组合电器局部放电特高频检测的气压影响分析

汪正江, 夏红攀

(国网湖北省电力有限公司鄂州供电公司, 湖北 鄂州 436000)

0 引言

以SF6为绝缘介质的气体绝缘全封闭组合电器(gas insulated switchgear， GIS)因具备很高的可靠性和很小的占地面积等优势，使其在城市超高压电网中被广泛应用[1-3]。高场强下对GIS设备的绝缘性能有很高的要求，但GIS设备在制造、运输、安装以及运行调试过程中，在内部形成的绝缘缺陷往往是引发GIS设备故障的主要原因，尤其在制造不良和安装损坏擦划时造成的金属突出物缺陷现象最为普遍[4]。特高频局部放电检测法(ultra high frequency，UHF)具有与常规脉冲电流法无法比拟的灵敏度和抑制外部干扰能力，有利于测量真实的局部放电信号波形，以便进行放电故障识别和定位[5-6]，但视在放电量难以标定[7]，而对于检测设备的局部放电而言，视在放电量却是确定设备绝缘状况的一项重要标准。

近年来，国内外对本课题进行了大量分析和实验研究，但是理论分析大多局限定性的研究。文献[8]研究了特高频能量和视在电荷的关系，试验数据描绘成的谱图上形成各个轮廓明显的簇，不同类型放电的特高频能量水平和视在电荷水平不同，特高频信号和放电量之间有着对应关系。文献[9]对局部放电波形与其激发UHF电磁波之间的关系进行仿真分析，指出局放脉冲电流变化率与电磁波电场强度近似呈线性关系。同时，文献[10]用最小二乘法拟合特高频信号能量与视在放电量之间关系的曲线，结果表明UHF信号的峰峰电压与视在放电量有较高的线性关系，其放电累积能量与视在放电量存在二次曲线的关系，其中还用线性回归验证了拟合曲线和试验数据点的紧密相关度，证实拟合曲线能很好地代表这两个参量之间的关系。此外，从文献[11] 中也可见两种方法所得的检测结果之间有着相同的变化趋势:即较强放电活动的发生，不仅表现在视在放电量的变大，而且激发出更强的特高频电磁信号；从特高频信号的接收来分析，辐射出较强的特高频信号，需要中和更多的正负电荷，同时产生很大的脉冲电流。文献[12]研究发现同一类型缺陷在不同检测频段上UHF信号幅值与视在放电量之间存在较为明显的对应关系，不同频段间对应关系存在差异，可以近似采用一元线性多项式回归模型对不同类型缺陷UHF信号幅值进行放电量标定。

然而，GIS内部SF6气体的压强通常在0.3～0.5 MPa之间不等，目前对不同气压下UHF信号与放电量的关系却鲜有研究。本文采用针板间隙模拟金属突出物缺陷，对不同气压下特高频局部放电的信号波形进行分析，将提取的信号能量与脉冲电流法测得的放电量进行相关分析，探索不同气压下局部放电UHF信号的定量问题。

1 局部放电检测系统

1.1 局部放电检测试验装置

为对采集到的特高频信号与视在放电量进行对比分析，本文建立了基于特高频和脉冲电流的局部放电联合检测系统[13-15]，实验装置如图1，脉冲电流法回路采用并联接线，选用针板间隙模拟金属突出物缺陷。其中，电源为无晕试验变压器(YDTW-10/50)，保护电阻10 kΩ，无晕耦合电容为 2000 pF，检测阻抗采用 RC 型，UHF传感器采用外置微带贴片天线，通过高频同轴电缆分别将脉冲信号与特高频信号传输到示波器的两个通道进行采集。所用数字存储示波器为力科7000系列，带宽1 GHz，最大采样频率20 GHz，存储深度为 2×24 MB。实验环境平均温度17.1 ℃。

图1 实验装置电路Fig.1 Circuit diagram of experimental apparatus

实验采用圆筒密封容器模拟GIS同轴腔体结构，腔体由有机玻璃做成，调节针板间隙距离为10 mm。此外装置对高压引线和电极均有防晕处理，避免设备本身可能产生的电晕影响实验结果的可靠性。

1.2 脉冲电流法系统校准

校准接线如图2所示，在不施加试验电压的情况下，将一输出可调的校正脉冲发生器与试品并联，在试品两端注入已知放电量的脉冲信号，然后在示波器上测量检测阻抗两端电压的幅值大小U。调节脉冲发生器输出不同的放电量(500 pC，100 pC，50 pC，10 pC)，可以绘制检测阻抗两端电压U(mV)与视在放电量q(pC)的关系。需要特别注意的是，当改变绝缘气体压强时，相当于试品Cx即试验回路发生变化，需要重新校准，获得确切的放电量水平。图3以10 mm针板间隙充入一个大气压的SF6的情况为例，给出根据校准数据拟合得到的校准曲线。

图2 脉冲电流法校准电路Fig.2 Calibration circuit of the pulse current method

图3 脉冲电流法校准曲线(0.1 MPa)Fig.3 calibration curve ofpulse current method (0.1 MPa)

