GIS金屬顆粒放電發(fā)展的試驗研究

耿弼博

（高電壓與電磁兼容北京市重點實驗室,北京102206）

隨著電網(wǎng)中GIS的大量普及應(yīng)用[1-12]，其穩(wěn)定性越來越受到人們的重視。根據(jù)CIGRE 23.10工作組的國際調(diào)查報告，1985年以前投入的GIS的562次故障中絕緣故障占60%，1985年以后投入的GIS的247次故障絕緣故障占51%[13-14]。其中局部放電是導(dǎo)致絕緣故障的先導(dǎo)因素，金屬顆粒所導(dǎo)致的局部放電更是占到了很大的比例[15-20]。從金屬顆粒開始產(chǎn)生局部放電到最終發(fā)生閃絡(luò)，是一個非常復(fù)雜的過程。如何判斷局部放電發(fā)展到了怎樣的程度，此時的放電是否到了危害設(shè)備整體絕緣的地步，是工程運行人員非常關(guān)心的問題。然而以往人們對這種故障導(dǎo)致的局部放電進(jìn)行的研究與探索主要集中在檢測手段、定位等方面[21-27]，對于金屬顆粒產(chǎn)生的局部放電發(fā)展過程的研究，以及對GIS局部放電嚴(yán)重程度的辨識與評估一直是一個懸而未解的難題。局部放電發(fā)展過程的研究可以為制定合理的運行、維護(hù)以及更新計劃，實現(xiàn)GIS的狀態(tài)檢修提供科學(xué)依據(jù)，因此研究GIS內(nèi)部絕緣子表面金屬顆粒的放電發(fā)展過程具有很重要的意義。

常規(guī)脈沖電流法是研究最早、應(yīng)用最廣泛的一種檢測方法，IEC-60270為IEC正式公布的局部放電測量標(biāo)準(zhǔn)[28]。這種方法優(yōu)點是靈敏度高，可測量視在放電量。本文將嘗試通過試驗過程中的放電現(xiàn)象及統(tǒng)計譜圖特征來探索GIS內(nèi)部絕緣子表面固定金屬顆粒放電發(fā)展過程中隱含的規(guī)律。

1 試驗平臺及試驗方法

1.1 試驗平臺介紹

試驗平臺如圖1所示，主要由三部分構(gòu)成，分別為局部放電模擬系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)及采集系統(tǒng)。

圖1 試驗平臺示意圖

1.1.1 局部放電模擬系統(tǒng)

局部放電模擬系統(tǒng)主要由加壓系統(tǒng)、試驗腔體及故障模型三部分組成。

1）加壓系統(tǒng)。工頻加壓系統(tǒng)主要由升壓控制臺、試驗變壓器、保護(hù)電阻、耦合電容構(gòu)成。其中，試驗變壓器為YTDW型工頻單相無暈試驗變壓器，其在電壓150 kV下放電量不大于3 pC；額定功率為150 kV·A；保護(hù)電阻阻值為10 kΩ，在試品突然擊穿時，起限流作用，保護(hù)試驗設(shè)備；耦合電容為300 pF。

2）試驗腔體。用于試驗的GIS腔體是實際的252 kV GIS的母線腔，主體結(jié)構(gòu)為一個高壓進(jìn)線套管和8個形狀不同的氣室。為保證試驗條件和實際的運行情況相同，每個氣室充0.4 MPa的SF6氣體。最上面的氣室作為試驗腔體，裝有3個石英玻璃觀察窗和用于安裝傳感器及設(shè)置模型的手孔。試驗腔體的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。為保證試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，在試驗前首先對整個平臺系統(tǒng)進(jìn)行了檢測，在確保局部放電檢測系統(tǒng)正常的前提下，對無模型的GIS腔體進(jìn)行了加壓試驗，升壓至150 kV，局部放電量小于3 pC，從而確保了試驗時局部放電信號只來自于故障模型。

圖2 試驗腔體示意圖

3）故障模型。試驗的故障模型采用的是長為5 cm,直徑為1 mm的單根鋁制顆粒。將其固定在平行于電場線的方向，距離高壓導(dǎo)體3 cm的絕緣子表面，具體如圖3所示。

圖3 模型放置圖

1.1.2 局部放電檢測系統(tǒng)

