季洪鑫　李成榕，2　龐志開(kāi)　齊　波，2　鄭書(shū)生，2（.華北電力大學(xué)高電壓與電磁兼容北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　北京　022062.新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（華北電力大學(xué)） 北京　02206）

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電壓波形對(duì)GIS自由金屬顆粒放電特性的影響

季洪鑫1李成榕1，2龐志開(kāi)1齊波1，2鄭書(shū)生1，2
（1.華北電力大學(xué)高電壓與電磁兼容北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室北京102206
2.新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（華北電力大學(xué)） 北京102206）

為了探索較高靈敏度檢測(cè)GIS設(shè)備內(nèi)部自由金屬顆粒的方法，研究了電壓波形對(duì)自由金屬顆粒的影響。在實(shí)驗(yàn)室中搭建了自由金屬顆粒局部放電試驗(yàn)平臺(tái)，測(cè)量了標(biāo)準(zhǔn)雷電波、標(biāo)準(zhǔn)操作波和工頻電壓下自由金屬顆粒局部放電現(xiàn)象，分析比較了不同電壓波形下缺陷的局部放電的特征，獲得了沖擊電壓下不同試驗(yàn)階段的散點(diǎn)圖、柱狀圖等統(tǒng)計(jì)譜圖。研究結(jié)果表明，在3種電壓波形下標(biāo)準(zhǔn)雷電波的局部放電起始電壓最低，對(duì)自由金屬顆粒的檢測(cè)較靈敏。隨著標(biāo)準(zhǔn)雷電電壓的升高，在雷電波尾處的放電脈沖個(gè)數(shù)明顯增多，但波頭處的脈沖仍?xún)H有一個(gè)。隨著標(biāo)準(zhǔn)操作電壓的升高，在波頭和波尾處的放電幅值變大，放電個(gè)數(shù)增多，且波頭處的放電個(gè)數(shù)增加更明顯。不同試驗(yàn)階段的q-t散點(diǎn)圖、q-Δt/Δu散點(diǎn)圖及N-Δt/Δu柱狀圖的形貌特征較有規(guī)律，可作為表征GIS自由金屬顆粒放電嚴(yán)重程度的特征譜圖。

氣體絕緣組合電器標(biāo)準(zhǔn)雷電電壓標(biāo)準(zhǔn)操作電壓自由金屬顆粒局部放電

0　引言

封閉式組合電器（Gas Insulated Switchgear，GIS）是以SF6作為絕緣介質(zhì)的氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備，也稱(chēng)為氣體絕緣變電站，它是將變電站中除變壓器外的各種電氣設(shè)備，包括斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、接地開(kāi)關(guān)、電壓互感器、母線（三相或單相）、連接管和過(guò)渡元件（SF6-電纜頭、SF6-空氣套管、SF6-油套管）等全部組裝在一個(gè)金屬外殼內(nèi)，并充以0.4～0.6 MPa的SF6氣體以實(shí)現(xiàn)高壓導(dǎo)體對(duì)外殼、相間及斷口間的可靠絕緣［1-8］。對(duì)GIS設(shè)備可靠性的統(tǒng)計(jì)表明［9-14］，GIS絕緣故障中絕緣子表面金屬顆粒的沿面放電占有相當(dāng)大的比例，主要原因是GIS設(shè)備在生產(chǎn)、裝配、運(yùn)輸及開(kāi)關(guān)動(dòng)作等過(guò)程中會(huì)不可避免地在設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生金屬顆粒，這些金屬顆粒能急劇降低SF6氣體的絕緣水平，在電場(chǎng)作用下的放電特征如下［9］:①自由金屬微粒在電場(chǎng)作用下獲得電荷并發(fā)生移動(dòng)，當(dāng)電壓超過(guò)一定值時(shí)，這些微粒就能在接地外殼和高壓導(dǎo)體之間跳動(dòng)，從而發(fā)生局部放電；②當(dāng)金屬微粒移動(dòng)靠近而未接觸高壓導(dǎo)體時(shí)，如果距離小于某一極限值，在強(qiáng)電場(chǎng)作用下，容易引起局部放電；③絕緣子表面的金屬微粒在設(shè)備交接試驗(yàn)時(shí)不易檢出，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行，由于機(jī)械振動(dòng)或操作過(guò)電壓引起的靜電力使它產(chǎn)生輕微的位移而形成微粒堆積，在某種程度上加大了放電發(fā)生的概率；④當(dāng)金屬微粒游離到絕緣子的表面，在一定條件下被固定下來(lái)時(shí)（比如被油脂粘?。?，絕緣子表面的金屬微粒狀似金屬突出物，在高電壓環(huán)境下，極易造成尖端放電。

