110 kV電壓等級GIS實體缺陷設計及帶電檢測分析

唐祥玲

（國網四川省電力公司廣元供電公司，四川 廣元 628000）

1 110 kV電壓等級GIS實體缺陷設計

1.1 110 kV電壓等級GIS實體缺陷ANSYS仿真

為了符合實訓基地的建設需求，人們對110 kV電壓等級GIS潛伏性缺陷設計提出了更高的要求，其需要在正常運行的條件下長期穩定的存在，即110 kV電壓等級GIS實體局部的放電量較為可觀，但不會出現擊穿的現象，并且缺陷設計具有較高的識別度[1]。

通過ANSYS仿真計算110 kV電壓等級GIS實體的兩種類型的缺陷設計的電場分布。其中，110 kV電壓等級GIS實體金屬尖端缺陷設計，上級板、下級板及金屬尖端都是金屬鋁制造而成，上級板和下級板是直徑21 cm的圓柱體，金屬尖端曲率半徑是0.07 mm，長度為6 cm，下級板和金屬尖端相距3 cm。110 kV電壓等級GIS實體懸浮電位缺陷設計，上電極和下電極也都是金屬鋁制作而成，懸浮電位體則是金屬銅制作而成。其中靠近銅絲部位的電極是直徑為3 cm的圓柱體，銅絲的直徑為0.7 mm，長度為3 cm；下電極則是8 cm直徑的圓柱體，上電極與銅絲之間的距離是0.7 mm，下電極與銅絲之間的距離則是8 mm。電極板的所有邊緣都是倒圓角形，可使轉角所產生的電場畸變減弱[2]。

經過ANSYS仿真計算得出的結果可知，若想確保110 kV電壓等級GIS實體正常運行，需要將電壓控制在63.5 kV，充裝氣壓控制在0.4 MPa，加工頻率控制在50 Hz。110 kV電壓等級GIS實體金屬尖端的缺陷設計的最大電場強度就集中在金屬尖端的區域。110 kV電壓等級GIS實體懸浮電位缺陷設計的最大電場強度則集中在銅絲和上電極之間的區域。

1.2 110 kV電壓等級GIS實體缺陷設計的構建

ZF12B-126（L）型110 kV電壓等級GIS的結構為三相共箱式。根據仿真計算可知，110 kV電壓等級GIS實體尖端缺陷設計中，在三相高壓導體上全部安裝有材質為鋁的金屬尖端，導體和尖端頂部之間的距離為3 cm。在設計懸浮電位缺陷時，選擇使用了直徑為0.7 mm、長度為30 mm的細銅絲，高壓導體與細銅絲之間的距離為0.7 mm[3]。將充裝氣壓控制在0.4 MPa，水分含量控制在110 μL/L，上下浮動10 μL/L，隨后施加50 Hz的三相頻率、63.5 kV的交流電壓，后對110 kV電壓等級GIS實體缺陷的放電特性進行準確測量和深入分析。

2 110 kV電壓等級GIS實體缺陷設計帶電檢測

在110 kV電壓等級GIS實體缺陷設計帶電檢測試驗中，分別將110 kV電壓等級GIS尖端電位缺陷和懸浮電位缺陷安裝在處于不同氣室的母線段內，并利用刀閘對其進行控制。這就可以將110 kV電壓等級GIS實體缺陷設計分為三種不同的狀態，分別是僅尖端缺陷、僅懸浮電位缺陷以及復合缺陷。將DMS超高頻局部放電檢測系統、UHF傳感器安裝在110 kV電壓等級GIS母線罐體的不同位置，以測量110 kV電壓等級GIS實體內局部的放電特性。

