全新的定位方法，可简便快捷查找GIL的接地短路故障点
广东电网有限责任公司揭阳供电局、北京四方继保自动化股份有限公司的研究人员陈晓彬、黄昕、高锐，在2019年第11期《电气技术》杂志上撰文（论文标题为“纵向电流特征接地短路定位方法在气体绝缘金属封闭输电线路管廊工程中的应用讨论”），介绍了气体绝缘金属封闭输电线路接地短路情况下故障点定位的几种原理，在分析了总长5.8km的气体绝缘金属封闭输电线路工程接地条件后，提出了一种全新的定位原理，详细说明了基于纵向电流特征的专利定位方式，并给出了具体的实施办法。
基于纵向电流特征的定位方法主要识别工频接地电流的幅值和相位特征，定位系统采用了分布式向量采集构架，具有N冗余、高可靠、原理简单、布线和维护便捷的优点。
江河底部输电采用气体绝缘金属封闭输电线路（gas-insulated metal enclosed transmission line, GIL），具有可靠性高、故障率低、运维工作量小、不受海拔和大气条件影响的优点。对于总长为5.8km的GIL，每个气室长度约100m，单个GIL分段长度为18m，共分为6相。
出现相对地短路故障后，检修维护人员需要迅速定位故障气室，通过离线气体分解物检测确认故障气室后，查找发生故障的分段并更换。如何在接地短路故障后迅速定位成为一个需要解决的实际问题。
1 定位方法
由于GIL工程案例较少，GIL的故障定位没有可直接参考的成熟方法，定位的方法一般沿袭自电网同类设备，例如气体绝缘金属封闭开关设备（gas insulated switchgear, GIS）、架空线路等，可供参考的定位方法列举如下。
1.1 超声法
超声法利用故障时刻电弧产生的超声波特征确定故障点的位置，超声法需要按照传感器的灵敏度沿线等距离布设传感器。超声法具有不受电气量干扰的优点。
但超声信号相对故障时刻的电气信号较弱，属于间接定位法，在各相GIL壳体上均需要独立装设传感器，造价高、GIL故障后更换一次设备时维护不便，有时还需要实现全线采集器的同步采样。
1.2 可听声法
GIL在短路时由于故障电流很大，会产生比较大的声音，短路声响沿隧道传播，通过麦克风可探测声响的强弱，从而确定故障的大致位置。可听声法原理简单，无需同步采样，传感器无需安装在GIL壳体上。但可听声法定位精度低，容易受到管廊内通风设备噪声的干扰，灵敏度低。
1.3 分解物法
电弧会引发SF6气体的分解，通过化学传感器可以灵敏地探测到气体分解物，通过分解物含量可确认短路故障的发生。分解物法可靠性高，是最终确认GIL一次解体的判据。
但分解物法和超声法一样，需要逐相、逐气室安装传感器，只能定位到气室级别，定位精度无法再提高。由于气室较长，分解物的扩散需要较长的时间，延长了故障停电的时间。
1.4 行波法
由于GIL属于同轴波导结构，故障行波传输的条件比较好，波前陡度有利于定位精度的提高，通过安装在GIL内部的电容传感器可以很方便地获得行波前沿。行波法只需要在GIL两端装设传感器，短路故障后基本不妨碍GIL本体的更换。
但行波法需要在GIL两端实现同步高速采样，设备同步精度要求高、造价高、可靠性低、冗余度低。此外，在分合闸时刻发生短路时，行波法需要区分分合闸行波和故障行波，这对于在线判据是比较困难的。
1.5 故障电流法
本文讨论的基于纵向电流特征接地短路定位的方法属于故障定位法。
由于GIL管廊工程大都使用盾构掘进方式，管廊内的接地方式与常规变电站有一定差异，可利用故障时刻短路电流的特征实现定位功能。
故障电流法又可分为横向电流法和纵向电流法，横向电流法测量GIL壳体引下线的工频电流特征，纵向电流法测量流向两端引接站的工频电流特征。横向电流法不必逐相配置传感器，只需为每条GIL线路配置引下线的传感器（三相共用引下线），纵向电流法可实现两回GIL线路共用传感器，故障电流法的传感器安装在接地回路上，对GIL本体的维护影响较小。故障电流法测量的是短路电流，被测信号能量巨大，属于直接测量法，具有原理简单、实现便捷、维护方便、同步要求低、冗余度高等诸多优点。
