江河底部輸電采用氣體絕緣金屬封閉輸電線路（gas-insulated metal enclosed transmission line, GIL），具有可靠性高、故障率低、運維工作量小、不受海拔和大氣條件影響的優(yōu)點。對于總長為5.8km的GIL，每個氣室長度約100m，單個GIL分段長度為18m，共分為6相。

出現(xiàn)相對地短路故障后，檢修維護(hù)人員需要迅速定位故障氣室，通過離線氣體分解物檢測確認(rèn)故障氣室后，查找發(fā)生故障的分段并更換。如何在接地短路故障后迅速定位成為一個需要解決的實際問題。

1 定位方法

由于GIL工程案例較少，GIL的故障定位沒有可直接參考的成熟方法，定位的方法一般沿襲自電網(wǎng)同類設(shè)備，例如氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（gas insulated switchgear, GIS）、架空線路等，可供參考的定位方法列舉如下。

1.1 超聲法

超聲法利用故障時刻電弧產(chǎn)生的超聲波特征確定故障點的位置，超聲法需要按照傳感器的靈敏度沿線等距離布設(shè)傳感器。超聲法具有不受電氣量干擾的優(yōu)點。

但超聲信號相對故障時刻的電氣信號較弱，屬于間接定位法，在各相GIL殼體上均需要獨立裝設(shè)傳感器，造價高、GIL故障后更換一次設(shè)備時維護(hù)不便，有時還需要實現(xiàn)全線采集器的同步采樣。

1.2 可聽聲法

GIL在短路時由于故障電流很大，會產(chǎn)生比較大的聲音，短路聲響沿隧道傳播，通過麥克風(fēng)可探測聲響的強弱，從而確定故障的大致位置。可聽聲法原理簡單，無需同步采樣，傳感器無需安裝在GIL殼體上。但可聽聲法定位精度低，容易受到管廊內(nèi)通風(fēng)設(shè)備噪聲的干擾，靈敏度低。

1.3 分解物法

電弧會引發(fā)SF6氣體的分解，通過化學(xué)傳感器可以靈敏地探測到氣體分解物，通過分解物含量可確認(rèn)短路故障的發(fā)生。分解物法可靠性高，是最終確認(rèn)GIL一次解體的判據(jù)。

但分解物法和超聲法一樣，需要逐相、逐氣室安裝傳感器，只能定位到氣室級別，定位精度無法再提高。由于氣室較長，分解物的擴散需要較長的時間，延長了故障停電的時間。

1.4 行波法

由于GIL屬于同軸波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，故障行波傳輸?shù)臈l件比較好，波前陡度有利于定位精度的提高，通過安裝在GIL內(nèi)部的電容傳感器可以很方便地獲得行波前沿。行波法只需要在GIL兩端裝設(shè)傳感器，短路故障后基本不妨礙GIL本體的更換。

但行波法需要在GIL兩端實現(xiàn)同步高速采樣，設(shè)備同步精度要求高、造價高、可靠性低、冗余度低。此外，在分合閘時刻發(fā)生短路時，行波法需要區(qū)分分合閘行波和故障行波，這對于在線判據(jù)是比較困難的。

1.5 故障電流法

本文討論的基于縱向電流特征接地短路定位的方法屬于故障定位法。

由于GIL管廊工程大都使用盾構(gòu)掘進(jìn)方式，管廊內(nèi)的接地方式與常規(guī)變電站有一定差異，可利用故障時刻短路電流的特征實現(xiàn)定位功能。

故障電流法又可分為橫向電流法和縱向電流法，橫向電流法測量GIL殼體引下線的工頻電流特征，縱向電流法測量流向兩端引接站的工頻電流特征。橫向電流法不必逐相配置傳感器，只需為每條GIL線路配置引下線的傳感器（三相共用引下線），縱向電流法可實現(xiàn)兩回GIL線路共用傳感器，故障電流法的傳感器安裝在接地回路上，對GIL本體的維護(hù)影響較小。故障電流法測量的是短路電流，被測信號能量巨大，屬于直接測量法，具有原理簡單、實現(xiàn)便捷、維護(hù)方便、同步要求低、冗余度高等諸多優(yōu)點。

2 管廊接地分析

GIL管廊大都采用盾構(gòu)掘進(jìn)方式，管廊由預(yù)制管片逐環(huán)自動拼裝形成，通過同步注漿填充管壁縫隙控制沉降。盾構(gòu)管廊對江底土層無特殊接地措施，依靠混凝土散流。

GIL北引接站地網(wǎng)接地電阻為0.504Ω，南引接站地網(wǎng)接地電阻為0.153Ω，管廊內(nèi)接地材料采用50×5銅排4根，分別供兩回GIL和兩回500kV電纜接地，管廊內(nèi)每5m設(shè)置一個鋼筋接地樁，銅排就近連接到鋼筋接地樁上，4根銅排間依靠鋼筋連接。管廊的接地條件如圖1所示。