常規(guī)脈沖電流檢測系統(tǒng)由檢測阻抗、同軸電纜和DST-4型局部放電測試儀組成。其中局部放電測試儀是由中國電力科學(xué)研究院伏安公司生產(chǎn)，檢測頻帶為40～80 kHz，其檢測靈敏度為3 pC。

UHF檢測系統(tǒng)由探頭及其放大器構(gòu)成，可以接收到300～1 500 MHz的電磁波。

1.1.3 采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由凌華公司生產(chǎn)的DAQ-2000型采集卡進(jìn)行信號采集，通過計算機(jī)存儲來實現(xiàn)。采集卡的采樣率為2 M,存儲深度為4萬個點。通過這套系統(tǒng)對脈沖電流信號、特高頻信號和工頻相位信號進(jìn)行實時采集。

1.2 試驗方法

本文采用的加壓方法為逐步升壓法，如圖4所示：先將電壓升至穩(wěn)定產(chǎn)生局部放電的電壓等級，然后依次升壓10 kV，每個電壓等級持續(xù)時間為120 min，直到發(fā)生閃絡(luò)。

圖4 電壓施加方式圖

2 試驗結(jié)果分析

試驗過程中，最初產(chǎn)生局部放電信號的電壓為71 kV,將其作為局部放電發(fā)展過程第一個階段的電壓等級，持續(xù)120 min并采集數(shù)據(jù)。在這個過程中，放電稀而小，在最初30 min內(nèi)，放電較為穩(wěn)定，但隨后放電次數(shù)出現(xiàn)減小的現(xiàn)象；按照逐步升壓的試驗方法，第二階段相應(yīng)的電壓等級為81 kV,同樣持續(xù)120 min并采集數(shù)據(jù),此時的放電較之第一階段大而密，負(fù)半波的次數(shù)明顯增多，在整個第二階段中，放電非常穩(wěn)定；第三階段電壓等級為91 kV，在這個過程中，放電現(xiàn)象特別劇烈，放電量特別大，放電次數(shù)特別多，當(dāng)放電持續(xù)到第39 min時，模型閃絡(luò)，試驗結(jié)束。

根據(jù)放電的幅值及其所在的相位信息，可以得到3種局部放電譜圖：放電次數(shù)相位分布（N-Φ）譜圖、放電平均值相位分布（Vave-Φ）譜圖、放電最大值相位分布（Vmax-Φ）譜圖。這些放電譜圖以相位為橫坐標(biāo)，按照設(shè)定的相位窗個數(shù)將相位分窗，以相位分窗為單位統(tǒng)計測量所得到的多個工頻周期的各種局部放電參數(shù)。

2.1 71 kV譜圖特征分析

當(dāng)電壓升至71 kV時，產(chǎn)生了穩(wěn)定的局部放電。放電在最初30 min較為穩(wěn)定，隨后放電次數(shù)有減小的趨勢。從圖5可以看出，放電第一階段的總體放電次數(shù)較少，正負(fù)半波的放電次數(shù)在相位上都呈現(xiàn)單峰形狀。正半波的放電主要集中在20°～130°的相位區(qū)間，在55°附近放電次數(shù)最多，放電可達(dá)40次，然后從55°向兩側(cè)依次遞減；負(fù)半波的放電主要集中在180°～283°的相位區(qū)間，在200°附近放電次數(shù)最多，放電達(dá)到35次，然后向兩側(cè)遞減。

圖5 第一階段的N-Φ譜圖

圖6為第一階段的Vave-Φ譜圖，可以看出：在幅值方面，正半波的平均幅值明顯大于負(fù)半波，且正半波呈現(xiàn)單峰形狀，幅值波動較大，在80°附近幅值最大，最大值為100 pC，然后向兩側(cè)依次遞減，負(fù)半波幅值分布較為平坦，呈現(xiàn)長方形狀，幅值集中在20 pC左右；相位方面，放電集中在20°～130°與180°～283°2個區(qū)間內(nèi)，其他相位區(qū)間未出現(xiàn)局部放電。

圖6 第一階段的V ave-Φ譜圖

如圖7所示，放電發(fā)展的第一階段中，放電量最大值在75°附近，最大可達(dá)到250 pC，然后向兩側(cè)遞減；在負(fù)半波放電相位上的最大值相對集中，大部分都在30 pC左右。

