周云鋒,張子陽(yáng)，楊景剛，賈勇勇

(1.江蘇省電力公司，江蘇 南京 210024；2.江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 211103)

GIS由于其占地面積小，可靠性高的優(yōu)點(diǎn)在電力系統(tǒng)中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[1-3]，局部放電是GIS中放電性故障的初期表現(xiàn)，對(duì)GIS進(jìn)行局部放電檢測(cè)是保證GIS安全運(yùn)行的重要手段[4,5]。局部放電信號(hào)包含了豐富的絕緣狀態(tài)信息[6]，對(duì)GIS制造、安裝及運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的缺陷能夠進(jìn)行有效反應(yīng)，可檢測(cè)出絕緣故障的發(fā)生及嚴(yán)重程度，在事故的早期階段提出報(bào)警，以便有計(jì)劃地安排維修，減少設(shè)備的損壞，避免事故發(fā)生所帶來(lái)的巨大損失。因而局部放電的檢測(cè)、評(píng)價(jià)和定位也就成為GIS絕緣狀況監(jiān)測(cè)的最重要手段。

基于超聲波法的局部放電檢測(cè)是一種對(duì)電力設(shè)備很重要的、非破壞性的檢測(cè)手段。電力設(shè)備內(nèi)部發(fā)生局放時(shí)表現(xiàn)為一個(gè)小范圍的氣體擊穿，氣體分子的相互撞擊會(huì)產(chǎn)生超聲波脈沖，不同的電氣設(shè)備，環(huán)境條件和絕緣狀況產(chǎn)生的聲波頻譜都不相同[7]。GIS中沿SF6氣體傳播的只有縱波，而在GIS外腔體中，既可以傳播橫波也可以傳播縱波[8]。GIS中局部放電激發(fā)的超聲波可以看作是以點(diǎn)源的方式向四周傳播，由于超聲波的波長(zhǎng)較短，因此它的方向性較強(qiáng)，從而它的能量較為集中，可以通過(guò)外壁的超聲傳感器收集放電時(shí)產(chǎn)生的超聲信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行分析。

盆式絕緣子是GIS中重要的、用量非常大的絕緣介質(zhì)，其材料通常為環(huán)氧，盆式絕緣子的絕緣性能對(duì)整個(gè)GIS的安全運(yùn)行具有重要意義。盆式絕緣子一般采用真空澆注的方式進(jìn)行制作，在澆注過(guò)程中如果真空度不夠或者進(jìn)入了微量氣體，則會(huì)在澆注成型的絕緣子中產(chǎn)生微量氣泡，氣泡一旦形成，由于環(huán)氧的介電常數(shù)（ε=3.6）大于氣體的介電常數(shù)（ε=1），所以氣泡會(huì)承擔(dān)很高的場(chǎng)強(qiáng)，會(huì)導(dǎo)致氣泡發(fā)生放電，從而引起盆式絕緣子中產(chǎn)生局部放電。局部放電一旦形成，就會(huì)對(duì)絕緣產(chǎn)生長(zhǎng)期的電氣和物理破壞，最終會(huì)導(dǎo)致絕緣失效，致使GIS產(chǎn)生事故。盆式絕緣子中由于氣泡引起的局部放電特性與氣泡的體積大小密切相關(guān)，其對(duì)絕緣的危害程度也不相同，本文以不同體積的環(huán)氧中氣泡為研究對(duì)象，對(duì)其局部放電的超聲波特性進(jìn)行了研究。

1 測(cè)量系統(tǒng)及缺陷制作

研究過(guò)程中采用了一套以超聲波檢測(cè)為基礎(chǔ)的綜合測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)線路如圖1所示，它包括工頻加壓系統(tǒng)及超聲波測(cè)試回路。

圖1 測(cè)量系統(tǒng)示意圖

圖1中，Z為保護(hù)阻抗，CK為耦合電容，CX為試品電容。由于沒(méi)有現(xiàn)成的帶有內(nèi)部缺陷的絕緣子，因此本文使用缺陷單元模擬此類缺陷，如圖2所示。放電模型由三層環(huán)氧板黏接而成，上下兩層環(huán)氧板厚2 mm，中間夾板帶有氣隙缺陷，其厚度可以調(diào)整。

缺陷單元放置在密封腔體內(nèi)，腔體上下采用金屬板，中間采用有機(jī)玻璃作為腔體外殼，超聲傳感器放置在下金屬板進(jìn)行超聲信號(hào)的傳感。

設(shè)置尺寸為 2 mm（厚度）×1 mm（直徑），2 mm×2 mm，2 mm×3 mm，1 mm×1 mm，1 mm×2 mm，1 mm×3 mm的扁平氣泡，對(duì)其放電譜圖進(jìn)行分析，并研究氣隙尺寸對(duì)放電起始電壓、局部放電量等影響。考慮到此類放電的分散性以及放電模式的時(shí)間累計(jì)性，試驗(yàn)中每個(gè)樣品首先升壓至能采集到放電信號(hào)，然后穩(wěn)定此時(shí)施加的電壓10 min，再逐級(jí)增大電壓，每一級(jí)電壓下均保持10 min左右以觀測(cè)放電現(xiàn)象。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