DL/T 617—2010中規(guī)定在現(xiàn)場(chǎng)交接試驗(yàn)中，對(duì)252 kV及以下的GIS只進(jìn)行工頻耐壓試驗(yàn)，基本不做沖擊耐壓試驗(yàn)，對(duì)于363 kV及以上的GIS一般也可只進(jìn)行工頻耐壓試驗(yàn)（但推薦在除工頻耐壓外可添加沖擊耐壓試驗(yàn)）［15］。國(guó)內(nèi)電力系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，已通過(guò)工頻耐受及其局部放電試驗(yàn)的GIS設(shè)備時(shí)常在實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)絕緣故障［16-19］。如某電網(wǎng)330 kV開(kāi)關(guān)站363 kV GIS投運(yùn)前現(xiàn)場(chǎng)工頻耐壓外試驗(yàn)通過(guò)，然而充電時(shí)發(fā)生閃絡(luò)故障，解體后發(fā)現(xiàn)罐體內(nèi)部清潔度不夠，絕緣子表面附著許多灰塵。2010年2月3號(hào)某換流站內(nèi)550 kV GIS設(shè)備投入運(yùn)行，2010年2月5號(hào)發(fā)生閃絡(luò)故障，解體后發(fā)現(xiàn)550 kV GIS盆式絕緣子上存在微粒。2010年4月19日某變電站內(nèi)110 kV GIS在雷電過(guò)電壓下發(fā)生閃絡(luò)故障，解體后發(fā)現(xiàn)水平盆式絕緣子表面積累了金屬銅屑雜質(zhì)或灰塵。上述事實(shí)充分說(shuō)明，現(xiàn)場(chǎng)僅開(kāi)展交流耐壓試驗(yàn)并不能完全查找GIS設(shè)備內(nèi)部的導(dǎo)電微粒，無(wú)法保證GIS設(shè)備在良好的狀況下投入運(yùn)行。現(xiàn)場(chǎng)增加沖擊耐壓試驗(yàn)，可與交流耐壓形成互補(bǔ)，提供GIS設(shè)備投運(yùn)前全面的最終檢查。然而沖擊耐壓試驗(yàn)主要是通過(guò)絕緣閃絡(luò)或沖擊波形的畸變來(lái)檢測(cè)GIS內(nèi)部的缺陷，在檢測(cè)到缺陷的同時(shí)，沖擊電壓也對(duì)絕緣造成較大損傷，且只能檢測(cè)到較大缺陷或放電較嚴(yán)重的缺陷，若在沖擊耐壓的同時(shí)進(jìn)行局部放電的測(cè)量，則較小的缺陷和放電較微弱的缺陷更有可能檢測(cè)出來(lái)。

本文研究了沖擊電壓下自由金屬顆粒在沖擊電壓下的放電現(xiàn)象，比較了自由金屬顆粒在不同電壓波形（標(biāo)準(zhǔn)雷電波、標(biāo)準(zhǔn)操作比和工頻電壓）下的局部放電起始電壓，并分析了自由金屬顆粒在不同放電嚴(yán)重程度下的局部放電特征譜圖。

1　試驗(yàn)平臺(tái)

1.1試驗(yàn)裝置

GIS設(shè)備自由金屬顆粒局部放電試驗(yàn)平臺(tái)主要包括試驗(yàn)裝置、高壓電源、自由金屬顆粒模型、局部放電測(cè)量設(shè)備共4部分，其中試驗(yàn)裝置是采用實(shí)際的126 kV GIS腔體，該實(shí)驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)Fig.1　Structure of the experimental device

該試驗(yàn)支架是三相分體式設(shè)計(jì)，包含1個(gè)高壓套管、1個(gè)非氣隔絕緣子和6個(gè)氣隔絕緣子，共構(gòu)成7個(gè)大小不等的氣室。試驗(yàn)腔體經(jīng)特別設(shè)計(jì)，在其水平位置處對(duì)稱(chēng)裝有2個(gè)石英玻璃觀察窗，用于觀測(cè)腔體內(nèi)缺陷模型的局部放電，在試驗(yàn)腔體的正下方設(shè)計(jì)了2個(gè)安裝孔，分別用于試驗(yàn)過(guò)程中特高頻傳感器和放電模型的安裝，該試驗(yàn)腔體內(nèi)充以0.4 MPa的SF6氣體。

