韓 帥，高 飛，廖思卓，郭 瑞，王 健，李慶民

（1.中國電力科學研究院，北京 100192；2.華北電力大學 新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室，北京 102206）

0 引言

氣體絕緣組合電器（GIS）因其占地面積小、絕緣性能好、可靠性高、配置靈活、檢修周期長、維護工作量小等優(yōu)點，被廣泛應用于各種電壓等級的電力系統(tǒng)中[1-3]。隨著電網(wǎng)電壓等級和系統(tǒng)容量的不斷增加，GIS對于保障電力系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定起著舉足輕重的作用，對整個電網(wǎng)的穩(wěn)定運行有著不可或缺的影響。然而，GIS結構復雜，內(nèi)部不易觀察，其生產(chǎn)運行過程中任何環(huán)節(jié)都有可能造成GIS絕緣缺陷，引發(fā)絕緣故障，給電網(wǎng)、社會、國家造成重大損失。因此，必須對GIS誘發(fā)的絕緣故障予以高度重視。

GIS的故障原因如圖1所示。由圖1可知，盆式絕緣子引起的GIS故障占比高達11%，在所有故障原因中排名第4位[4-6]。此外，盆式絕緣子安裝在GIS內(nèi)部，一旦發(fā)生故障，難以快速對其進行維修和更換，對變電站危害巨大。因此，揭示盆式絕緣子表面缺陷的產(chǎn)生和發(fā)展機理，進一步研究不同缺陷誘發(fā)盆式絕緣子閃絡的發(fā)生機制對GIS的安全可靠運行至關重要。

圖1 GIS故障分布圖Fig.1 GIS fault distribution diagram

盆式絕緣子表面缺陷種類繁多，產(chǎn)生和發(fā)展機理復雜，涉及電、熱、力等多場耦合[7-10]。盆式絕緣子表面缺陷類型如表1所示。

表1 盆式絕緣子表面缺陷類型Tab.1 Type of surface defect of basin-type insulator

由表1可知，盆式絕緣子表面缺陷主要包括兩個方面：①盆式絕緣子在材料固化過程中由于殘余應力以及脫模產(chǎn)生的界面狀態(tài)等所造成的盆式絕緣子自身缺陷；②盆式絕緣子在長期運行過程中由于材料老化、運行應力振動、氣體分解物以及外部金屬微粒影響等所導致的盆式絕緣子運行缺陷。盆式絕緣子表面缺陷對其電氣性能、熱性能以及力學性能有很大的影響，且熱性能、力學性能的下降又進一步加劇電氣性能的劣化。因此，有必要提高盆式絕緣子表面缺陷的檢出和識別效率，防止GIS設備的損壞以及重大事故的發(fā)生。

通常，盆式絕緣子表面缺陷在GIS運行過程中會引發(fā)局部放電。局部放電信號包含豐富的設備絕緣狀態(tài)信息，通過對設備局部放電檢測可以有效地發(fā)現(xiàn)潛伏性絕緣故障[11]。近年來，國內(nèi)外學者對不同工況下環(huán)氧絕緣表面絕緣特性進行了大量的理論分析與試驗研究，取得了豐碩的研究成果。然而，當前采用的局部放電檢測手段均有一定的局限性，尤其是：①缺乏對在實際運行工況下的盆式絕緣子表面亞毫米/毫米級微金屬顆粒局部放電量的認識；②現(xiàn)有檢測裝置僅針對具有良好重復性的放電行為，導致對間歇性放電的忽視和漏判，最終造成盆式絕緣子的突發(fā)性擊穿和閃絡；③現(xiàn)有局部放電在線檢測設備抗電磁干擾能力不足，無法滿足工程現(xiàn)場的需要，致使現(xiàn)有局部放電在線檢測裝置出現(xiàn)大量的誤報、漏報。

在此背景下，本文綜述了近年來國內(nèi)外有關盆式絕緣子表面缺陷及其診斷方法的主要研究成果。首先，總結盆式絕緣子自身缺陷和運行缺陷的產(chǎn)生和發(fā)展機理；其次，從早期研究基礎和目前研究現(xiàn)狀，分析不同盆式絕緣子表面缺陷誘發(fā)閃絡的發(fā)生機制；最后，通過對目前盆式絕緣子表面缺陷診斷方法的梳理，指出當前盆式絕緣子表面缺陷的檢測現(xiàn)狀，并對未來的研究工作提出相關建議。

1 盆式絕緣子表面缺陷的產(chǎn)生和發(fā)展機理

盆式絕緣子表面缺陷是影響GIS絕緣性能的重要因素，而盆式絕緣子常常會出現(xiàn)氣泡、異物、臟污以及裂紋缺陷。因而探究氣泡、異物、臟污以及裂紋等缺陷的產(chǎn)生和發(fā)展機理是研究盆式絕緣子表面缺陷的重要內(nèi)容。

1.1 氣泡缺陷

盆式絕緣子氣泡缺陷主要是盆式絕緣子在生產(chǎn)過程中由于生產(chǎn)操作不規(guī)范、工藝流程不完善，導致盆式絕緣子在澆注過程中混入微量氣體，造成盆式絕緣子的氣泡缺陷。再者，由于環(huán)氧樹脂在固化過程中的收縮以及環(huán)氧樹脂與金屬電極熱膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生空隙和層離[12-14]。然而，環(huán)氧樹脂介電常數(shù)大于空氣介電常數(shù)，因此氣泡附近會承擔較高的電壓，產(chǎn)生電場畸變，造成局部放電，嚴重時會導致盆式絕緣子斷裂[15]。

