石化企業(yè)氣體絕緣組合電器局部放電特性研究

王世強

(中國石化青島安全工程研究院化學品安全控制國家重點實驗室，山東青島 266071)

0 引言

石化企業(yè)原料及產(chǎn)品一般具有易燃、易爆、腐蝕、有毒等特性，生產(chǎn)過程又具有高溫、高壓、連續(xù)性強等特點。一旦停電，不僅生產(chǎn)裝置停產(chǎn)造成不必要的經(jīng)濟損失，而且易引發(fā)火災、爆炸等次生災害，導致重大人身傷亡和財產(chǎn)損失[1,2]。因此，穩(wěn)定可靠的電力供應是企業(yè)安全生產(chǎn)和持續(xù)發(fā)展的基礎。

氣體絕緣組合電器(Gas Insulated Switchgear，GIS)是將斷路器、隔離開關、接地開關、母線、電壓互感器、電流互感器、避雷器、出線套管等一次設備完全封閉在一個金屬殼體內(nèi)，并充以0.4～0.6 MPa的SF6氣體實現(xiàn)絕緣的組合高壓電力設備[3]，具有結構緊湊、可靠性高、占地面積小、檢修周期長、噪聲低等優(yōu)點。近年來，GIS越來越廣泛應用于大型石油化工企業(yè)，在企業(yè)電力系統(tǒng)中起著至關重要的作用。GIS一旦發(fā)生故障，可能導致整個企業(yè)電網(wǎng)癱瘓，造成大面積或全廠性停電。因此，必須加強對GIS的狀態(tài)監(jiān)測和運行維護，保障GIS安全運行及電網(wǎng)可靠供電。

大量數(shù)據(jù)表明，絕緣缺陷是導致GIS故障的主要原因，約占95%左右[4,5]，如何對絕緣狀態(tài)進行有效監(jiān)測成為開展GIS狀態(tài)檢修的關鍵。局部放電(Partial Discharge，PD)檢測可實現(xiàn)對GIS絕緣狀態(tài)的帶電檢測或長期在線監(jiān)測，是一種能夠及時發(fā)現(xiàn)GIS絕緣缺陷或故障的有效方法，也是近年來GIS狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷的重要趨勢。

通過特高頻局部放電檢測法開展了GIS典型絕緣缺陷放電特性試驗研究，分析了GIS中典型絕緣缺陷的放電特征，為石化企業(yè)GIS設備狀態(tài)的無損檢測、故障診斷及安全評估提供依據(jù)。

1 實驗設計

1.1 檢測方法選擇

特高頻法可檢測300～3 000 MHz頻段的局部放電信號，具有檢測頻帶寬、可識別缺陷類型、抗干擾能力強、可實現(xiàn)放電位置準確定位等優(yōu)點。本文選用特高頻法開展GIS典型絕緣缺陷局部放電特性研究。

1.2 缺陷模型設計

GIS主要絕緣缺陷有金屬尖端缺陷、自由金屬微粒缺陷、絕緣子氣隙或裂縫缺陷、絕緣子表面金屬顆粒缺陷等，根據(jù)GIS的實際結構特點及常見缺陷類型，在實驗室內(nèi)設計了模擬尖端、氣隙、表面放電、自由微粒4種典型缺陷模型，如圖1所示。

圖1 4種典型絕緣缺陷模型

1.3 實驗平臺搭建

本文搭建了一套局部放電實驗平臺，包括電源系統(tǒng)(由升壓控制臺、無局放變壓器、高壓電容等設備構成，最高輸出電壓80 kV)、缺陷模型、特高頻局部放電檢測系統(tǒng)等，實驗系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 特高頻局部放電試驗平臺

為了盡量模擬GIS中氣體環(huán)境，本實驗所有缺陷模型均放置在充有0.4 MPa SF6氣體的有機玻璃腔體中。為實現(xiàn)對局部放電高頻電磁波的有效提取，實驗中特高頻傳感器選用等角螺旋天線，工作帶寬為300～1 500 MHz，檢波輸出脈沖寬度為150 μs，增益為40 dB，噪聲系數(shù)≤3 dB。