1.2試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷拇_定以該模型下的放電特性為依據(jù)，經(jīng)多次試驗(yàn)確定的自由金屬顆粒模型如圖2所示。自由金屬顆粒模型中高壓電極直徑為15 mm，在高壓電極周?chē)沫h(huán)氧板上加工一個(gè)直徑為35 mm、深為5 mm的凹槽，在凹槽內(nèi)放置直徑為1 mm、長(zhǎng)為2 mm的金屬絲作為自由金屬顆粒。

圖2　自由金屬顆粒模型示意圖及實(shí)物圖Fig.2　Image of mobilized metal particles model

1.3試驗(yàn)回路

沖擊電壓下GIS金屬顆粒局部放電測(cè)試回路示意圖如圖3所示。圖中Cx為GIS缺陷模型等效電容；Co為沖擊電容分壓器，可用于耦合Cx局部放電時(shí)產(chǎn)生的脈沖電流信號(hào)；UHF為特高頻探頭；SC為信號(hào)調(diào)理器；ICC為數(shù)據(jù)采集記錄裝置。

圖3　沖擊電壓下局部放電測(cè)量回路示意圖Fig.3　Diagram of the partial discharge experimental under impulse voltage

在試驗(yàn)過(guò)程中，由于沖擊電壓上升時(shí)間較短，一般為微秒級(jí)，傳統(tǒng)脈沖電流已無(wú)法完全滿(mǎn)足沖擊電壓下局部放電測(cè)量的要求［14］，為此研制了一套沖擊電壓下的局部放電特高頻檢測(cè)設(shè)備，該測(cè)量設(shè)備主要包括3部分:特高頻探頭、信號(hào)調(diào)理器和數(shù)據(jù)采集設(shè)備，其中信號(hào)調(diào)理器不僅放大微弱的特高頻信號(hào)，同時(shí)還對(duì)特高頻信號(hào)進(jìn)行峰值檢波，檢波后的脈沖寬度為1 μs左右，降低了采集設(shè)備采樣率。檢波處理后的信號(hào)即可由接收器傳輸?shù)胶罄m(xù)的檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行A—D（模擬信號(hào)的數(shù)字取樣）變換、記錄、軟件分析處理。

1.4試驗(yàn)方法

在試驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)自由金屬顆粒施加標(biāo)準(zhǔn)雷電波、標(biāo)準(zhǔn)操作波和工頻電壓，加壓方式采用逐步升壓法，升壓步長(zhǎng)為2 kV，對(duì)于沖擊電壓局部放電試驗(yàn)，每個(gè)電壓等級(jí)下施加10次沖擊電壓，直到特高頻檢測(cè)儀在至少5次的沖擊電壓內(nèi)檢測(cè)到較為明顯的放電，此時(shí)的電壓值定為放電起始電壓。在局部放電起始電壓下，重復(fù)施加50次的沖擊電壓，觀察并記錄起始電壓下的局部放電特征。為了研究自由金屬顆粒在不同放電嚴(yán)重程度下的局部放電特征，又進(jìn)一步測(cè)量了不同沖擊電壓幅值下的局部放電。對(duì)GIS自由金屬顆粒施加的電壓值及施加次數(shù)如表1所示。

表1　自由金屬顆粒施加的沖擊電壓值Tab.1　Standard impulse voltage

2　現(xiàn)象及特征

2.1標(biāo)準(zhǔn)雷電波下放電現(xiàn)象及特征

圖4為標(biāo)準(zhǔn)雷電波下自由金屬顆粒放電信號(hào)。由圖4a可以看出，局部放電起始電壓下（15 kV），在標(biāo)準(zhǔn)雷電波的波頭和波尾處各出現(xiàn)1次較小的放電脈沖，其幅值約為0.35 V和0.19 V。當(dāng)電壓升至25 kV時(shí)，放電脈沖幅值均出現(xiàn)較明顯的增大（如圖4b），其中在波頭處的放電脈沖幅值達(dá)到1.1 V左右，波尾處的放電脈沖達(dá)到0.7～0.9 V。與圖4a相比，圖4b中波尾處的放電脈沖個(gè)數(shù)增加至3～5個(gè)，但波頭處的放電脈沖個(gè)數(shù)，仍為1個(gè)。隨著標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓幅值的升高，波頭處的放電脈沖幅值進(jìn)一步增大，但放電脈沖個(gè)數(shù)基本保持不變，而波尾處的放電脈沖幅值變化不大，但放電脈沖個(gè)數(shù)增加較顯著。當(dāng)電壓升至65 kV時(shí)，在沖擊電壓波頭處的放電脈沖幅值達(dá)到1.8 V左右，波尾處的放電幅值在0.4～1.1 V之間，在每一次較小放電脈沖后緊跟著一次較大的放電脈沖，放電個(gè)數(shù)較多，約為9～12個(gè)（如圖4c所示）。

