SF6氣體絕緣開關(guān)設備典型絕緣缺陷的局部放電發(fā)展規(guī)律及診斷方法研究*

段大鵬，王彥卿，江陽，盛戈皞，李偉

（1.國網(wǎng)北京市電力公司，北京100075；2.上海交通大學 電氣工程系，上海200240）

0 引言

隨著 GIS（Gas Instulated Switchgear）在電網(wǎng)中的大量應用，絕緣故障問題逐漸顯露，嚴重影響了電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。為避免設備運行隱患或潛伏性故障失控釀成事故，開展GIS潛伏性缺陷檢測與診斷技術(shù)研究，對設備狀態(tài)評價和狀態(tài)檢修具有實際意義。

GIS絕緣類潛伏性缺陷的檢測方法主要包括局部放電檢測法和化學分解產(chǎn)物檢測法兩種［1-3］。國內(nèi)外研究及現(xiàn)場檢測實踐結(jié)果表明，局部放電檢測法的靈敏度及有效性明顯高于化學分解產(chǎn)物法。國內(nèi)外許多研究機構(gòu)自20世紀80年代以來先后對特高頻法、超聲波法檢測GIS局部放電開展了大量研究工作，并成功應用于電網(wǎng)設備的絕緣缺陷檢測。然而，在實際應用過程中尚未對GIS典型絕緣缺陷的特征譜圖發(fā)展規(guī)律及診斷方法進行研究，進而能夠更加明確的指導電力設備的現(xiàn)場檢測，準確判斷缺陷發(fā)展的狀態(tài)。

本文基于特高頻與超聲波局部放電聯(lián)合檢測法，通過研究GIS潛伏性絕緣缺陷實驗檢測數(shù)據(jù)及其特征變化規(guī)律，得到表征GIS潛伏性絕緣缺陷的局放特征信號典型圖譜、發(fā)展規(guī)律和診斷方法，分析得到典型缺陷局部放電不同發(fā)展階段放電信號的特征發(fā)展規(guī)律，用于指導現(xiàn)場狀態(tài)檢測。

1 GIS局部放電專用試驗倉體及典型缺陷放電模型的設計

1.1 典型缺陷放電模型的設計

長期的運行經(jīng)驗表明，GIS中引發(fā)局部放電的典型絕緣缺陷主要有自由金屬微粒、金屬突出物、絕緣子氣隙、絕緣子表面金屬污染物、懸浮電極等五種［4］。本文參考國內(nèi)外文獻關(guān)于GIS局部放電典型缺陷模擬的常用研究方法［5-9］，設計并制作了GIS中懸浮電位模型、沿面放電模型、氣隙放電模型、自由金屬微粒放電模型及金屬尖端放電模型，其結(jié)構(gòu)尺寸如圖1～圖5。

圖1 金屬尖端放電模型圖Fig.1 Model ofmetal point discharge in SF6

制作的金屬尖端放電實驗模型如圖1所示。其中，上下電極為鋁制平板，根據(jù)安裝腔體的空間尺寸，平板的間距為150 mm，這個間距不是固定的，會有2 mm～3 mm的誤差，與實驗模型的罐體內(nèi)的氣壓有關(guān)系，氣壓高的時候極板間距會稍微變大。上下極板與透明有機玻璃管組成放電的罐體，便于對放電的現(xiàn)象進行觀察。下極板同時設置一充放氣嘴，實驗表明，在0.5 MPa的氣壓內(nèi)，裝置均可保證氣密性。

自由金屬顆粒則是GIS中最經(jīng)常出現(xiàn)的一種自由運動雜質(zhì)，通常由于安裝過程的失誤或者是GIS運行中的開關(guān)動作而產(chǎn)生，它對絕緣的危害非常嚴重。本文制作了模擬真實GIS中自由金屬微粒的實驗模型。金屬微粒采用直徑1 mm的不銹鋼珠，制作了圖2所示的模型。

圖2 自由金屬微粒模型圖Fig.2 Model diagram of freemetal particles in SF6

目前國內(nèi)外普遍采用所謂的“三結(jié)合”模型模擬沿固體介質(zhì)的表面放電。模型如圖3所示，其中缺陷模型的高壓電極采用圓柱形結(jié)構(gòu)，下端為半球形，與環(huán)氧板緊密接觸。

