GIS中金屬微粒誘發沿面局部放電發展過程的研究

陳予倫,常丁戈,楊鼎革,張冠軍

(1. 電力設備電氣絕緣國家重點實驗室(西安交通大學),陜西 西安 710049；2. 國網陜西省電力公司電力科學研究院,陜西 西安 710199)

0 引言

氣體絕緣全封閉組合電器(gas insulated switch,GIS)是全部或部分采用SF6為絕緣介質的金屬封閉開關設備,其將斷路器、隔離開關、電流互感器等元件封閉于金屬外殼內以實現高壓導體的可靠絕緣,具有占地面積小、不受外界環境影響、運行可靠性高等優點,因此也被稱為氣體絕緣變電站[1—3]。然而,當電場不均勻度較高時,SF6氣體的絕緣強度會嚴重下降,根據國網運檢部近年來記錄的大量GIS故障案例,發現多數故障的起因可歸結于金屬微粒引起GIS電場畸變[4]。

GIS中的金屬微粒在電場力的作用下會啟舉并向盆式絕緣子靠近,經過一段時間的作用后,金屬微粒會附著在絕緣子表面并聚集在絕緣子與電極的結合點[4],進而誘發GIS設備的絕緣擊穿,造成大面積停電事故,帶來社會經濟效益的損失。

近年來,國內外對GIS設備中絕緣子表面固定金屬微粒引起的沿面放電進行了很多研究。文獻[5]利用220 kV GIS設備沿面放電缺陷發展實驗平臺研究了絕緣子表面固定金屬微顆粒沿面局部放電發展的現象及特征,研究表明其局部放電發展現象呈現出3個階段。文獻[6]通過模擬GIS金屬微粒附著在絕緣子表面時的電場強度,估算其局部放電起始電壓。文獻[7]通過研究固定在絕緣子表面的金屬微粒,確定了絕緣子表面上影響微粒誘導閃絡發生的關鍵部位。先前針對GIS盆式絕緣子沿面放電的發展特性已存在大量的研究,然而在實際的工況運行條件下,金屬微粒誘發GIS盆式絕緣子沿面放電的過程難以觀測,也有觀點認為GIS絕緣子沿面閃絡具有“無征兆閃絡”特征,但缺乏充分的實驗依據[8—11]。由此可見,目前對于GIS盆式絕緣子表面金屬微粒誘發沿面放電過程這一課題還缺乏觀測和表征的深入研究[12—15]。

為此,文中根據GIS實際運行條件,搭建了GIS模擬實驗平臺,設計了GIS中盆式絕緣子表面的金屬微粒缺陷,并利用增強型電荷耦合檢測器相機(intensified charge-coupled detector,ICCD)觀測到了GIS盆式絕緣子表面金屬微粒缺陷誘發沿面放電的過程,揭示了其放電發展的特性,為GIS絕緣子沿面放電發展的研究提供了依據。

1 GIS模擬實驗平臺搭建及實驗分析方法

1.1 GIS模擬實驗平臺的搭建

為了更加細致地觀測GIS絕緣子表面金屬微粒局部放電演變過程并分析其演變特性,根據GIS實際運行工況,搭建如圖1所示的GIS模擬實驗平臺,主要包括鎧裝工頻實驗變壓器、測試單元和測量系統。鎧裝工頻實驗變壓器最高施加電壓100 kV。測試單元為盆式絕緣子,該絕緣子是以220 kV GIS的盆式絕緣子為基準成比例縮小設計制成,具有清晰直觀且便于操作的優點。測量系統由脈沖電流檢測裝置、ICCD和相應的信號采集系統組成。實驗時,密封腔內充入SF6氣體,在正對測試單元的位置設置玻璃觀察窗,并架設ICCD設備,用于記錄金屬微粒沿面放電的演變過程。

圖1 GIS模擬實驗平臺Fig.1 Simulation experiment platform of GIS

1.2 放電缺陷模型

實際GIS中金屬微粒的主要來源是螺絲旋鈕和觸頭摩擦產生的金屬屑,其尺寸通常不會超過厘米級,且金屬微粒長度小于5 mm時,各類測量方法都難以檢測到其額定電壓下的放電脈沖[16]。由此,以一個長度7.5 mm,直徑1 mm的線形金屬微粒為研究對象,將其固定在垂直于水平面的盆式絕緣子表面,如圖2所示,以模擬工程上常見的附著在絕緣子表面的金屬微粒缺陷。

圖2 盆式絕緣子金屬微粒缺陷模型Fig.2 Metallic particle on basin insulator model

1.3 實驗方法

文中旨在以局部放電譜圖的發展趨勢分析金屬微粒局部放電的發展過程,因此選擇抗外界干擾能力強、測量結果較為顯著的脈沖電流法測量金屬微粒的局部放電。測量儀器選用意大利Techimp公司的PDcheck,其可將所在支路的耦合電流信號轉換為電壓信號并通過羅氏線圈的感應得到信號的相位信息。同步相位信息的相位誤差采用針尖缺陷在放電譜圖上的極性效應進行校準,通過設置典型的針尖缺陷,多次測量其局部放電相位分辨譜圖(phase resolved pulse discharge,PRPD),計算每個譜圖下針尖缺陷理論相位與實際相位的偏差并取平均值,最終得到實驗條件下的相位誤差為-99.5°。

