李平 鄒長(zhǎng)林 陳兆權(quán)

摘要：為研究SF6氣體絕緣設(shè)備在尖端缺陷下局部放電演化特征，模擬GIS中可能出現(xiàn)的尖端缺陷。采用脈沖電流法測(cè)量了尖端放電脈沖序列，同時(shí)利用局部放電檢測(cè)儀測(cè)得放電的PRPD譜圖，分析了SF6氣體中尖端放電的演化特征。為進(jìn)一步確定GIS中尖端放電的發(fā)展過程及危險(xiǎn)度，采用內(nèi)外置特高頻傳感器采集到局部放電的特高頻電磁波信號(hào)，獲取了放電PRPD譜圖，分析了尖端放電演化過程。結(jié)果表明，隨外施電壓增加，尖端放電的正半周幅值明顯高于負(fù)半周，正、負(fù)半周的上升沿和下降沿放電量隨外施電壓增大而增大。當(dāng)GIS內(nèi)存在尖端缺陷時(shí)，在外施電壓遠(yuǎn)低于GIS正常運(yùn)行電壓時(shí)就已經(jīng)發(fā)生放電，且放電結(jié)果和實(shí)驗(yàn)室模型中結(jié)果一致。因此，可以考慮采用實(shí)驗(yàn)室模型來研究220kV GIS中尖端局部放電發(fā)展過程。

關(guān)鍵詞：SF6；尖端放電；脈沖電流法；特高頻法；PRPD譜圖

中圖分類號(hào)： TM561文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1672-1098（2017）04-0012-07

Abstract：To investigate evolution characteristics of partial discharge caused by protrusion in SF6 gas insulated switchgear， a point discharge model was set up on the experiment platform， which was used to simulate the possible protrusion defects in GIS. The pulse sequence of protrusion discharge was measured with the pulse current method. At the same time， with the help of partial discharge detector， the PRPD spectrum diagrams were obtained. The evolution characteristics of point discharge in SF6 were analyzed. In order to identify the risk and developing process of point discharge in GIS， the inner and outer ultrahigh frequency （UHF） sensor were adopted to detect the UHF electromagnetic wave signal， and the PRPD spectra diagrams were also obtained. The results show that the positive half cycle amplitude of protrusion discharge was obviously higher than that of the negative half cycle with the increase of applied voltage. The discharge amplitude about rising and falling part of the positive and negative half cycle increased with the applied voltage increasing. When the protrusion defect exists in GIS， discharge would occur even if the applied voltage was far lower than the operating voltage. And the results were the same as that in laboratory. Accordingly， the experimental model in laboratory can be used to study the process of protrusion discharge in 220kV GIS.

Key words：SF6； Protrusion discharge； Pulse current method； Ultra high frequency； PRPD spectra diagram

SF6氣體因其優(yōu)越的絕緣性能和滅弧特性廣泛應(yīng)用于多種高壓電力設(shè)備[1]，在現(xiàn)代電力行業(yè)SF6氣體滅弧的斷路器得到了廣泛的應(yīng)用。SF6氣體絕緣設(shè)備（Gas Insulated Switchgear，GIS）結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)行可靠性高、維護(hù)周期長(zhǎng)，與常規(guī)變電站相比，相同電壓等級(jí)下GIS占地面積更小。隨著GIS在電力系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，其電壓等級(jí)越來越高，一旦GIS發(fā)生故障，會(huì)嚴(yán)重威脅電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，造成供電間斷。因此，需要對(duì)GIS運(yùn)行狀況進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)和評(píng)估。運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)及故障分析表明，GIS在生產(chǎn)、安裝過程中會(huì)不可避免地帶來金屬尖端、自由微粒等，這些缺陷會(huì)畸變GIS內(nèi)部的電場(chǎng)，使GIS內(nèi)某些部位電場(chǎng)強(qiáng)度增大，甚至超過SF6氣體的耐電強(qiáng)度，導(dǎo)致局部放電的發(fā)生[2-4]。局部放電持續(xù)存在和發(fā)展會(huì)使GIS內(nèi)部絕緣進(jìn)一步劣化，導(dǎo)致設(shè)備發(fā)生更嚴(yán)重的故障。同時(shí)，局部放電也為診斷設(shè)備缺陷或故障提供了有用的檢測(cè)信號(hào)，用于評(píng)估設(shè)備絕緣狀態(tài)。因此，研究分析GIS內(nèi)部缺陷導(dǎo)致的局部放電演化特征并評(píng)估局部放電的危險(xiǎn)度十分必要。