利用上述的測(cè)量系統(tǒng)及試品，對(duì)盆式絕緣子中不同體積的氣隙缺陷進(jìn)行了局部放電實(shí)驗(yàn)，對(duì)其放電特性進(jìn)行了研究。

2.1 放電譜圖

以體積為2 mm×2 mm缺陷為例，研究不同電壓下氣隙內(nèi)部放電的發(fā)展。放電PRPO譜圖如圖3所示。

圖3 不同外加電壓下的氣隙放電PRPD譜圖

從圖3可以看出，15kV時(shí)為起始放電階段，PRPD譜圖呈現(xiàn)雙峰的模式，幅值約為2 mV，隨著施加電壓增加到20kV左右，PRPD譜圖出現(xiàn) “兔耳”（圖中圈中部分），最大放電幅值約為1.5 mV。

PRPD譜圖“兔耳”部分出現(xiàn)的原因是由于在施加電壓過(guò)零點(diǎn)附近氣隙外加電場(chǎng)極性的反轉(zhuǎn)，與氣隙內(nèi)部空間電荷產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)同一方向，兩個(gè)場(chǎng)強(qiáng)疊加導(dǎo)致氣隙內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)劇增，而使得放電劇烈，所以出現(xiàn)“兔耳”這樣信號(hào)較強(qiáng)的譜圖。

在此基礎(chǔ)上繼續(xù)增加施加電壓到22.5kV，放電量變大，最大放電幅值約為15 mV，且“兔耳”部分變得更明顯，隨著施加電壓的變化，氣隙放電的譜圖模式變化不大，此時(shí)隨著局部放電的進(jìn)行，缺陷氣隙內(nèi)的氣體分子不斷發(fā)生放電分解，產(chǎn)生CO2，H2O等電負(fù)性分子，這些分子一方面對(duì)氣隙內(nèi)的氣體放電發(fā)生影響，一方面同介質(zhì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，生成結(jié)晶狀物體附著在介質(zhì)表面，改變介質(zhì)表面的電導(dǎo)率。同時(shí)由于放電產(chǎn)生的分子和電子不斷轟擊介質(zhì)表面，致使介質(zhì)表面粗糙程度增加，對(duì)放電產(chǎn)生的空間電荷積聚產(chǎn)生影響，導(dǎo)致放電譜圖的變化。比較不同電壓下的譜圖還可以發(fā)現(xiàn)，隨著施加電壓的增加，“兔耳”的相位也隨著拉寬。由此可見(jiàn)，“兔耳”現(xiàn)象是內(nèi)部氣隙缺陷放電所特有的一種特性。

2.2 氣隙尺寸的影響

不同氣隙厚度的起始放電幅值如圖4所示。

圖4 氣隙尺寸對(duì)起始放電量的影響

從圖4可以看出，氣隙尺寸對(duì)放電幅值的影響很大。圖中2條曲線分別為厚度δ=1 mm和δ=2 mm的氣隙起始放電幅值與氣隙直徑d的關(guān)系，可見(jiàn)初始放電幅值隨著氣隙體積的增大而增大。可以用3個(gè)電容來(lái)表征介質(zhì)內(nèi)部存在缺陷時(shí)的局部放電的機(jī)理，示意圖如圖5所示。

圖5 固體介質(zhì)內(nèi)部氣隙放電的三電容模型

圖5中，Cg為氣隙的電容，Cb為和Cg相串聯(lián)部分的介質(zhì)電容，Ca為其余大部分絕緣的電容。

施加電壓于試品，使得氣隙上的電壓到達(dá)擊穿電壓UgB時(shí)，氣隙發(fā)生放電。氣隙發(fā)生一次局放，試品兩端出現(xiàn)瞬變電荷量Qa。放電產(chǎn)生后，Cg上的電壓降到ΔUg，假設(shè)試品為扁平狀且與電場(chǎng)方向垂直，氣隙厚度為δ，試品厚度為h，氣隙和介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)分別為εrc和εrb，由此電容模型可導(dǎo)出：

式（1）中：S 為氣隙面積。

當(dāng)氣隙較大時(shí)，并不是整個(gè)氣隙都會(huì)發(fā)生放電，放電只發(fā)生在一部分面積中。因此，每次實(shí)際的放電面積應(yīng)該以ηS來(lái)表示，其中η=0.1～0.8，Qa為：