圖4　標(biāo)準(zhǔn)雷電波下自由金屬顆粒放電信號(hào)Fig.4　Partial discharge of mobilized metal particles under standard lightning voltage

2.2標(biāo)準(zhǔn)操作波下放電現(xiàn)象及特征

圖5是標(biāo)準(zhǔn)操作波下自由金屬顆粒放電特征。從圖5a可以看出，在起始電壓下（25 kV），僅在標(biāo)準(zhǔn)操作波的波頭上升沿處出現(xiàn)3次放電脈沖，放電幅值在0.7～1.1之間。當(dāng)電壓升至40 kV時(shí)，在標(biāo)準(zhǔn)操作波的波頭和波尾處均出現(xiàn)放電脈沖，且波頭上升沿處的放電脈沖個(gè)數(shù)較多，與圖5a相比較，圖5b的放電脈沖信號(hào)幅值變化不大。隨著標(biāo)準(zhǔn)操作沖擊電壓幅值的升高，沖擊電壓波頭和波尾處的放電脈沖個(gè)數(shù)均明顯增多，而放電脈沖幅值則變化不大。當(dāng)電壓升至55 kV時(shí)，由于在波頭處的放電脈沖個(gè)數(shù)過(guò)于密集，造成部分放電脈沖間的疊加，如圖5c所示。

圖5　標(biāo)準(zhǔn)操作波下自由金屬顆粒放電信號(hào)Fig.5　Partial discharge of mobilized metal particles under standard switching voltage

2.3工頻電壓下放電現(xiàn)象及特征

圖6為工頻電壓下自由金屬顆粒放電信號(hào)。從圖6a可以看出，在起始電壓下（21 kV），在工頻電壓的正負(fù)半周內(nèi)均出現(xiàn)放電脈沖，放電脈沖的個(gè)數(shù)及幅值均較小，正半周的放電幅值主要集中在0.6 V以下，負(fù)半軸的放電幅值主要集中在0.5 V以下，正負(fù)半周的放電均集中在工頻電壓的一、三象限內(nèi)。隨著工頻電壓的升高，在工頻電壓的正負(fù)半周內(nèi)的放電個(gè)數(shù)明顯增大，但放電脈沖幅值則變化不大。當(dāng)電壓升至35 kV時(shí)，正負(fù)半周內(nèi)的放電幅值仍主要集中在0.5 V以下，但放電脈沖的個(gè)數(shù)較多，放電脈沖寬度進(jìn)一步變寬且放電區(qū)域向右偏移，如圖6b所示。在35 kV電壓下保持10 min以后放電脈沖幅值變得較小，主要集中在0.2 V以下，且放電次數(shù)也變得較稀疏，如圖6c所示。在該電壓下繼續(xù)保持5 min后放電脈沖的個(gè)數(shù)進(jìn)一步變少，有時(shí)甚至在連續(xù)1～2 min內(nèi)沒(méi)有放電脈沖，這可能是由于在較高的電壓下，自由金屬顆粒在較強(qiáng)電場(chǎng)力作用下發(fā)生偏移，移動(dòng)到遠(yuǎn)離高壓電極的區(qū)域內(nèi)進(jìn)而抑制了局部放電的產(chǎn)生。

圖6　工頻電壓下自由金屬顆粒放電信號(hào)Fig.6　partial discharge of mobilized metal particles under AC voltage

3　分析與討論

3.1電壓波形對(duì)GIS自由金屬顆粒檢測(cè)靈敏度的比較

對(duì)GIS自由金屬顆粒在標(biāo)準(zhǔn)雷電波、標(biāo)準(zhǔn)操作波和工頻電壓波形下的局部放電起始電壓進(jìn)行了比較，其對(duì)比結(jié)果如圖7所示。

