局部放電的實(shí)驗(yàn)研究

孫曙光，王景芹，陸儉國(guó)，金少華

（1.河北工業(yè)大學(xué) 控制科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300130；2.河北工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，天津 300130；3.河北工業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，天津 300401）

0 引言

氣體絕緣組合電器（GIS）是在電力系統(tǒng)和眾多企業(yè)用戶中廣泛應(yīng)用的高壓開關(guān)設(shè)備，它結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小，且不受外界環(huán)境的影響.通過對(duì)GIS運(yùn)行過程中發(fā)生的局部放電進(jìn)行監(jiān)測(cè)，預(yù)先判斷出發(fā)生故障的位置和故障類型，可以有目的地進(jìn)行故障切除，大大提高檢修效率和系統(tǒng)的穩(wěn)定性[1-2].本論文的工作就是利用超高頻（UHF）法研究GIS實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭械木植糠烹娞卣鳎瑸楣收项愋偷淖R(shí)別提供可靠依據(jù).

本文重點(diǎn)研究了110 kVGIS實(shí)驗(yàn)樣機(jī)中幾種典型故障的局部放電特征，包括高壓導(dǎo)體表面尖刺、高壓導(dǎo)體懸浮電位、絕緣子表面固定顆粒3種類型.實(shí)驗(yàn)表明不同故障類型的局部放電超高頻信號(hào)在波形、幅值、檢波相位分布等方面存在顯著的差異，可以依據(jù)這些特征對(duì)GIS進(jìn)行局部放電故障類型的識(shí)別.另外還分析了不同類型局部放電的超高頻信號(hào)與放電量pC的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以期利用超高頻信號(hào)進(jìn)行放電量評(píng)估.

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置與局放源

實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀?10 kV ZFW-126型GIS實(shí)際部件構(gòu)成，如圖1所示.該試驗(yàn)裝置模型整體呈L型結(jié)構(gòu)，三相共箱式設(shè)計(jì)，各氣室充以 SF6氣體作為絕緣介質(zhì)，超高頻傳感器的安裝采用外置式，安置在GIS腔體開孔處，如測(cè)量點(diǎn)1、3所示，本文共設(shè)計(jì)了3種典型的局部放電源模型：

1）高壓導(dǎo)體上的金屬尖刺放電[3]：尖刺為一直徑為0.5mm的單根銅絲，與筒體壁的間隙為20mm，銅絲由螺絲固定在高壓導(dǎo)體上，并緊密接觸.

2）懸浮電位：當(dāng)GIS屏蔽罩松動(dòng)時(shí),常會(huì)變成懸浮體而產(chǎn)生局部放電[4]，采用一個(gè)不銹鋼螺母來模擬這種放電，利用絕緣膠帶將螺母墊起，螺母與高壓導(dǎo)桿的間隙為0.1mm.

3）絕緣子表面的固定金屬顆粒[5-6]：絕緣子表面固定金屬顆粒沿面局部放電缺陷的放電模型為長(zhǎng)度5 cm、直徑1mm、平行于電場(chǎng)方向固定放置的單根銅絲，上端部位于絕緣子與高壓導(dǎo)桿連接點(diǎn)1 cm處.

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Experimentalequipment

2 檢測(cè)裝置

在實(shí)驗(yàn)過程中，試驗(yàn)回路如圖2所示.無暈實(shí)驗(yàn)變壓器為380V/300 kV，Cx為相應(yīng)的試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷牡刃щ娙?；Co為300 kV、400 pF高壓電容器，用于耦合Cx放電時(shí)產(chǎn)生的脈沖電流信號(hào)，所使用的測(cè)量?jī)x器主要包括以下2種：

1）XD2102型常規(guī)局放儀：該局放儀采用基于脈沖電流法的測(cè)量原理，因超高頻法不能直接測(cè)量試品的視在放電量pC，所以配備一臺(tái)常規(guī)局放儀以實(shí)現(xiàn)放電量的標(biāo)定.

2）示波器：超高頻傳感器有兩路輸出，一路輸出為檢波輸出，對(duì)UHF放電信號(hào)進(jìn)行包絡(luò)檢波，接至低采樣速率示波器，以觀察局部放電信號(hào)在工頻周期內(nèi)的相位分布；另一路為射頻輸出，即原始的UHF信號(hào)，接至泰克TDS3034B示波器,該示波器單通道采樣速率達(dá)到2.5 GS/s、帶寬300 MHz、存儲(chǔ)深度10 kpts，以滿足超高頻信號(hào)的測(cè)量要求.

