局部放電的實驗研究

孫曙光，王景芹，陸儉國，金少華

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

0 引言

氣體絕緣組合電器（GIS）是在電力系統和眾多企業用戶中廣泛應用的高壓開關設備，它結構緊湊、占地面積小，且不受外界環境的影響.通過對GIS運行過程中發生的局部放電進行監測，預先判斷出發生故障的位置和故障類型，可以有目的地進行故障切除，大大提高檢修效率和系統的穩定性[1-2].本論文的工作就是利用超高頻（UHF）法研究GIS實驗模型中的局部放電特征，為故障類型的識別提供可靠依據.

本文重點研究了110 kVGIS實驗樣機中幾種典型故障的局部放電特征，包括高壓導體表面尖刺、高壓導體懸浮電位、絕緣子表面固定顆粒3種類型.實驗表明不同故障類型的局部放電超高頻信號在波形、幅值、檢波相位分布等方面存在顯著的差異，可以依據這些特征對GIS進行局部放電故障類型的識別.另外還分析了不同類型局部放電的超高頻信號與放電量pC的對應關系，以期利用超高頻信號進行放電量評估.

1 實驗系統

1.1 實驗裝置與局放源

實驗模型由110 kV ZFW-126型GIS實際部件構成，如圖1所示.該試驗裝置模型整體呈L型結構，三相共箱式設計，各氣室充以 SF6氣體作為絕緣介質，超高頻傳感器的安裝采用外置式，安置在GIS腔體開孔處，如測量點1、3所示，本文共設計了3種典型的局部放電源模型：

1）高壓導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體上，并緊密接觸.

2）懸浮電位：當GIS屏蔽罩松動時,常會變成懸浮體而產生局部放電[4]，采用一個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度5 cm、直徑1mm、平行于電場方向固定放置的單根銅絲，上端部位于絕緣子與高壓導桿連接點1 cm處.

圖1 實驗裝置Fig.1 Experimentalequipment

2 檢測裝置

在實驗過程中，試驗回路如圖2所示.無暈實驗變壓器為380V/300 kV，Cx為相應的試驗模型的等效電容；Co為300 kV、400 pF高壓電容器，用于耦合Cx放電時產生的脈沖電流信號，所使用的測量儀器主要包括以下2種：

1）XD2102型常規局放儀：該局放儀采用基于脈沖電流法的測量原理，因超高頻法不能直接測量試品的視在放電量pC，所以配備一臺常規局放儀以實現放電量的標定.

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UHF放電信號進行包絡檢波，接至低采樣速率示波器，以觀察局部放電信號在工頻周期內的相位分布；另一路為射頻輸出，即原始的UHF信號，接至泰克TDS3034B示波器,該示波器單通道采樣速率達到2.5 GS/s、帶寬300 MHz、存儲深度10 kpts，以滿足超高頻信號的測量要求.

圖2 實驗連接圖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時出現閃絡，到達擊穿的臨界狀態.圖3a)中3條測量波形由上至下依次為測量點3測到的超高頻信號、測量點1測到的超高頻信號，以及超高頻信號的頻譜分布，由于測量點3距離局放源要近一些，所以由該點測得的信號幅值要大，由圖中可以發現在此條件下尖刺放電單次放電的超高頻信號幅值接近100mV，持續性時間近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在工頻周期內的相位分布，實驗中發現該類型放電在單個工頻周期內的放電次數多，放電信號相互交疊，放電首先出現在工頻電壓的正半周的峰值附近，50 kV后負半周才開始出現局部放電，但小于正半周的放電幅值.

為進一步分析電壓及SF6氣體氣壓對放電的影響，將氣體充至0.45MPa氣壓下進行實驗，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出現閃絡，實驗中可以發現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)中兩條測量波形由上至下依次為測量點3測到的超高頻信號以及超高頻信號的頻譜分布，由圖中可以發現在此條件下懸浮電位放電單次放電的超高頻信號幅值接近500 mV，持續性時間近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在工頻周期內的相位分布，實驗中發現此種類型的局部放電在一個工頻周期內的放電次數少，但只要發生放電，放電幅值就比較明顯，位于工頻正負半周上升沿的放電信號基本成對出現，大小相等、放電相位也基本對稱.