通常可用一段懸浮導體進行懸浮電位缺陷的模擬，模型如圖4所示，其中的懸浮金屬體可以通過絲扣調(diào)節(jié)懸浮電極與高壓電極的間隙距離，以實現(xiàn)調(diào)節(jié)起始放電電壓與放電量的目的。

圖3 沿面放電模型圖Fig.3 Model of discharge along surface in SF6

圖4 懸浮電位放電模型Fig.4 Dischargemodel of floating electrode in SF6

圖5 絕緣子內(nèi)部氣隙缺陷模型Fig.5 Defectmodel of gas gap in insulator

制作了絕緣子內(nèi)部氣隙缺陷模型如圖5所示。采用厚度均為0.1 cm的三層環(huán)氧板模擬絕緣子內(nèi)部氣隙，其中中間一層環(huán)氧板中間部位打一個半徑為0.25 cm的圓孔，中間形成一個內(nèi)部氣隙。

本文根據(jù)GIS中的5種典型絕緣缺陷構(gòu)建了缺陷模型，模型可安裝在實驗室126 kV GIS試驗腔體內(nèi)，也可獨立使用，具有使用方便，試驗效率高的特點。

1.2 GIS局部放電試驗倉體的研制

研制的GIS局部放電試驗專用倉體實物照片見圖6。圖中紅色圓圈所示套管下方為放電缺陷的布置氣室，左側(cè)分別連接兩截通管，長度分別為2 m和1 m，安裝兩只不通氣的盆式絕緣子，從而將該試驗倉體分為三個獨立的氣室。同時在每個氣室上設計、制作了內(nèi)置特高頻傳感器的安裝孔。

圖6 專用GIS試驗倉體實物照片F(xiàn)ig.6 Picture of the designed GIS test chambers

2 GIS局部放電的聲電聯(lián)合檢測法介紹

2.1 GIS局部放電的聲電聯(lián)合檢測原理

聲電聯(lián)合檢測技術(shù)的主要思想一是在局部放電檢測中將特高頻局部放電檢測法和超聲局部放電檢測法的優(yōu)點相結(jié)合，充分發(fā)揮各自優(yōu)勢；二是放電源的聲電聯(lián)合定位［10-11］。

對放電源進行定位時先利用特高頻檢測技術(shù)對GIS設備進行檢測和初步定位，然后以特高頻信號為基準信號，使用多個超聲傳感器來完成對局放點的精確定位，為GIS局部放電檢測的發(fā)展方向。聲電聯(lián)合定位法由于同時檢測局部放電的電磁波信號和超聲波信號，能更加有效地排除現(xiàn)場干擾，提高局部放電定位精度和缺陷類型識別的準確性。

3 典型缺陷放電及其發(fā)展過程的試驗檢測與規(guī)律研究

3.1 試驗檢測回路設置

應用研制的GIS專用試驗倉體的安裝與典型缺陷放電模型，采用特高頻法、超聲波法研究GIS典型絕緣缺陷模型的局部放電特性及發(fā)展過程。其數(shù)據(jù)處理基本流程為將傳感器測得的電信號經(jīng)放大后進行A/D轉(zhuǎn)換，然后把提取到的信號送入計算機進行數(shù)據(jù)處理和分析，作出各種譜圖和統(tǒng)計量，由此分析GIS的各類缺陷的局部放電特性。

特高頻法所用儀器為英國某公司生產(chǎn)的特高頻局放檢測儀，超聲波法所用儀器為美國PAC公司生產(chǎn)PocketAE局放檢測儀，每種放電模型的試驗檢測次數(shù)不低于20次，試驗時存儲圖譜包括時域圖及特征指統(tǒng)數(shù)譜圖。

3.2 金屬尖端缺陷局放檢測與數(shù)據(jù)分析

應用金屬尖端放電模型，逐步加壓進行局部放電的試驗檢測。該缺陷模型的放電起始電壓為18 kV，擊穿電壓為39 kV，18 kV時對應的視在放電量為5.02 pC，擊穿前36 kV對應用視在放電量為123.34 pC。分別在外加電壓為20 kV、25 kV、30 kV、36 kV時錄取兩種檢測方法的局放譜圖。特高頻法檢測結(jié)果如圖7，超聲波法檢測結(jié)果如圖8。