ICCD相機選用型號為Andor iStar DH334T。如圖1所示,ICCD相機正對實驗腔體的觀察窗,用于拍攝記錄實驗過程中金屬微粒在絕緣子上的沿面放電過程。ICCD的拍照觸發端連接示波器的外觸發端口,以示波器測得的局放脈沖電流波形觸發拍照,使攝像系統能夠實時記錄金屬微粒的局部放電過程。

選擇階梯升壓法對所述盆式絕緣子缺陷模型進行加壓。實驗前已確保環境噪聲信號被觸發電平過濾。當電壓升高至17.5 kV時,出現了穩定且微弱的局部放電信號,故以17.5 kV為局部放電起始電壓。預實驗表明,當外施電壓的步長處于10.3～11.5 kV時,局部放電信號強度的階段性較為明顯,因此選取10.9 kV為步長逐步升高電壓,各放電階段電壓持續作用時間為1 h。實驗發現：當電壓升高至61.1 kV時,該階段仍能穩定放電；當電壓升高至66.7 kV時,盆式絕緣子沿面閃絡。因此文中選擇61.1 kV為最高實驗電壓,實驗分為5個加壓階段,所加電壓如圖3所示。

圖3 實驗加壓方式Fig.3 Experimental voltage and duration

2 局部放電發展過程與特征參數分析

2.1 放電譜圖分析

文中給出了不同階段電壓下盆式絕緣子金屬微粒PRPD譜圖及該階段下對應的發光譜圖,具體如圖4所示。

圖4 各階段下的PRPD譜圖及其發光譜圖Fig.4 PRPD and its emission spectrums of each stage

第一實驗階段。當電壓升至17.5 kV時,檢測到負半周開始出現微弱且不穩定的放電信號,由圖4(a)可知,放電點主要散布在270°且放電幅值最大不超過5 mV。在此階段,盆式絕緣子上的固定金屬微粒端部穩定發出微弱的光,如圖4(b)所示,呈現電暈放電為主的特征。

第二實驗階段,電壓升至28.4 kV,此時放電點仍散布在負半周約270°處,幅值仍不超過5 mV,如圖4(c)所示,可以看出此時放電比先前更加密集且局部放電相位寬度也有明顯增大。如圖4(d)所示,第二階段金屬微粒的發光出現向下延伸的趨勢。在該實驗階段下仍呈現以電暈放電為主的特征,同時也出現了向沿面流注放電發展的趨勢。

第三實驗階段,電壓升至39.3 kV,此時正半周開始少量放電,放電幅值微小,負半周放電較前一階段無明顯變化,放電點仍散布在負半周約270°處,放電幅值逼近5 mV,可以看出負半周逐漸開始穩定放電,如圖4(e)所示。此時局部放電已初步發展成了明顯的放電通道,如圖4(f)所示。在該實驗階段中電暈放電和沿面流注放電并存,放電已從先前的電暈放電主導轉變成沿面流注放電為主導。

第四實驗階段,隨著外施電壓的不斷增大,局部放電相位譜圖正半周開始大量放電,局部放電相位寬度顯著增大,放電幅值也出現明顯增大,放電點集中在7～12 mV區間,如圖4(g)所示,且負半周的局部放電相位寬度也較前一階段有所增長,放電幅值仍穩定在5 mV左右。從該階段的發光譜圖4(h)可以看出,此時放電通道進一步增長,發光強度較先前有所增大,且放電通道中出現了微小的分支。在該實驗階段中,局部放電正在以流注放電的形式沿環氧絕緣表面不斷發展。

第五實驗階段,電壓逐漸升至61.1 kV,局部放電相位譜圖正負半周放電強度激增,幅值達到20 mV,正負半周放電譜圖均呈峰狀,如圖4(i)所示。此時貫穿性放電通道已初步形成,盆式絕緣子已臨近沿面閃絡,如圖4(j)所示。此實驗階段對應盆式絕緣子表面固定金屬微粒沿面局部放電發展的后期階段,主要呈現以沿面流注放電為主的放電特征。

2.2 局部放電特征參數變化及分析

對每個實驗階段,取15 min為電壓施加時間進行局部放電信號特征量的統計,得到整個加壓實驗中各個階段內的局部放電次數、最大放電幅值、平均放電幅值以及局部放電相位寬度,如圖5所示。