圖1 GIL管廊截面示意圖

管廊混凝土外殼壁厚0.55m，直徑11m，按照電阻率200Ω?m考慮（普通混凝土），近似認(rèn)為鋼筋位于外殼壁厚的中部，每100m的混凝土擴散電阻約為16mΩ?？v向金屬結(jié)構(gòu)僅考慮4根截面為250mm2的銅排，每100m的地網(wǎng)縱向電阻為1.75mΩ，使用無限電阻網(wǎng)絡(luò)估算對地短路時電流的分布。

圖2中的I1、I2即為縱向電流，橫向的混凝土散流電阻和縱向的銅排電阻之比決定了接地電流在空間上的分布，計算得到I2/I1=I4/I3=0.72，含義為GIL縱向故障電流每百米衰減72%，此即為故障電流的空間衰減常數(shù)，全部接地電流衰減到1%時需要約1400m。故障電流的空間衰減常數(shù)可通過對地網(wǎng)注入工頻電流的方式實測獲得。圖3所示為縱向電流幅值空間分布的示意圖。

考慮管廊內(nèi)縱向還有GIL外殼和鋼筋縱向?qū)Я?，故障電流的空間衰減會減小，如果管廊使用的是防水混凝土，橫向散流電阻會增大，這些都有利于故障電流縱向流通，沿管廊軸向的空間分布會更廣、電流幅值梯度更小，兩岸管廊入口近端短路時，部分短路電流可能從南北引接站的地網(wǎng)入地。圖4所示為故障電流分布的示意圖。

圖2 估算接地電流分布的電阻網(wǎng)絡(luò)

圖3 縱向電流空間分布梯度示意圖

除了幅值特征外，縱向電流的相位特征也十分明顯。接地故障電流相對系統(tǒng)電壓的相位由特高壓變壓器短路阻抗、特高壓線路阻抗決定，由于這些阻抗主要為感性阻抗，無論潮流方向如何，接地故障電流相對系統(tǒng)電壓的相位變化不會太大。

接地故障電流最終大部分流向送端的接地點，故障電流時間上相位差異不大，但在GIL短路點兩側(cè)，故障電流的空間相位分布相差接近180°。在其他運行方式下，故障電流的空間相位分布也接近于180°，具有和差動保護(hù)區(qū)內(nèi)故障接近的特征。

圖4 故障電流空間分布示意圖

在互感器極性都指向同一引接站的條件下，故障點兩側(cè)電流向量的相位示意關(guān)系如圖5所示。

圖5 故障點兩側(cè)縱向電流相位特征示意圖

綜上所述，接地故障時沿管廊軸向流動的縱向地網(wǎng)電流有較為明顯的幅值和相位特征，通過沿線布設(shè)縱向電流傳感器，可實現(xiàn)接地故障的定位。在管廊壁混凝土橫向擴散電阻較小時，縱向電流的空間梯度分布較陡，可使用幅值判據(jù)定位；縱向電流的空間相位特征十分明顯，故障點兩側(cè)傳感器采集到的電流相位相差約180°，通過相位判據(jù)可將故障點定位于兩傳感器之間。

3 試驗?zāi)M

為驗證故障電流的幅值和相位特征，采用小比例試驗的方式實測接地電流。在一條直線上每隔2m打入一個接地樁，共5個接地樁，使用4mm2銅線將5個接地樁串聯(lián)起來，使用220V調(diào)壓器（配隔離變）模擬系統(tǒng)電壓，交流50Hz故障電流從中間的接地樁C注入，測量故障電流的幅值和相位特征。試驗接線如圖6所示。

為模擬濕潤地（如江底）土壤潮濕環(huán)境，使用灌水方式降低土壤電阻，使得土壤電阻率達(dá)到10Ω?m以下。試驗設(shè)備位于對地絕緣的臺面上，試驗環(huán)境實景如圖7所示。

注入電流為500mA時，5個接地樁之間的4段銅線電流幅值見表1。從表1中可以看出，靠近注入點C（故障點）的兩段導(dǎo)線電流最大，具備幅值定位的條件。

在示波器上查看故障點兩側(cè)電流的相位關(guān)系， 具有明顯的反相關(guān)系，具備相位定位的條件。圖8所示為實測波形。

圖6 模擬試驗接線圖

圖7 模擬試驗實景

表1 縱向電流幅值表

圖8 注入電流相位關(guān)系實測圖

4 定位方案

4.1 傳感器安裝

縱向電流法的定位精度取決于傳感器的安裝密度，按照18m的定位精度考慮，可在每個GIL分段的接地引下線處安裝一個傳感器，測量引下線南北兩側(cè)的電流幅值和相位，全線共安裝約165個傳感器，測量330個電流的幅值和相位。由于測量的是縱向接地電流，兩條GIL線路的6相可共用傳感器，只需從GIL繼電保護(hù)設(shè)備獲得故障相別的信息即可。