張施令等[16]指出，盆式絕緣子存在氣泡缺陷時，其最大場強畸變系數(shù)如式（1）所示。周云峰等[17]對盆式絕緣子氣泡放電特性進行研究，搭建如圖2所示實驗平臺。通過對其進行實驗研究發(fā)現(xiàn)，盆式絕緣子內(nèi)部氣泡放電的PRPD譜圖呈現(xiàn)雙峰模式，幅值約為2 mV。當電壓幅值增加到20 kV左右時，PRPD譜圖出現(xiàn)“兔耳狀”，其示意圖如圖3所示。隨著外施電壓繼續(xù)增加，放電量增大，且“兔耳狀”部分變得更加明顯。其原因在于交流電壓過零點處，外施電場極性反轉，與氣泡內(nèi)部感應電荷所產(chǎn)生的場強為同一方向，兩者疊加使得氣隙內(nèi)部場強急劇增加，放電更加劇烈。因而，PRPD譜圖呈現(xiàn)“兔耳狀”放電。

圖2 氣泡缺陷實驗平臺Fig.2 Experiment platform of bubble defect

圖3 兔耳狀放電示意圖Fig.3 Schematic diagram of rabbit auricular discharge

式（1）中：m為最大電場強度畸變系數(shù)；ε1、ε2分別為空氣介電常數(shù)、環(huán)氧樹脂介電常數(shù)。

1.2 異物缺陷

盆式絕緣子表面殘留金屬微粒是GIS最為常見的絕緣缺陷[18]。在外施交流電場作用下，靜電力會使金屬微粒在GIS腔體內(nèi)做直立旋轉、舞動運動。這一過程與外施電壓及微粒特性有關。金屬微粒在跳動過程中容易散射至盆式絕緣子表面。吳旭濤等[19]指出金屬微粒受雷電沖擊電壓影響小，但在工頻交流電壓下會使盆式絕緣子交流耐壓水平大幅下降，其下降程度與微粒形狀及其位置有關，越靠近高電位，其危害程度越大。

盆式絕緣子表面殘留金屬微粒包括自由金屬微粒群、固定金屬微粒對以及單個金屬微粒[20]。盆式絕緣子表面存在自由金屬微粒群時，局部放電發(fā)生在金屬微粒之間，放電脈沖密集且隨機性較大。隨著加壓時間的延長，在電場作用下金屬微粒沿電場線方向排列，放電間隙基本固定且放電電壓有所下降；固定金屬微粒對之間的放電跟自由金屬微粒群的放電特征有所相似，但放電發(fā)生在工頻交流電壓正、負半周的上升沿，且正、負半軸對稱，幅值相等；單個金屬微粒放電發(fā)生在金屬微粒和盆式絕緣子表面之間，但在較大電場作用下才會發(fā)生局部放電，且放電過程有很大的不穩(wěn)定性和隨機性。

雖然金屬微粒放電不可能直接造成貫穿性的沿面閃絡，但會使盆式絕緣子表面積聚表面電荷。邵先軍等[21]指出，當外施電壓在工頻交流電壓正半周時，如圖4(a)所示，金屬微粒B端相對于高壓導體呈現(xiàn)負極性，而金屬微粒A端相對于腔體底部呈現(xiàn)正極性。由于負極性電壓更容易起暈，B端將先于A端發(fā)生電暈放電。在B端附近空間積聚大量正電荷，使得B端附近同時產(chǎn)生大量的電子崩，這些電子崩的存在造成了較為彌散分布的等離子體層，削弱了等離子體前方電場，對電暈放電的發(fā)展造成了阻礙，從而在放電路徑上積聚一定的負電荷。當A端局部電場超過其臨界起始電場時，A端產(chǎn)生正電暈放電，因而在A端附近盆式絕緣子表面積聚少量的正表面電荷；當外施電壓在工頻交流電壓負半周時（如圖4(b)所示），跟正半周類似，首先A端發(fā)生電暈放電，并在A端附近積聚大量的負電荷。當外施電壓足夠高時，B端發(fā)生正電暈放電，在B端附近積聚正電荷。因為負極性電壓更容易起暈，且SF6氣體為電負性氣體，容易吸附電子形成負離子，所以在工頻交流電壓下，盆式絕緣子所積聚的表面電荷為負電荷。表面電荷的積聚不僅會影響周圍電場分布，引起局部電場畸變，造成局部放電，還會為沿面放電提供其通道發(fā)展所需的電荷，使得放電通道貫穿，造成盆式絕緣子沿面閃絡。

圖4 盆式絕緣子放電與表面電荷輸運Fig.4 Discharge and surface charge transport of insulator

再者，GIS在生產(chǎn)、安裝過程中，由于金屬零部件表面加工精度不足或設備制造和組裝工藝不完善，導致金屬毛刺的產(chǎn)生。和金屬微粒類似，金屬毛刺在交流電場作用下發(fā)生移動，附著于盆式絕緣子表面。甚至在某些情況下（例如被油脂粘?。╅L期固定在盆式絕緣子表面。蔣建玲[22]指出，這些毛刺異常尖銳，當凸起表面場強兩倍于無缺陷時的表面電場，且電場畸變范圍為凸起尺寸的兩倍時，極易引發(fā)電暈放電。此外，馮婷娜等[23]指出，這類缺陷受工頻電壓影響較小，而在雷電沖擊或操作過程中所產(chǎn)生的快速暫態(tài)沖擊電壓下，這類缺陷會導致絕緣故障。其主要原因在于，交流電壓變化比較慢，因而尖端電暈有足夠時間建立空間電荷，從而對尖端產(chǎn)生保護作用；而在沖擊電壓作用下，尖端電暈沒有足夠的時間建立空間電荷，無法有效對尖端產(chǎn)生屏蔽保護作用。王闖等[24]研究表明，超過1～2 mm的凸起對盆式絕緣子絕緣水平有重大影響。