圖5 局部放電特征參數Fig.5 The characteristic parameters of PD

由圖5可知,第一實驗階段只有極少的放電次數,最大放電幅值和平均放電幅值均呈持續增長態勢,局部放電相位寬度也有些許增長,最大相位寬度不超過50°。

第二實驗階段各特征參量都持續增長,且增幅微小,其中局部放電相位寬度較前一階段出現略微下跌,可能原因為該階段噪聲干擾變小,放電點則顯得更加集中。

第三實驗階段下,放電次數增幅顯著,階段末尾又出現些許減少。最大放電幅值和平均放電幅值的增長趨勢均與上一階段相似,局部放電相位寬度呈先突增后趨于平緩的增長態勢。

在第四實驗階段中,各個特征量都有進一步增長,其中最大放電幅值、平均放電幅值以及局部放電相位寬度增幅明顯,局部放電次數呈現先減小后持續增加的態勢。最大放電幅值先突增后趨于平穩,平均放電幅值和局部放電相位寬度皆出現了先突增后上下浮動的變化趨勢。

在第五實驗階段中,局部放電次數、最大放電幅值和平均放電幅值皆有極大增幅,說明此時放電已發展至接近沿面閃絡但局部放電相位寬度仍承前趨于平穩。

3 局部放電發展過程分析

3.1 局部放電發展過程的階段劃分

上述提取的局部放電特征參量在不同階段都出現了不同的變化特征且都呈現總體上升趨勢,但可以發現在第二、第三和第四實驗階段中,各參量的變化趨勢并不完全一致,這為局部放電發展過程的劃分帶來不便。而K-Means聚類算法可通過不斷迭代使目標函數取得極小值,能夠使數據達到較好的分類效果,基于此可將這些特征參量進行更精確的聚類劃分[17—18],分析得出的聚類簇即對應GIS盆式絕緣子金屬微粒局部放電發展過程的不同階段,從而更好地評估其局部放電發展的嚴重程度。

運用K-Means聚類算法進行分析,具體步驟為：

(1) 將4個特征參量矩陣集合成一特征向量矩陣λ=[N15minVmaxVaveφm],其中N15min為局部放電次數；Vmax為最大放電幅值；Vave為平均放電幅值；φm為局部放電相位寬度。

(2) 利用K-Means算法對集合矩陣進行分析,得出n個聚類中心κ1,κ2,…,κn。

(3) 從特征向量矩陣λ中提取出待聚類分析的特征向量λ1,λ2,求取其和每個聚類中心的歐幾里得距離并借此將數據集劃分成n個簇。

(4) 重復上述過程,對數據集進行迭代直至聚類簇的劃分情況不再變動。

以局部放電相位寬度-平均放電幅值和局部放電次數-最大放電幅值為例進行聚類分析,所得結果如圖6所示?？梢奊IS盆式絕緣子局部放電發展過程被劃分為3個階段。

圖6 局部放電發展階段劃分Fig.6 Partition diagram of partial discharge development stage

3.2 局部放電發展特性

結合各階段下的局部放電強度與發光譜圖分析,可將GIS盆式絕緣子表面金屬微粒缺陷局部放電的發展過程劃分為3個階段：電暈放電階段,電暈放電與流注放電并存階段和流注放電階段。

(1) 放電初始階段。該階段對應第一、二實驗階段,以電暈放電為主導。在此階段下線形金屬微粒的端部使絕緣子表面的局部電場發生畸變,滿足電暈起始條件,初始放電微弱且不穩定,且此時并未形成明顯的放電通道。

(2) 放電發展階段。該階段主要對應第三、四實驗階段,該階段電暈放電和流注放電并存。此時絕緣子表面電場畸變達到一定程度,缺陷周圍的SF6氣體逐漸發生電離,產生的電子崩匯集漸漸形成流注放電通道,并不斷由缺陷處徑向延伸,即盆式絕緣子表面的爬電現象。

(3) 臨近閃絡階段。該階段主要對應第五實驗階段,電暈放電基本消失,放電特征主要呈現為流注放電。此時放電愈發劇烈,電子崩逐步向前累積,放電通道已延伸到了盆式絕緣子邊沿,同時熱電離產生的先導放電通道使貫穿性放電更易發生。

4 結論

文中基于脈沖電流法研究了GIS盆式絕緣子表面固定線形金屬微粒局部放電沿面發展過程,通過ICCD實時拍攝表征不同的放電發展階段,測量并提取局部放電相關參量,利用K-Means聚類算法進行階段劃分,所得結論如下：

(1) GIS盆式絕緣子金屬微粒缺陷局部放電發展過程具有較為顯著的階段性特征,可分為電暈放電階段,電暈放電與流注放電并存階段和流注放電階段。

(2) 金屬微粒的放電通道在盆式絕緣子上徑向發展,外施電壓達到一定程度后會在絕緣子上形成貫穿性放電。

(3) 利用聚類算法對提取出的數據集進行聚類簇的劃分,所得結果與實驗所得的放電過程劃分結果表現出一定的契合度。

通過上述方法能夠幫助把握GIS盆式絕緣子典型絕緣缺陷的局部放電發展過程,但對于局部放電發展狀況的預警仍需進一步研究。

本文得到國網陜西省電力公司科技項目(SGSNKY00SPJ-S-1-9-0-0-296)資助,謹此致謝！