圖7 第一階段的V max-Φ譜圖

2.2 81 kV譜圖特征分析

與第一階段相比，第二階段的放電次數(shù)有了顯著的增加，放電量明顯增大，并且在整個過程中，放電現(xiàn)象一直穩(wěn)定存在。從圖8可以看出，負(fù)半波放電次數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于正半波，且呈現(xiàn)雙峰形狀。尤其是在以250°為中心，從225°及275°分別向250°方向，放電次數(shù)出現(xiàn)了傾斜度很高的激增，這與第一階段N-Φ譜圖有顯著的不同。由于圖7縱坐標(biāo)量程較大，部分特征不能清晰看出，本文將量程縮小后發(fā)現(xiàn)：如圖9所示，隨著放電的發(fā)展，第二階段的放電在相位譜圖上開始擴(kuò)展，在338°到353°的區(qū)間內(nèi)，出現(xiàn)放電現(xiàn)象，但該區(qū)間內(nèi)的放電次數(shù)非常少，共10次。

第二階段的Vave-Φ譜圖如圖10所示，從圖10可知，正半波的平均幅值依然大于負(fù)半波，且幅值波動較大，在80°附近幅值最大，最大值為190 pC,然后向兩側(cè)依次遞減，負(fù)半波幅值分布平坦，集中在25 pC左右。

如圖11所示,在245°～250°區(qū)間內(nèi)的最大值遠(yuǎn)高于負(fù)半波其他放電相位的最大值，放電量差值可到500 pC。

圖8 第二階段的N-Φ譜圖

圖9 第二階段N-Φ譜圖部分區(qū)間圖

圖10 第二階段的V ave-Φ譜圖

圖11 第二階段的V max-Φ譜圖

以上3種譜圖可以綜合看出，與放電初期不同，在放電中期階段，N-Φ譜圖中負(fù)半波呈現(xiàn)雙峰形狀，在250°附近的區(qū)間內(nèi)，出現(xiàn)了幅值較大、且次數(shù)較多的放電；在338°～353°區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)了放電現(xiàn)象。

2.3 91 kV譜圖特征分析

由于第三階段放電只持續(xù)了39 min，與前2個階段相比，持續(xù)時間不同從而得到的統(tǒng)計結(jié)果不同，因此對于N-Φ譜圖只分析前2個階段的特點。在第三階段，平均放電幅值和最大放電幅值均出現(xiàn)猛增，特別是在臨近閃絡(luò)的時候，放電幅值已經(jīng)達(dá)到5 000 pC左右。

如圖12所示，第三階段平均幅值增加明顯，尤其是在100°與260°附近，出現(xiàn)激增；放電在相位上的分布集中在了0°～120°、160°～300°及350°～360°區(qū)間內(nèi)。從圖13的Vmax-Φ譜圖看出，負(fù)半波265°～270°區(qū)間內(nèi)的最大值幅值超過了正半波的最大值。

圖12 第三階段的V ave-Φ譜圖

圖13 第三階段的V max-Φ譜圖

3 結(jié)論

252 kV GIS內(nèi)部絕緣子表面金屬顆粒所導(dǎo)致局部放電的譜圖在3個階段有著各自獨立的特征，隨著放電的發(fā)展，譜圖特征也出現(xiàn)相應(yīng)的變化。

1）第一階段（最初產(chǎn)生局部放電信號時，對應(yīng)電壓為71 kV）的正負(fù)半波的放電次數(shù)基本相同，相位分布在25°～125°與180°～275°的區(qū)間內(nèi)；正半波的平均幅值與最大值都大于負(fù)半波，且負(fù)半波放電在各個相位上的平均幅值與最大值較為穩(wěn)定，波動較小。

2）第二階段（對應(yīng)的電壓為81 kV）除了放電量與放電次數(shù)的增多外，在譜圖特征上有了明顯的變化：N-Φ譜圖中負(fù)半波呈現(xiàn)雙峰形狀，在250°附近的區(qū)間內(nèi)，出現(xiàn)了幅值較大、且次數(shù)較多的放電；在338°～353°區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)了放電現(xiàn)象。這些都是有別于局部放電初期的特征。

3）第三階段（對應(yīng)的電壓為91 kV電壓時）平均放電幅值和最大放電幅值增加明顯，尤其是在100°與260°附近，出現(xiàn)激增，在臨近閃絡(luò)的時候已經(jīng)達(dá)到5 000 pC左右；放電在相位上的分布集中在了0°～120°、160°～300°及350°～360°區(qū)間內(nèi)，負(fù)半波的最大放電幅值超過了正半波的最大幅值。

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