1.3 裂紋缺陷

盆式絕緣子是由環(huán)氧樹脂和氧化鋁組成的復合材料。受溫度和固化工藝的影響，若兩種組成材料分布不均勻，將形成密度差異，使得絕緣子內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應力，造成隱形的輕微損傷點。在長時間運行振動力的作用下，損傷點開裂，并向上延伸。當裂紋擴展到盆式絕緣子表面時，靠近盆式絕緣子邊緣方向尖角處先行放電。在多次局部放電下，該區(qū)域形成嚴重的灼傷。隨著放電和電弧熱所產(chǎn)生的材料熱應力不斷擴展，誘發(fā)表面裂紋發(fā)展。當裂紋擴展到一定程度時，材料結合度降低，產(chǎn)生局部脫落物，造成盆式絕緣子損壞。

目前，大多數(shù)學者對盆式絕緣子裂紋缺陷的研究集中在兩個方面：①裂紋缺陷對電場分布特性、局部放電特性的影響。苑維琦[25]在綜合考慮裂紋厚度、方向、位置等影響因素后，對盆式絕緣子裂紋缺陷放電特性進行研究，得到盆式絕緣子表面最大場強位于凹面?zhèn)纫约半S機長裂紋會導致盆式絕緣子直接閃絡；②裂紋缺陷的檢測方法。張施令等[26]采用水壓破壞實驗，發(fā)現(xiàn)盆式絕緣子產(chǎn)生裂紋的臨界壓力；張夢岑[27]采用X射線DR成像技術對盆式絕緣子進行可視化檢測，節(jié)省了拆卸GIS設備的時間。然而，對盆式絕緣子裂紋缺陷的應力特性研究較少。ZHANG Anan[28]對存在小孔缺陷的盆式絕緣子進行應力分析，發(fā)現(xiàn)在小孔缺陷處出現(xiàn)明顯的應力集中，但仿真建模的缺陷僅為圓柱形貫穿小孔，而非實際的盆式絕緣子裂紋缺陷；張廣興等[29]對GIS腔體不同氣室壓力下，存在不同大小、位置裂縫的盆式絕緣子進行應力分析，發(fā)現(xiàn)盆式絕緣子存在裂紋時，裂紋附近會出現(xiàn)應力集中，裂紋端部比中間部分應力明顯增加更多。但所采用的盆式絕緣子缺陷模型為二維簡化模型，在應力分析上存在較大的誤差。

1.4 表面臟污缺陷

GIS在運輸、存儲和安裝過程中，由于工藝流程不嚴格或處理措施不完善，灰塵、發(fā)絲、紙屑、微粒以及硅脂等極易進入GIS內(nèi)部。這些異物在電場中受力，向盆式絕緣子聚集，改變絕緣子表面電場分布，引起電荷積聚，造成局部放電。在長期放電過程中導致盆式絕緣子劣化，產(chǎn)生電樹枝，破壞盆式絕緣子本體。當潔凈絕緣子表面積聚異物后，其表面屬性如吸附力、粗糙度、摩擦系數(shù)等將發(fā)生改變，從而致使異物在盆式絕緣子表面的附著特性發(fā)生變化。一般較小粒度（50 μm以內(nèi)）的異物因具有黏性而極易附著。異物的黏性源于異物間接觸表面的復雜應力，表面接觸應力主要有范德華力、靜電力、表面張力和液橋力。這些力在顆粒間相互作用，使異物聚團。但是如碰撞力、曳力、重力等產(chǎn)生的能量超過界面能，聚團將破碎，使得異物彈離絕緣子表面，圖5為外來異物與非潔凈粗糙材質表面碰撞示意圖。張東東等[30]研究得出聚團準則為式（2），他們認為異物碰撞到非潔凈粗糙絕緣子表面時，如果滿足式（2），則異物直接附著；如果不滿足式（2），則異物將離開絕緣子表面。

圖5 污穢顆粒在非清潔粗糙表面的碰撞Fig.5 Collision of pollution particles on polluted rough surface

式（2）中：c12為顆粒1和顆粒2的碰前速度差；Vpy(0-)、Vpx(0-)分別為污穢顆粒碰撞絕緣子壁面污層瞬間的y、x方向的速度；θ12為兩顆粒的速度差矢量與碰撞方向的夾角；VJ實質上為發(fā)生破碎所需最小速度；Ec為界面能；m為顆粒質量。

盆式絕緣子表面臟污容易造成表面電荷積聚，引發(fā)局部放電，嚴重時導致絕緣子沿面閃絡。因而，對盆式絕緣子表面臟污進行帶電檢測具有重要意義。當前主要通過模態(tài)分析對盆式絕緣子表面臟污進行檢測。研究表明，使用模態(tài)分析法診斷機械故障具有高靈敏度、無損檢測等優(yōu)點。李淵等[31]在用模態(tài)分析法對盆式絕緣子表面臟污檢測研究中提出將相關系數(shù)r、污穢累加值s以及污穢指數(shù)p定義為衡量盆式絕緣子表面臟污狀態(tài)的3個指標，并將頻率在4 000 Hz以下的振動信號分為4個頻段，對其進行單獨分析。研究發(fā)現(xiàn)盆式絕緣子存在表面臟污缺陷時，其頻響函數(shù)曲線與無污穢情況下頻響函數(shù)曲線的相關系數(shù)會隨著污穢質量的增加明顯減小，當0.90≤r＜0.95時，可認為表面臟污程度為輕；當0.80≤r＜0.90時，可認為表面臟污程度為中；當r＜0.80時，可認為表面臟污程度為重。表面臟污對頻響函數(shù)曲線的影響主要集中在2 000～4 000Hz頻段，污穢累加值s隨著污穢質量的增加在2 000～3 000 Hz信號頻段顯著增大，污穢指數(shù)p隨著污穢質量的增加在2 000～4 000 Hz信號頻段從1.5增大到4.0。對于0～2 000 Hz頻段，表面臟污缺陷對頻響函數(shù)曲線影響較小，相關系數(shù)r、污穢累加值s、污穢指數(shù)p均無明顯變化。此外，GIS整體振動信號頻率在100 Hz附近。即使GIS運行出現(xiàn)機械故障，其異常頻率信號也在1 000 Hz以下，因而模態(tài)分析法可以對盆式絕緣子表面臟污缺陷進行有效檢測。

