孫大陸,汲勝昌,何丹東

(1.新疆天成魯源電氣工程有限公司，烏魯木齊　830011； 2.西安交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院,西安　710049； 3.新疆電力公司,烏魯木齊　830011)

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帶電檢測缺陷模擬裝置中沿面放電缺陷的設(shè)計

孫大陸1,汲勝昌2,何丹東3

(1.新疆天成魯源電氣工程有限公司，烏魯木齊830011； 2.西安交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院,西安710049； 3.新疆電力公司,烏魯木齊830011)

為了滿足帶電檢測研究、培訓(xùn)的需要，新疆電力公司研制了一套帶電檢測缺陷模擬裝置。裝置中設(shè)置了沿面放電缺陷等多種運(yùn)行中經(jīng)常出現(xiàn)的缺陷模型，通過有限元方法計算沿面放電缺陷在運(yùn)行條件下的電場分布情況，探討了缺陷配置參數(shù)對電場分布情況的影響，并建立了沿面放電缺陷小模型。研究發(fā)現(xiàn)，電壓升至5 kV時，利用DMS超高頻局放測量儀開始捕捉到模型內(nèi)部的局部放電信號，電壓升至9 kV時，試驗(yàn)?zāi)Ｐ推饡?，出現(xiàn)明顯的局部放電典型圖譜，連續(xù)電壓升至27 kV時連續(xù)擊穿，確定了缺陷參數(shù)的大致范圍。局部放電帶電檢測模擬裝置用于研究和教學(xué)培訓(xùn)，取得了良好的效果。

帶電檢測；沿面放電；缺陷設(shè)計；局部放電

0　引言

近年來，變電設(shè)備帶電檢測技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，新疆電力公司帶電檢測技術(shù)自應(yīng)用以來取得了良好的效果，發(fā)現(xiàn)了數(shù)量眾多的設(shè)備缺陷，大大減少了電網(wǎng)因設(shè)備故障導(dǎo)致的直接經(jīng)濟(jì)損失和社會影響[1]，但是，該技術(shù)使用過程中存在基層人員不能熟練使用檢測設(shè)備、設(shè)備故障診斷技術(shù)水平亟待提高的問題。為提高公司整體帶電檢測技術(shù)水平，亟須開展帶電檢測技術(shù)的相關(guān)培訓(xùn)，為此，公司立項(xiàng)研制一套帶電檢測缺陷模擬裝置。

本項(xiàng)目通過在ANSYS軟件中建立仿真模型并在實(shí)驗(yàn)室中建立缺陷模型，模擬變電設(shè)備的沿面放電缺陷，從而對輸變配電設(shè)備的實(shí)際沿面放電故障進(jìn)行模擬和復(fù)現(xiàn)，確定不同缺陷類型下局部放電信號(脈沖電流信號、特高頻信號)的典型特征[2-4]。

1　缺陷的仿真設(shè)計

為滿足缺陷長期穩(wěn)定存在、局部放電量穩(wěn)定可調(diào)節(jié)以及缺陷辨識度高的要求，首先利用有限元法借助ANSYS軟件對沿面放電缺陷類型下的電場分布進(jìn)行仿真計算[5]。

采用了一個高30 mm、半徑為5 mm的環(huán)氧樹脂棒模擬絕緣介質(zhì)，將一片寬10 mm、長15 mm的鋁箔貼于高壓端附近的環(huán)氧樹脂棒側(cè)面，模擬沿面電阻率降低的情況，如圖1所示。為盡量簡化計算，采用了省略空間絕大部分區(qū)域的模型搭建方案，只建缺陷模型的主體，即環(huán)氧樹脂棒、高壓電極、地電極及空間中的SF6氣體[6-8]。

圖1　沿面缺陷模型

如圖2所示，建模時忽略了空間中其他區(qū)域，僅建立上、下極板之間的模型；同時，由于鋁箔的厚度對計算影響不大，因此采取視鋁箔為等位面的方法建模。為減少不必要的計算量，采用了細(xì)剖分區(qū)域，其余區(qū)域采取自由剖分的方法。與鋁箔相接的環(huán)氧樹脂棒側(cè)表面均要求剖分至0.2 mm2/格，此時最終電場計算結(jié)果已收斂至穩(wěn)定值，因此無增加剖分精度的必要。

