突出物缺陷下局部放电发展过程研究及特征信息提取

2021-07-29董玉林李天昊

电力大数据 2021年4期

董玉林，李天昊

(国网湖南省电力有限公司长沙供电分公司，湖南长沙 410015)

局部放电(partial discharge,PD)作为引起气体绝缘组合电器(gas insulation switchgear,GIS)绝缘劣化和绝缘事故的重要因素[1-2]。目前，对GIS内PD研究主要集中在信号去噪[3]和模式识别方面[4-5]，对其内PD严重程度的评估研究甚少。不同于固体绝缘介质，GIS内的SF6气体没有像固体绝缘介质一样的老化过程，所以GIS内PD发展过程与固体绝缘介质内PD发展过程也不同。为了掌握GIS的绝缘状况，必须研究GIS内PD发展过程的。

现在，国内外一些学者从PD的统计特征出发，对PD发展过程进行了一些研究，发现放电次数、放电幅值、放电相位等特征与PD严重程度紧密相关[6-10]。虽然放电次数和放电幅值特征在随着PD的发展表现出一定的单调性，但在对PD发展和严重程度进行诊断评估时，其只能作为一个参考特征，不能仅由单一特征或很少几个特征来准确诊断PD严重程度[11]。总之，在还没有对PD发展过程准确认知前，采用少量的放电特征参量来表征PD严重程度的准确性是不足的。为此，本文对GIS内部典型金属突出物缺陷下PD发展过程进行了试验研究，提取不同放电阶段特高频(ultra-high frequency，UHF)PD信号11个特征量，分析其随着PD发展的变化规律和机理。

1 局部放电实验平台及实验方法

1.1 实验平台

图1所示为实验接线原理图，T1为柱式调压器，T2为无局放工频试验变压器，C1/C2为工频分压器，R为保护电阻，示波器为TekDPO 7104示波器，其带宽为1GHz，最大采样率为20GS/s。实验采用的UHF传感器的带宽为340MHz-440MHz，中心频率为390MHz。根据GIS中金属突出物缺陷下放电特征，设计了针-板缺陷模型模拟GIS内金属突出物缺陷，针-板间距为5mm，置于充以0.4MPa的SF6气体的模拟GIS装置中。

图1 实验接线原理图Fig.1 Principle diagram of experimental connection

1.2 实验方法

模拟金属突出物缺陷下不同严重程度PD过程的试验方法有：恒定电压法和逐步升压法[12]。恒定电压法所需要的实验周期长，不太适用于本文规律性试验研究；逐步升压法采用较高的电压应力来加速缺陷的劣化，不但可以模拟绝缘缺陷下PD的发展过程，而且能在较短的时间内获得大量的实验数据。因此，本文采用逐步升压法来进行突出物缺陷下PD的发展过程试验研究。

GIS模拟装置耐压强度高，经测试在能使缺陷发生击穿的电压下，装置本身仍不会产生PD。实验中，首先缓慢升高试验电压，直至产生稳定PD信号，测得起始放电电压为9.4kV，设置示波器采样率为5GS/s，采集单次PD脉冲波形；然后，设置示波器采样率为50MS/s，设置每隔1s采集一个工频周期内PD信号，采集100个工频周期内的PD信号作为一个PD样本；然后每2h升高电压2.5kV，并采集该电压下的PD信号。实验发现，在26.3kV下缺陷处出现了强烈的电晕，当电压为27.6kV发生了击穿。为了保证示波器的安全性，实验中不采集27.6kV实验电压下的PD信号，而选择采集26.3kV下的PD信号作为绝缘缺陷击穿前的PD特征信号。图2所示为实验中所加的阶梯实验电压。

图2 阶梯实验电压Fig.2 Step test voltage

2 不同放电发展阶段放电谱图分析

本文共进行了5次模拟GIS内突出物缺陷下PD发展过程试验，5次试验结果基本一致，本文选择其中一次试验结果进行分析。图3所示为不同放电阶段下的UHF PD信号φ-u散点图和φ-n谱图。

图3 不同放电阶段φ-u散点图和φ-n谱图Fig.3 φ-u scatter diagram and φ-n spectrograms at different PD stages

在负半周峰值附近最先出现放电，放电区间分布在250°-310°，而正半周峰值附近能看到很少且微弱的放电脉冲，并主要分布在80°-110°区间，负半周的放电脉冲幅值明显大于正半周产生的放电脉冲幅值，如图3(a)所示。随着电压的升高，在电压为11.9kV时，负半周的放电脉冲幅值明显增加，且最大脉冲幅值达到了起始放电电压下的2倍左右，负半周总放电次数也是明显增加，在270°附近放电脉冲最为密集，放电脉冲相位分布区间扩展到230°-320°；而正半周放电现象仍不明显，如图3(b)所示。