2.1 傳感器的安裝

110 kV電壓等級GIS實體內存在一些絕緣子，部分絕緣子帶有金屬鋁環，可以通過在110 kV電壓等級GIS實體內安裝傳感器的方式將超高頻信號收集起來。安裝內置傳感器的主要優勢在于受外界信號干擾較小，但也存在一定的缺點，即設計加工成本偏高。在還未將金屬鋁環安裝在盆式絕緣子時，可以利用外置的傳感器將通過絕緣子泄露在外的超高頻信號采集在一起[4]。安裝外置傳感器的主要優勢在于該種測量屬于非侵入式測量，測量更加方便，其缺點主要是噪聲偏大。將相同的懸浮電位缺陷，通過傳感器不同位置的安裝來測量在線單周期譜圖。對比兩者的在線單周期譜圖測量結果可知，兩者特征峰值的測量結果相同，但是在外界電磁干擾的影響下，外置傳感器對結果的識別可能會存在一定的誤差。所以，在深入分析后期測量結果時，采集的超高頻信號都是由內置傳感器采集的信號。此外，110 kV電壓等級GIS實體內置懸浮電位缺陷在運行的過程中，將方電源的位置與外置傳感器之間的距離進行合理調整。在正確的測量方式下，對110 kV電壓等級GIS實體進行研究和分析，可知UHF信號輻值法的測量結果與傳感器和方電源之間距離的變化沒有比較明顯的關系。

2.2 不同類型的缺陷，其局部放電特性不同

110 kV電壓等級GIS實體缺陷設計主要包括尖端、懸浮電位，其局部放電特性有所不同，如表1所示。

表1 尖端、懸浮電位缺陷的局部放電特性

將尖端缺陷、懸浮電位缺陷同時接入，升壓時可以明顯地看到110 kV電壓等級GIS實體由單類缺陷逐漸的向復合缺陷轉變。不管是脈沖出現的位置，還是脈沖幅值和重復率，尖端缺陷和懸浮電位缺陷的局部放電特性表現均有所不同。

2.3 不同氣壓下的局部放電特性

為了進一步分析和研究不同氣壓對110 kV電壓等級GIS實體缺陷局部放電特性的影響，做了0.1、0.2、0.3、0.4 MPa以及0.5 MPa充裝氣壓下，金屬尖端缺陷局部放電熄滅電壓、起始電壓以及基礎電壓的試驗。同時對這些不同起始電壓的尖端缺陷緩慢加壓，直到放電信號逐漸穩定，將不同充裝氣壓下的UHF譜圖記錄下來。

分析和研究金屬尖端缺陷放電特性與氣壓之間的關系可知，熄滅電壓和起始電壓十分接近，并且都會隨著氣壓的不斷升高而不斷增大。擊穿電壓則呈現出像駝峰一樣形狀的曲線，在0.2 MPa處擊穿電壓達到峰值，隨后開始逐漸下降。氣壓增高后，分子的密度增大，起暈后一些分子在電離的作用下，成為正離子，而密度相對較小時，這些正離子會逐漸擴散，形成一層空間電荷，相當于正電極的曲率半徑擴大。因此，這些正離子的存在可以使電場變得均勻[5]。但是如果分子的密度較高，這些正離子的擴散就會受到一定的阻礙，會在電暈層的頭部大量聚集，電暈層頭部的電場會有所增強，所以這時擊穿電壓呈現出下降的趨勢。

3 結 論

利用ANSYS仿真計算得出了110 kV電壓等級GIS實體正常運行下，金屬尖端缺陷和懸浮電位缺陷設計的參數。利用傳感器的不同安裝位置采集和測量了超高頻信號，將傳感器安裝在內部時，其測量的結果很少會受到環境噪聲的干擾，但是識別結果準確度較高；將傳感器安裝在外部，在測量和使用上比較便捷。不管是將傳感器安裝在何種位置，對所測得的信號特性并不會造成明顯的影響。此外，對金屬尖端缺陷與氣壓的關系進行試驗可知，在氣壓不斷升高的情況下，間隙起始電壓和熄滅電壓比較接近，并且隨之增高，而擊穿電壓則呈現出駝峰形曲線。