由圖3可看出，電壓成功施加，上極板表面與鋁箔上所有電位的自由度均被約束為9 kV，這也是試驗(yàn)時所施加的起暈電壓；下極板表面電位自由度約束為0 V。加載完成后進(jìn)行電場強(qiáng)度與電位強(qiáng)度的計算，電位自由度計算結(jié)果如圖4所示，由于三維模型中結(jié)果云圖難以通過整體圖形式表現(xiàn)，因此采用了剖面圖的形式表現(xiàn)結(jié)果。此時剖面為整體圓柱的直徑剖面，其中右側(cè)高壓明顯延伸至下方的區(qū)域即為鋁箔區(qū)域。由電位結(jié)果可以觀察到，鋁箔下端前方電位梯度明顯增大，此處電場強(qiáng)度也必然會大于其他區(qū)域。離鋁箔越遠(yuǎn)，電位梯度越均勻，等位線幾乎平行，而電場強(qiáng)度計算結(jié)果也證實(shí)了這一點(diǎn)。

圖2　ANSYS簡化模型

圖3　加載效果

圖4　鋁箔邊緣電位計算結(jié)果

圖5為電場強(qiáng)度計算結(jié)果局部放大圖，由圖5可見，電場強(qiáng)度最大值均出現(xiàn)在鋁箔附近，此時電場分布為弱垂直分量情況，影響擊穿場強(qiáng)的主要是切向分量。使用ANSYS自帶的路徑計算功能進(jìn)行自動點(diǎn)積后，可計算出此時電場切向分量的分布情況：在鋁箔下端處電場切向分量差值最大值已超過4.0 kV/mm，可以發(fā)生沿面電暈。

圖5　鋁箔邊緣電場強(qiáng)度計算結(jié)果

圖6為截面取在鋁箔中心時的電場分布情況，可以看出，此時電場強(qiáng)度主要分布在鋁箔下端，與鋁箔邊緣有一定差距。而此時電場切向分量差值與鋁箔邊緣處類似，仍為4.5 kV/mm左右，大于沿面擊穿場強(qiáng)4.0 kV/mm,表明此處仍滿足起暈條件。鋁箔下端任意一點(diǎn)處切向分量差值都可以滿足起暈條件；同時，由于計算切向分量采用的路徑需要使用圖形用戶界面(GUI)進(jìn)行操作，而三維界面拾取點(diǎn)時難免會有誤差，因此沿面切向分量的最大值可能大于此處的值。

圖6　鋁箔中心電場強(qiáng)度計算結(jié)果

由以上仿真結(jié)果可知，這種缺陷布置可以導(dǎo)致沿面起暈，且起暈位置在鋁箔下端。雖然強(qiáng)場區(qū)域不大，但由于沿面起暈后環(huán)氧樹脂表面絕緣性能被破壞，因此沿面電暈會逐步向前發(fā)展，最終發(fā)展為貫穿性的沿面閃絡(luò)。后續(xù)試驗(yàn)結(jié)果也證明了這一點(diǎn)，初次試驗(yàn)在9 kV時起暈，隨后試驗(yàn)起暈電壓降低至8 kV，而仿真分析表明此時電場強(qiáng)度略大于沿面擊穿場強(qiáng)4.0 kV/mm，也符合9 kV為起暈電壓的結(jié)果。

2　實(shí)體缺陷模型的構(gòu)建

為了給缺陷模擬裝置提供更準(zhǔn)確的沿面放電缺陷參數(shù)，在實(shí)驗(yàn)室中模擬了典型的沿面放電缺陷。試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜆?gòu)造如下：試品由2塊厚3 mm、直徑分別為40 mm和50 mm的環(huán)氧樹脂板黏合而成，銅皮直徑約為30 mm，因此放電通道長度約為13 mm；高壓電極為半徑為 4 mm 的圓柱狀銅電極，放置在環(huán)氧介質(zhì)圓心位置；環(huán)氧樹脂片固定在平板鋁電極上且良好接地，具體如圖7所示[9-10]。

圖7　沿面放電模型

試驗(yàn)中采用逐步升壓法升高外加電壓，獲取沿面放電缺陷的局部放電信號譜圖，每次加壓持續(xù)10 min，待放電穩(wěn)定后再緩慢升高外加電壓。電壓升至5 kV時，DMS超高頻局部放電測量儀開始捕捉到模型內(nèi)部的局部放電信號；電壓升至9 kV時，試驗(yàn)?zāi)Ｐ推饡?，出現(xiàn)明顯的局部放電典型圖譜；電壓升至27 kV時連續(xù)擊穿。圖8給出了外加電壓自低到高的過程中，超高頻測量設(shè)備所得到的放電信號圖譜。