在14.4kV电压下，正负半周内的放电脉冲幅值和放电次数都有增加，正半周放电脉冲幅值达到了10mV左右，但是正半周在各相位上的放电次数都较少，远小于负半周放电次数。另外，在该电压下，负半周φ-n谱图出现了向180°偏斜的现象，谱图呈近似直角三角形形状，而正半周的φ-n谱图没有明显的倾斜。

在16.9kV电压下，正负半周放电次数都有增加，但是正半周放电次数仍远小于负半周。负半周的放电脉冲幅值没有明显增加，而正半周放电脉冲幅值增加较明显，并且一些放电脉冲幅值已经超过了负半周，负半周的φ-n谱图继续向180°偏斜，且在临近200°附近开始出现放电脉冲。

当电压为19.4kV时，正负半周放电次数和放电脉冲幅值有微弱的增加，负半周φ-n谱图进一步向180°倾斜。在该放电阶段，最明显的特点就是正半周放电脉冲的φ-n谱图开始向0°偏斜，且图呈三角形形状。继续升高电压到21.9kV时，正负半周放电φ-u散点图的相似程度变高，都呈现出梯形形状，最大放电脉冲幅值基本相等，放电脉冲相位分布宽度基本相等，且正半周放电脉冲分布在5°-125°，而负半周放电脉冲分布在190°-310°。在该放电阶段正半周放电次数出现了陡增，正半周最大放电次数与负半周最大放电次数基本相等，φ-n谱图继续向0°偏斜。

当电压升高到24.4kV时，放电继续发展，在0°附近出现了放电，在0°-100°区间内放电脉冲幅值没有明显的增加，而在100°-125°区间内，放电脉冲幅值显著增加，最大放电脉冲幅值达到了53mV，但是在区间100°-125°内，放电次数较少，正半周放电最密集的区域仍在靠近0°附近，且最大放电次数出现在30°附近。正半周φ-n谱图的尖峰更加明显，负半周放电脉冲幅值没有明显增加，放电次数继续的增加，φ-n谱图中各相位处放电脉冲次数分布变得均匀。

当电压升高到26.3kV时，实验过程中听到了强烈的电晕声，放电发展到临近击穿阶段。在该阶段，如图3(h)所示，在整个工频周期都出现了放电脉冲，但是在155°-175°区间和320°-360°区间放电次数很少，远小于其他相位区间的放电次数。同时，正半周放电相位区间宽度明显大于负半周放电相位区间宽度，其中正半周放电脉冲主要分布区间为0°-155°，负半周放电脉冲主要分布区间为180°-300°；正半周放电次数也是明显大于负半周放电次数。另外，发现在5°-80°相位区间内，放电都达到了100次，也就是说每一个工频周期内在该区间内都出现了放电。在区间100°-125°放电脉冲幅值进一步增大，并且放电区间向两边发展，扩展到80°-140°区间范围，而正负半周其他放电相位区间放电脉冲幅值没有明显的增加。

3 放电特征变化规律

3.1 特征信息提取

(1)相邻放电脉冲幅值最大比值Δumax特征

随着PD的发展，正负半周放电脉冲幅值呈现不同变化趋势。通过对正负半周相邻放电脉冲幅值特征进行分析发现，在不同放电发展阶段，相邻放电脉冲幅值比值同样呈现一定的规律性，这些比值特征可以作为反映放电发展阶段的特征[13]。比值特征如式(1)和(2)所示。

(1)

(2)

(2)相邻放电时间间隔ΔT特征

在不同的放电发展阶段，正负半周放电脉冲的密集程度不同，即相邻放电脉冲的时间间隔有差异。为此，提取式(3)-(5)所示特征参量，作为描述PD发展指纹信息。

(3)

(4)

ΔTmax=max(Δt1,Δt2,…,ΔtN-1)

(5)

(3)等值累积放电量Qacc特征

PD越剧烈，单位时间内的放电量越大，对绝缘的危害越严重，因此，一定时间内的放电量可作为表征PD严重程度的特征。研究表明，UHF PD信号幅值与PD视在放电量存在二次积分关系[14]，因此，定义等值累积放电量Qacc为：

(6)

式中，N为一个工频周期内放电次数；ui表示第i个放电脉冲幅值。

(4)放电信号熵En特征

信息熵表示信息的复杂度，熵越大，信息越丰富，复杂度越高[15]。对一个工频周期内的放电脉冲序列而言，在不同放电阶段，放电幅值、放电次数和相位分布表现出的差异性可以用信号的复杂度来表征，为此，本文构造如式(7)所示熵值En特征。

