3：分析GIL母线中某点故障状态下的故障点左右两侧热特性，由于故障点左右两侧故障电流值存在差异，因此引起故障点两侧的热特性存在差异，推导故障时通用的壳体温度异常变化率公式，计算故障点左右侧壳体温度异常变化率，对比故障点两侧温度变化率是否存在差异，并计算故障点两侧温度变化率差异的差值作为差异值，对比差异值，若计算的变化率的取值范围超出正常状态的温度变化率范围，则判断该点发生故障，且故障点位于全线路温度变化率存在差异的两个温度检查点之间；

步骤S4：利用壳体温度异常变化率公式，对温度监测点采集到的GIL母线壳体各处温度进行计算，得到GIL母线壳体各个温度监测点采集到的实时温度变化率，各实时温度变化率与正常状态的壳体温度变化率样本作对比，从而判别GIL母线运行是否处于正常状态：若各个温度监测点的实时检测温度均在正常状态温度变化率范围内，则判断GIL母线正常运行；如果出现任意温度监测点的温度不在正常状态温度变化率范围内，则预判为GIL母线发生故障，如果相邻两个温度监测点传感器的监测数据计算的温度变化率存在差异值，则两个温度监测点之间就是故障区段；如果全线路温度变化率都不在正常状态温度变化率，且没有差异值出现，则判断故障发生在GIL母线的首尾处。

2.根据权利要求1所述的基于GIL分布热特性差异的故障定位方法，其特征在于GIL母线易发生高温及故障区域全线间隔安装温度监测点：对GIL母线的连接两个独立气室的法兰结构安装温度监测点，当检测GIL母线的伸缩节时，由于在每一个GIL母线的伸缩节下都有导体触头包括滑动触头和固定触头，导体触头是接触劣化情况最易发生的地方，因此每一个伸缩节处都需要安装温度监测点，为保证故障定位的准确度，在每两个伸缩节中间设置安装温度监测点，使GIL母线的测温区间间隔不大于20m；

通过布置温度测量点可获得对应位置点外壳的实时温度，通过对上传的温度数据的分析计算，可以依次对相邻两温度测量点温度正常情况和异常情况进行对比，在判定为正常情况时温度测量点传感器的温度数据上传间隔为预设的长时间周期，若判断为异常，则温度监测点后续的温度数据上传间隔提升至100ms每次，及时对故障信息做出预警通知，直至故障解除。

3.根据权利要求1所述的基于GIL分布热特性差异的故障定位方法，其特征在于计算正常运行状态时壳体温度的温度变化率范围为：

设在稳定运行时刻开始的n组温度数据的平均值，正常GIL母线线段的壳体温度变化率计算过程如下：

式中，T_k为正常GIL母线壳体温度值，单位℃；ΔT_k为某时刻正常壳体温度变化率，单位℃；t为正常壳体温度值取值所对应的仿真时间，单位s；Δt为温度变化率取值的时间间隔，单位s，取值与温度监测点的采样频率相关；m为稳定运行的某时刻；m+1为稳定运行m的下一个采集温度的时间；Δθ_n为正常壳体温度变化率，温度变化率范围取其中最大值Δθ_nb与最小值Δθ_ns，因此正常温度变化率范围为(Δθ_ns,Δθ_nb)。

4.根据权利要求1所述的基于GIL分布热特性差异的故障定位方法，其特征在于：当GIL母线发生故障时，负载电流在短时间内有较大波动，因此依据GIL母线热特性，GIL母线壳体温度有相应波动：当三相GIL母线中的某相出现绝缘气体击穿时发生单相接地故障时，因为故障点两侧***容量不对称且与故障点之间距离不等时，即故障发生点并不在两个温度检测器正中间位置时，会导致故障点左右两侧电流将突增并伴随左右侧电流幅值不同，因为壳体的温度变化率与电流的平方成正比关系，将会一并存在差异，即会检测到故障点左侧温度变化率Δθ_fl和故障点右侧温度变化率Δθ_fr突然增加且不等，假设故障时刻为h，壳体温度异常变化率公式如下，以故障点左侧的壳体温度变化率计算公式为例：

ΔT_fl＝T_fl(h+1)-T_fl(h)

Δt＝t_(h+1)-t_(h)

式中，T_fl为故障点左侧壳体温度值，单位℃；ΔT_fl为故障壳体温度变化率差值，单位℃；t为故障壳体温度值取值所对应的仿真时间，单位s；Δt为故障温度变化率取值的时间间隔，单位s；h为故障运行的某时刻；h+1为故障运行h的下一时刻；Δθ_fl为左侧异常壳体温度变化率取值上限，故障点左右两侧变化率计算公式一致。

5.根据权利要求1所述的基于GIL分布热特性差异的故障定位方法，其特征在于：设待测区段的温度监测点采集点数量为n，n为整数，将n个采集点在一定时间内的温度变化率绘制成n条曲线(a₁,a₂,…,a_k,…,a_n)，选取第k个点与第k+1个点的温度变化率曲线进行对比，如果两条变化率曲线相似，则对比后一个点；如果两条变化率曲线出现奇异值，则预判为故障区间，但还需进一步比较第k+1个和第k+2个点的温度变化率曲线，如果这两点的曲线相似，则可确定故障区段在第k个和k+1个点之间；如果两条曲线不一致，则对比k+2与k+3，直到最终确认所有故障区段的位置；选取第k个传感器曲线a_k为例，总结如下：

若a_k＝a_k+1，则令k＝k+1，进行下一轮比较；

若a_k≠a_k+1，若a_k+1＝a_k+2，故障区段(k-k+1)；

若a_k≠a_k+1，若a_k+1≠a_k+2，比较k+2与k+3，直到最终确认所有故障区段的位置。

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