盆式絕緣子表面缺陷是影響GIS絕緣強度的關鍵因素。對于盆式絕緣子典型表面缺陷的產(chǎn)生機制，許多學者有詳盡的描述；利用不同的檢測方法對盆式絕緣子不同類型的表面缺陷放電特性也獲得了一定的認識。然而，盆式絕緣子表面缺陷所造成的電場畸變及其動態(tài)變化異常復雜；此外，整個放電發(fā)展過程中絕緣子表面電荷的演化情況也不明確；再者，當前針對同一檢測方法進行盆式絕緣子不同類型表面缺陷放電特性的研究較少，不便于特征參量的統(tǒng)一提取。綜上所述，還需進一步探究電場畸變及其電荷積聚的動態(tài)演化過程以及同一檢測手段下較為成熟的盆式絕緣子表面缺陷診斷方法，以便能夠通過局部放電測試結果表征盆式絕緣子表面缺陷類型。

2 盆式絕緣子表面缺陷誘發(fā)閃絡的發(fā)生機制

在GIS運行過程中，盆式絕緣子表面缺陷會引起表面電場分布不均，致使局部場強過大，降低沿面閃絡的臨界條件。此外，盆式絕緣子表面缺陷還會造成表面電荷積聚。表面電荷積聚一方面會影響表面電場分布，另一方面會為沿面閃絡提供大量的源電荷，從而誘發(fā)沿面閃絡?；诖?，從表面電場分布和表面電荷積聚兩方面對盆式絕緣子沿面閃絡的影響進行分析。

2.1 表面電場分布

盆式絕緣子表面缺陷所造成的局部電場集中是其發(fā)生沿面閃絡的主要因素。王彩云[32]采用有限元法對800 kV盆式絕緣子三維結構模型進行電場分析。探究了工頻交流電壓、雷電沖擊電壓以及快速暫態(tài)過電壓作用下，不同位置、不同大小的金屬微粒對盆式絕緣子表面電場分布的影響。研究發(fā)現(xiàn)盆式絕緣子表面電場強度最大值位于金屬微粒附近，不僅隨著金屬微粒所在位置場強的增大而增大，而且隨著金屬微粒粒徑的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。在同一位置，工頻交流電壓作用下，盆式絕緣子表面最大場強（13.578 kV/mm）是不存在微粒缺陷時最大場強（3.666 kV/mm）的3.70倍；雷電沖擊電壓作用下，盆式絕緣子表面最大場強（21.542 kV/mm）是不存在微粒缺陷時最大場強（5.683 kV/mm）的3.79倍；快速暫態(tài)過電壓作用下，盆式絕緣子表面最大場強（48.616 kV/mm）是不存在微粒缺陷時最大場強（6.732 kV/mm）的7.22倍，由此可見所施加的電壓類型對盆式絕緣子表面電場分布有很大的影響。

再者，石廣文[33]依據(jù)實際110 kV盆式絕緣子的結構，搭建了110 kV盆式絕緣子三維結構計算模型，分析了工頻交流電壓作用下，不同位置、不同大小的氣泡缺陷對盆式絕緣子電場強度的影響。探究發(fā)現(xiàn)氣泡缺陷會使自身及其相鄰部分的電場發(fā)生畸變，越靠近內(nèi)屏蔽環(huán)和中心導體端，其電場強度增幅越大。雖然氣泡所處位置對盆式絕緣子整體場強影響不大，但它是決定氣泡最大電場強度大小的關鍵因素；此外氣泡缺陷的大小對盆式絕緣子整體場強也無影響。一般情況下，氣泡最大電場強度會隨著氣泡半徑的增大先增大后減小，且幅值變化較小?？傊?，盆式絕緣子表面缺陷的存在會改變盆式絕緣子表面電場分布，使得局部電場集中，造成盆式絕緣子閃絡電壓下降，對盆式絕緣子的絕緣特性產(chǎn)生不利影響。

2.2 表面電荷積聚

在外施電場作用下，盆式絕緣子表面缺陷的存在會使固體與氣體交界面處形成表面電荷，不僅使得盆式絕緣子的工作電場發(fā)生畸變，而且為沿面閃絡提供大量的電荷，造成盆式絕緣子絕緣強度降低，導致沿面閃絡的發(fā)生。盆式絕緣子表面形狀復雜，且GIS內(nèi)部充有SF6氣體，使得盆式絕緣子表面電荷測量難度較大?；诖?，齊波等[34]研制了一套基于靜電容探頭法的高分辨率表面電荷測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)配以高輸入阻抗的防泄漏裝置，使其能有效防止感應電荷沿測量系統(tǒng)的泄露，增加測量的可靠性和精確性，整體功能結構示意圖如圖6所示。

