SF6气体绝缘开关设备典型绝缘缺陷的局部放电发展规律及诊断方法研究*

2017-01-10段大鹏王彦卿江阳盛戈皞李伟

电测与仪表 2017年8期

段大鹏，王彦卿，江阳，盛戈皞，李伟

（1.国网北京市电力公司，北京100075；2.上海交通大学电气工程系，上海200240）

0 引言

随着 GIS（Gas Instulated Switchgear）在电网中的大量应用，绝缘故障问题逐渐显露，严重影响了电网的安全稳定运行。为避免设备运行隐患或潜伏性故障失控酿成事故，开展GIS潜伏性缺陷检测与诊断技术研究，对设备状态评价和状态检修具有实际意义。

GIS绝缘类潜伏性缺陷的检测方法主要包括局部放电检测法和化学分解产物检测法两种［1-3］。国内外研究及现场检测实践结果表明，局部放电检测法的灵敏度及有效性明显高于化学分解产物法。国内外许多研究机构自20世纪80年代以来先后对特高频法、超声波法检测GIS局部放电开展了大量研究工作，并成功应用于电网设备的绝缘缺陷检测。然而，在实际应用过程中尚未对GIS典型绝缘缺陷的特征谱图发展规律及诊断方法进行研究，进而能够更加明确的指导电力设备的现场检测，准确判断缺陷发展的状态。

本文基于特高频与超声波局部放电联合检测法，通过研究GIS潜伏性绝缘缺陷实验检测数据及其特征变化规律，得到表征GIS潜伏性绝缘缺陷的局放特征信号典型图谱、发展规律和诊断方法，分析得到典型缺陷局部放电不同发展阶段放电信号的特征发展规律，用于指导现场状态检测。

1 GIS局部放电专用试验仓体及典型缺陷放电模型的设计

1.1 典型缺陷放电模型的设计

长期的运行经验表明，GIS中引发局部放电的典型绝缘缺陷主要有自由金属微粒、金属突出物、绝缘子气隙、绝缘子表面金属污染物、悬浮电极等五种［4］。本文参考国内外文献关于GIS局部放电典型缺陷模拟的常用研究方法［5-9］，设计并制作了GIS中悬浮电位模型、沿面放电模型、气隙放电模型、自由金属微粒放电模型及金属尖端放电模型，其结构尺寸如图1～图5。

图1 金属尖端放电模型图Fig.1 Model ofmetal point discharge in SF6

制作的金属尖端放电实验模型如图1所示。其中，上下电极为铝制平板，根据安装腔体的空间尺寸，平板的间距为150 mm，这个间距不是固定的，会有2 mm～3 mm的误差，与实验模型的罐体内的气压有关系，气压高的时候极板间距会稍微变大。上下极板与透明有机玻璃管组成放电的罐体，便于对放电的现象进行观察。下极板同时设置一充放气嘴，实验表明，在0.5 MPa的气压内，装置均可保证气密性。

自由金属颗粒则是GIS中最经常出现的一种自由运动杂质，通常由于安装过程的失误或者是GIS运行中的开关动作而产生，它对绝缘的危害非常严重。本文制作了模拟真实GIS中自由金属微粒的实验模型。金属微粒采用直径1 mm的不锈钢珠，制作了图2所示的模型。

图2 自由金属微粒模型图Fig.2 Model diagram of freemetal particles in SF6

目前国内外普遍采用所谓的“三结合”模型模拟沿固体介质的表面放电。模型如图3所示，其中缺陷模型的高压电极采用圆柱形结构，下端为半球形，与环氧板紧密接触。

通常可用一段悬浮导体进行悬浮电位缺陷的模拟，模型如图4所示，其中的悬浮金属体可以通过丝扣调节悬浮电极与高压电极的间隙距离，以实现调节起始放电电压与放电量的目的。

图3 沿面放电模型图Fig.3 Model of discharge along surface in SF6

图4 悬浮电位放电模型Fig.4 Dischargemodel of floating electrode in SF6

图5 绝缘子内部气隙缺陷模型Fig.5 Defectmodel of gas gap in insulator

制作了绝缘子内部气隙缺陷模型如图5所示。采用厚度均为0.1 cm的三层环氧板模拟绝缘子内部气隙，其中中间一层环氧板中间部位打一个半径为0.25 cm的圆孔，中间形成一个内部气隙。