從圖7中可以看出，標(biāo)準(zhǔn)雷電波比標(biāo)準(zhǔn)操作波和工頻電壓的局部放電起始電壓明顯要低，可能是由于當(dāng)自由金屬顆粒施加標(biāo)準(zhǔn)雷電波時(shí)，由于電壓波的上升沿較陡，在非常短的時(shí)間內(nèi)自由金屬顆粒周?chē)纯蛇_(dá)到較高的電場(chǎng)強(qiáng)度，產(chǎn)生強(qiáng)烈的電離，同時(shí)由于時(shí)間較短空間中電荷來(lái)不及對(duì)自由金屬顆粒產(chǎn)生穩(wěn)定的屏蔽作用，使得自由金屬顆粒在較低的標(biāo)準(zhǔn)雷電波下較容易出現(xiàn)局部放電。但在負(fù)極性標(biāo)準(zhǔn)操作波下，由于電壓上升沿時(shí)間較長(zhǎng)，電壓幅值增長(zhǎng)較緩慢，在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)自由金屬顆粒周?chē)婋x產(chǎn)生了較多的正負(fù)電荷，其中與高壓電極同極性的負(fù)電荷在電場(chǎng)力作用下進(jìn)入自由金屬顆粒，使得自由金屬顆粒與高壓電極間的電位差減小，同時(shí)殘留的正離子產(chǎn)生的電場(chǎng)與自由金屬顆粒處原來(lái)電場(chǎng)的方向相反，使得顆粒周?chē)碾妶?chǎng)進(jìn)一步減小，由于以上兩方面的共同作用使得自由金屬顆粒在較長(zhǎng)波頭的電壓波作用下局部放電起始電壓明顯變大。但與工頻電壓相比，標(biāo)準(zhǔn)操作波的局部放電起始電壓明顯要大，這可能是由于在工頻電壓的負(fù)半周內(nèi)自由金屬顆粒周?chē)a(chǎn)生大量正空間電荷，這些空間電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)抑制了自由金屬顆粒處的放電，但當(dāng)工頻電壓極性變?yōu)檎龝r(shí)，在負(fù)半周遺留下來(lái)的部分正電荷產(chǎn)生的附加電場(chǎng)加強(qiáng)了自由金屬顆粒的電場(chǎng)，使得工頻電壓相對(duì)操作沖擊電壓更容易出現(xiàn)局部放電。

圖7　不同電壓波形下自由金屬顆粒局部放電起始電壓Fig.7　Partial discharge inception voltage of mobilized metal particles under different voltage waves

3.2沖擊電壓下自由金屬顆粒放電嚴(yán)重程度的分析

沖擊電壓下GIS內(nèi)部缺陷的局部放電信號(hào)雖然微弱，但反應(yīng)了有關(guān)絕緣狀況的豐富信息。由于沖擊電壓下GIS內(nèi)部缺陷的局部放電測(cè)量結(jié)果存在分散性，依靠單次沖擊電壓下的放電脈沖信號(hào)難以準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)放電類(lèi)型及放電嚴(yán)重程度的診斷，為此需要多次沖擊電壓下的局部放電信號(hào)形成統(tǒng)計(jì)特征譜圖。有效提取出表征沖擊電壓下GIS局部放電類(lèi)型及放電嚴(yán)重程度的特征因子，是對(duì)GIS設(shè)備絕緣狀態(tài)進(jìn)行切實(shí)可靠評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)，本文主要生成了沖擊電壓下自由金屬顆粒局部放電信號(hào)的 q-t散點(diǎn)圖、q-Δt/Δu散點(diǎn)圖及N-Δt/Δu柱狀圖。

3.2.1q-t散點(diǎn)圖

以沖擊電壓波形為參考，將局部放電信號(hào)的放電時(shí)間幅值序列（ti，qi）以打點(diǎn)的方式繪制在q-t坐標(biāo)系內(nèi)，即可得到q-t散點(diǎn)圖。q-t散點(diǎn)圖可以清晰地在q-t平面上顯示放電脈沖的集中區(qū)和散布區(qū)，在一定程度上揭示了沖擊電壓下局部放電的統(tǒng)計(jì)規(guī)律性。

分別測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)雷電波和標(biāo)準(zhǔn)操作波下GIS內(nèi)部自由金屬顆粒的局部放電，并獲得不同沖擊電壓幅值下局部放電的q-t散點(diǎn)圖，如圖8所示。

圖8　自由金屬顆粒q-t散點(diǎn)圖Fig.8　q-t scatter plot of mobilized metal particles

圖8中根據(jù)沖擊電壓下局部放電現(xiàn)象及特征，分成了3個(gè)試驗(yàn)階段。第Ⅰ階段是局部放電起始電壓下的放電特征，第Ⅱ階段是局部放電發(fā)展階段的放電特征，第Ⅲ階段是局部放電較劇烈的放電特性。圖8中的每一個(gè)q-t散點(diǎn)圖是由50個(gè)相同電壓幅值的沖擊電壓局部放電脈沖統(tǒng)計(jì)而成。

