負極性振蕩雷電沖擊電壓下SF尖板模型局部放電特性

張亮,車斌,韓旭濤,李軍浩,熊俊,王斯斯

(1.西安交通大學電力設備電氣絕緣國家重點實驗室, 710049, 西安; 2.廣州供電局有限公司電力試驗研究院, 510410, 廣州)

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負極性振蕩雷電沖擊電壓下SF尖板模型局部放電特性

張亮1,車斌1,韓旭濤1,李軍浩1,熊俊2,王斯斯2

(1.西安交通大學電力設備電氣絕緣國家重點實驗室, 710049, 西安; 2.廣州供電局有限公司電力試驗研究院, 510410, 廣州)

為了深入研究尖板模型振蕩雷電沖擊電壓下局部放電特性,首先搭建了振蕩沖擊電壓發生器,產生符合IEC 60060-3標準的振蕩型雷電沖擊電壓,基于特高頻法和脈沖電流法,建立了沖擊電壓下局部放電測量系統,進而構建了SF6尖板模型,對負極性振蕩雷電沖擊電壓下局部放電進行了測量,對比了特高頻法和脈沖電流法測量局部放電的靈敏度,分析了放電時延、放電幅值、放電數目和放電相位隨外施電壓的變化規律。結果表明:特高頻法測量靈敏度更高,適合在氣體絕緣組合電器(GIS)現場沖擊耐壓試驗中使用;局部放電集中在外施電壓各波峰附近;隨著外施電壓的升高,放電時延和放電起始相位急劇減小,放電結束相位則稍有增大;各周期放電幅值和數目隨波峰電壓的升高而線性增加。進一步分析表明,在負極性振蕩雷電沖擊電壓下,局部放電的產生和發展可用金屬電極表面發射、負離子場致碰撞脫附和電暈穩定化作用進行很好的闡釋。研究成果有助于GIS現場沖擊耐壓試驗中局部放電的檢測與分析。

氣體絕緣組合電器;局部放電;振蕩沖擊電壓;特高頻;SF6尖板間隙

氣體絕緣組合電器(GIS)在電力系統中得到越來越廣泛的應用,是最重要的電力設備之一。作為GIS中絕緣介質SF6具有良好的電氣性能、物理性能和化學性能,可一旦GIS中出現局部電場集中,其絕緣強度會顯著下降。為了保證電力系統的安全可靠運行,GIS設備在出廠時進行雷電沖擊耐壓試驗,在現場組裝完成后,一般進行工頻耐壓試驗并測量局部放電[1-4]。隨著電網規模的擴大和電壓等級的提高,在實際運行中發現,已通過交流耐壓試驗的GIS設備在運行中仍然出現絕緣故障,通過交流耐壓試驗的GIS設備在進行沖擊耐壓試驗時也會發生閃絡。可見,工頻耐壓試驗對GIS絕緣的考核還存在不足,有必要改良絕緣測試程序,采納更有效的診斷性檢驗方法[1],因此現場沖擊耐壓試驗的重要性越來越突出。

不同類型高壓試驗激發缺陷放電的能力是不同的,因此通過工頻耐壓試驗后,仍發生了沖擊閃絡,表明雷電沖擊耐壓試驗對檢測裝配錯誤和電極損傷類缺陷更為有效[1,5-6]。若在沖擊耐壓試驗的同時測量局部放電,不僅能獲得設備的整體絕緣狀況,還能發現局部絕緣缺陷,從而可以對設備絕緣進行全面的評價。近年來,國內外學者對沖擊電壓下SF6氣體中的放電現場進行了大量研究,在絕緣特性及放電機理研究方面取得了大量成果[7-9],但以絕緣診斷為目的的局部放電特性研究還較少,主要是利用脈沖電流法和光檢測方法在實驗室進行放電特性研究,不過還未直接服務于工程實際[10-13]。

高壓電極上存在尖端突出或附著自由金屬微粒均可引起局部電場集中,從而使絕緣強度顯著下降,這是導致絕緣失效的主要原因之一[1]。本文搭建了振蕩沖擊電壓發生裝置,構建SF6尖板模型模擬GIS中高壓電極局部電場集中,基于特高頻法和脈沖電流法建立局部放電檢測系統,研究了負極性振蕩雷電沖擊電壓下模型局部放電特性,成果有助于GIS現場沖擊耐壓試驗中局部放電的檢測與分析。

1 試驗平臺的搭建

IEC60060-3和GB/T 16927.3規定了4種電力設備現場沖擊耐壓試驗電壓波形,分別是雷電波(LI)、操作波(SI)、振蕩雷電波(OLI)和振蕩操作波(OSI),波形參數要求如表1所示[14-15]。