圖2 實(shí)驗(yàn)連接圖Fig.2 The connection diagram of experiment

3 GIS局部放電放電特性分析

3.1 金屬尖刺放電分析

圖3為尖刺放電在0.2MPa氣壓、試驗(yàn)電壓為90 kV的放電波形，在0.2MPa下，放電起始電壓為20 kV，到120 kV時(shí)出現(xiàn)閃絡(luò)，到達(dá)擊穿的臨界狀態(tài).圖3a)中3條測(cè)量波形由上至下依次為測(cè)量點(diǎn)3測(cè)到的超高頻信號(hào)、測(cè)量點(diǎn)1測(cè)到的超高頻信號(hào)，以及超高頻信號(hào)的頻譜分布，由于測(cè)量點(diǎn)3距離局放源要近一些，所以由該點(diǎn)測(cè)得的信號(hào)幅值要大，由圖中可以發(fā)現(xiàn)在此條件下尖刺放電單次放電的超高頻信號(hào)幅值接近100mV，持續(xù)性時(shí)間近200ns，頻譜分量主要集中在400～800MHz.圖3b)可以觀察該種放電的超高頻檢波信號(hào)在工頻周期內(nèi)的相位分布，實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)該類型放電在單個(gè)工頻周期內(nèi)的放電次數(shù)多，放電信號(hào)相互交疊，放電首先出現(xiàn)在工頻電壓的正半周的峰值附近，50 kV后負(fù)半周才開始出現(xiàn)局部放電，但小于正半周的放電幅值.

為進(jìn)一步分析電壓及SF6氣體氣壓對(duì)放電的影響，將氣體充至0.45MPa氣壓下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并施加不同的電壓，以下放電類型同，在0.45 MPa氣壓下局放起始電壓為20 kV，在100 kV出現(xiàn)閃絡(luò)，實(shí)驗(yàn)中可以發(fā)現(xiàn)此種放電在同一氣壓下電壓增加放電幅值變大，變化明顯；隨著氣壓升高，起始放電電壓變化不大，相同電壓下的放電幅值增大，擊穿電壓降低.

圖3 尖刺放電波形Fig.3 Thewaveform of corona discharge

3.2 懸浮電位放電分析

圖4 為懸浮電位放電在0.2MPa氣壓、試驗(yàn)電壓為90 kV的放電波形，放電起始電壓為70 kV，圖4a)中兩條測(cè)量波形由上至下依次為測(cè)量點(diǎn)3測(cè)到的超高頻信號(hào)以及超高頻信號(hào)的頻譜分布，由圖中可以發(fā)現(xiàn)在此條件下懸浮電位放電單次放電的超高頻信號(hào)幅值接近500 mV，持續(xù)性時(shí)間近800 ns，頻譜分量主要集中在300～600 MHz.圖3b)可以觀察該種放電的超高頻檢波信號(hào)在工頻周期內(nèi)的相位分布，實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)此種類型的局部放電在一個(gè)工頻周期內(nèi)的放電次數(shù)少，但只要發(fā)生放電，放電幅值就比較明顯，位于工頻正負(fù)半周上升沿的放電信號(hào)基本成對(duì)出現(xiàn)，大小相等、放電相位也基本對(duì)稱.

對(duì)于懸浮電位放電，在同一氣壓下，隨電壓增加局放幅值增加不是很明顯；氣壓增加時(shí)出現(xiàn)局放的起始電壓變大，0.45MPa下為120 kV，同時(shí)放電幅值較0.2MPa下有明顯的增加.

圖4 懸浮電位放電波形Fig.4 Thewaveform of suspension discharge

3.3 絕緣子表面固定金屬顆粒放電分析

下圖5為金屬顆粒放電在0.2MPa氣壓、實(shí)驗(yàn)電壓為90 kV的放電波形，局部放電起始電壓為60 kV，到110 kV時(shí)出現(xiàn)閃絡(luò)，圖5a)中3條測(cè)量波形由上至下依次為測(cè)量點(diǎn)1測(cè)到的超高頻信號(hào)、測(cè)量點(diǎn)3測(cè)到的超高頻信號(hào)，以及超高頻信號(hào)的頻譜分布，由圖中可以發(fā)現(xiàn)在此條件下顆粒放電單次放電的超高頻信號(hào)幅值約200mV，持續(xù)性時(shí)間近250 ns，頻譜分量主要集中在200～600MHz.圖3b)可以觀察該種放電的超高頻檢波信號(hào)在工頻周期內(nèi)的相位分布，實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)此種類型的局部放電一個(gè)工頻周期內(nèi)的放電次數(shù)較多但幅值大小不一，相位集中在正負(fù)半周的上升沿.在同一氣壓下，隨電壓增加局放幅值增加明顯；隨著氣壓升高，起始放電電壓變化不大，相同電壓下放電次數(shù)減少，但單次放電幅值增大，0.45 MPa下在90 kV時(shí)出現(xiàn)閃絡(luò)，擊穿電壓降低.

