GIS金屬顆粒放電發展的試驗研究

耿弼博

（高電壓與電磁兼容北京市重點實驗室,北京102206）

隨著電網中GIS的大量普及應用[1-12]，其穩定性越來越受到人們的重視。根據CIGRE 23.10工作組的國際調查報告，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]。其中局部放電是導致絕緣故障的先導因素，金屬顆粒所導致的局部放電更是占到了很大的比例[15-20]。從金屬顆粒開始產生局部放電到最終發生閃絡，是一個非常復雜的過程。如何判斷局部放電發展到了怎樣的程度，此時的放電是否到了危害設備整體絕緣的地步，是工程運行人員非常關心的問題。然而以往人們對這種故障導致的局部放電進行的研究與探索主要集中在檢測手段、定位等方面[21-27]，對于金屬顆粒產生的局部放電發展過程的研究，以及對GIS局部放電嚴重程度的辨識與評估一直是一個懸而未解的難題。局部放電發展過程的研究可以為制定合理的運行、維護以及更新計劃，實現GIS的狀態檢修提供科學依據，因此研究GIS內部絕緣子表面金屬顆粒的放電發展過程具有很重要的意義。

常規脈沖電流法是研究最早、應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準[28]。這種方法優點是靈敏度高，可測量視在放電量。本文將嘗試通過試驗過程中的放電現象及統計譜圖特征來探索GIS內部絕緣子表面固定金屬顆粒放電發展過程中隱含的規律。

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，主要由三部分構成，分別為局部放電模擬系統、檢測系統及采集系統。

圖1 試驗平臺示意圖

1.1.1 局部放電模擬系統

局部放電模擬系統主要由加壓系統、試驗腔體及故障模型三部分組成。

1）加壓系統。工頻加壓系統主要由升壓控制臺、試驗變壓器、保護電阻、耦合電容構成。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；保護電阻阻值為10 kΩ，在試品突然擊穿時，起限流作用，保護試驗設備；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，主體結構為一個高壓進線套管和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置模型的手孔。試驗腔體的整體結構如圖2所示。為保證試驗數據的準確性，在試驗前首先對整個平臺系統進行了檢測，在確保局部放電檢測系統正常的前提下，對無模型的GIS腔體進行了加壓試驗，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

常規脈沖電流檢測系統由檢測阻抗、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研究院伏安公司生產，檢測頻帶為40～80 kHz，其檢測靈敏度為3 pC。

UHF檢測系統由探頭及其放大器構成，可以接收到300～1 500 MHz的電磁波。

1.1.3 采集系統

數據采集系統由凌華公司生產的DAQ-2000型采集卡進行信號采集，通過計算機存儲來實現。采集卡的采樣率為2 M,存儲深度為4萬個點。通過這套系統對脈沖電流信號、特高頻信號和工頻相位信號進行實時采集。

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：先將電壓升至穩定產生局部放電的電壓等級，然后依次升壓10 kV，每個電壓等級持續時間為120 min，直到發生閃絡。

圖4 電壓施加方式圖

2 試驗結果分析

試驗過程中，最初產生局部放電信號的電壓為71 kV,將其作為局部放電發展過程第一個階段的電壓等級，持續120 min并采集數據。在這個過程中，放電稀而小，在最初30 min內，放電較為穩定，但隨后放電次數出現減小的現象；按照逐步升壓的試驗方法，第二階段相應的電壓等級為81 kV,同樣持續120 min并采集數據,此時的放電較之第一階段大而密，負半波的次數明顯增多，在整個第二階段中，放電非常穩定；第三階段電壓等級為91 kV，在這個過程中，放電現象特別劇烈，放電量特別大，放電次數特別多，當放電持續到第39 min時，模型閃絡，試驗結束。

根據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，按照設定的相位窗個數將相位分窗，以相位分窗為單位統計測量所得到的多個工頻周期的各種局部放電參數。

2.1 71 kV譜圖特征分析

當電壓升至71 kV時，產生了穩定的局部放電。放電在最初30 min較為穩定，隨后放電次數有減小的趨勢。從圖5可以看出，放電第一階段的總體放電次數較少，正負半波的放電次數在相位上都呈現單峰形狀。正半波的放電主要集中在20°～130°的相位區間，在55°附近放電次數最多，放電可達40次，然后從55°向兩側依次遞減；負半波的放電主要集中在180°～283°的相位區間，在200°附近放電次數最多，放電達到35次，然后向兩側遞減。

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半波，且正半波呈現單峰形狀，幅值波動較大，在80°附近幅值最大，最大值為100 pC，然后向兩側依次遞減，負半波幅值分布較為平坦，呈現長方形狀，幅值集中在20 pC左右；相位方面，放電集中在20°～130°與180°～283°2個區間內，其他相位區間未出現局部放電。

圖6 第一階段的V ave-Φ譜圖

如圖7所示，放電發展的第一階段中，放電量最大值在75°附近，最大可達到250 pC，然后向兩側遞減；在負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，放電現象一直穩定存在。從圖8可以看出，負半波放電次數遠遠大于正半波，且呈現雙峰形狀。尤其是在以250°為中心，從225°及275°分別向250°方向，放電次數出現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縱坐標量程較大，部分特征不能清晰看出，本文將量程縮小后發現：如圖9所示，隨著放電的發展，第二階段的放電在相位譜圖上開始擴展，在338°到353°的區間內，出現放電現象，但該區間內的放電次數非常少，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,然后向兩側依次遞減，負半波幅值分布平坦，集中在25 pC左右。

如圖11所示,在245°～250°區間內的最大值遠高于負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譜圖中負半波呈現雙峰形狀，在250°附近的區間內，出現了幅值較大、且次數較多的放電；在338°～353°區間內出現了放電現象。

2.3 91 kV譜圖特征分析

由于第三階段放電只持續了39 min，與前2個階段相比，持續時間不同從而得到的統計結果不同，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猛增，特別是在臨近閃絡的時候，放電幅值已經達到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，出現激增；放電在相位上的分布集中在了0°～120°、160°～300°及350°～360°區間內。從圖13的Vmax-Φ譜圖看出，負半波265°～270°區間內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 結論

252 kV GIS內部絕緣子表面金屬顆粒所導致局部放電的譜圖在3個階段有著各自獨立的特征，隨著放電的發展，譜圖特征也出現相應的變化。

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

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

3）第三階段（對應的電壓為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，出現激增，在臨近閃絡的時候已經達到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°區間內，負半波的最大放電幅值超過了正半波的最大幅值。

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