對于懸浮電位放電，在同一氣壓下，隨電壓增加局放幅值增加不是很明顯；氣壓增加時出現局放的起始電壓變大，0.45MPa下為120 kV，同時放電幅值較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、實驗電壓為90 kV的放電波形，局部放電起始電壓為60 kV，到110 kV時出現閃絡，圖5a)中3條測量波形由上至下依次為測量點1測到的超高頻信號、測量點3測到的超高頻信號，以及超高頻信號的頻譜分布，由圖中可以發現在此條件下顆粒放電單次放電的超高頻信號幅值約200mV，持續性時間近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在工頻周期內的相位分布，實驗中發現此種類型的局部放電一個工頻周期內的放電次數較多但幅值大小不一，相位集中在正負半周的上升沿.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減少，但單次放電幅值增大，0.45 MPa下在90 kV時出現閃絡，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

為了利用超高頻信號進行局部放電量的標定[7-8]，采取的實驗方案如下，利用常規局放儀的測量探頭與超高頻傳感器實時測量單次放電各自所對應信號的峰值，由于利用基于脈沖電流法的測量信號的幅值可以直接得到放電量 pC，據此可以間接得出超高頻信號峰值與放電量之間的關系，利用該局放儀提供的校準脈沖發生器可以得到局放儀測量探頭信號幅值與放電量之間的對應關系如圖6所示.

首先對0.2MPa氣壓下的高壓導體表面懸浮電位放電進行了放電量標定，首先采集70 kV、80 kV、90 kV、100 kV電壓下的各10組數據，每組數據為局放儀測量信號的幅值與對應的超高頻信號幅值.將每個電壓等級下的10組數據進行平均后得到的趨勢線如圖7所示，由圖可以發現懸浮電位放電所激發的電磁波峰值與其放電量之間的線性關系不是很明顯.

對于高壓導體表面尖刺放電，室驗中共取了70組數據，從30 kV到90 kV，每10 kV電壓下取10組數據，對這7個電壓等級的數據取平均值后得到的趨勢線如圖8所示.

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

圖6 脈沖電流信號幅值與放電量對應關系Fig.6 The relationship between the amplitude of impulse currentsignal and discharge quantity

圖7 懸浮電位超高頻信號幅值與放電量對應關系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定也是在0.2MPa氣壓下進行的，試驗電壓從30 kV～100 kV遞增，同樣是每個電壓等級取樣10個，結果如圖9所示.漸近線的決定系數較低，不能很好的近似二者間關系,超高頻信號幅值與放電量的線性關系不是很明顯，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幅值與放電量對應關系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應關系Fig.9 The relationship between the a mplitude of UHF signal and discharge quantity for metal particle discharge

5 結論

文中對基于超高頻法的GIS中幾種典型的局部放電特征與放電量估計進行了深入研究分析，放電特征研究結果表明不同類型的放電波形及其發生放電的相位模式存在一定的區別，同時放電特性受到氣壓與電壓變化的影響；對放電量估計的分析表明尖刺放電類型超高頻信號幅值與放電量之間線性關系最為明顯，這些都為基于超高頻法的GIS局部放電類型識別與放電量評估的更深入研究打下了基礎.

[1]李繼勝，趙學風，楊景剛.GIS典型缺陷局部放電測量與分析 [J].高電壓技術，2009，35（10）：2440-2445.

[2]印華，方志，張小勇.根據UHF信號特征的GIS局部放電模式識別 [J].高壓電器，2005，41（1）：19-23.

[3]蔣建玲.用超高頻法研究GIS中局部放電的特征 [M].北京：華北電力大學，2003.

[4]金立軍，張明銳，劉衛東.GIS局部放電故障診斷試驗研究 [J].電工技術學報，2005，20（11）：88-92.

[5]齊波，李成榕，郝震.GIS絕緣子表面固定金屬顆粒沿面局部放電發展的現象及特征 [J].中國電機工程學報，2011，31（1）：101-108.

[6]金立軍，劉衛東，黃家旗.GIS金屬顆粒局部放電的試驗研究 [J].高壓電器，2002，38（3）：10-13.

[7]李信.GIS局部放電特高頻檢測技術的研究 [D].北京：華北電力大學，2005.

[8]唐炬，吳建蓉，卓然，等.針-板局部放電UHF信號與放電量之間的等量關系 [J].高電壓技術，2010，36（5）：1083-1089.