(7)

式中，N为一个工频周期内放电次数；ui为第i个放电脉冲幅值。

3.2 放电特征变化规律

(1)放电脉冲最大幅值u

图4所示为100个工频周期正负半周最大放电脉冲幅值u的平均值变化曲线。随着PD的发展，负半周放电脉冲最大幅值u呈增长-饱和趋势，从11.9kV到16.9kV，放电脉冲最大幅值u有少量的增长，从16.9kV开始，放电脉冲最大幅值u基本达到了饱和。正半周放电脉冲最大幅值u在整个放电发展阶段呈指数增长趋势，从起始放电电压开始到19.4kV电压下，放电脉冲最大幅值u小于负半周放电脉冲最大幅值u，从19.4kV开始，正半周放电脉冲最大幅值u开始超过负半周放电脉冲最大幅值u，并急剧增加，到电压为26.3kV时，放电脉冲最大幅值u已经达到65mV。

图4 工频正负半周最大放电脉冲幅值Fig.4 Maximum amplitudes of PD pulses in power frequency positive and negative half cycle

(2)放电次数N

图5所示为不同放电发展阶段一个工频周期正负半周平均放电次数N的规律曲线。可以看出，正负半周放电脉冲次数呈增长趋势，但负半周放电脉冲次数增长速率相对较平缓，在PD初始阶段，正半周放电脉冲次数很少，增长速度也很慢，但是到了16.9kV后，正半周放电脉冲数几乎成倍增长，到邻近击穿阶段，正半周放电脉冲数急剧增加，开始超过负半周放电脉冲次数。

图5 工频正负半周放电脉冲次数

(3)相邻放电脉冲幅值最大比值Δumax

图6为100个工频周期正负半周相邻放电脉冲幅值最大比值Δumax的平均值变化曲线。可知，正负半周相邻放电脉冲幅值最大比值Δumax变化规律与放电脉冲最大幅值u变化规律相似。正半周相邻放电脉冲幅值最大比值Δumaxx的呈指数增长趋势，特别是在19.4kV之后，相邻放电脉冲最大比值Δumax急剧增长；负半周相邻放电脉冲最大比值Δumax呈增长-饱和趋势，但在整个放电发展阶段，总增量较小。不同的是，正半周相邻放电脉冲幅值最大比值Δumax在临近击穿前增幅比放电脉冲最大幅值u增幅更加陡峭，而负半周相邻两放电脉冲幅值最大比值Δumax在整个PD发展阶段增长较平缓。

图6 工频正负半周相邻放电脉冲幅值比值最大值Fig.6 Maximum value of adjacent PD pulse amplitude ratio between positive and negative half cycles of power frequency

(4)相邻放电脉冲时间间隔ΔT

图7所示100个工频周期正负半周相邻放电脉冲平均时间间隔变化曲线。正负半周放电脉冲时间间隔ΔT呈近似指数衰减，从PD初始阶段开始，正半周放电脉冲时间间隔ΔT大于负半周相邻放电脉冲时间间隔ΔT，随着PD发展，这种差距逐渐缩小，在邻近击穿阶段，正负半周相邻放电脉冲时间间隔ΔT基本相等。

图7 工频正负半周相邻放电脉冲时间间隔平均值Fig.7 Average time interval of adjacent PD pulses in power frequency positive and negative half cycle

(5)相邻放电脉冲最大时间间隔ΔTmax

工频周期内相邻放电脉冲最大值时间间隔ΔTmax也就是正负半周中相隔最近两次放电脉冲时间间隔，它一定程度上表征着正负半周相位分布区间变化趋势，图8所示为100个工频周期内相邻放电脉冲最大时间间隔ΔTmax变化曲线。随着PD的发展，工频周期内相邻放电脉冲时间间隔最大值ΔTmax逐渐减小，正负半周放电脉冲相位分布区间逐渐拉近。

图8 工频周期内相邻放电脉冲时间间隔最大值Fig.8 Maximum time interval of adjacent PD pulses in a power cycle

(6)等值累积放电量Qacc

图9所示为一个工频周期平均等值累积放电量Qacc变化曲线。从起始放电到临近击穿，等值累积放电量Qacc呈指数增长趋势，施加电压越高，PD越严重，等值累积放电量Qacc越大，如果绝缘劣化越严重，特别是在临近击穿阶段，其等值累积放电量Qacc会急剧增长。

图9 不同放电阶段等值累积放电量Fig.9 Equivalent cumulative discharges capacity in different PD stages