由特高頻法檢測譜圖可見，在放電起始時負半周放電首先出現(xiàn)放電信號，放電次數(shù)較多但幅值并不高。隨著外加電壓的升高，負半周放電相位分布展寬，正半周也開始出現(xiàn)放電，且放電集中在90°和270°處，具有較為明顯的相位特征。臨近擊穿時，正負半周均出現(xiàn)相位分布較寬的放電信號，且幅值有明顯增長，正半周放電的相位分布較負半周窄。同時，由超聲波法檢測譜圖可見，當電壓升至30 kV時，超聲波放電信號幅值增長至5 mV左右，其特征指數(shù)更加明顯的集中在2、4處。當電壓升至36 kV臨近擊穿時，超聲波放電信號幅值增長至6 mV左右，放電間隔無明顯變化，但特征指數(shù)則集中在1、2處。

圖7 特高頻法檢測得到的典型PRPS譜圖Fig.7 Spectrum diagram of PRPS and PRPD based on UHF

圖8 超聲波檢測得到的時域及特征指數(shù)譜圖Fig.8 Spectrum diagram of time domain and characteristics index of AE

3.3 自由金屬微粒放電模型局放檢測與數(shù)據(jù)分析

應用自由金屬微粒放電模型，逐步加壓進行局部放電的試驗檢測。自由金屬微粒的放電起始電壓為23 kV，由于該缺陷擊穿電壓很高，還沒到微粒擊穿就會產(chǎn)生模型的外表面沿面放電，因此未做到缺陷擊穿。23 kV時對應的視在放電量為4.76 pC，35 kV時對應的視在放電量為9.04 pC，40kV時對應的視在放電量突增為9 705 pC，45kV時對應的視在放電量為7 585 pC。分別在外加電壓為23 kV、30 kV、40 kV、45 kV時錄取譜圖。特高頻法檢測到的結(jié)果如圖9所示，超聲波法檢測結(jié)果如圖10所示。

圖9 特高頻法檢測得到的典型PRPS、PRPD譜圖Fig.9 Spectrum of PRPS and PRPD based on UHF

圖10 超聲波檢測得到的時域及特征指數(shù)譜圖Fig.10 Spectrum of time domain and characteristics index of AE

由特高頻法檢測譜圖可見，當外加電壓為23 kV起始電壓時，放電的相位已經(jīng)遍布整個工頻周期的360°，相位特征并不明顯。正負半周峰值處的放電幅值相對較低，工頻過零點附近的放電點沿著正弦包絡帶的上沿分布。同時，由超聲波法檢測譜圖可見，當外施電壓高于局放起始電壓為23 kV時，就能夠檢測到幅值為100 mV左右的信號，放電間隔較為稀疏，但特征指數(shù)分布無明顯規(guī)律。隨著外加電壓和升高，超聲波放電信號的幅值基本在80 mV～100 mV范圍內(nèi)變化，只是放電間隔縮小，放電變得越來越密集，直至45 kV，特征指數(shù)依然分布分散，無明顯的規(guī)律。另外，微粒放電的時間間隔較尖端模型而言更不均勻。

對于不同電壓下微粒的運動情況，當外加電壓為23 kV起始電壓時，微粒在極板上偶爾做不規(guī)則的水平運動。在施加電壓繼續(xù)升高的情況下，微粒在極板上水平運動的頻率比較高，已經(jīng)基本沒有在原地靜止不動的現(xiàn)象，偶爾也會有跳起，但是跳起的高度很小。隨著外施電壓的繼續(xù)升高，微粒跳動的幅度與頻率明顯增高，運動越來越活躍，放電信號也變得越來越密集。總之，超聲波法對于自由金屬微粒缺陷而言較為靈敏。