圖6 電荷測量系統(tǒng)結構圖Fig.6 Structure diagram of charge measurement system

為了探究不同外施電壓作用下，盆式絕緣子表面缺陷處表面電荷的積聚情況。齊波等[34]研究發(fā)現(xiàn)，交、直流電壓下均存在電荷積聚現(xiàn)象。交流工況下，盆式絕緣子表面缺陷會積聚大量的負電荷。由于電壓極性周期性變化，電荷整體分布比較均勻，先后出現(xiàn)較為穩(wěn)定的電荷峰值區(qū)域。隨著盆式絕緣子所存在的表面電荷的增加，沿面閃絡電壓逐漸減小并趨于飽和，沿面閃絡電壓最大可以減小10.3%；而在直流工況下，表面電荷積聚嚴重。隨著盆式絕緣子表面負極性電荷積聚的增多，盆式絕緣子沿面閃絡電壓明顯減小，最大可以減小22.8%，威脅GIS的安全運行。

盆式絕緣子表面缺陷誘發(fā)閃絡的發(fā)生機制跟表面電場分布和表面電荷積聚相關。當盆式絕緣子存在表面缺陷時會導致局部電場畸變并引起電荷積聚，造成盆式絕緣子閃絡電壓下降，進而引發(fā)盆式絕緣子沿面閃絡。但不同缺陷類型以及不同劣化程度的盆式絕緣子表面缺陷引起表面電場分布及表面電荷積聚的變化缺乏對應的量化關系，對盆式絕緣子沿面閃絡的影響規(guī)律有待進一步解釋。

3 盆式絕緣子表面缺陷診斷方法

GIS典型缺陷的存在必然導致局部電場畸變，引發(fā)局部放電。當前GIS局部放電類型主要包括尖端放電、懸浮放電、自由顆粒放電、沿面放電、氣孔放電，放電特征圖譜與放電類型有明顯的對應關系。如尖端放電的放電信號極性效應非常明顯，通常在工頻相位的負半周或正半周出現(xiàn)，放電次數(shù)較多且相位分布較寬；懸浮放電的放電信號在工頻相位的正、負半軸均會出現(xiàn)，且具有一定的對稱性，局部放電特征圖譜具有“內(nèi)八字”或“外八字”的分布特征；自由顆粒放電極性效應不明顯，任意相位均有分布，放電次數(shù)少，放電信號時間間隔不穩(wěn)定；沿面放電信號通常在工頻相位的正、負半周均有出現(xiàn)，且有一定的對稱性，放電幅值分散性較大，放電時間間隔不穩(wěn)定；氣孔放電的放電次數(shù)少，周期重復性低，局部放電特征圖譜呈現(xiàn)“兔耳狀”的分布特征。因而通過局部放電特征圖譜可以表征GIS典型缺陷，盆式絕緣子表面缺陷診斷方法由此而生。然而，當前針對同一檢測方法進行盆式絕緣子不同類型表面缺陷放電特性的研究較少，不便于特征參量的統(tǒng)一提取。因而，缺乏較為成熟的盆式絕緣子表面缺陷診斷方法，致使通過局部放電結果表征盆式絕緣子表面缺陷類型還需繼續(xù)進行深入研究。當然也有一些較為特殊的局部放電現(xiàn)象能夠表征表面缺陷類型，如“兔耳狀”放電能夠表征盆式絕緣子的氣泡缺陷。

盆式絕緣子表面缺陷的存在必然導致盆式絕緣子表面發(fā)生局部電場畸變，產(chǎn)生局部放電[35-37]。局部放電是一種強烈的能量釋放，其放電脈沖具有非常快的上升前沿，所激發(fā)的電磁能量在GIS氣室內(nèi)來回傳播；同時，微小的火花放電或電暈放電會使電離氣體通道發(fā)生擴散，產(chǎn)生超聲壓力波，出現(xiàn)被激勵的原子發(fā)光致使SF6氣體產(chǎn)生化學分解物。因此，電氣設備內(nèi)產(chǎn)生的局部放電所誘發(fā)的物理和化學效應均有對應的檢測方法?，F(xiàn)階段傳統(tǒng)局部放電檢測方法有常規(guī)脈沖電流法、特高頻法、超聲波檢測法、化學檢測法。脈沖電流法現(xiàn)場測試抗干擾能力差、靈敏度低，其推廣易受到限制[38-41]。超聲波法也存在對盆式絕緣子表面缺陷不敏感、受機械振動干擾強度大以及檢測范圍小等缺點[42-43]?；瘜W檢測法雖然在較大的閃絡事故后，能檢測到SF6氣體的分解產(chǎn)物，但受干燥劑、吸附劑以及SF6氣體強烈稀釋的影響，正常運行中的局部放電產(chǎn)生的分解產(chǎn)物不易檢出，只能作為故障檢測的輔助手段[44-48]。特高頻法雖然具有靈敏度高、監(jiān)測范圍大、抗干擾能力強、可識別故障類型以及進行故障定位等優(yōu)點，但該方法進行缺陷檢測時不能定量描述[49-51]。再者，特高頻傳感器只能安裝在盆式絕緣子等非金屬處或者使用內(nèi)置傳感器[52]。因而，這對天線設計與信號采集系統(tǒng)設計要求極高，目前在GIS設備中應用有一定的限制。為了彌補GIS局部放電傳統(tǒng)監(jiān)測方法的不足，許淵等[53]提出了靈敏度高達0.02 pC的脈沖電流分布測量法，任重等[54]采用光學檢測法，顯示出巨大的發(fā)展?jié)摿蛷V闊的應用前景。為此，對脈沖電流分布測量法和光學檢測法進行重點分析。