由式（2）可知，面積 S越大，放電量 Qa越大；δ增大，且氣隙起始放電電壓變化不大時(shí)，Qa增大。試驗(yàn)結(jié)果大致上能定性地反映出上述規(guī)律，但由于不確定因素的存在，要定量描述放電量與各個(gè)參數(shù)的關(guān)系還比較困難。

2.3 施加電壓的影響

3個(gè)不同SF6氣壓下超聲信號(hào)有效值與施加電壓的關(guān)系如圖6所示。

圖6 信號(hào)有效值與施加電壓關(guān)系圖

從圖6可以看出，氣隙發(fā)生起始放電以后，增大施加電壓氣隙場(chǎng)強(qiáng)增大，檢測(cè)到的超聲波信號(hào)隨著緩慢增大，但在施加電壓增大到一定程度時(shí)，信號(hào)幅值陡然增大。分析認(rèn)為放電量增大的原因有：（1）施加電壓的增大使得氣隙上的電壓降增大；（2）氣隙內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)增加，離子運(yùn)動(dòng)更加活躍，參加放電氣隙有效面積增大。

3 討論

固體絕緣中的氣隙放電是局部放電產(chǎn)生的重要原因，從本質(zhì)上來(lái)講，氣隙放電的特性由外施電壓產(chǎn)生的外電場(chǎng)和氣隙內(nèi)空間電荷產(chǎn)生的內(nèi)電場(chǎng)所決定，兩者之和決定了氣隙是否發(fā)生放電及發(fā)生放電的幅值和時(shí)刻。由于工頻電壓是隨時(shí)間不斷變化，當(dāng)外加電壓在過(guò)零點(diǎn)極性反轉(zhuǎn)時(shí)，外加電場(chǎng)和空間電荷產(chǎn)生的內(nèi)電場(chǎng)極性相同，會(huì)導(dǎo)致氣隙承擔(dān)一個(gè)較大的電場(chǎng)，從而會(huì)在過(guò)零點(diǎn)附近產(chǎn)生較大放電幅值，形成氣隙放電所固有的“兔耳”譜圖。由于氣隙體積增加，其放電起始電壓增加，導(dǎo)致一旦引起放電，就是一個(gè)較大的數(shù)值。因此大氣隙會(huì)引起大放電，放電劇烈會(huì)導(dǎo)致絕緣介質(zhì)電老化加速，從而導(dǎo)致絕緣失效概率增加。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)GIS中盆式絕緣子內(nèi)部氣隙模型局部放電的超聲波檢測(cè)，對(duì)其局部放電特性進(jìn)行了研究。研究表明，隨著外加電壓的升高，氣隙放電譜圖表現(xiàn)出固體絕緣內(nèi)部放電所獨(dú)有的“兔耳”狀譜圖，通過(guò)觀察“兔耳”譜圖的有無(wú)，可以簡(jiǎn)單地判斷是否為內(nèi)部放電。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，氣隙體積對(duì)放電幅值具有較大影響，大氣隙會(huì)引發(fā)大幅值放電，而隨著外加電壓的升高，其放電幅值會(huì)隨之升高，研究為GIS中局部放電的準(zhǔn)確檢測(cè)、缺陷定位及模式識(shí)別奠定了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

[1]邱毓昌.GIS裝置及其絕緣技術(shù)[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，2007.

[2]肖 燕，郁惟鏞.GIS中局部放電在線監(jiān)測(cè)研究的現(xiàn)狀與展望[J].高電壓技術(shù)，2005，31（1）：47-50.

[3]肖登明，李旭光，秦松林.特高壓輸變電系統(tǒng)中GIS氣體放電特性[J].高電壓技術(shù)，2007，33（6）：6-9.

[4]金立軍，張明銳，劉衛(wèi)東.GIS局部放電故障診斷實(shí)驗(yàn)研究[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2005，20（11）：88-91.

[5]金立軍，胡 青，邱國(guó)海，等.GIS電暈監(jiān)測(cè)[J].高電壓技術(shù)，2005，31（3）：25-27.

[6]SABOT A,KOLTUNOWICZ W,BOECK W,et al.Insulation Co-ordination of GIS:Return of Experience,on Site Tests and Diagnostic Techniques[J].Electra,1998(176):66-97.

[7]肖登明，李旭光，秦松林.特高壓輸變電系統(tǒng)中GIS氣體放電特性[J].高電壓技術(shù)，2007，33（6）：6-9.

[8]SABOT A,PETIT A,TAI LLEBOIS JP.GIS Insulation Co-ordination:On-site Tests and Dielectric Diagnostic Techniques.A Utility Point of View[J].Power Delivery,IEEE Transactions on,1996,11(3)：1309-1316.