1）試驗(yàn)階段Ⅰ。在該階段下標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓的局部放電次數(shù)和放電幅值均較小，局部放電q-t散點(diǎn)圖主要分布在兩個(gè)區(qū)域內(nèi)，其中第一個(gè)區(qū)域位于標(biāo)準(zhǔn)雷電波的上升沿處，放電脈沖幅值為0.1～0.4 V之間，第二個(gè)放電區(qū)域位于標(biāo)準(zhǔn)雷電波波尾處，放電脈沖較分散，主要分布在80～150 μs范圍內(nèi)，放電幅值為0.1～0.3 V之間。與標(biāo)準(zhǔn)雷電下的局部放電q-t散點(diǎn)圖相比，標(biāo)準(zhǔn)操作波下的局部放電q-t散點(diǎn)圖的分布相對(duì)集中，主要分布在標(biāo)準(zhǔn)操作波的波頭上升沿處，放電幅值為0.08～1 V。

2）試驗(yàn)階段Ⅱ。與試驗(yàn)階段Ⅰ相比，在該階段下標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓下局部放電次數(shù)和放電幅值出現(xiàn)較明顯的增加，其中在波頭處放電位置較集中，其q-t散點(diǎn)圖呈長(zhǎng)條狀分布，在標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓波尾處的放電分布更寬，主要分布在10～180 μs范圍內(nèi)，放電幅值為0.2～1 V之間。在標(biāo)準(zhǔn)操作沖擊電壓下的局部放電脈沖的q-t散點(diǎn)圖在沖擊電壓的波頭和波尾處均有分布，與階段Ⅰ相比較，階段Ⅱ中標(biāo)準(zhǔn)操作波的波頭處的局部放電脈沖幅值基本變化不大，主要在0.08～1 V之間，在波尾處的放電脈沖幅值較大且較接近，主要分布在0.75～0.9 V。

3）試驗(yàn)階段Ⅲ。在該階段下標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓下的局部放電脈沖個(gè)數(shù)進(jìn)一步增多，波頭處的放電幅值進(jìn)一步增大，主要在1～2.5 V之間，而波尾處的放電幅值則變化不大。在標(biāo)準(zhǔn)操作沖擊電壓下的局部放電q-t散點(diǎn)圖分布進(jìn)一步變寬，主要分布在0～3 000 μs內(nèi)，在波尾處的q-t散點(diǎn)圖出現(xiàn)明顯的分層，放電幅值主要在0.06～0.2 V和0.7～1 V之間。

自由金屬顆粒在標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓和標(biāo)準(zhǔn)操作沖擊電壓這兩種波形下的q-t散點(diǎn)圖特征差別較大。其中在試驗(yàn)階段Ⅰ，在標(biāo)準(zhǔn)雷電波作用下，自由金屬顆粒的q-t散點(diǎn)圖在沖擊電壓的波頭和波尾處均有分布，而在標(biāo)準(zhǔn)操作波作用下，自由金屬顆粒的q-t散點(diǎn)圖僅在沖擊電壓的波頭處有分布。在試驗(yàn)階段Ⅱ和試驗(yàn)階段Ⅲ，標(biāo)準(zhǔn)雷電波作用下自由金屬顆粒的q-t散點(diǎn)圖分布在兩個(gè)不重疊的區(qū)間內(nèi)，波頭處的放電幅值明顯大于波尾處的放電，且在波頭處的q-t散點(diǎn)圖呈長(zhǎng)條狀分布。而在標(biāo)準(zhǔn)操作波作用下，自由金屬顆粒的波頭和波尾的q-t散點(diǎn)圖區(qū)間相接觸，沒(méi)有明顯的分界線，另外在波尾處的 q-t散點(diǎn)圖出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象。

3.2.2q-Δt/Δu散點(diǎn)圖及N-Δt/Δu柱狀圖

1）q-Δt/Δu散點(diǎn)圖

計(jì)算相鄰兩次放電脈沖qi-1和qi之間沖擊電壓幅值變化Δui以及時(shí)間間隔Δti，將兩相鄰放電脈沖時(shí)間間隔Δti除以對(duì)應(yīng)的沖擊電壓幅值變化Δui得到?jīng)_擊電壓幅值變化率的倒數(shù)Δti/Δui，將沖擊電壓脈沖和沖擊電壓變化率 （qi，Δti/Δui）以打點(diǎn)的方式繪制在q-Δt/Δu坐標(biāo)系內(nèi)，即可得到q-Δt/Δu散點(diǎn)圖，該散點(diǎn)圖表征了GIS缺陷模型局部放電與沖擊電壓上升率的關(guān)系。