表1 沖擊電壓波形參數

注:T1為波前時間;T2為半峰時間;f為振蕩頻率。

由于雙指數沖擊電壓發生器設備龐大、不易移動、安裝復雜,且現場調波困難,而振蕩型沖擊波具有產生效率高、接近設備實際作用波形的優點,因而更適合現場使用[2,10,16]。目前,業內利用振蕩雷電沖擊電壓已多次成功開展超高壓、特高壓GIS設備的現場沖擊耐壓試驗,推廣和普及該試驗對降低設備事故率、提高設備運行可靠性具有重要意義。本試驗中振蕩沖擊電壓發生器原理如圖1所示。

圖1 振蕩沖擊電壓發生器原理圖

直流高壓發生裝置最高輸出負極性電壓為200 kV,主電容C1為0.1 μF,負載電容C2為1.05 nF,試品電容極小,電容分壓器高壓臂電容為465 pF,分壓比10 000∶1。通過選擇合適的電路元件參數,可使發生器產生滿足標準要求的振蕩雷電沖擊電壓。電路元件參數及波形參數如下:L=9.05 mH,Rf=0.25 kΩ,Rt=2 kΩ,T1=8.1 μs,T=94 μs,f=43.3 kHz。發生器輸出電壓波形如圖2所示。

圖2 振蕩雷電沖擊電壓波形

本文設計制作尖板模型模擬GIS中高壓電極局部電場集中,尖電極為端部打磨成錐形的Φ10 mm黃銅電極,錐度為1∶3,錐尖等效曲率半徑約為65 μm。板電極直徑為120 mm,試驗時接地,尖板間距離為10 mm。尖板模型安置在有機玻璃容器內,并充以0.45 MPa的SF6氣體?；谔馗哳l法和脈沖電流法建立了測量局部放電測量系統,見圖3。

圖3 局部放電測量系統

特高頻傳感器帶寬為500～1 500 MHz,平均等效高度為10 mm,布置點距模型邊緣15 cm,傳感器輸出經放大后在示波器中顯示,放大倍數為40倍。在脈沖電流法測量系統中,高頻電流傳感器帶寬為0.8～102 MHz,靈敏度為10 V·A-1,輸出經過3.5 MHz高通濾波器后在示波器中顯示,以濾除位移電流對局部放電測量的影響。數字示波器型號為LeCroy 204Xi-A,四通道測量時,最大采樣率為5×109s-1,模擬帶寬2 GHz。

2 試驗結果分析

試驗時,電壓逐步上升,當10次施壓有4～6次出現局部放電,則認為此電壓為局部放電起始電壓,試驗測得局部放電起始電壓為-22.7 kV。兩次施壓之間間隔8 min,以保證每次施壓前SF6尖板間隙恢復到初始狀態。

2.1 特高頻法和脈沖電流法檢測靈敏度對比

典型放電時域波形如圖4所示,圖中特高頻結果為放大器放大后輸出電壓波形,脈沖電流結果為電流傳感器輸出電壓(u)波形。

圖4 放電時域波形

零時刻干擾為球隙觸發導通所致,其對脈沖電流法測量結果影響較大,加之位移電流的存在,最終局部放電脈沖疊加在低頻干擾信號上,不易識別和提取。對典型放電脈沖進行對比分析,如圖5所示。

圖5 脈沖電流與特高頻對比

結合背景可得A、B兩處不同放電幅值下的信噪比,如表2所示。由圖5和表2可知,在特高頻法測量中,信噪比高且始終維持在較高水平,而在脈沖電流法測量中,信噪比隨放電幅值的減小而快速降低。

表2 不同放電幅值下的信噪比

對于振蕩沖擊電壓下局部放電的測量,特高頻法靈敏度高、抗干擾能力強,因此適合在GIS現場沖擊耐壓試驗中使用。本文分析均基于特高頻法的測量結果,脈沖電流法測量結果僅作為對照。