1.3 试验数据分析方法

在局部放电起始电压Ui和击穿电压Ub之间均匀设定3个电压测量点U1,U2,U3，利用示波器的双通道采集模式，对特高频信号和脉冲电流信号同时采集。在每个测量电压作用下局放稳定后，设置示波器的采样率2.5 GS/s，采集的数据长度10 μs，实时分别记录同一时刻的UHF和脉冲电流信号波形及其100组数据，以保证实验数据具有良好的统计性和可重复性。图4为同时用UHF法和脉冲电流法测得的单次采样数据波形，中上方是UHF信号波形，下方是脉冲电压波形。

图4 UHF信号和脉冲电流法信号波形Fig.4 waveform of UHF signal and pulse current signal

文献[16]结合电磁场与电磁波理论、天线与辐射理论，对UHF信号与放电量关系的作理论推导，得出放电能量与视在放电量的平方呈正比例关系。为了试验分析 UHF 信号与其视在放电量的联系，需作以下数学处理：读取每组脉冲电流信号幅值，根据校准函数算出视在放电量q；对UHF信号读取其峰值，由式(1)计算其放电累积能量。

(1)

式中:Un表示UHF信号的第n个采样点的电压值;负载阻抗R=50 Ω;N为天线测得单次波形的点数，实验中采样频率为2.5 GS/s，数据长度为10 μs，故N=2.5 GS/s×10 μs=25 000个，采样时间时隔Δt为0.4 ns。引入相关系数r对数据进行回归分析[17]，其中yi为第i个自变量xi对应的观测值。

(2)

2 特高频信号与放电量关联分析

2.1 同一电压作用下UHF信号与放电量关系

描绘各个电压下UHF信号的放电累积能量Es与视在放电量q的关系，并用最小二乘法进行曲线拟合，表1所示为计算所得的相关系数。以9 kV电压下的放电为例，图5是UHF信号累积能量与放电量平方的关系图。从中可以看出上述参量之间始终保持比较高的线性度，放电分散性没有随电压升高而变化，放电稳定性始终保持不变，与理论推导结果一致，这为UHF信号放电量标定提供了基础。

表1 UHF信号各参量的相关系数Tab.1 Correlation coefficient of UHF signal parameters

图5 同一电压下UHF信号累积能量与放电量的关系Fig.5 The relationship between the cumulative energy of UHF signal and discharge quantiy under the same voltage

2.2 恒定气压下不同电压放电

图6—图8是各试验电压下的UHF放电能量与放电量的关系。可以看到，在同一气压下，随着电压的升高，UHF放电累积能量都有增大的趋势，但其趋势是一致的，不同电压下的数据基本回归到同一条直线上，其回归直线的斜率不受电压的影响。

图6 不同电压下UHF信号累积能量与放电量的关系(0.1 MPa)Fig.6 The relationship between the cumulative energy of UHF signal and discharge quantiy under different voltage (0.1 MPa)

图7 不同电压下UHF信号累积能量与放电量的关系(0.2 MPa)Fig.7 The relationship between the cumulative energy of UHF signal and discharge quantiy under different voltage (0.2 MPa)

图8 不同电压下UHF信号累积能量与放电量的关系(0.3 MPa)Fig.8 The relationship between the cumulative energy of UHF signal and discharge quantiy under different voltage (0.3 MPa)

2.3 不同气压下放电

由图9可得，当改变气压时，UHF信号累积能量与放电量平方之间仍然保持线性关系，与之前不同的是，气压会影响UHF放电能量与放电量平方之间的拟合直线的斜率。即不同气压下的线性关系存在差异的，较高气压的回归直线具有较大的斜率k，如图10所示。

图9 不同气压下UHF信号累积能量与放电量的关系Fig.9 Relationship between cumulative energy of UHF signal and discharge at different pressure

从单次放电的角度分析，相同的放电量所对应的UHF信号能量随着气压的升高而增加。此外，放电量分布区域随着气压的升高而急剧缩小，这是因为气压越大，自由带电粒子运行的自由行程越小，带电粒子碰撞过程中累积能量越少，进而削弱电晕放电的发展，故此放电量分布范围较为狭窄。

因此，通过拟合得到回归直线斜率k与气压的变化关系，然后根据式(3)就可实现根据特高频信号推算出视在放电量：

(3)

图10 回归直线斜率随气压的变化规律Fig.10 The variation law of the slope of regression line with air pressure

3 结论

本文通过大量的实验数据分析，分别描绘了不同气压下针板间隙局部放电的UHF信号和视在放电量的关系谱图，得到的研究结果如下：

(1) 针板间隙 UHF 局部放电信号的累积能量与视在放电量的平方保持线性函数统计关系，同一局部放电源在不同电压下的实验数据均可回归至一条直线上，放电性质不受电压变化的影响。

(2) 当改变气压时，特高频信号累积能量、视在放电量水平等也发生明显变化，致使放电量分布区域随气压升高而变窄。但不同气压条件下，UHF信号累积能量与放电量的平方始终线性相关，且高气压下线性斜率越大。

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