2 管廊接地分析
GIL管廊大都采用盾构掘进方式，管廊由预制管片逐环自动拼装形成，通过同步注浆填充管壁缝隙控制沉降。盾构管廊对江底土层无特殊接地措施，依靠混凝土散流。
GIL北引接站地网接地电阻为0.504Ω，南引接站地网接地电阻为0.153Ω，管廊内接地材料采用50×5铜排4根，分别供两回GIL和两回500kV电缆接地，管廊内每5m设置一个钢筋接地桩，铜排就近连接到钢筋接地桩上，4根铜排间依靠钢筋连接。管廊的接地条件如图1所示。
图1 GIL管廊截面示意图
管廊混凝土外壳壁厚0.55m，直径11m，按照电阻率200Ω·m考虑（普通混凝土），近似认为钢筋位于外壳壁厚的中部，每100m的混凝土扩散电阻约为16mΩ。纵向金属结构仅考虑4根截面为250mm2的铜排，每100m的地网纵向电阻为1.75mΩ，使用无限电阻网络估算对地短路时电流的分布。
图2中的I1、I2即为纵向电流，横向的混凝土散流电阻和纵向的铜排电阻之比决定了接地电流在空间上的分布，计算得到I2/I1=I4/I3=0.72，含义为GIL纵向故障电流每百米衰减72%，此即为故障电流的空间衰减常数，全部接地电流衰减到1%时需要约1400m。故障电流的空间衰减常数可通过对地网注入工频电流的方式实测获得。图3所示为纵向电流幅值空间分布的示意图。
考虑管廊内纵向还有GIL外壳和钢筋纵向导流，故障电流的空间衰减会减小，如果管廊使用的是防水混凝土，横向散流电阻会增大，这些都有利于故障电流纵向流通[10-11]，沿管廊轴向的空间分布会更广、电流幅值梯度更小，两岸管廊入口近端短路时，部分短路电流可能从南北引接站的地网入地。图4所示为故障电流分布的示意图。
图2 估算接地电流分布的电阻网络
图3 纵向电流空间分布梯度示意图
除了幅值特征外，纵向电流的相位特征也十分明显。接地故障电流相对系统电压的相位由特高压变压器短路阻抗、特高压线路阻抗决定，由于这些阻抗主要为感性阻抗，无论潮流方向如何，接地故障电流相对系统电压的相位变化不会太大。
接地故障电流最终大部分流向送端的接地点，故障电流时间上相位差异不大，但在GIL短路点两侧，故障电流的空间相位分布相差接近180°。在其他运行方式下，故障电流的空间相位分布也接近于180°，具有和差动保护区内故障接近的特征。
图4 故障电流空间分布示意图
在互感器极性都指向同一引接站的条件下，故障点两侧电流向量的相位示意关系如图5所示。
图5 故障点两侧纵向电流相位特征示意图
综上所述，接地故障时沿管廊轴向流动的纵向地网电流有较为明显的幅值和相位特征，通过沿线布设纵向电流传感器，可实现接地故障的定位。在管廊壁混凝土横向扩散电阻较小时，纵向电流的空间梯度分布较陡，可使用幅值判据定位；纵向电流的空间相位特征十分明显，故障点两侧传感器采集到的电流相位相差约180°，通过相位判据可将故障点定位于两传感器之间。
3 试验模拟
为验证故障电流的幅值和相位特征，采用小比例试验的方式实测接地电流。在一条直线上每隔2m打入一个接地桩，共5个接地桩，使用4mm2铜线将5个接地桩串联起来，使用220V调压器（配隔离变）模拟系统电压，交流50Hz故障电流从中间的接地桩C注入，测量故障电流的幅值和相位特征。试验接线如图6所示。
为模拟湿润地（如江底）土壤潮湿环境，使用灌水方式降低土壤电阻，使得土壤电阻率达到10Ω·m以下。试验设备位于对地绝缘的台面上，试验环境实景如图7所示。
注入电流为500mA时，5个接地桩之间的4段铜线电流幅值见表1。从表1中可以看出，靠近注入点C（故障点）的两段导线电流最大，具备幅值定位的条件。
在示波器上查看故障点两侧电流的相位关系， 具有明显的反相关系，具备相位定位的条件。图8所示为实测波形。