2.2 局部放電時域波形

不同電壓下典型放電時域波形如圖6所示,圖中脈沖電流結果已經過數字濾波,零時刻干擾均已被去除。

(a)-22.7 kV

(b)-28 kV

(c)-44.3 kV圖6 不同外施電壓下放電時域波形

由圖6可知,局部放電總是發生在振蕩雷電沖擊電壓波峰附近(波峰、波谷均針對電壓幅值的大小而言,因此圖中電壓12 μs處為波峰,23 μs處為波谷),當電壓為-22.7 kV時(圖6a),只在第1振蕩周期出現多次放電,隨著外施電壓的升高(圖6b、圖6c),第2、第3周期依次出現放電。第1波峰處放電多、幅值大,首次放電往往呈現大幅值,第2、第3波峰放電逐漸減少、幅值逐漸減小。進一步觀察第1振蕩周期放電(見圖7)可知,首次放電后短時間內無放電,這段時間約為1 μs,隨著電壓的上升,放電越來越密集,在10～12 μs內,放電密度達到最大,相鄰放電時間間隔約為0.1 μs。當電壓經過峰值開始下降后,放電幅值逐漸減小,放電數目急劇減少。

圖7 第1周期局部放電(-44.3 kV)

2.3 局部放電時延

在沖擊電壓下,當達到放電起始電壓時,局部放電并不立刻出現,而是經過一段時間后才出現局部放電,稱為局部放電時延[13,17]。將每一振蕩周期首次局部放電時刻記為ts,此時刻外施電壓記為U,一系列(U,ts)點即描述了局部放電的時延特性,50次試驗所得前3振蕩周期首次局部放電(U,ts)特性如圖8所示。

圖8 局部放電時延特性

由圖8可知,隨著外施電壓的升高,第1振蕩周期首次放電電壓稍有增大,第2、第3振蕩周期則增大明顯。為了比較方便,將第2、第3振蕩周期(U,ts)圖中時間分別減去T、2T(T為振蕩雷電沖擊電壓振蕩周期),所得結果如圖9所示。

圖9 前3振蕩周期局部放電時延特性的對比

由圖9可知,第1振蕩周期首次放電電壓明顯低于其他振蕩周期,這意味著在同樣的電壓下,第1振蕩周期放電最易發生。

2.4 放電幅值和數目

放電幅值和數目與相應振蕩周期波峰處電壓(波峰電壓)息息相關,因此對各振蕩周期分別進行統計,研究放電幅值、數目與對應波峰電壓之間的關系。取10次施壓的平均值,所得各周期最大放電信號幅值(umax)與波峰電壓之間的關系如圖10所示。

圖10 各周期放電幅值與波峰電壓的關系

隨著波峰電壓的升高,各周期放電幅值線性增大。在相同電壓下,第1周期放電幅值最大,第2周期放電幅值約為第1周期的60%,第3周期放電幅值則僅為第1周期的30%。各周期放電次數與波峰電壓之間的關系如圖11所示。

圖11 各周期放電次數與波峰電壓的關系

由圖11可知,各周期放電數目均隨波峰電壓的升高而線性增加,但曲線陡度各不相同,第1周期陡度約為第2周期的2倍、約為第3周期的4倍。綜合圖10和圖11可知,在相同電壓下,第1周期激發的放電幅值最大,激發的放電數目也最多,換言之,第1周期激發放電的能力最強,以后各周期激發放電的能力呈遞降趨勢。

2.5 放電相位分布

基于振蕩型沖擊電壓振蕩的周期性,可引入相位的概念描述其局部放電特性。對時域波形中局部放電進行提取,獲得放電的時刻和幅值,記為(t,a),若振蕩沖擊電壓振蕩周期為T,則放電的相位為

θ=360t/T

(1)

當外施電壓從-22.7kV變化到-44.3 kV時,將每一電壓下3次典型放電數據疊加,得到不同電壓下放電相位分布如圖12所示,Umax為外施電壓最大值。

圖12 不同電壓下放電相位分布

由圖12可知,振蕩波形的3個波峰處均出現放電,但主要集中在第1波峰附近,這是因為第1振蕩周期電壓幅值最高,且激發放電的能力最強。進一步觀察第1、第2波峰放電相位分布,結果見圖13。放電起始、結束時刻相位及電壓變化如表3所示,表中第2波峰放電相位已歸算到0～360°。

表3 放電起始、結束相位及電壓

由圖13及表3可知,隨著外施電壓的升高,對于放電起始時刻,相位明顯減小,對應電壓則稍有增大。其中第1波峰表現最為突出,當電壓由-22.7 kV變化到-44.3 kV后,放電起始相位減小了50°,而起始電壓幅值增大了1.9 kV。對于放電結束時刻,放電相位稍有增大,對應電壓則增大明顯,第1波峰放電結束時刻電壓由-21.8 kV變化到-40.8 kV,增加了87%,同樣的第2波峰增幅也達到55%。

