GIS金属颗粒放电发展的试验研究

耿弼博

（高电压与电磁兼容北京市重点实验室,北京102206）

随着电网中GIS的大量普及应用[1-12]，其稳定性越来越受到人们的重视。根据CIGRE 23.10工作组的国际调查报告，1985年以前投入的GIS的562次故障中绝缘故障占60%，1985年以后投入的GIS的247次故障绝缘故障占51%[13-14]。其中局部放电是导致绝缘故障的先导因素，金属颗粒所导致的局部放电更是占到了很大的比例[15-20]。从金属颗粒开始产生局部放电到最终发生闪络，是一个非常复杂的过程。如何判断局部放电发展到了怎样的程度，此时的放电是否到了危害设备整体绝缘的地步，是工程运行人员非常关心的问题。然而以往人们对这种故障导致的局部放电进行的研究与探索主要集中在检测手段、定位等方面[21-27]，对于金属颗粒产生的局部放电发展过程的研究，以及对GIS局部放电严重程度的辨识与评估一直是一个悬而未解的难题。局部放电发展过程的研究可以为制定合理的运行、维护以及更新计划，实现GIS的状态检修提供科学依据，因此研究GIS内部绝缘子表面金属颗粒的放电发展过程具有很重要的意义。

常规脉冲电流法是研究最早、应用最广泛的一种检测方法，IEC-60270为IEC正式公布的局部放电测量标准[28]。这种方法优点是灵敏度高，可测量视在放电量。本文将尝试通过试验过程中的放电现象及统计谱图特征来探索GIS内部绝缘子表面固定金属颗粒放电发展过程中隐含的规律。

1 试验平台及试验方法

1.1 试验平台介绍

试验平台如图1所示，主要由三部分构成，分别为局部放电模拟系统、检测系统及采集系统。

图1 试验平台示意图

1.1.1 局部放电模拟系统

局部放电模拟系统主要由加压系统、试验腔体及故障模型三部分组成。

1）加压系统。工频加压系统主要由升压控制台、试验变压器、保护电阻、耦合电容构成。其中，试验变压器为YTDW型工频单相无晕试验变压器，其在电压150 kV下放电量不大于3 pC；额定功率为150 kV·A；保护电阻阻值为10 kΩ，在试品突然击穿时，起限流作用，保护试验设备；耦合电容为300 pF。

2）试验腔体。用于试验的GIS腔体是实际的252 kV GIS的母线腔，主体结构为一个高压进线套管和8个形状不同的气室。为保证试验条件和实际的运行情况相同，每个气室充0.4 MPa的SF6气体。最上面的气室作为试验腔体，装有3个石英玻璃观察窗和用于安装传感器及设置模型的手孔。试验腔体的整体结构如图2所示。为保证试验数据的准确性，在试验前首先对整个平台系统进行了检测，在确保局部放电检测系统正常的前提下，对无模型的GIS腔体进行了加压试验，升压至150 kV，局部放电量小于3 pC，从而确保了试验时局部放电信号只来自于故障模型。

图2 试验腔体示意图

3）故障模型。试验的故障模型采用的是长为5 cm,直径为1 mm的单根铝制颗粒。将其固定在平行于电场线的方向，距离高压导体3 cm的绝缘子表面，具体如图3所示。

图3 模型放置图

1.1.2 局部放电检测系统

常规脉冲电流检测系统由检测阻抗、同轴电缆和DST-4型局部放电测试仪组成。其中局部放电测试仪是由中国电力科学研究院伏安公司生产，检测频带为40～80 kHz，其检测灵敏度为3 pC。

UHF检测系统由探头及其放大器构成，可以接收到300～1 500 MHz的电磁波。

1.1.3 采集系统

数据采集系统由凌华公司生产的DAQ-2000型采集卡进行信号采集，通过计算机存储来实现。采集卡的采样率为2 M,存储深度为4万个点。通过这套系统对脉冲电流信号、特高频信号和工频相位信号进行实时采集。

1.2 试验方法

本文采用的加压方法为逐步升压法，如图4所示：先将电压升至稳定产生局部放电的电压等级，然后依次升压10 kV，每个电压等级持续时间为120 min，直到发生闪络。

图4 电压施加方式图

2 试验结果分析

试验过程中，最初产生局部放电信号的电压为71 kV,将其作为局部放电发展过程第一个阶段的电压等级，持续120 min并采集数据。在这个过程中，放电稀而小，在最初30 min内，放电较为稳定，但随后放电次数出现减小的现象；按照逐步升压的试验方法，第二阶段相应的电压等级为81 kV,同样持续120 min并采集数据,此时的放电较之第一阶段大而密，负半波的次数明显增多，在整个第二阶段中，放电非常稳定；第三阶段电压等级为91 kV，在这个过程中，放电现象特别剧烈，放电量特别大，放电次数特别多，当放电持续到第39 min时，模型闪络，试验结束。