目前用于局部放電測(cè)量的方法有脈沖電流法[5-6]、超聲波法[7-8]、特高頻法[9-10]等。脈沖電流法是唯一具有國際標(biāo)準(zhǔn)（IEC60207）的局部放電檢測(cè)方法。該方法最早由英國電氣協(xié)會(huì)提出，通過在耦合電容側(cè)的檢測(cè)阻抗上測(cè)量脈沖電流，可以獲得局部放電的視在放電量、放電相位等信息。脈沖電流法主要采集局部放電中較低頻段的信號(hào)，可以有效避免無線電干擾，并能檢測(cè)突變信號(hào)。但是在測(cè)量時(shí)需要通過電容的耦合將局部放電轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，所以在測(cè)量過程中易受到電磁環(huán)境的影響。此外，由于測(cè)量頻帶窄、頻率較低，提取的放電信息不夠豐富。針對(duì)脈沖電流法的不足之處，文獻(xiàn)[10]采用更高檢測(cè)頻帶的測(cè)量阻抗（30MHz左右）測(cè)量了局部放電的脈沖電流信號(hào)，有效地分離了噪聲和放電信號(hào)。之后還有學(xué)者采用極性鑒別方式對(duì)變壓器局部放電信號(hào)和噪聲進(jìn)行了有效地分離[11]。

局部放電的特高頻法最早由文獻(xiàn)[12]提出，并首先應(yīng)用于英國Torness及Hutton變電站的420kV GIS設(shè)備的局放檢測(cè)，對(duì)不同缺陷類型的頻譜特性進(jìn)行了研究，并成功定位了局部放電來源。文獻(xiàn)[13]和[14]對(duì)用于GIS局部放電檢測(cè)的特高頻傳感器進(jìn)行系統(tǒng)研究，分析了GIS內(nèi)缺陷類型、位置、尺寸、脈沖形狀等因素對(duì)特高頻信號(hào)的影響，研究了特高頻電磁波在GIS腔體內(nèi)波導(dǎo)模式及其傳播特性。此外，文獻(xiàn)[15-18]在特高頻傳感器性能校驗(yàn)、典型缺陷UHF局放特性、模式識(shí)別及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用方面開展了廣泛的研究。近年來，特高頻法因抗干擾性好、靈敏度高、可實(shí)現(xiàn)放電源定位等優(yōu)點(diǎn)，得到了國內(nèi)外同行的普遍認(rèn)可，在電力設(shè)備絕緣缺陷和故障診斷中引起了一定的重視。

本文設(shè)計(jì)了SF6中尖端缺陷實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，采用脈沖電流法測(cè)量了尖端放電信號(hào)，分析了放電演化特征。采集特高頻法測(cè)量了220kV GIS中心導(dǎo)體尖端缺陷放電信號(hào)，評(píng)估了尖端放電的危險(xiǎn)度，對(duì)實(shí)際檢測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)故障診斷具有借鑒意義。

1實(shí)驗(yàn)室模型下實(shí)驗(yàn)方案

1.1尖端放電模型的制備

實(shí)驗(yàn)采用針-板電極來模擬尖端放電，如圖1所示。設(shè)備中所加SF6壓強(qiáng)為0.4MPa。針尖到板電極的距離為5mm，針尖為光滑無毛刺的針尖，板電極為光滑平整的銅板電極，直徑為80mm。脈沖電流法可以檢測(cè)局部放電過程中轉(zhuǎn)移的電荷量，而且有統(tǒng)一的判定標(biāo)準(zhǔn)，所以實(shí)驗(yàn)室模型中采用脈沖電流法來檢測(cè)局部放電。

1.2脈沖電流法局部放電檢測(cè)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)電路如圖2所示。試驗(yàn)中采用交流試驗(yàn)變壓器，其額定參數(shù)如下：額定容量為SN =10kVA，額定電壓為UN=100kV，輸出電流為IN=100mA，在額定電壓下局放量q<5pC。交流變壓器輸出需要通過無局放低通濾波器濾除電源電流中的諧波，分壓變比為1 000∶ 1。

為了在示波器中顯示實(shí)驗(yàn)中的電流，在示波器的電流通道中接入了50Ω的電阻。試驗(yàn)中采用的示波器為DPO5204B，頻帶寬度2.0GHz，采樣頻率最高可達(dá)10.0GS/s。同時(shí)，局部放電測(cè)量系統(tǒng)采用PDCheck系統(tǒng)，該測(cè)量系統(tǒng)具有采集局部放電PRPD圖譜、單個(gè)脈沖波形、分析放電相位等多種功能。

1.3實(shí)驗(yàn)具體實(shí)施步驟

本實(shí)驗(yàn)測(cè)量SF6氣體氛圍中尖端缺陷模型在不同電壓下的局部放電特性，包括采用示波器測(cè)量尖端缺陷模型的起始放電電壓、局部放電脈沖序列，采用PD check局放檢測(cè)儀測(cè)量PRPD譜圖。實(shí)驗(yàn)具體流程如下：