3.4 沿面放電模型局放檢測與數(shù)據(jù)分析

應用沿面放電模型，逐步加壓進行局部放電的試驗檢測。沿面模型的放電起始電壓為6 kV，擊穿電壓為27 kV。6 kV時對應的視在放電量為4.25 pC，26.7 kV時對應的視在放電量為100.56pC。分別在外加電壓為6 kV、8 kV、14 kV、26 kV時錄取三種檢測方法的局放譜圖。特高頻法檢測到的結(jié)果如圖11所示。

圖11 特高頻法檢測得到的典型PRPS、PRPD譜圖Fig.11 Spectrum of PRPS and PRPD based on UHF

由特高頻法檢測譜圖可見，放電起始時基本在正負半周同時出現(xiàn)放電信號，放電幅值并不高。隨著外加電壓的升高，正負半周放電相位分布展寬，放電幅值出現(xiàn)較明顯增長，且放電集中在90°和270°處偏上升沿處，具有較為明顯的相位特征。臨近擊穿時，正負半周均出現(xiàn)相位分布較寬的放電信號，且幅值有明顯增長。同時，整個過程中，超聲波法未檢測到放電信號。

另外，比較可見沿面放電與尖端放電譜圖的區(qū)別：沿面放電主要發(fā)生在工頻電壓的上升沿部分，且較為靠近峰值偏上升沿處，極性效應不明顯，且放電信號幅值會隨著電壓的升高而上升。而尖端放電的極性效應明顯，放電信號幅值隨著電壓的升高上升不明顯。

3.5 懸浮電位放電模型局放檢測與數(shù)據(jù)分析

應用自由懸浮電位放電模型，逐步加壓進行局部放電的試驗檢測。懸浮電位放電模型的放電起始電壓為7kV，由于該缺陷擊穿電壓較高，因此未做到缺陷擊穿。7kV時對應的視在放電量為500pC，8.5kV時對應的視在放電量為5 092 pC，15 kV時對應的視在放電量突增為5445 pC，40 kV時對應的視在放電量為10 123 pC。分別在外加電壓為7 kV、15 kV、26 kV、40 kV時錄取三種檢測方法的局放譜圖。特高頻法檢測到的結(jié)果如圖12所示，超聲波法檢測結(jié)果如圖13所示。

圖12 特高頻法檢測得到的典型PRPS、PRPD譜圖Fig.12 Spectrum of PRPS and PRPD based on UHF

由特高頻檢測譜圖可見，放電起始時正負半周電壓上升沿處均出現(xiàn)幅值很大的放電信號，放電次數(shù)較少但幅值很高。隨著外加電壓的升高，正負半周放電相位分布展寬，且放電主要分布在電壓上升沿附近。臨近擊穿時，正負半周均出現(xiàn)相位分布較寬的放電信號，相位分布占到整個工頻周期的2/3以上，幅值依然很高。同時，由超聲波法檢測譜圖可見，當外施電壓為起始電壓7 kV時，信號幅值基本不超過6 mV，其特征指數(shù)隱約集中在1-6附近。當電壓升至26 kV時，超聲波放電信號幅值仍然無明顯變化，但特征指數(shù)集中在1、2處。總之，懸浮電位放電信號幅值較大，隨著電壓的升高變化不明顯，相位極性特征明顯，特征指數(shù)主要集中在1、2處。

圖13 超聲波檢測得到的時域及特征指數(shù)譜圖Fig.13 Spectrum of time domain and characteristics index of AE

從檢測結(jié)果可以看出，懸浮電位放電的幅值隨電壓的升高基本不變，隨著電壓升高放電信號相位分布展寬，臨近擊穿前達到了過零點。從本質(zhì)上來講，懸浮電位類似于懸浮金屬體與高壓導體中間的一個間隙擊穿，沒有電荷的入陷、脫陷等過程，因此不會有明顯的變化。但從放電有發(fā)生在過零點來看，存在電荷聚集現(xiàn)象，因而會導致過零點發(fā)生反向擊穿，而且放電越劇烈，電荷聚集的數(shù)量越多，導致放電相位向過零點移動。