3.1 脈沖電流分布測量法

圖7為常規(guī)脈沖電流法典型試驗回路。其中，Cx為被測試品，U為工頻試驗電壓，Z為保護電阻，C0為工裝電容，Ck為耦合電容，Zm為檢測阻抗，A為放大器，M為局放儀。當被測試品發(fā)生局部放電時，由于保護電阻Z的存在，Cx所產(chǎn)生的局部放電電流被C0和Ck支路分流。為了提高局部放電檢測的靈敏度，使Zm流過更多的局部放電電流，常常要使Ck遠大于C0。Ck越大，局部放電檢查儀靈敏度越高。然而，在實際應用中，試驗電壓源U跟保護電阻Z不可避免會產(chǎn)生局部放電干擾信號。首先，當產(chǎn)生局部放電干擾信號后，其會被C0支路、Cx支路、Ck支路分流，由于Ck遠大于C0和Cx，局部放電干擾信號大部分也從Zm流過。因此無論增大Ck還是減小Ck，局部放電測量信噪比都會受到影響，導致局部放電識別靈敏度難以提升。其次，檢測阻抗無法對局部放電信號及干擾信號進行區(qū)分，因而在局部放電檢測中，只有在檢測阻抗Zm上檢測到穩(wěn)定的、遠高于局放干擾信號的局部放電時，才能認定為是被測試品所產(chǎn)生的局部放電信號。而當被測試品局部放電較弱時，常規(guī)脈沖電流法難以分辨該信號為局放信號還是干擾信號。最后，在盆式絕緣子出廠局部放電檢測中，通常多個盆式絕緣子同時進行試驗，當其中任何一個盆式絕緣子存在缺陷時，脈沖電流法都能夠檢測到局部放電信號，但無法確認是哪個盆式絕緣子存在缺陷。

圖7 常規(guī)脈沖電流法典型試驗回路圖Fig.7 Typical expert ment circuit diagram of conventional pulse current method

針對上述問題，許淵等[53]提出了脈沖電流分布測量法，其原理如圖8所示。其中，Z1、Z2為檢測阻抗；Zs為保護電阻；C0為工裝電容；C1、C2為被測試品，且二者電容大小相當，遠小于C0。如圖8(a)所示，當被測試品C1發(fā)生局部放電時，局部放電電流將從Z1全部流過，并被C0和C2支路分流。因為C0遠大于C1、C2，所以流過Z2的電流很小且與Z1方向相反。同理，當被測試品C2發(fā)生局部放電時，Z2所流過的局部放電電流遠大于Z1所流過的局部放電電流且方向相反。如圖8(b)所示，當試驗電壓源U跟保護電阻Zs產(chǎn)生局部放電干擾信號時，干擾信號被C1、C2、C0支路分流。由于 C1、C2遠小于 C0，局部放電干擾信號大部分流經(jīng)C0支路，有效抑制了流經(jīng)C1、C2的干擾信號，且流經(jīng) Z1、Z2的局部放電干擾信號方向相同、幅值相等。因此，脈沖電流分布測量法可以有效提高局放測量的信噪比，此外通過比較Z1、Z2所測量的脈沖電流信號幅值和方向，可區(qū)分C1產(chǎn)生的局部放電、C2產(chǎn)生的局部放電和外部干擾信號，進而將存在缺陷的盆式絕緣子識別出來。將該方法應用于盆式絕緣子缺陷局部放電檢測，結果表明，脈沖電流分布測量法的局放識別靈敏度高達0.02 pC。然而該方法對于多個單元構成的整體設備，需要分別檢測，測量極不方便，因此主要適用于實驗室或停電環(huán)境的測量。

圖8 脈沖電流分布測量法原理圖Fig.8 Schematic diagram of pulse current distribution measurement method

3.2 光學檢測法

當GIS設備出現(xiàn)絕緣缺陷時，會產(chǎn)生電暈、電弧或閃絡等不同形式的放電。放電過程中，空氣中的電子不斷獲得和釋放能量。除了伴隨著電荷的轉移和電能的損耗外，電離過程中還會產(chǎn)生光輻射現(xiàn)象。陸宇航[55]研究表明，局部放電光譜多集中在紫外波段，且紫外光輻射強度隨著放電量的增加而增大。基于此，歐陽有鵬[56]搭建基于光學檢測法的局部放電檢測系統(tǒng)，如圖9所示。通過檢測局部放電所產(chǎn)生的紫外光功率得到盆式絕緣子表面缺陷產(chǎn)生的局部放電量。該檢測系統(tǒng)由紫外光纖探頭、紫外探測器和信號采集處理單元組成。為了提高檢測的靈敏度，光纖探頭采用球狀結構，增加入射光通量；探測器通過光電倍增管放大微弱光信號；此外，布置多個紫外光纖探頭形成局部放電檢測矩陣，結合多個探頭的不同檢測結果以此確定局放位置。劉鈺等[57]采用該方法進行盆式絕緣子表面缺陷局部放電研究。結果表明該方法檢測到的放電點位置與實際放電點位置的最大誤差為7.8%。

圖9 基于光學檢測法的局部放電檢測系統(tǒng)Fig.9 Partial discharge detection system based on optical detection method

光檢測法具有檢測局部放電直觀、不受電磁干擾、靈敏度高、且能檢測放電發(fā)生位置等優(yōu)點，但其要求視距可見，不能有遮擋，否則會出現(xiàn)檢測“死角”。且SF6氣體的光吸收能力隨氣體密度的增大而提高，加上設備內(nèi)壁光滑而引起的折反射等原因，往往對檢測結果有一定的影響。再者由于光檢測法的技術復雜，電氣設備的生產(chǎn)廠家一般不配備故障診斷的光檢測系統(tǒng)，用戶不可能在運行的電氣設備內(nèi)部加裝光檢測傳感器。因此，該方法不適用于現(xiàn)場檢測。