(a)第1波峰

(b)第2波峰圖13 不同波峰放電相位分布

3 討 論

SF6氣體中局部放電的產生和發展由間隙電場分布和外施電壓決定,并帶有一定的隨機性。當間隙電壓足夠高時,尖端附近一定空間(臨界體積Vcr)內電場大于臨界場強Ecr(Ecr/p=885 kV·cm-1·MPa-1),在負極性電壓下,金屬電極表面發射和負離子場致碰撞脫附為有效初始電子主要來源[13,17-18]。有效初始電子的出現,將在臨界體積內引發電子崩,形成第1流注放電,進而出現空間光電離,使流注向前發展并充滿臨界體積。由于在遠離針尖的空間,電場強度急劇下降,當流注通道內電壓降與背景電場電壓降相等時,流注停止發展,自由電子進入板電極形成脈沖電流[19-20]。

第1流注放電過后,尖端附近形成負空間電荷并削弱電場,隨著負離子沿電場方向的遷移,空間電荷削弱電場的作用不斷減弱,流注放電得以重新開始,殘余的空間電荷越多,新流注的產生就越困難,放電量也越小[21-22]。

3.1 放電時延

第1流注放電統計時延由尖端附近臨界體積內有效初始電子的產生決定,在負極性電壓下,有效初始電子來源于金屬電極表面發射和負離子場致碰撞脫附,其中前者占主要部分[13,17]。試驗數據表明,金屬電極表面發射遵循Richardson-Schottky定律,有效初始電子產生率如下[17-18,23]

(2)

式中:e為電子電荷;φ為有效功函數,1.3 eV;k為玻爾茲曼常數,1.381×10-23J/K;T為氣體絕對溫度,293 K;A為有效發射面積,與間隙電壓有關,當間隙電壓為9 kV時,A=0,當間隙電壓為20～50 kV時,估計A取值范圍為10-8～2.6×10-8m2(見圖15);P(E(t))表示自由電子轉化為有效初始電子的概率

(3)

式中:α(E(t))-η(E(t))和α(E(t))的計算通過擬合文獻[24]中數據獲得。

參數S可用熱電發射定律表示為[17]

(4)

式中:常數Cth=1.2×106A·m-2·K-2。

圖14 場致碰撞脫附積分區域示意圖

圖14中,積分內邊界由尖電極表面決定,積分外邊界近似由場強降為Ecr的界面決定,見圖中lcr,在邊界外區域則不會產生電子崩。積分區域近似由積分邊界和立體角Ω構成的球形空間表示,Ansoft仿真得針尖附近場強分布如圖15所示(U=-50 kV),當間隙電壓為-20～-50 kV時,估算Ω變化范圍為2～6。

圖15 針尖電場分布(U=50 kV)

積分區域內電子生成率計算如下[20]

(5)

式中:δ=δ(E(z,t))為軸向電場決定的場致碰撞脫附系數,近似計算如下[20]

(6)

負離子平衡密度為

(7)

式中:p0=0.1 MPa;T0=300 K。

為了計算方便,將尖端附近軸向場強E(z,t)按棒板模型進行近似計算,表達如下

(8)

對式(2)和式(5)進行求和,得總有效初始電子生成率為

(9)

(10)

當積分的值達到1時,積分上限時間即為放電統計時延,即

(11)

式中:t0為電離系數大于附著系數(α>β)的時刻。

基于上述分析,聯合式(2)～式(11),利用MATLAB程序計算局部放電時延的結果如圖16所示。

(a)第1振蕩周期

(b)第2振蕩周期圖16 理論計算和實測局部放電時延

由圖16可知,放電時延曲線斜率很小,隨著外施電壓的升高,放電時延急劇減小。由于第1振蕩周期局部放電產生空間電荷,均勻了針尖電極附近電場,阻礙了第2振蕩周期局部放電的發生。因此,圖16b中,理論計算時延小于實測值,且差值Δt隨外施電壓的升高而增大,當外施電壓為-44.3 kV時,Δt達到1.1 μs。

3.2 電暈穩定化作用

空間電荷對放電的影響歸結為對尖電極附近電場的均勻化作用,即電暈穩定化作用。圖17所示為尖端局部放電及空間電荷形成示意圖,圖18所示為有無空間電荷時尖端附近電場分布示意圖。

圖17 尖端局部放電及空間電荷形成示意圖

圖18 尖電極附近電場分布示意圖

圖19 第2大幅值放電(-44.3 kV)

第1流注放電結束后,負離子沿流注通道分布(見圖17中Ⅰ),一段時間內(約0.2～1 μs)[22],負離子沿流注通道徑向擴散(見圖17中Ⅱ),在此期間,尖端附近電場并未得到有效削弱,電暈穩定化作用也未完全建立。此時,一旦在臨界體積內產生有效初始電子(電極表面二次發射或場致碰撞分離),放電仍表現為大幅值,如圖19所示,此情形僅在外施電壓較高(-44.3 kV)時出現,出現概率也較低,約為1/3。