1） 采用階梯升壓法施加電壓，在不同外施電壓下，利用示波器采集并記錄局部放電脈沖序列；

2） 針對(duì)不同的外施電壓，利用局放檢測(cè)儀來采集局部放電的PRPD譜圖。

2220kV GIS尖端放電實(shí)驗(yàn)方案

2.1GIS試驗(yàn)?zāi)Ｐ?img alt="" src="https://cimg.fx361.com/images/2017/09/10/qkimagesahlgahlg201704ahlg20170403-3-l.jpg"/>

在220kV GIS內(nèi)建立尖端缺陷模型，如圖3所示，尖端缺陷位于中心導(dǎo)體處。試驗(yàn)中采用特高頻法檢測(cè)尖端缺陷的局部放電信號(hào)。設(shè)置內(nèi)置特高頻傳感器S1，外置特高頻傳感器S2、S3、S4，用于檢測(cè)尖端局部放電產(chǎn)生的特高頻電磁波信號(hào)。GIS腔體內(nèi)充滿0.5MPa的SF6氣體。

2.2220kV GIS尖端放電試驗(yàn)步驟

在220kV GIS中心導(dǎo)體處設(shè)置尖端，模擬GIS實(shí)際運(yùn)行中可能出現(xiàn)的尖端缺陷。試驗(yàn)具體步驟如下：

1） 將內(nèi)外置傳感器同時(shí)接至局部放電檢測(cè)儀的不同通道，根據(jù)PRPD譜圖判斷是否有局部放電產(chǎn)生；

2） 若PRPD譜圖顯示某處發(fā)生局部放電，將內(nèi)外置傳感器接至示波器不同通道，測(cè)試局部放電的脈沖序列。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1實(shí)驗(yàn)室模型SF6氣體中尖端放電實(shí)驗(yàn)結(jié)果

1）尖端放電的脈沖序列

尖端放電是最常見的一種放電類型，本文通過實(shí)驗(yàn)，對(duì)尖端放電的形成和發(fā)展過程進(jìn)行了研究。在不同的外加電壓下，通過示波器獲得了尖端放電的脈沖序列。通過脈沖序列分析，可以得到尖端放電從產(chǎn)生到擊穿過程中的發(fā)展過程。圖4為示波器檢測(cè)到的不同外施電壓下的放電波形。

從圖4可知，隨著電壓的增加，放電幅值和放電次數(shù)都在增加，并且正半周放電量幅值要明顯大于負(fù)半周。如圖4（a）所示，外施電壓為14.5kV時(shí)，局部放電主要是在交流電壓峰值，隨著電壓升高到18.0kV，局放脈沖序列特性發(fā)生變化，表現(xiàn)為峰值附近放電量小于峰值兩側(cè)放電量，且放電次數(shù)和脈沖電流幅值增加。

2）尖端放電的PRPD譜圖

在實(shí)驗(yàn)過程中，用局部放電檢測(cè)儀測(cè)量了不同外施電壓下試品局放的PRPD譜圖，每個(gè)譜圖中都包含著多次放電的數(shù)據(jù)信息，直觀的反映出不同相位下的放電次數(shù)和放電密度。通過PRPD譜圖，可以更好地反映出局部放電的特點(diǎn)。

由圖5可知，在較低電壓（9.0kV）下，放電主要集中在負(fù)半周的峰值附近；當(dāng)電壓增加到14.5kV時(shí)，正極性外施電壓下出現(xiàn)局部放電，且大于負(fù)放電量，主要集中交流電壓正負(fù)半周的峰值附近，成“單駝峰”狀，正、負(fù)半周分別關(guān)于和對(duì)稱。整個(gè)放電過程中，正半周的放電幅值明顯的高于負(fù)半周，其原因是當(dāng)針尖具有正極性時(shí)，會(huì)在其頭部形成流注。由于流注等離子體帶有正電荷，又促使產(chǎn)生新的電子崩，使放電逐漸向負(fù)極推進(jìn)。而當(dāng)針尖是負(fù)極性時(shí)，容易產(chǎn)生電暈，如圖5（a）所示。但之后負(fù)半周放電明顯要弱于正半周，原因是負(fù)半周的電子崩會(huì)在針尖周圍形成電子層，相當(dāng)于增大了針尖的直徑，放電不易發(fā)生。隨著電壓的增加，正負(fù)半周放電量與放電次數(shù)均呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，如圖5（b）、圖5（c）所示，負(fù)半周要明顯弱于正半周。當(dāng)施加電壓達(dá)到22.9kV時(shí)，正半周上升沿與下降沿處放電量加大，且大于處放電量，如圖5（d）所示，這與上述放電波形分析呈現(xiàn)相同的規(guī)律，主要是由于空間電荷的影響。