2 典型絕緣缺陷放電特性分析

2.1 局部放電特高頻信號分析模式

GIS特高頻局部放電信號分析模式主要有2種：基于時間的分析模式(Time Resolved Partial Discharge，TRPD)、基于相位的分析模式(Phase Resolved Partial Discharge，PRPD)[6]。TRPD模式主要用以分析所采集到的局部放電脈沖時間序列，這種模式包含了局部放電脈沖的真實波形，可根據(jù)波形提取放電特征，進行絕緣缺陷類型識別。PRPD模式應用最為廣泛，它通過測量并統(tǒng)計放電次數(shù)n、放電信號幅值q在周期相位φ區(qū)間內(nèi)的分布特征，構造二維或三維圖譜來辨識GIS內(nèi)部的絕緣缺陷類型。

2.2 典型絕緣缺陷局部放電特性

2.2.1尖端放電特性

當GIS中導體上存在毛刺等金屬尖端，且外施電場超過SF6氣體擊穿場強時，產(chǎn)生不均勻電場下的自持放電，并呈現(xiàn)出典型的電暈特征，即尖端放電。圖3(a)和(b)所示分別為尖端放電特高頻信號的TRPD和PRPD圖譜。可見，尖端放電極性非常明顯，具有顯著的相位特征，工頻負半周的放電次數(shù)顯著高于正半周，而且放電脈沖主要集中在工頻周期270°附近。這一方面因為在負半周時正離子使尖端附近電場增大，金屬尖端更容易發(fā)射電子；另一方面正離子撞擊尖端表面產(chǎn)生更多二次電子，使得金屬尖端在負極性時更容易放電。

圖3 尖端放電TRPD和PRPD圖譜

2.2.2氣隙放電特性

SF6氣體的相對介電常數(shù)εr≈1，小于固體絕緣介質(zhì)，當GIS絕緣子中存在氣隙、裂縫等缺陷時，氣隙內(nèi)電場強度高于固體絕緣介質(zhì)。當氣隙中的局部場強高于SF6擊穿場強時，氣隙發(fā)生放電。圖4(a)和(b)所示分別為氣隙放電特高頻信號的TRPD和PRPD圖譜。氣隙放電時，在工頻相位的正負半周都有放電信號，且正負半周的放電次數(shù)分布較均衡，都出現(xiàn)在工頻電壓峰值附近(90°和270°)。

圖4 氣隙放電TRPD和PRPD圖譜

2.2.3表面放電特性

金屬微粒長期滯留在GIS絕緣子表面而被吸附固定，可形成絕緣子表面金屬污染物缺陷。由此類缺陷引發(fā)的放電主要發(fā)生在金屬微粒與絕緣子表面之間，即表面放電。圖5所示為表面放電的典型PRPD圖譜，其特征為：正負半周均出現(xiàn)放電信號，且正負半周的放電次數(shù)分布較均衡，與氣隙放電的PRPD圖譜相似，不同的是表面放電的信號多集中在正半周的0°～90°和負半周的180°～270°相位區(qū)間。

2.2.4自由金屬微粒放電特性

在生產(chǎn)、安裝過程中，GIS內(nèi)可能存在一些自由金屬微粒，這些顆粒在外電場作用下產(chǎn)生感應電荷，當感應電荷在外電場力作用下克服自身重力時，金屬微粒不斷跳動并產(chǎn)生間歇性放電，典型的自由金屬微粒放電PRPD圖譜如圖6所示。自由金屬微粒放電主要發(fā)生在工頻正半周的上升沿和負半周的下降沿，且放電信號的相對幅度較大。

根據(jù)特高頻法測量的GIS 4種典型局部放電結果可見，不同缺陷類型的局部放電各有特征，并在放電幅值、相位、對稱性等方面表現(xiàn)出明顯的差異，因此，可利用特高頻法GIS絕緣缺陷的無損檢測，并根據(jù)放電圖譜特征開展缺陷類型識別和故障診斷。

圖5 表面放電典型PRPD圖譜

圖6 自由金屬微粒放電典型PRPD圖譜

3 結論

本文設計了GIS典型絕緣缺陷模型，并搭建了特高頻法局部放電試驗平臺，開展了4種典型絕緣缺陷的局部放電試驗研究，分析了放電的時間分布和相位分布特性，主要結論如下。

a)特高頻法可有效提取典型局部放電產(chǎn)生的電磁波信號，并獲得絕緣缺陷局部放電的TRPD和PRPD圖譜，為開展石化企業(yè)GIS設備的局部放電無損檢測和特性分析提供了可行方法。

b)4種典型缺陷的局部放電圖譜在放電幅值、極性、相位、對稱性等方面表現(xiàn)出明顯的差異，因此，可利用不同局部放電的時間分布和相位分布特征開展石化企業(yè)GIS設備缺陷類型識別和故障診斷。