3.6 絕緣內(nèi)部氣隙放電模型局放檢測與數(shù)據(jù)分析

應用絕緣內(nèi)部氣隙放電模型，逐步加壓進行局部放電的試驗檢測。絕緣內(nèi)部氣隙的放電起始電壓為6 kV，擊穿電壓為33 kV。6 kV時對應的視在放電量為 4.25 pC，32 kV時對應的視在放電量為6 939pC。分別在外加電壓為6 kV、20 kV、25 kV、32 kV時錄取三種檢測方法的局放譜圖。特高頻法檢測結(jié)果如圖14所示。

圖14 特高頻法檢測得到的典型PRPS、PRPD譜圖Fig.14 Spectrum of PRPS and PRPD based on UHF

由特高頻法檢測譜圖可見，放電起始時基本在正負半周同時出現(xiàn)放電信號，放電幅值并不高，放電的相位分布相對較寬。隨著外加電壓的升高，正負半周放電相位分布展寬，放電幅值出現(xiàn)較明顯增長，且放電集中在電壓上升沿處，具有較為明顯的相位特征。臨近擊穿時，正負半周均出現(xiàn)相位分布較寬的放電信號，基本占到整個工頻周期的2/3，且逐漸向零點移動，甚至越過零點，且幅值有大幅度增長。同時，由超聲波法檢測譜圖可見，超聲波法未檢測到放電信號，說明超聲波法對絕緣內(nèi)部氣障缺陷放電不敏感。

總體來看，氣隙放電的PRPD譜圖在正半周期和負半周期近似呈對稱現(xiàn)象，PRPD譜圖呈現(xiàn)出分離的兩部分，靠近過零點的部分譜圖呈“兔耳”狀，靠近峰值處的部分呈山丘狀，且隨著外加電壓的升高，兔耳部分逐漸由垂直變?yōu)閮A斜。可以看到在不同電壓下出現(xiàn)的譜圖均類似于“兔耳”形狀，但是隨著施加電壓的增大，PRPD譜圖參數(shù)變化比較明顯，“兔耳”的形狀也有很大區(qū)別。由于放電的對稱形，可以發(fā)現(xiàn)隨著施加電壓升高，電壓幅值增大，放電重復率增大，“兔耳”向工頻電壓的過零點偏移，且其寬度增大。需要注意的是當缺陷臨近擊穿時，特高頻檢測此類型放電與懸浮電極的譜圖較為相似。

3.7 典型缺陷發(fā)展過程中局放發(fā)展規(guī)律分析

有文獻對典型缺陷檢測譜圖特征識別技術(shù)進行了相關(guān)研究，但離指導具體現(xiàn)場檢測工作尚存在距離［12］。通過對試驗檢測數(shù)據(jù)的總結(jié)與分析，結(jié)合上文對5種典型局放缺陷脈沖電流法PRPD圖譜、特高頻PRPS圖譜與超聲波特征指數(shù)圖譜的變化、發(fā)展規(guī)律的研究，本文提出了5種典型放電缺陷發(fā)展規(guī)律特征參數(shù)表示法，以表征起始電壓至擊穿電壓區(qū)間局部放電缺陷的發(fā)展、變化規(guī)律，進而指導GIS現(xiàn)場潛伏性缺陷的檢測，表1～表5所示。

（1）對于金屬尖端放電，放電起始時負半周放電較為劇烈，隨著外加電壓的升高，正半周也開始出現(xiàn)放電，且放電集中在工頻峰值處，即90°和270°處，具有明顯的相位特征；

（2）對于金屬微粒放電，放電分布在整個工頻周期，且峰值處具有較大的放電信號，放電譜圖基本不隨外加電壓的變化而變化，但放電幅值會隨之而增加，其相位特征不明顯；

（3）對于沿面放電，沿面放電發(fā)生在工頻的上升沿部分，且較為靠近峰值處，但與尖端放電不同，其并不是在峰值兩邊，而是靠近峰值一側(cè)，具有明顯的相位特征。此外，金屬尖端放電具有明顯的極性效應，放電總是先出現(xiàn)在負半周，而沿面放電則沒有明顯的極性效應，正負半周會同時出現(xiàn)放電脈沖。且隨著電壓的升高，其幅值會隨之上升。超聲波法對此類缺陷放電不敏感；