雖然盆式絕緣子傳統(tǒng)局部放電檢測方法有著各自獨特的優(yōu)點，但由于環(huán)氧絕緣子具有初期局部放電微弱、局部放電間歇周期長等問題，現(xiàn)有盆式絕緣子表面缺陷局部放電檢測方法對盆式絕緣子表面缺陷檢出和識別效率較低；此外，對于靈敏度較高的脈沖電流分布測量法和光學檢測法也不適用于現(xiàn)場檢測。鑒于環(huán)氧絕緣子具有電壓模式敏感的特點，可從激勵局部放電的電壓模式入手，對盆式絕緣子表面缺陷的局部放電檢測方法進行進一步探究。

4 基于不同電壓激勵的盆式絕緣子表面缺陷診斷方法

雖然工頻電壓下，盆式絕緣子表面缺陷局部放電檢測方法有著各自獨特的優(yōu)勢，但環(huán)氧材料具有初期局部放電微弱、局部放電間歇周期長等問題，導致這些檢測方法的靈敏度不足，遠遠無法滿足工程現(xiàn)場的需要，致使現(xiàn)有局部放電在線檢測裝置出現(xiàn)大量誤報、漏報?；诖?，許多學者從激勵局部放電的電壓模式入手，當前主要通過標準型雷電沖擊電壓、振蕩型雷電沖擊電壓以及高頻電壓等激勵下進行局部放電特性及其缺陷診斷研究[58-61]。

4.1 標準型雷電沖擊電壓下盆式絕緣子局部放電檢測

頻率較低的工頻交流電壓（AC）、直流電壓（DC）與頻率較高的沖擊電壓對放電時延、放電量、放電統(tǒng)計分布以及放電發(fā)展模式的影響存在明顯的不同。相比工頻電壓，沖擊電壓能夠有效限制局部放電電暈的穩(wěn)定性，促進放電的產(chǎn)生和發(fā)展。從絕緣診斷角度而言，在沖擊耐壓試驗的同時進行局部放電檢測，能夠更有效地發(fā)現(xiàn)盆式絕緣子中電場異常等絕緣缺陷，從而更好地了解盆式絕緣子的絕緣狀態(tài)。

陳慶國等[62]研究發(fā)現(xiàn)，沖擊電壓比工頻電壓高，波形也更為陡峭，更容易激發(fā)絕緣缺陷產(chǎn)生局部放電。沖擊電壓下的局部放電測量能夠發(fā)現(xiàn)更微小的絕緣缺陷，也能更早地發(fā)現(xiàn)設備潛伏性的絕緣故障。此外，對于某些缺陷而言，工頻電壓雖然可以激發(fā)、暴露缺陷，但其持續(xù)性的特點也會使缺陷進一步擴大，從而給設備造成更大的損傷。沖擊電壓由于其“一過性”的特點，在激發(fā)、暴露缺陷的同時，不會擴大缺陷。然而，當前用于現(xiàn)場沖擊電壓試驗的試驗裝置普遍存在質量和體積較大、部分設備高度較高的問題，導致試驗設備運輸難度大、成本高，現(xiàn)場安裝工作強度大、效率低下。再者，對于GIS設備來說，其入口電容相比其他設備較大。若試品電容過大，沖擊電壓發(fā)生器產(chǎn)生沖擊電壓波形時會使波前時間過長，導致無法產(chǎn)生標準的雷電沖擊波形。最后，沖擊回路火花間隙在點燃瞬間所產(chǎn)生的較強空間電磁脈沖干擾和測量回路在沖擊電壓施加時刻從接地端耦合的瞬間電壓脈沖干擾，均會對局部放電測量結果的有效性產(chǎn)生影響。前者主要對信號傳輸過程產(chǎn)生影響，后者則對接地類傳感器及測量回路器件工作性能產(chǎn)生影響。并且因為沖擊電壓施加時間較短，此過程中產(chǎn)生的局部放電次數(shù)也相對較少，能夠獲得的局部放電信息有限，所以沖擊電壓局部放電檢測對測量系統(tǒng)的準確性要求很高。這些局限性的存在使得沖擊電壓激勵下的盆式絕緣子局部放電試驗并不完全適用于現(xiàn)場檢測。

4.2 振蕩型雷電沖擊電壓下盆式絕緣子局部放電檢測

當前，業(yè)內(nèi)已多次成功利用振蕩型雷電沖擊電壓開展超高壓、特高壓GIS設備的現(xiàn)場沖擊耐壓試驗，推廣和普及該試驗對降低設備事故率、提高設備運行可靠性具有重要意義。劉蓉等[63]采用振蕩型雷電沖擊電壓進行盆式絕緣子局部放電檢測。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)可知，振蕩型雷電沖擊電壓下局部放電信號最先出現(xiàn)在振蕩電壓的第一個周期的波峰處（電壓絕對值出現(xiàn)極大值處）。隨著電壓的升高，放電信號依次出現(xiàn)在后面周期的波峰處。且前一波峰處的放電幅值和放電數(shù)量都大于后一波峰處的放電。當電壓繼續(xù)增大時，放電會出現(xiàn)在電壓的波谷處（電壓絕對值出現(xiàn)極小值處）。相比于工頻交流電壓和標準雷電沖擊電壓，振蕩型雷電沖擊電壓放電更為激烈，放電數(shù)多且放電起始電壓低。