如GIL最小方式下短路容量為13kA，最大方式下短路容量為63kA，為避免被測電流過大，可采用在接地銅排上并聯(lián)分流線的方式獲得被測電流，這不僅沒有破壞地網(wǎng)的接地阻抗，也大大簡化了傳感器的安裝施工。分流線一共330根，總長5.8km。圖9所示為傳感器的安裝方式示意圖。

每根分流線兩端間的區(qū)域為一個定位區(qū)間，采用幅值判據(jù)時，故障點位于縱向電流幅值最大的分流線左右的定位區(qū)間內(nèi)；采用相位判據(jù)時，故障點位于相位反相的兩個或3個分流線區(qū)間內(nèi)；綜合使用幅值和相位判據(jù)時，可進(jìn)一步提高定位的可靠性和準(zhǔn)確性。

傳感器采用壓鑄鋁防水殼體，可貼地安裝在GIL支架上，完全不影響GIL本體的維修，傳感器的安裝位置示意圖如圖10所示。

4.2 分布式采集系統(tǒng)

分布式采集系統(tǒng)由3層構(gòu)成，分別是定位主機、數(shù)據(jù)集中器和傳感器，系統(tǒng)構(gòu)架如圖11所示。GIL管廊中每500m有一面輔助控制柜，輔助控制柜間有光纖環(huán)網(wǎng)，數(shù)據(jù)集中器安裝在輔助控制柜內(nèi)，通過光纖環(huán)網(wǎng)和引接站內(nèi)的定位主機通信，將傳感器的錄波數(shù)據(jù)集中匯總分析。

圖9 傳感器電氣安裝位置示意圖

圖10 傳感器安裝位置示意圖

圖11 分布式采集系統(tǒng)構(gòu)架圖

數(shù)據(jù)集中器通過4芯電纜連接就地安裝的傳感器，其中兩芯為AC 220V電源，給傳感器供電，另外兩芯為RS 485總線，在輔助控制柜左右各250m范圍內(nèi)的傳感器通過“手拉手”方式連接，這種方式相對于輻射狀布線大大簡化了施工難度。圖12所示為傳感器的“手拉手”接入方式圖。

圖12 就地安裝的傳感器接入方式圖

4.3 同步方式

由于需要對比全線約330個電流的相位關(guān)系，所有傳感器的工頻電流必須有相位可比性，這一點可以通過電源同步的方式實現(xiàn)，即傳感器除了采集兩路縱向電流外，還采集本裝置的供電電壓，傳感器上送的電流相位均以本裝置的供電電壓為參考基準(zhǔn)，同一電壓供電傳感器的電流相位具備可比性，這一方式在容性設(shè)備在線監(jiān)測中已有大量應(yīng)用。

GIL管廊內(nèi)的供電分別從兩岸引接站接入，為避免兩岸引接站電源相位不一致帶來的問題，可將定位系統(tǒng)按電源來源分為南北兩段，在管廊中部兩段定位系統(tǒng)設(shè)置一定的空間重疊，重疊部分的縱向電流被兩段定位系統(tǒng)冗余采集，重疊部分的冗余采集可以給出兩岸電源的相位差，這樣全線的縱向電流就具備了相位可比性。

采用了電源同步方式后，各傳感器的采樣可以異步執(zhí)行，這大大簡化了采集器的實現(xiàn)，也降低了系統(tǒng)的整體難度和工程預(yù)算。各采集器獨立采樣并啟動錄波，由于故障前后接地電流變化顯著，通過工頻突變量方式可以很好地兼顧啟動判據(jù)的速動性、選擇性、可靠性和靈敏性。傳感器為監(jiān)測裝置，誤起動后僅會增加一次無效的錄波數(shù)據(jù)，這個影響可以通過定位主機的軟件智能消除，因此傳感器的起動判據(jù)可以設(shè)計的很靈敏，杜絕縱向電流漏采集的發(fā)生。

當(dāng)某個傳感器失效時，不相鄰傳感器仍然可構(gòu)成完整的定位系統(tǒng)，僅定位精度有所下降。在極端情況下，單個輔助控制柜失電時，縱向電流法仍然可以保證500m級別的定位精度，而超聲法則可能完全無法定位，縱向電流法具有N冗余的可靠性，這是其他方式所不能比擬的。

結(jié)論

本文提出了一種全新的定位原理，并詳細(xì)說明了基于縱向電流特征的專利定位方式，給出了具體的實施辦法。該方法是通過對工頻接地電流相位和幅值的空間分布實現(xiàn)定位。分析與試驗表明，基于縱向電流特征接地短路定位的方法具有技術(shù)難度小、原理簡單、安裝方便、不影響一次維護(hù)、造價相對較低、冗余度高等諸多優(yōu)點。