本文根据GIS中的5种典型绝缘缺陷构建了缺陷模型，模型可安装在实验室126 kV GIS试验腔体内，也可独立使用，具有使用方便，试验效率高的特点。

1.2 GIS局部放电试验仓体的研制

研制的GIS局部放电试验专用仓体实物照片见图6。图中红色圆圈所示套管下方为放电缺陷的布置气室，左侧分别连接两截通管，长度分别为2 m和1 m，安装两只不通气的盆式绝缘子，从而将该试验仓体分为三个独立的气室。同时在每个气室上设计、制作了内置特高频传感器的安装孔。

图6 专用GIS试验仓体实物照片Fig.6 Picture of the designed GIS test chambers

2 GIS局部放电的声电联合检测法介绍

2.1 GIS局部放电的声电联合检测原理

声电联合检测技术的主要思想一是在局部放电检测中将特高频局部放电检测法和超声局部放电检测法的优点相结合，充分发挥各自优势；二是放电源的声电联合定位［10-11］。

对放电源进行定位时先利用特高频检测技术对GIS设备进行检测和初步定位，然后以特高频信号为基准信号，使用多个超声传感器来完成对局放点的精确定位，为GIS局部放电检测的发展方向。声电联合定位法由于同时检测局部放电的电磁波信号和超声波信号，能更加有效地排除现场干扰，提高局部放电定位精度和缺陷类型识别的准确性。

3 典型缺陷放电及其发展过程的试验检测与规律研究

3.1 试验检测回路设置

应用研制的GIS专用试验仓体的安装与典型缺陷放电模型，采用特高频法、超声波法研究GIS典型绝缘缺陷模型的局部放电特性及发展过程。其数据处理基本流程为将传感器测得的电信号经放大后进行A/D转换，然后把提取到的信号送入计算机进行数据处理和分析，作出各种谱图和统计量，由此分析GIS的各类缺陷的局部放电特性。

特高频法所用仪器为英国某公司生产的特高频局放检测仪，超声波法所用仪器为美国PAC公司生产PocketAE局放检测仪，每种放电模型的试验检测次数不低于20次，试验时存储图谱包括时域图及特征指统数谱图。

3.2 金属尖端缺陷局放检测与数据分析

应用金属尖端放电模型，逐步加压进行局部放电的试验检测。该缺陷模型的放电起始电压为18 kV，击穿电压为39 kV，18 kV时对应的视在放电量为5.02 pC，击穿前36 kV对应用视在放电量为123.34 pC。分别在外加电压为20 kV、25 kV、30 kV、36 kV时录取两种检测方法的局放谱图。特高频法检测结果如图7，超声波法检测结果如图8。

由特高频法检测谱图可见，在放电起始时负半周放电首先出现放电信号，放电次数较多但幅值并不高。随着外加电压的升高，负半周放电相位分布展宽，正半周也开始出现放电，且放电集中在90°和270°处，具有较为明显的相位特征。临近击穿时，正负半周均出现相位分布较宽的放电信号，且幅值有明显增长，正半周放电的相位分布较负半周窄。同时，由超声波法检测谱图可见，当电压升至30 kV时，超声波放电信号幅值增长至5 mV左右，其特征指数更加明显的集中在2、4处。当电压升至36 kV临近击穿时，超声波放电信号幅值增长至6 mV左右，放电间隔无明显变化，但特征指数则集中在1、2处。