（4）對于懸浮電位放電，具有放電幅值大，放電譜圖呈現(xiàn)帶狀的特點，具有較為明顯的相位特征，隨著外加電壓的增加，放電譜圖變化不大，放電幅值也變化不大，但一旦開始放電，其就具有較為強烈的放電；

（5）而對于絕緣內(nèi)部氣隙放電，會出現(xiàn)典型的“兔耳”狀譜圖，具有明顯的相位特征，其特高頻法檢測譜圖在臨近擊穿時與懸浮電位放電較為相似，在診斷時應予以注意。超聲波法對此類缺陷放電不敏感。

表1 基于特征參數(shù)的GIS金屬尖端局放缺陷規(guī)律表Tab.1 PD defect law of GISmetal point based on characteristic parameters

表2 基于特征參數(shù)的GIS自由金屬微粒局放缺陷規(guī)律表Tab.2 PD defect law of GIS freemetal particle based on characteristic parameters

表3 基于特征參數(shù)的GIS沿面放電缺陷規(guī)律表Tab.3 GIS surface along discharge law based on characteristic parameters

表4 基于特征參數(shù)的GIS懸浮電位放電缺陷規(guī)律表Tab.4 Defect law of GIS floating electrode discharge based on characteristic parameters

表5 基于特征參數(shù)的GIS絕緣內(nèi)部氣隙放電缺陷規(guī)律表Tab.5 Defect law of GIS insulator internal air gap discharge based on characteristic parameters

4 案例分析

2012年1月12日，在某變電站帶電檢測過程中發(fā)現(xiàn)110 kV三相電纜-GIS終端附近均有局放異常信號，檢測方法為特高頻法與羅氏線圈高頻法同時檢測。A相GIS終端局放信號幅值最大約230 mV。PRPS與PRPD譜圖如圖15所示，PRPD特征譜圖呈“兔耳”狀，與圖14（e）進行對比可見兩者特征相似，PRPS譜圖與圖14（a）、（b）對比可見兩者特征相似。故初步判斷該放電源缺陷類型為發(fā)展初期的絕緣內(nèi)部氣隙缺陷。

更換下來的電纜-GIS終端（帶有7米長電纜本體）進行實驗室局放試驗，同時采用高頻法、超高頻法及脈沖電流法進行局放檢測。試驗結(jié)果表明，局放起始電壓為29 kV，應用同樣的高頻法與特高頻法進行檢測，可以得到與現(xiàn)場完全一致的局放圖譜，證明該電纜終端的確存在缺陷。

圖15 檢測得到的PRPD、PRPS圖譜Fig.15 Spectrum of PRPD and PRPS

為進一步確認該放電缺陷為絕緣內(nèi)部氣隙，在某醫(yī)院采用飛利浦數(shù)字化放射攝影系統(tǒng)（DR）對該環(huán)氧套管進行CT掃描探傷，經(jīng)掃描發(fā)現(xiàn)環(huán)氧套管的高壓金屬電極與環(huán)氧樹脂之間有明顯氣腔。切開環(huán)氧套管查找缺陷點，在環(huán)氧套管高壓電極與環(huán)氧樹脂之間發(fā)現(xiàn)約5 mm氣腔，氣腔位置與CT掃描結(jié)果一致，見圖16。

圖16 切開后發(fā)現(xiàn)明顯環(huán)氧絕緣內(nèi)部氣隙缺陷照片F(xiàn)ig.16 Picture of the internal air gap defect in the cable terminal

5 結(jié)束語

（1）基于特高頻與超聲波聯(lián)合檢測法，得到了5種典型放電缺陷從起始局部放電-發(fā)展-擊穿過程的典型譜圖檢測，分析了其發(fā)展過程中的特征譜圖發(fā)展規(guī)律；

（2）提出了5種典型放電缺陷發(fā)展規(guī)律特征參數(shù)表示法，以表征起始電壓至擊穿電壓區(qū)間局部放電缺陷的發(fā)展、變化規(guī)律，進而指導GIS現(xiàn)場潛伏性缺陷的檢測；

（3）給出了一個電纜-GIS終端絕緣內(nèi)部氣隙缺陷的現(xiàn)場檢測案例，現(xiàn)場檢測與解體結(jié)果驗證了本文成果的有效性與實用性。