2）N-Δt/Δu柱狀圖

沖擊電壓波形上升率等分為若干個(gè)區(qū)間，每個(gè)區(qū)間Δti/Δui內(nèi)的放電次數(shù)Ni為

式中，M為檢測(cè)的沖擊電壓次數(shù)；nij為第j個(gè)沖擊電壓下在區(qū)間Δti/Δui內(nèi)的放電次數(shù)。將N視為Δt/Δu的函數(shù)，并以柱狀圖表示，可以做出N-Δt/Δu柱狀圖。N-Δt/Δu柱狀圖可以反映放電次數(shù)與沖擊電壓上升率的關(guān)系。

圖9是標(biāo)準(zhǔn)雷電波下q-Δt/Δu散點(diǎn)圖及N-Δt/Δu柱狀圖。從圖中可以看出，在試驗(yàn)階段Ⅰ，放電脈沖q-Δt/Δu散點(diǎn)圖主要集中在兩個(gè)區(qū)域內(nèi)。第一個(gè)區(qū)域位于電壓較高上升率區(qū)間內(nèi)，第二個(gè)區(qū)域位于電壓較低上升率區(qū)間內(nèi)。其中在第一個(gè)區(qū)域內(nèi)的放電脈沖q-Δt/Δu散點(diǎn)圖較集中，第二個(gè)區(qū)域內(nèi)的放電脈沖q-Δt/Δu散點(diǎn)圖較分散，即自由金屬顆粒在較高上升率電壓下局部放電的發(fā)生較集中，在較低電壓上升率下局部放電的發(fā)生較分散。

圖9　標(biāo)準(zhǔn)雷電q-Δt/Δu散點(diǎn)圖及N-Δt/Δu柱狀圖Fig.9　q-Δt/Δu scatter plot and N-Δt/Δu under standard lighting impulse voltge

隨著放電嚴(yán)重程度的增加，放電幅值和放電次數(shù)明顯增加。其中在電壓較高上升率內(nèi)的局部放電幅值要明顯大于較低電壓上升率區(qū)間內(nèi)的放電。隨著外施電壓幅值的升高，局部放電在較小電壓上升率區(qū)間范圍變寬。

圖10是標(biāo)準(zhǔn)操作波下q-Δt/Δu散點(diǎn)圖及N-Δt/Δu柱狀圖。從圖中可以看出，在試驗(yàn)階段Ⅰ，外施電壓上升率越大，放電脈沖越集中，放電個(gè)數(shù)越多，在較小的電壓上升率區(qū)間內(nèi)，放電脈沖分布較分散，且放電個(gè)數(shù)較少。隨著外施電壓的升高，自由金屬顆粒的局部放電個(gè)數(shù)變多，放電分布區(qū)間變寬，且隨著電壓上升率由大變小，局部放電脈沖個(gè)數(shù)也由多變少。

圖10　標(biāo)準(zhǔn)操作q-Δt/Δu散點(diǎn)圖及N-Δt/Δu柱狀圖Fig.10　q-Δt/Δu scatter plot and N-Δt/Δu under SI

自由金屬顆粒在不同沖擊電壓波形下的局部放電q-Δt/Δu散點(diǎn)圖及N-Δt/Δu柱狀圖存在明顯的差別。由圖9和圖10可以看出，標(biāo)準(zhǔn)雷電電壓下局部放電q-Δt/Δu散點(diǎn)圖主要集中在兩個(gè)區(qū)間內(nèi)，且在較大電壓上升率區(qū)間內(nèi)的放電脈沖幅值要大于較小電壓上升率區(qū)間內(nèi)的局部放電。從N-Δt/Δu柱狀圖可以看出，在較大電壓上升率區(qū)間內(nèi)的局部放電較集中，在較小電壓上升率區(qū)間內(nèi)的局部放電較分散。而在標(biāo)準(zhǔn)操作電壓下自由金屬顆粒局部放電 q-Δt/Δu散點(diǎn)圖及N-Δt/Δu柱狀圖可以看出，隨著電壓上升率由大變小，局部放電脈沖個(gè)數(shù)也由多變少，且在標(biāo)準(zhǔn)操作沖擊電壓試驗(yàn)階段Ⅲ的局部放電q-Δt/Δu散點(diǎn)圖存在明顯的分層現(xiàn)象。

4　結(jié)論

1）以GIS內(nèi)自由金屬顆粒為試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，?duì)比分析了自由金屬顆粒在標(biāo)準(zhǔn)雷電波、標(biāo)準(zhǔn)操作波和工頻電壓下的局部放電起始電壓。對(duì)比結(jié)果表明標(biāo)準(zhǔn)雷電波在3種電壓波形中對(duì)自由金屬顆粒的檢測(cè)最靈敏。除GIS交流試驗(yàn)外，若在GIS沖擊耐壓的同時(shí)進(jìn)行局部放電的測(cè)量，則可進(jìn)一步提高對(duì)自由金屬顆粒檢測(cè)的有效性及靈敏性。