图7 特高频法检测得到的典型PRPS谱图Fig.7 Spectrum diagram of PRPS and PRPD based on UHF

图8 超声波检测得到的时域及特征指数谱图Fig.8 Spectrum diagram of time domain and characteristics index of AE

3.3 自由金属微粒放电模型局放检测与数据分析

应用自由金属微粒放电模型，逐步加压进行局部放电的试验检测。自由金属微粒的放电起始电压为23 kV，由于该缺陷击穿电压很高，还没到微粒击穿就会产生模型的外表面沿面放电，因此未做到缺陷击穿。23 kV时对应的视在放电量为4.76 pC，35 kV时对应的视在放电量为9.04 pC，40kV时对应的视在放电量突增为9 705 pC，45kV时对应的视在放电量为7 585 pC。分别在外加电压为23 kV、30 kV、40 kV、45 kV时录取谱图。特高频法检测到的结果如图9所示，超声波法检测结果如图10所示。

图9 特高频法检测得到的典型PRPS、PRPD谱图Fig.9 Spectrum of PRPS and PRPD based on UHF

图10 超声波检测得到的时域及特征指数谱图Fig.10 Spectrum of time domain and characteristics index of AE

由特高频法检测谱图可见，当外加电压为23 kV起始电压时，放电的相位已经遍布整个工频周期的360°，相位特征并不明显。正负半周峰值处的放电幅值相对较低，工频过零点附近的放电点沿着正弦包络带的上沿分布。同时，由超声波法检测谱图可见，当外施电压高于局放起始电压为23 kV时，就能够检测到幅值为100 mV左右的信号，放电间隔较为稀疏，但特征指数分布无明显规律。随着外加电压和升高，超声波放电信号的幅值基本在80 mV～100 mV范围内变化，只是放电间隔缩小，放电变得越来越密集，直至45 kV，特征指数依然分布分散，无明显的规律。另外，微粒放电的时间间隔较尖端模型而言更不均匀。

对于不同电压下微粒的运动情况，当外加电压为23 kV起始电压时，微粒在极板上偶尔做不规则的水平运动。在施加电压继续升高的情况下，微粒在极板上水平运动的频率比较高，已经基本没有在原地静止不动的现象，偶尔也会有跳起，但是跳起的高度很小。随着外施电压的继续升高，微粒跳动的幅度与频率明显增高，运动越来越活跃，放电信号也变得越来越密集。总之，超声波法对于自由金属微粒缺陷而言较为灵敏。

3.4 沿面放电模型局放检测与数据分析

应用沿面放电模型，逐步加压进行局部放电的试验检测。沿面模型的放电起始电压为6 kV，击穿电压为27 kV。6 kV时对应的视在放电量为4.25 pC，26.7 kV时对应的视在放电量为100.56pC。分别在外加电压为6 kV、8 kV、14 kV、26 kV时录取三种检测方法的局放谱图。特高频法检测到的结果如图11所示。

图11 特高频法检测得到的典型PRPS、PRPD谱图Fig.11 Spectrum of PRPS and PRPD based on UHF

由特高频法检测谱图可见，放电起始时基本在正负半周同时出现放电信号，放电幅值并不高。随着外加电压的升高，正负半周放电相位分布展宽，放电幅值出现较明显增长，且放电集中在90°和270°处偏上升沿处，具有较为明显的相位特征。临近击穿时，正负半周均出现相位分布较宽的放电信号，且幅值有明显增长。同时，整个过程中，超声波法未检测到放电信号。

另外，比较可见沿面放电与尖端放电谱图的区别：沿面放电主要发生在工频电压的上升沿部分，且较为靠近峰值偏上升沿处，极性效应不明显，且放电信号幅值会随着电压的升高而上升。而尖端放电的极性效应明显，放电信号幅值随着电压的升高上升不明显。