雖然相較于標準型雷電沖擊電壓，振蕩型雷電沖擊電壓具有顯著的優(yōu)點，然而振蕩型雷電沖擊電壓也有一定的不足：①隨著波頭時間的延長，檢測出缺陷的可能性降低。當波前時間大于10 μs時，振蕩型雷電沖擊電壓比標準型雷電沖擊電壓下的擊穿電壓高10%～20%，從而電壓等級越高，擊穿電壓相差越大；②振蕩型雷電波形受到回路參數(shù)和負載特性影響很大。當負載不同時，產(chǎn)生的振蕩雷電波型差別也較大；③由于振蕩的原因，還會使沖擊電壓發(fā)生器球隙多次隙弧重燃，這些球隙導通的過程中產(chǎn)生的電磁信號會進一步對局放信號產(chǎn)生干擾，使得各種局部放電檢測方法受到振蕩型雷電沖擊電壓發(fā)生器的干擾更大。因而現(xiàn)場也不適合采用振蕩型雷電沖擊電壓激勵對盆式絕緣子表面缺陷進行局部放電檢測。

4.3 高頻電壓下盆式絕緣子局部放電檢測

基于上述檢測方法的不足，結合實驗過程中發(fā)現(xiàn)當頻率≥1 kHz時，高頻正弦電壓具有的優(yōu)勢包括：①激勵殘余電荷效應，激勵局放；②周波數(shù)成倍增加，局放更加集中和劇烈；③既具有短時的沖擊作用，又有更好的重復性和穩(wěn)定性，筆者采用高頻正弦電壓激勵下進行盆式絕緣子表面缺陷局部放電檢測。其高頻電壓激勵下，盆式絕緣子局部放電檢測實驗平臺如圖10所示。該實驗平臺以脈沖電流法、超聲波法和光學檢測法作為絕緣缺陷檢測手段。綜合利用3種缺陷檢測方法的優(yōu)勢互補，進一步提高環(huán)氧樹脂界面絕緣缺陷檢出和識別效率。

圖10 盆式絕緣子局部放電檢測實驗平臺Fig.10 Partial discharge test platform for insulators

通過實驗發(fā)現(xiàn)，局部放電主要集中在電壓上升沿和下降沿處。此外，隨著頻率的提升，局部放電越來越劇烈。當頻率≥1 kHz時，高頻正弦電壓對局部放電的激勵作用逐漸顯現(xiàn)。當頻率≥5 kHz時，出現(xiàn)“兔耳狀”放電，且“兔耳狀”放電幅值高于主放電叢。其主要原因在于在快速極性反轉時刻，由于氣隙中空間電荷的駐留效應，疊加的電場使得氣隙空間場強短時間內(nèi)較大。因此，在高頻電壓波形的上升/下降沿處局部放電活動劇烈。此外，極性反轉時刻外施電壓和空間電場的疊加效應是“兔耳狀”放電產(chǎn)生的原因。因而通過高頻正弦電壓激勵可以提高盆式絕緣子表面缺陷的檢出和識別效率。

改變盆式絕緣子表面缺陷局部放電的電壓模式可以明顯提升盆式絕緣子表面缺陷的檢出和識別效率。在沖擊電壓激勵下，盆式絕緣子表面缺陷局部放電檢測靈敏度遠高于盆式絕緣子表面缺陷傳統(tǒng)局部放電檢測方法。然而，沖擊電壓發(fā)生器球隙熄弧重燃過程中所產(chǎn)生的電磁信號會對局部放電檢測信號產(chǎn)生較大干擾，無法滿足工程現(xiàn)場的需要。因此，探索更為合適的激勵局部放電的電壓模式對提高盆式絕緣子表面缺陷的檢出和識別效率具有重要意義。

5 結束語

（1）目前關于盆式絕緣子表面缺陷的產(chǎn)生和發(fā)展機理的研究并不完善。對于盆式絕緣子典型表面缺陷的產(chǎn)生機制，許多學者有詳盡的描述；利用不同的檢測方法對盆式絕緣子不同表面缺陷的放電特性也有一定的認識。然而，盆式絕緣子表面缺陷所造成的電場畸變及其動態(tài)變化異常復雜；此外，整個放電發(fā)展過程中絕緣子表面電荷的演化情況也不明確。還需進一步探究電場畸變及其電荷積聚的動態(tài)演化過程，明確盆式絕緣子表面缺陷的產(chǎn)生和發(fā)展機制。

（2）盆式絕緣子表面缺陷誘發(fā)閃絡的因素跟表面電場分布和表面電荷積聚相關，但盆式絕緣子表面缺陷引起表面電場分布及表面電荷積聚的變化缺乏對應的量化關系，對盆式絕緣子沿面閃絡的影響規(guī)律有待進一步解釋。

（3）盡管盆式絕緣子局部放電傳統(tǒng)檢測方法有著各自獨特的優(yōu)勢，但盆式絕緣子具有初期局部放電微弱、局部放電間歇周期長以及電壓模式敏感等問題，導致現(xiàn)有盆式絕緣子局部放電檢測方法的檢測有效性較低。

（4）通過從激勵局部放電的電壓模式入手，現(xiàn)有沖擊電壓激勵下，盆式絕緣子表面缺陷診斷方法靈敏度遠高于盆式絕緣子表面缺陷傳統(tǒng)局部放電檢測方法。然而，沖擊電壓發(fā)生器球隙熄弧重燃過程中所產(chǎn)生的電磁信號會進一步對局部放電檢測信號產(chǎn)生干擾，無法滿足工程現(xiàn)場的需要。因此探索更為合適的激勵局部放電的電壓模式對提高盆式絕緣子表面缺陷的檢出和識別效率具有重要意義。