(7)放电信号熵En

图10所示为不同PD阶段放电脉冲信号熵特征En曲线，放电信号熵En特征呈指数增长趋势，PD越严重，熵En值越大，工频周期内放电信号越复杂，信息含量越丰富。

图10 不同放电阶段放电信号熵特征Fig.10 Entropy feature of discharges signals in different PD stages

由图4-10可知，在不同PD阶段，放电特征信号的变化规律不同，利用这11个特征的差异信息构建用于PD阶段划分和PD严重程度判别的特征集，可克服在进行PD阶段划分时，由于PD阶段划分的模糊性导致的单一特征不足以描述不同PD阶段特征的问题，为进行PD严重程度评估提供更加完整的数据信息。这些特征信息与PD发展过程紧密相连，因此，采用这些特征参量可以有效实现PD发展阶段的划分和严重程度的评估。

4 放电发展中特征参量变化机理分析

在PD发展过程中，由于电子发射、SF6电离以及附着效应等，会在针-板间隙产生大量的带电粒子，在电场作用下，正负粒子会向相反的方向迁移，加强或削弱针电极前方电场[16-20]。

在负半周，正空间电荷加强了针尖附近电场，导致更容易发生放电，正半周相邻放电脉冲时间间隔ΔT大于负半周。随着电压增加，针尖附近局部电场越强，外施电压对针尖附近复合电场的影响越来越大，电离越剧烈，单位时间进入电极的正电荷量越大，放电脉冲幅值u越大，放电次数越多，相邻放电脉冲时间间隔ΔT越小。当电压较高时，正空间电荷更容易被吸入针电极，撞击阴极表面，产生二次电子，中和针尖附近部分正离子，导致负半周放电脉冲幅值u随电压的增加逐渐达到饱和。当电压转入正半周时，针尖附近残余正空间电荷削弱针尖附近电场SF6电离弱，不容易发生放电，放电脉冲幅值u小，相邻放电时间间隔ΔT较大。随着电压升高，SF6电离加强，产生大量带电粒子，同时由于电压越高，外施电压建立的电场加速正离子向阴极迁移，使正空间电荷对针尖附近电场的削弱作用减弱，因此，电压越高时，放电脉冲幅值u越大，放电次数越多，相邻放电时间间隔ΔT逐渐减少。另外，随着电压升高，正半周放电越强烈，电离产生的正电荷越多，残留的正电荷也越多，当电压转入负半周时，由于正空间电荷加强针尖附近电场，在电压转入负半周很短时间内就能引发PD，也就是放电相位逐渐向180°附近移动。所以相邻放电脉冲最大时间间隔ΔTmax逐渐减小，同时电压越大，放电过程中电荷的总转移量越大，迁移速度越快，越杂乱无章，因此，放电信号熵En和等值放电量随着PD的发展逐渐增大。

正空间电荷导致正负半周放电次数N增长趋势呈现差异性。在正半周电压较低时，由于正空间电荷对电场的削弱作用，导致正半周不容易放电，外施正弦电压需要升高的更高电压下才能激发SF6电离，因此放电次数N小于负半周放电次数N。在临近击穿电压下，在正半周，外加电场加速正离子向阴极迁移，当正弦电压进入下降阶段，由于正空间电荷对电场削弱作用会一直减小，所以放电仍然容易发生，而负半周，由于正电荷进入电极和中和效应，正空间电荷对针尖局部电场的加强作用一直减弱，在正弦电压进入下降阶段，复合电场一直减小，放电不容易发生，所以，在临近击穿阶段，正半周放电次数N逐渐超过负半周放电次数N。

正半周发生强烈放电会在针尖附近产生大量的正离子，削弱针尖附近电场，当外施电压上升到临界电压值时，由于正空间电荷作用，使针尖附近复合电场减小，所以放电强度较小，即每次大幅值的放电之后出现的总是小幅值的放电脉冲，当外施电压越大，特别是电压到达峰值附近时，外施电压建立的局部场强越大，电离越剧烈，放电脉冲幅值越大，在负半周，每次剧烈放电后，正离子撞击阴极表面产生的二次电子和电离产生的大量电子，向阳极迁移，中和部分正空间电荷；同时部分电子附着在中性分子上，形成负离子，削弱正空间电荷对针尖附近局部场强的加强作用，因此再次放电时，放电脉冲幅值小，所以正负半周相邻放电脉冲幅值最大比值Δumax均呈现出增长-饱和趋势。

总之，由于正空间电荷累积效应和对初始电场的畸变作用，以及正负半周放电产生放电脉冲的带电粒子自身的本质差异，导致正负半周各放电特征出现了相关的差异性和规律性。这些特征信息与PD发展过程紧密相连，采用这些特征参量可以有效实现PD发展阶段的划分和严重程度的评估。