2）分析總結(jié)了自由金屬顆粒在沖擊電壓下放電特征。其中在標(biāo)準(zhǔn)雷電局部放電起始電壓下，自由金屬顆粒在沖擊電壓波頭及波尾處各出現(xiàn)一次放電脈沖，隨著外施電壓幅值的升高，波尾處的放電脈沖個(gè)數(shù)明顯變多，波頭處的個(gè)數(shù)仍?xún)H有一個(gè)，但是放電脈沖幅值明顯增加；在標(biāo)準(zhǔn)操作波下，自由金屬顆粒僅在沖擊電壓波頭處存在放電脈沖，隨著外施電壓的升高，在沖擊電壓波頭和波尾處均出現(xiàn)放電脈沖，且波頭和波尾處的放電幅值變大，放電個(gè)數(shù)增多，但波頭處的放電個(gè)數(shù)增加更明顯。

3）隨著局部放電的加劇，沖擊電壓下q-t散點(diǎn)圖、q-Δt/Δu散點(diǎn)圖及N-Δt/Δu柱狀圖中放電位置、放電幅值、放電個(gè)數(shù)、放電區(qū)間寬度及譜圖形貌特征出現(xiàn)相應(yīng)的變化。在沖擊電壓下，隨著放電嚴(yán)重程度的增加，放電幅值變大，放電個(gè)數(shù)變多，放電位置在波頭和波尾處均有分布，且放電區(qū)間明顯變寬，在標(biāo)準(zhǔn)操作沖擊電壓下放電譜圖形貌特征出現(xiàn)分層現(xiàn)象。特征譜圖中的放電位置、放電幅值、放電個(gè)數(shù)、放電區(qū)間寬度及放電譜圖相貌特征可用來(lái)表征放電的嚴(yán)重程度。

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季洪鑫男，1988年生，博士研究生，研究方向?yàn)楦邏弘姎庠O(shè)備在線監(jiān)測(cè)與故障診斷。

E-mail:jihongx816@163.com（通信作者）

李成榕男，1957年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)闅怏w放電及脈沖功率計(jì)算、電氣設(shè)備絕緣在線監(jiān)測(cè)與故障診斷和電介質(zhì)材料介電特性。

E-mail:lcr@ncepu.edu.cn

Influence of Voltage Waveforms on Partial Discharge Characteristics of GIS Mobilized Metal Particles

Ji Hongxin1Li Chengrong1，2Pang Zhikai1Qi Bo1，2Zheng Shusheng1，2
（1.Beijing Key Laboratory of High Voltage&EMCNorth China Electric Power UniversityBeijing102206China
2.State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System With Renewable Energy Sources North China Electric Power UniversityBeijing102206China）

In order to explore the method of high sensitivity detection for mobilized metal particles in gas insulated station（GIS）equipment，the effect of voltage waveform on free metal particle has been studied.The experimental platform of mobilized metal particle's partial discharge has been set up in the laboratory，and mobilized metal particle partial discharge phenomena has been measured under standard lightning impulse voltage，standard switching impulse voltage，and AC voltage respectively.The characteristics partial discharge under different voltage waveforms have been studied，so that the scatter plot and the histogram in different test stages has been acquired under the impulse voltage.The results of the study show that，under the three kinds of voltage waveforms，i.e.the standard lightning impulse voltage（LI），the standard switching impulse（SI），and the AC voltage，the partial discharge inception voltage of the standard lightning voltage is the lowest one，which provides sensitivity for free metallic particles detection.With the increase of the standard lightning impulse voltage，the discharge pulse number becomes more obvious in the wave tail of the standard lightning impulse，but the discharge pulse number in the wave front of the standard lightning voltage remains one.With the increase of the standard switching voltage，the discharge amplitude in the wave front and the tail have become large and the number of discharge is increased，and the number of discharge at the wave front increased more significantly.The characteristics of the q-t scatter plot，the q-Δt/Δu scatter plot，and the N-Δt/Δu histogram are regular，which can be used as the characterization spectrum to indicate the serious degree of GIS mobilized metal particle discharge.

Gas insulated switchgear（GIS），standard lightning impulse voltage，standard switching impulse voltage，mobilized metal particles，partial discharge

TM85

2015-05-19改稿日期 2015-09-09