3.5 悬浮电位放电模型局放检测与数据分析

应用自由悬浮电位放电模型，逐步加压进行局部放电的试验检测。悬浮电位放电模型的放电起始电压为7kV，由于该缺陷击穿电压较高，因此未做到缺陷击穿。7kV时对应的视在放电量为500pC，8.5kV时对应的视在放电量为5 092 pC，15 kV时对应的视在放电量突增为5445 pC，40 kV时对应的视在放电量为10 123 pC。分别在外加电压为7 kV、15 kV、26 kV、40 kV时录取三种检测方法的局放谱图。特高频法检测到的结果如图12所示，超声波法检测结果如图13所示。

图12 特高频法检测得到的典型PRPS、PRPD谱图Fig.12 Spectrum of PRPS and PRPD based on UHF

由特高频检测谱图可见，放电起始时正负半周电压上升沿处均出现幅值很大的放电信号，放电次数较少但幅值很高。随着外加电压的升高，正负半周放电相位分布展宽，且放电主要分布在电压上升沿附近。临近击穿时，正负半周均出现相位分布较宽的放电信号，相位分布占到整个工频周期的2/3以上，幅值依然很高。同时，由超声波法检测谱图可见，当外施电压为起始电压7 kV时，信号幅值基本不超过6 mV，其特征指数隐约集中在1-6附近。当电压升至26 kV时，超声波放电信号幅值仍然无明显变化，但特征指数集中在1、2处。总之，悬浮电位放电信号幅值较大，随着电压的升高变化不明显，相位极性特征明显，特征指数主要集中在1、2处。

图13 超声波检测得到的时域及特征指数谱图Fig.13 Spectrum of time domain and characteristics index of AE

从检测结果可以看出，悬浮电位放电的幅值随电压的升高基本不变，随着电压升高放电信号相位分布展宽，临近击穿前达到了过零点。从本质上来讲，悬浮电位类似于悬浮金属体与高压导体中间的一个间隙击穿，没有电荷的入陷、脱陷等过程，因此不会有明显的变化。但从放电有发生在过零点来看，存在电荷聚集现象，因而会导致过零点发生反向击穿，而且放电越剧烈，电荷聚集的数量越多，导致放电相位向过零点移动。

3.6 绝缘内部气隙放电模型局放检测与数据分析

应用绝缘内部气隙放电模型，逐步加压进行局部放电的试验检测。绝缘内部气隙的放电起始电压为6 kV，击穿电压为33 kV。6 kV时对应的视在放电量为 4.25 pC，32 kV时对应的视在放电量为6 939pC。分别在外加电压为6 kV、20 kV、25 kV、32 kV时录取三种检测方法的局放谱图。特高频法检测结果如图14所示。

图14 特高频法检测得到的典型PRPS、PRPD谱图Fig.14 Spectrum of PRPS and PRPD based on UHF

由特高频法检测谱图可见，放电起始时基本在正负半周同时出现放电信号，放电幅值并不高，放电的相位分布相对较宽。随着外加电压的升高，正负半周放电相位分布展宽，放电幅值出现较明显增长，且放电集中在电压上升沿处，具有较为明显的相位特征。临近击穿时，正负半周均出现相位分布较宽的放电信号，基本占到整个工频周期的2/3，且逐渐向零点移动，甚至越过零点，且幅值有大幅度增长。同时，由超声波法检测谱图可见，超声波法未检测到放电信号，说明超声波法对绝缘内部气障缺陷放电不敏感。

总体来看，气隙放电的PRPD谱图在正半周期和负半周期近似呈对称现象，PRPD谱图呈现出分离的两部分，靠近过零点的部分谱图呈“兔耳”状，靠近峰值处的部分呈山丘状，且随着外加电压的升高，兔耳部分逐渐由垂直变为倾斜。可以看到在不同电压下出现的谱图均类似于“兔耳”形状，但是随着施加电压的增大，PRPD谱图参数变化比较明显，“兔耳”的形状也有很大区别。由于放电的对称形，可以发现随着施加电压升高，电压幅值增大，放电重复率增大，“兔耳”向工频电压的过零点偏移，且其宽度增大。需要注意的是当缺陷临近击穿时，特高频检测此类型放电与悬浮电极的谱图较为相似。