图6 模拟试验接线图
图7 模拟试验实景
表1 纵向电流幅值表
图8 注入电流相位关系实测图
4 定位方案
4.1 传感器安装
纵向电流法的定位精度取决于传感器的安装密度，按照18m的定位精度考虑，可在每个GIL分段的接地引下线处安装一个传感器，测量引下线南北两侧的电流幅值和相位，全线共安装约165个传感器，测量330个电流的幅值和相位。由于测量的是纵向接地电流，两条GIL线路的6相可共用传感器，只需从GIL继电保护设备获得故障相别的信息即可。
如GIL最小方式下短路容量为13kA，最大方式下短路容量为63kA，为避免被测电流过大，可采用在接地铜排上并联分流线的方式获得被测电流，这不仅没有破坏地网的接地阻抗，也大大简化了传感器的安装施工。分流线一共330根，总长5.8km。图9所示为传感器的安装方式示意图。
每根分流线两端间的区域为一个定位区间，采用幅值判据时，故障点位于纵向电流幅值最大的分流线左右的定位区间内；采用相位判据时，故障点位于相位反相的两个或3个分流线区间内；综合使用幅值和相位判据时，可进一步提高定位的可靠性和准确性。
传感器采用压铸铝防水壳体，可贴地安装在GIL支架上，完全不影响GIL本体的维修，传感器的安装位置示意图如图10所示。
4.2 分布式采集系统
分布式采集系统由3层构成，分别是定位主机、数据集中器和传感器，系统构架如图11所示。GIL管廊中每500m有一面辅助控制柜，辅助控制柜间有光纤环网，数据集中器安装在辅助控制柜内，通过光纤环网和引接站内的定位主机通信，将传感器的录波数据集中汇总分析。
图9 传感器电气安装位置示意图
图10 传感器安装位置示意图
图11 分布式采集系统构架图
数据集中器通过4芯电缆连接就地安装的传感器，其中两芯为AC 220V电源，给传感器供电，另外两芯为RS 485总线，在辅助控制柜左右各250m范围内的传感器通过“手拉手”方式连接，这种方式相对于辐射状布线大大简化了施工难度。图12所示为传感器的“手拉手”接入方式图。
图12 就地安装的传感器接入方式图
4.3 同步方式
由于需要对比全线约330个电流的相位关系，所有传感器的工频电流必须有相位可比性，这一点可以通过电源同步的方式实现，即传感器除了采集两路纵向电流外，还采集本装置的供电电压，传感器上送的电流相位均以本装置的供电电压为参考基准，同一电压供电传感器的电流相位具备可比性，这一方式在容性设备在线监测中已有大量应用。
GIL管廊内的供电分别从两岸引接站接入，为避免两岸引接站电源相位不一致带来的问题，可将定位系统按电源来源分为南北两段，在管廊中部两段定位系统设置一定的空间重叠，重叠部分的纵向电流被两段定位系统冗余采集，重叠部分的冗余采集可以给出两岸电源的相位差，这样全线的纵向电流就具备了相位可比性。
采用了电源同步方式后，各传感器的采样可以异步执行，这大大简化了采集器的实现，也降低了系统的整体难度和工程预算。各采集器独立采样并启动录波，由于故障前后接地电流变化显著，通过工频突变量方式可以很好地兼顾启动判据的速动性、选择性、可靠性和灵敏性。传感器为监测装置，误起动后仅会增加一次无效的录波数据，这个影响可以通过定位主机的软件智能消除，因此传感器的起动判据可以设计的很灵敏，杜绝纵向电流漏采集的发生。
当某个传感器失效时，不相邻传感器仍然可构成完整的定位系统，仅定位精度有所下降。在极端情况下，单个辅助控制柜失电时，纵向电流法仍然可以保证500m级别的定位精度，而超声法则可能完全无法定位，纵向电流法具有N冗余的可靠性，这是其他方式所不能比拟的。
本文提出了一种全新的定位原理，并详细说明了基于纵向电流特征的专利定位方式，给出了具体的实施办法。该方法是通过对工频接地电流相位和幅值的空间分布实现定位。分析与试验表明，基于纵向电流特征接地短路定位的方法具有技术难度小、原理简单、安装方便、不影响一次维护、造价相对较低、冗余度高等诸多优点。