圖8　沿面放電超高頻測試圖譜

當(dāng)電壓上升到9 kV時，超高頻局部放電測量儀捕捉到微弱的放電信號，由圖8a可以看出，此時放電信號出現(xiàn)在一、三象限的正中間，即45°以及225°相位處，其中第一象限的脈沖信號強(qiáng)度明顯強(qiáng)于第三象限，即絕緣介質(zhì)中沿面放電在正、負(fù)半周呈現(xiàn)明顯的不對稱特征。這是由于在放電間隙的兩邊，只有一邊是絕緣介質(zhì)，而另一邊是金屬導(dǎo)體，因此脈沖放電所產(chǎn)生的電荷只能在介質(zhì)的一側(cè)積累，相比兩邊都是介質(zhì)的內(nèi)部放電，積累的電荷自然減少，不容易在外加電壓絕對值下降的相位上產(chǎn)生放電。此外，由于試驗(yàn)中放電電極接高壓，相位位于第三象限時，高壓電極電壓波形處于負(fù)半周，相比于正半周，負(fù)極性時容易發(fā)射電子，并且正離子碰撞陰極時還會產(chǎn)生二次電子，降低了電極周圍的起始放電電壓，因而負(fù)半周的放電電荷量小于正半周。

隨著電壓的增高，脈沖開始在更寬的相域上出現(xiàn)，直至幾乎在整個一、三象限都出現(xiàn)放電脈沖。表面局部放電示意圖如圖9所示，當(dāng)放電間隙兩側(cè)電壓升高至擊穿電壓后，放電間隙發(fā)生擊穿，同時放電產(chǎn)生的放電電荷迅速在介質(zhì)一側(cè)積累，使Cc兩端產(chǎn)生一個方向電壓-ΔU，放電暫時停止。隨著外加電壓的上升，間隙兩端很快又達(dá)到擊穿電壓，發(fā)生放電。這是由于電壓升高后需要經(jīng)過更多次的放電后，介質(zhì)上才能累積足夠高的電荷，以建立足夠高的內(nèi)部電壓-nΔU(n為放電次數(shù))，這時放電間隙上的電壓Ur小于擊穿電壓，放電停止。因此，隨著電壓的升高，放電脈沖在越來越寬的相域上出現(xiàn)，并且最終出現(xiàn)在幾乎整個一、三象限上。如前面所介紹，電壓上升階段的放電量依然大于電壓下降階段的放電量，當(dāng)外加電壓過峰值后開始下降，而介質(zhì)上積累的電荷并不會減少，即使此時間隙中依舊可以產(chǎn)生放電脈沖，間隙兩端的電壓也迅速下降到擊穿電壓以下，因此在第二象限與第四象限幾乎不產(chǎn)生放電脈沖。

圖9　表面局部放電示意

3　缺陷模擬裝置的制造

ANSYS的計算機(jī)仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)室的模型，已經(jīng)基本驗(yàn)證了沿面放電缺陷的基本設(shè)計思路。項(xiàng)目定制了一套可旋轉(zhuǎn)的SF6全封閉式組合電器(GIS)局部放電帶電檢測系統(tǒng)(如圖10所示)，可模擬110 kV GIS沿面放電及其他常見缺陷，如尖端放電、金屬顆粒放電、氣隙放電等[11-13]，并能控制這些放電的起始電壓、熄滅電壓和放電強(qiáng)度；同時，以電脈沖電流法、超高頻法、超聲波等局部放電帶電檢測方式進(jìn)行相關(guān)檢測。該裝置主要適用于GIS局放帶電檢測的試驗(yàn)研究、儀器考核與教學(xué)培訓(xùn)[14-18]。

4　結(jié)束語

利用有限元方法仿真計算沿面放電缺陷在運(yùn)行條件下的電場分布情況，詳細(xì)探討了缺陷配置參數(shù)對電場分布情況的影響。建立了沿面放電缺陷小模型，確定了模型由2塊厚3 mm、直徑分別為40 mm和50 mm的環(huán)氧樹脂板黏合而成，銅皮直徑約為30 mm，放電通道長度約為13 mm?？梢院芎玫剡M(jìn)行變電設(shè)備帶電檢測故障模擬技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的研究工作，并利用實(shí)驗(yàn)室的缺陷模型為實(shí)際缺陷布置方式的確定打下理論基礎(chǔ)。

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(本文責(zé)編：劉芳)

2015-12-21；

2016-06-23

TM 862.1

A

1674-1951(2016)07-0004-04

孫大陸(1979—)，男，山東文登人，高級工程師，從事高電壓絕緣方面的研究工作(E-mail:sunsir1@163.com)。