3.7 典型缺陷发展过程中局放发展规律分析

有文献对典型缺陷检测谱图特征识别技术进行了相关研究，但离指导具体现场检测工作尚存在距离［12］。通过对试验检测数据的总结与分析，结合上文对5种典型局放缺陷脉冲电流法PRPD图谱、特高频PRPS图谱与超声波特征指数图谱的变化、发展规律的研究，本文提出了5种典型放电缺陷发展规律特征参数表示法，以表征起始电压至击穿电压区间局部放电缺陷的发展、变化规律，进而指导GIS现场潜伏性缺陷的检测，表1～表5所示。

（1）对于金属尖端放电，放电起始时负半周放电较为剧烈，随着外加电压的升高，正半周也开始出现放电，且放电集中在工频峰值处，即90°和270°处，具有明显的相位特征；

（2）对于金属微粒放电，放电分布在整个工频周期，且峰值处具有较大的放电信号，放电谱图基本不随外加电压的变化而变化，但放电幅值会随之而增加，其相位特征不明显；

（3）对于沿面放电，沿面放电发生在工频的上升沿部分，且较为靠近峰值处，但与尖端放电不同，其并不是在峰值两边，而是靠近峰值一侧，具有明显的相位特征。此外，金属尖端放电具有明显的极性效应，放电总是先出现在负半周，而沿面放电则没有明显的极性效应，正负半周会同时出现放电脉冲。且随着电压的升高，其幅值会随之上升。超声波法对此类缺陷放电不敏感；

（4）对于悬浮电位放电，具有放电幅值大，放电谱图呈现带状的特点，具有较为明显的相位特征，随着外加电压的增加，放电谱图变化不大，放电幅值也变化不大，但一旦开始放电，其就具有较为强烈的放电；

（5）而对于绝缘内部气隙放电，会出现典型的“兔耳”状谱图，具有明显的相位特征，其特高频法检测谱图在临近击穿时与悬浮电位放电较为相似，在诊断时应予以注意。超声波法对此类缺陷放电不敏感。

表1 基于特征参数的GIS金属尖端局放缺陷规律表Tab.1 PD defect law of GISmetal point based on characteristic parameters

表2 基于特征参数的GIS自由金属微粒局放缺陷规律表Tab.2 PD defect law of GIS freemetal particle based on characteristic parameters

表3 基于特征参数的GIS沿面放电缺陷规律表Tab.3 GIS surface along discharge law based on characteristic parameters

表4 基于特征参数的GIS悬浮电位放电缺陷规律表Tab.4 Defect law of GIS floating electrode discharge based on characteristic parameters

表5 基于特征参数的GIS绝缘内部气隙放电缺陷规律表Tab.5 Defect law of GIS insulator internal air gap discharge based on characteristic parameters

4 案例分析

2012年1月12日，在某变电站带电检测过程中发现110 kV三相电缆-GIS终端附近均有局放异常信号，检测方法为特高频法与罗氏线圈高频法同时检测。A相GIS终端局放信号幅值最大约230 mV。PRPS与PRPD谱图如图15所示，PRPD特征谱图呈“兔耳”状，与图14（e）进行对比可见两者特征相似，PRPS谱图与图14（a）、（b）对比可见两者特征相似。故初步判断该放电源缺陷类型为发展初期的绝缘内部气隙缺陷。

更换下来的电缆-GIS终端（带有7米长电缆本体）进行实验室局放试验，同时采用高频法、超高频法及脉冲电流法进行局放检测。试验结果表明，局放起始电压为29 kV，应用同样的高频法与特高频法进行检测，可以得到与现场完全一致的局放图谱，证明该电缆终端的确存在缺陷。