252 kV GIS局部放电试验仿真平台设计研究

杜彦强，毕海涛，师 政，冯占稳，黄福存

(国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006)

1 平台简述

GIS局部放电是GIS绝缘变质的重要征兆，也是导致其绝缘进一步恶化的原因。由于绝缘击穿会极大地影响电力系统和设备的稳定性。因此各国都非常重视对GIS局部放电的研究。相应的仿真试验平台也重点设计接近于实际效果的GIS局部放电模拟平台，这对研究GIS局部放电及放电检测都有重要意义。目前国内外对于GIS局部放电试验平台的研究已较成熟[1-2]。部分实物如图1所示。

图1 GIS局部放电仿真平台

2 GIS局部放电原因和检测方法

2.1 GIS局部放电原因

a. 载流导体表面存在缺陷，例如设计缺陷、尖角、毛刺以及导体表面存在较高的电场强度等，均有可能引发GIS局部放电。由于导体周围被气体覆盖，因此该局部放电通常也被称为电晕。

b. 由于绝缘体和导体距离较近，产品制造残留或热胀冷缩等原因会产生一定空气间隙而发生放电。同时气息的击穿强度较低，很容易在空气间隙中发生放电现象。

c. 绝缘体浇注过程产生的气泡和裂纹导致局部放电现象。

d. SF6在较强的电场下引起放电。

这几种放电现象会严重损害GIS的绝缘性能，影响GIS产品的运行质量，因此必须通过合理的方法来研究其放电的检测过程。

2.2 GIS局部放电检测方法

随着GIS在电力系统中的应用，人们越来越重视其运行的稳定性。为了保持其长期稳定的运行状态，其诊断技术也越来越受到重视，GIS局部放电的检测方法和技术也越来越完善。当前检测的方法有很多，但检测原理相似，都是依据GIS局部放电产生的物理及化学反应的检测来实现。

常见的检测方法有5种：

a. 耦合电容法，即脉冲电流法。基本原理是在GIS外壳上加一个电压检测装置，用来检测和搜集局部放电在导体上的电压变化。这种检测方法非常灵敏，而且现场检测也比较容易实现。但是缺点也非常明显，由于检测的是电压变化，因此很容易受到其它电磁噪声的影响，所以其检测方法有较大局限性。

b. 超高频(UHF)法[3-4]。UHF方法已被广泛应用于GIS生产和应用过程中，是一种基于超高频信号的局部放电在线监测方法。该方法采用的传感器不是耦合方式，而是通过检测局部放电产生的电磁波信号实现对运行中GIS的局部放电信号的检测，具有高灵敏度和定位准确等优点，其检测原理与脉冲电流不同。一般发生GIS局部放电的时候，会在放电部位产生电荷转移，而电荷转移会产生频率超高的电磁脉冲，由于电磁作用产生很强的电磁信号，可以作为GIS局部放电的检测过程。

c. 超声波检测。超声波检测是利用了GIS局部放电产生的震动和声音，是除超高频检测方法外最成熟的方法。由于利用了超声波的震动和声音，因此其抗电磁干扰的能力很强。但是因为声音信号在不同介质中的传播速度不同，所以检测到的信号也极其复杂，对于检测人员的要求非常高，需要有长期检测经验才能够准确完成[5-6]。

d. 化学检测。化学检测是利用GIS局部放电产生的化学气体或者其它化学物质完成检测，缺点是GIS局部放电释放出来的气体会被SF6气体稀释，因此对于很多检测环境和情况，化学检测方法一般敏感性并不高[7]。

e. 光学检测。光电倍增器可监测到一个光子的发射，但由于射线被SF6气体和玻璃强烈吸收，因此有“死角”出现。该方法对于已知放电源位置的监测比较有效，但不具备对故障的定位能力，并且由于GIS内壁光滑而引起反射会产生一定影响，造成灵敏度不高。

2.3 GIS局部放电仿真平台设计

2.3.1 平台整体设计

鉴于目前GIS局部放电的检测方法是以GIS局部放电产生声、光、电、气等信号的获取和检测来实现的，因此为了完成对检测仪器的测试和试验，设计了252 kV的GIS局部放电仿真平台。整体的构造和设计如图2所示。

图2 GIS局部放电仿真平台整体设计

2.3.2 GIS局部放电仿真平台特殊功能设计

T形腔体的设计如图3所示。俯视可看到该腔体包含1个T型分支，分支端部有2个直径为100 mm观察窗口，该结构设计便于观察电磁波在直线腔体中以及经过T形腔体后的变化。为了满足更多的试验效果，2个端部的玻璃也可以换成特殊的具有一定色波段的玻璃，例如红外玻璃和紫外玻璃等。结合红外线成像仪等高端设备观察内部放电过程的详细情况，对于研究GIS局部放电有着重要意义。

端口的腔体内部详细设计如图4所示。从图4中可看到观察端的腔体设计有2个角度的观察方向，一个是D向的端部观察，一个是倾斜的E向观察窗。这个E向的观察窗的设计是为了便于观察形成的光路通道，让试验人员更加清楚地观测到内部放电过程，同时这个窗口的设计也为放置试验模型提供便利。为了实现对独立气体的检测过程，其侧部还设计了1个可以充气的接口，以方便试验人员加强对气体分解物的研究，并能够从这个接口中提取试验气体样本。

图3 T型腔体俯视图

图4 端部腔体设计图

3 试验验证

为了验证GIS局部放电试验仿真平台的试验效果，在平台中放置了GIS局部放电模型，该模型为尖端放电，具体的试验参数：尖端曲率半径为0.5 mm，放电锥角为30°，放电尖长度为15 mm，上下极间距为10 mm。模拟GIS局部放电过程，并对其进行检测。试验过程采用紫外线成像仪进行连续检测和记录。检测到的放电过程如图5所示。

图5 放电发展过程

图5(a)是施加电压前的状态，对应的光子显示的数量为0，证明现场并没有电磁干扰。图5(b)显示为45 kV观测到的状态，这时开始出现微弱的光斑，说明开始有微弱的局部放电现象，现实的光子数量为8，一般这个电压值被称为局部放电的起始电压。图5(c)是55 kV时观察到的状态，这时局部放电的现象已非常明显，光子数量显示为51，实际试验观测到的效果也比较明显。图5(d)是68 kV观察到的状态，光斑非常密集且开始闪烁，说明已经出现了击穿现象。

4 结束语

通过对GIS局部放电仿真平台研究的分析和调研，综合考虑试验目的以及平台进行试验的便捷性等，完成252 kV GIS局部放电仿真平台的设计，对其整体设计以及局部特殊部件的设计进行阐述，并通过模拟试验观测该平台的实用性。结果表明能够科学合理地观察试验发生的过程，并能够良好地模拟GIS局部放电的现象和搜集观察到的数据，完成试验设计的目的。