圖5 金屬顆粒放電波形Fig.5 Thewaveform ofmetalparticledischarge

4 局部放電量的估計(jì)

為了利用超高頻信號(hào)進(jìn)行局部放電量的標(biāo)定[7-8]，采取的實(shí)驗(yàn)方案如下，利用常規(guī)局放儀的測(cè)量探頭與超高頻傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量單次放電各自所對(duì)應(yīng)信號(hào)的峰值，由于利用基于脈沖電流法的測(cè)量信號(hào)的幅值可以直接得到放電量 pC，據(jù)此可以間接得出超高頻信號(hào)峰值與放電量之間的關(guān)系，利用該局放儀提供的校準(zhǔn)脈沖發(fā)生器可以得到局放儀測(cè)量探頭信號(hào)幅值與放電量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖6所示.

首先對(duì)0.2MPa氣壓下的高壓導(dǎo)體表面懸浮電位放電進(jìn)行了放電量標(biāo)定，首先采集70 kV、80 kV、90 kV、100 kV電壓下的各10組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)為局放儀測(cè)量信號(hào)的幅值與對(duì)應(yīng)的超高頻信號(hào)幅值.將每個(gè)電壓等級(jí)下的10組數(shù)據(jù)進(jìn)行平均后得到的趨勢(shì)線如圖7所示，由圖可以發(fā)現(xiàn)懸浮電位放電所激發(fā)的電磁波峰值與其放電量之間的線性關(guān)系不是很明顯.

對(duì)于高壓導(dǎo)體表面尖刺放電，室驗(yàn)中共取了70組數(shù)據(jù)，從30 kV到90 kV，每10 kV電壓下取10組數(shù)據(jù)，對(duì)這7個(gè)電壓等級(jí)的數(shù)據(jù)取平均值后得到的趨勢(shì)線如圖8所示.

從圖中可以看出，高壓導(dǎo)體表面尖刺放電的放電量與超高頻信號(hào)的幅值呈現(xiàn)比較明顯的線性關(guān)系，且求得的漸近線方程決定系數(shù)為0.970 5，可以很好的近似二者之間的線性關(guān)系.

圖6 脈沖電流信號(hào)幅值與放電量對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.6 The relationship between the amplitude of impulse currentsignal and discharge quantity

圖7 懸浮電位超高頻信號(hào)幅值與放電量對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.7 The relationship between the amplitude of UHF signal and discharge quantity for suspension discharge

絕緣子表面固定顆粒放電的放電量標(biāo)定也是在0.2MPa氣壓下進(jìn)行的，試驗(yàn)電壓從30 kV～100 kV遞增，同樣是每個(gè)電壓等級(jí)取樣10個(gè)，結(jié)果如圖9所示.漸近線的決定系數(shù)較低，不能很好的近似二者間關(guān)系,超高頻信號(hào)幅值與放電量的線性關(guān)系不是很明顯，但從整體上看基本能反映出放電量的變化.

圖8 尖刺放電超高頻信號(hào)幅值與放電量對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.8 The relationship between the amplitude of UHF signal and discharge quantity for corona discharge

圖9 金屬顆粒超高頻幅值與放電量對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.9 The relationship between the a mplitude of UHF signal and discharge quantity for metal particle discharge

5 結(jié)論

文中對(duì)基于超高頻法的GIS中幾種典型的局部放電特征與放電量估計(jì)進(jìn)行了深入研究分析，放電特征研究結(jié)果表明不同類型的放電波形及其發(fā)生放電的相位模式存在一定的區(qū)別，同時(shí)放電特性受到氣壓與電壓變化的影響；對(duì)放電量估計(jì)的分析表明尖刺放電類型超高頻信號(hào)幅值與放電量之間線性關(guān)系最為明顯，這些都為基于超高頻法的GIS局部放電類型識(shí)別與放電量評(píng)估的更深入研究打下了基礎(chǔ).

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