根据放电的幅值及其所在的相位信息，可以得到3种局部放电谱图：放电次数相位分布（N-Φ）谱图、放电平均值相位分布（Vave-Φ）谱图、放电最大值相位分布（Vmax-Φ）谱图。这些放电谱图以相位为横坐标，按照设定的相位窗个数将相位分窗，以相位分窗为单位统计测量所得到的多个工频周期的各种局部放电参数。

2.1 71 kV谱图特征分析

当电压升至71 kV时，产生了稳定的局部放电。放电在最初30 min较为稳定，随后放电次数有减小的趋势。从图5可以看出，放电第一阶段的总体放电次数较少，正负半波的放电次数在相位上都呈现单峰形状。正半波的放电主要集中在20°～130°的相位区间，在55°附近放电次数最多，放电可达40次，然后从55°向两侧依次递减；负半波的放电主要集中在180°～283°的相位区间，在200°附近放电次数最多，放电达到35次，然后向两侧递减。

图5 第一阶段的N-Φ谱图

图6为第一阶段的Vave-Φ谱图，可以看出：在幅值方面，正半波的平均幅值明显大于负半波，且正半波呈现单峰形状，幅值波动较大，在80°附近幅值最大，最大值为100 pC，然后向两侧依次递减，负半波幅值分布较为平坦，呈现长方形状，幅值集中在20 pC左右；相位方面，放电集中在20°～130°与180°～283°2个区间内，其他相位区间未出现局部放电。

图6 第一阶段的V ave-Φ谱图

如图7所示，放电发展的第一阶段中，放电量最大值在75°附近，最大可达到250 pC，然后向两侧递减；在负半波放电相位上的最大值相对集中，大部分都在30 pC左右。

图7 第一阶段的V max-Φ谱图

2.2 81 kV谱图特征分析

与第一阶段相比，第二阶段的放电次数有了显著的增加，放电量明显增大，并且在整个过程中，放电现象一直稳定存在。从图8可以看出，负半波放电次数远远大于正半波，且呈现双峰形状。尤其是在以250°为中心，从225°及275°分别向250°方向，放电次数出现了倾斜度很高的激增，这与第一阶段N-Φ谱图有显著的不同。由于图7纵坐标量程较大，部分特征不能清晰看出，本文将量程缩小后发现：如图9所示，随着放电的发展，第二阶段的放电在相位谱图上开始扩展，在338°到353°的区间内，出现放电现象，但该区间内的放电次数非常少，共10次。

第二阶段的Vave-Φ谱图如图10所示，从图10可知，正半波的平均幅值依然大于负半波，且幅值波动较大，在80°附近幅值最大，最大值为190 pC,然后向两侧依次递减，负半波幅值分布平坦，集中在25 pC左右。

如图11所示,在245°～250°区间内的最大值远高于负半波其他放电相位的最大值，放电量差值可到500 pC。

图8 第二阶段的N-Φ谱图

图9 第二阶段N-Φ谱图部分区间图

图10 第二阶段的V ave-Φ谱图

图11 第二阶段的V max-Φ谱图

以上3种谱图可以综合看出，与放电初期不同，在放电中期阶段，N-Φ谱图中负半波呈现双峰形状，在250°附近的区间内，出现了幅值较大、且次数较多的放电；在338°～353°区间内出现了放电现象。

2.3 91 kV谱图特征分析

由于第三阶段放电只持续了39 min，与前2个阶段相比，持续时间不同从而得到的统计结果不同，因此对于N-Φ谱图只分析前2个阶段的特点。在第三阶段，平均放电幅值和最大放电幅值均出现猛增，特别是在临近闪络的时候，放电幅值已经达到5 000 pC左右。

如图12所示，第三阶段平均幅值增加明显，尤其是在100°与260°附近，出现激增；放电在相位上的分布集中在了0°～120°、160°～300°及350°～360°区间内。从图13的Vmax-Φ谱图看出，负半波265°～270°区间内的最大值幅值超过了正半波的最大值。

图12 第三阶段的V ave-Φ谱图

图13 第三阶段的V max-Φ谱图

3 结论

252 kV GIS内部绝缘子表面金属颗粒所导致局部放电的谱图在3个阶段有着各自独立的特征，随着放电的发展，谱图特征也出现相应的变化。

1）第一阶段（最初产生局部放电信号时，对应电压为71 kV）的正负半波的放电次数基本相同，相位分布在25°～125°与180°～275°的区间内；正半波的平均幅值与最大值都大于负半波，且负半波放电在各个相位上的平均幅值与最大值较为稳定，波动较小。

2）第二阶段（对应的电压为81 kV）除了放电量与放电次数的增多外，在谱图特征上有了明显的变化：N-Φ谱图中负半波呈现双峰形状，在250°附近的区间内，出现了幅值较大、且次数较多的放电；在338°～353°区间内出现了放电现象。这些都是有别于局部放电初期的特征。

3）第三阶段（对应的电压为91 kV电压时）平均放电幅值和最大放电幅值增加明显，尤其是在100°与260°附近，出现激增，在临近闪络的时候已经达到5 000 pC左右；放电在相位上的分布集中在了0°～120°、160°～300°及350°～360°区间内，负半波的最大放电幅值超过了正半波的最大幅值。

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