3.2220kV GIS中尖端放電實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在220kV GIS腔體內(nèi)設(shè)置尖端缺陷，采用特高頻法測(cè)量了不同外施電壓下尖端放電發(fā)展過程，用局部放電檢測(cè)儀記錄了尖端放電的PRPD譜圖。

圖6所示為220kV GIS在不同外施電壓下，尖端放電的PRPD譜圖。當(dāng)外施電壓比較低時(shí)，尖端局部場(chǎng)強(qiáng)高將首先發(fā)生電暈放電，并出現(xiàn)在外施正弦電壓的負(fù)半周，如圖6（a）所示。這是由極不均勻電場(chǎng)的極性效應(yīng)所導(dǎo)致的。隨外施電壓逐漸升高，外施電壓的正半周也出現(xiàn)局部放電，且主要集中在外施電壓的峰值處附近，如圖6（b）所示。從圖6可以看出，隨著外施電壓的升高，正極性的放電峰值逐漸超過負(fù)極性放電，如圖6（c）、圖6（d）所示，而外施電壓過高，正半周放電由集中在峰值處轉(zhuǎn)移至集中在正半周峰值處附近的上升沿和下降沿，如圖6（e）、圖6（f）所示，這可以用如圖7所示的尖端放電模型來解釋。當(dāng)尖端具有正極性時(shí)，尖端局部場(chǎng)強(qiáng)很高，將首先在尖端處發(fā)展起來電子崩，電子崩中的電子迅速消失于正極性的尖端，正離子因質(zhì)量大移動(dòng)速度慢遺留在尖端附近，正離子大大加強(qiáng)了和負(fù)極板之間的電場(chǎng)，引起光電離，在正離子和陰極板之間發(fā)展起流注，由于流注頭部集中大量的正離子，大大加強(qiáng)流注通道前方的電場(chǎng)，因此放電容易發(fā)展。而當(dāng)尖端具有負(fù)極性時(shí)，放電仍然從曲率半徑小的尖端開始，在尖端附近發(fā)展起電子崩，電子移動(dòng)速度快將迅速離開尖端移向正極板，正離子移動(dòng)速度慢而遺留在尖端附近，正空間電荷大大加強(qiáng)了尖端附近的電場(chǎng)，而削弱了和正極板之間的電場(chǎng)，因此尖端附近會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的電暈放電，但不易向正極板發(fā)展。當(dāng)外施電壓繼續(xù)升高時(shí)，在電壓上升沿處電場(chǎng)即可激發(fā)放電，隨著正空間電荷的擴(kuò)散，尖端處電場(chǎng)降低，因此電壓峰值時(shí)放電反而減弱，隨著正離子的進(jìn)一步擴(kuò)散，尖端處電場(chǎng)逐漸恢復(fù)，在下降沿處重新激發(fā)放電，使放電主要集中在正半周峰值處的上升沿和下降沿。

對(duì)比圖5和圖6可以發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)室模型中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和220kV GIS中實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。因此，可以采用實(shí)驗(yàn)室模型來研究220kV GIS中尖端局部放電的發(fā)展過程。當(dāng)220kV GIS中存在尖端缺陷時(shí)，在外施電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于GIS正常工作電壓時(shí)就發(fā)生放電，并且隨外施電壓逐漸升高，放電越來越強(qiáng)烈，這對(duì)于GIS的正常工作是極為不利的。因此，在GIS在投入運(yùn)行時(shí)，應(yīng)對(duì)GIS進(jìn)行全方位的測(cè)試，一旦發(fā)現(xiàn)局部放電，應(yīng)立即進(jìn)行排查，準(zhǔn)確定位出局部放電源的位置，并及時(shí)處理。

4結(jié)論

1） 采用脈沖電流法測(cè)量了實(shí)驗(yàn)室尖端放電模型中放電脈沖序列和放電的PRPD譜圖，隨外施電壓增加，正半周幅值明顯高于負(fù)半周。外施電壓繼續(xù)增加，正半周的上升沿和下降沿放電量增大，高于正半周峰值處的放電，空間電荷起主要作用。

2） 采用特高頻法測(cè)量了220kV GIS中尖端放電的PRPD譜圖，當(dāng)GIS內(nèi)存在尖端缺陷時(shí)，在外施電壓遠(yuǎn)低于GIS正常運(yùn)行電壓時(shí)就已經(jīng)發(fā)生放電，并隨外施電壓增加，放電逐漸加強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和采用脈沖電流法的實(shí)驗(yàn)室模型中結(jié)果一致。因此，可以采用實(shí)驗(yàn)室模型來研究220kV GIS中尖端局部放電的發(fā)展演化過程。

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