負離子徑向擴散完成后,尖端附近電場被限制在臨界場強附近,遠低于無空間電荷時的電場(見圖18),同時臨界體積也被限制在尖端附近更小的范圍,至此電暈穩定化作用得以完全建立(圖17中Ⅲ)。

電暈穩定化作用建立之后,空間電荷能在尖端附近保持約1 μs[21],而后隨著負離子的遷移而衰退,相應的衰退時間tsc正比于流注電暈的長度,反比于離子遷移速率[19],約1 ms后,負離子才能到達板電極。圖20所示為振蕩沖擊電壓下局部放電示意圖。由于無空間電荷的影響,第1流注放電幅值較大(圖20①),衰退時間tsc較長;隨著負離子向板電極的遷移及外施電壓的升高,針尖頭部電場重新達到E>Ecr,由于此時存在電暈穩定化作用,新的放電幅值較小(圖20②);此后,隨著外施電壓的升高,放電幅值逐漸增大,衰退時間tsc逐漸減小(圖20③);最后,外施電壓到達峰值后下降,放電幅值逐漸減小,衰退時間tsc急劇增大(圖20④);當外施電壓振蕩下降后重新上升(圖20⑤),第2振蕩周期放電開始,且其首次放電電壓高于第1振蕩周期。

圖20 振蕩沖擊電壓下局部放電示意圖

4 結 論

本文根據IEC60060-3標準,搭建了振蕩沖擊電壓試驗臺,基于特高頻法和脈沖電流法建立了沖擊電壓下局部放電檢測系統,對SF6極不均勻間隙局部放電特性進行了研究,所得結論如下。

(1)測量振蕩沖擊電壓下的局部放電,特高頻法靈敏度高、抗干擾能力強,適合在GIS現場沖擊耐壓試驗中使用。

(2)在振蕩沖擊電壓下,尖板模型局部放電集中在外施電壓各波峰附近,第1振蕩周期首次放電電壓最低、激發放電的能力最強,以后各周期激發放電的能力呈遞減趨勢。

(3)在負極性振蕩雷電沖擊電壓下,可用金屬電極表面發射、負離子場致碰撞脫附和電暈穩定化作用很好地闡釋尖板模型局部放電的產生和發展。

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(編輯 杜秀杰)

Partial Discharge on SF6Needle-Plane Defect under Negative Oscillating Lighting Impulse Voltage

ZHANG Liang1,CHE Bin1,HAN Xutao1,LI Junhao1,XIONG Jun2,WANG Sisi2

(1. State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China; 2. Research Institute of Guangzhou Power Supply Bureau, Guangzhou 510410, China)

Aiming at partial discharge (PD) characteristics on needle-plane defect under oscillating lighting impulse voltage, an oscillating impulse voltage generator was constructed, and the oscillating lighting impulse waveform was obtained, which meets the requirement of IEC 60060-3 standard. The partial discharge detecting system was built based on UHF detection and pulse current detection. A needle-plane defect model was designed and its partial discharge under negative oscillating impulse voltage was measured. The measurement sensitivity of UHF detection was compared with that of pulse current detection. The relations of the applied voltage with statistical time lag, PD amplitude, PD time and PD phase distribution were analyzed. The results show that UHF detection with higher measurement sensitivity is suitable for on-site impulse voltage withstand test; PD appears around each wave peak of the applied voltage; with the increasing applied voltage, statistical time lags and starting phase decrease rapidly, while the ending phase increases slightly; with the increasing peak voltage in a period. PD amplitude and PD time in each oscillating period both increase linearly. Further analysis indicates that the occurrence and development of PD under negative oscillating lighting impulse voltage can be well explained by electron emission from metal surface, field detachment from negative ions, and corona stabilization effect. This approach is valuable for PD measurement and analysis in on-site impulse voltage withstand test for GIS.

gas insulated switchgear; partial discharge; oscillating impulse voltage; ultra high frequency; SF6needle-plane gap

2015-09-06。 作者簡介:張亮(1988—),男,博士生;李軍浩(通信作者),男,副教授。 基金項目:國家高技術研究發展計劃資助項目(2011AA05A121);國家自然科學基金資助項目(51207124)。

時間:2015-12-30

10.7652/xjtuxb201604017

TM855

A

0253-987X(2016)04-0108-09

網絡出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20151230.1817.010.html