GIS內(nèi)典型絕緣缺陷的局部放電信號(hào)超聲特性分析

楊景剛，賈勇勇，趙科，王存超，高山

（江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇南京211103）

GIS內(nèi)典型絕緣缺陷的局部放電信號(hào)超聲特性分析

楊景剛，賈勇勇，趙科，王存超，高山

（江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇南京211103）

為了研究組合電器（GIS）典型絕緣缺陷局部放電信號(hào)的超聲波特性，在一段110 kV GIS試驗(yàn)段上，設(shè)計(jì)和模擬了GIS中的母線金屬尖刺缺陷、筒壁金屬尖刺缺陷、懸浮電位缺陷、盆式絕緣子內(nèi)部氣泡缺陷、自由金屬顆粒缺陷等5種典型局部放電模型和鐵心電磁振動(dòng)模型，使用超聲波法對(duì)其放電和振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。結(jié)果表明，不同缺陷的局部放電或超聲信號(hào)在幅值、相位特征、相位分布（PRPD）譜圖特征等方面會(huì)呈現(xiàn)不同的特點(diǎn)，為缺陷的模式識(shí)別提供了試驗(yàn)依據(jù)。

組合電器；典型絕緣缺陷；局部放電；超聲波特征

組合電器（GIS）作為電力系統(tǒng)中運(yùn)行的重要設(shè)備，一旦發(fā)生故障，將會(huì)影響電力系統(tǒng)的正常供電，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和不良的社會(huì)影響，則GIS的運(yùn)行可靠性非常重要。由于GIS內(nèi)部的絕緣缺陷絕大多數(shù)是從局部放電發(fā)展而來，因此研究檢測(cè)局部放電是預(yù)防GIS絕緣故障的有效手段［1-4］。超聲波檢測(cè)法是國(guó)內(nèi)外研究GIS局部放電的熱點(diǎn)方法之一，該方法通過檢測(cè)局部放電超聲波信號(hào)來對(duì)GIS進(jìn)行診斷，消除干擾的影響，從而實(shí)現(xiàn)局部放電信號(hào)的精確提取，可以較全面地研究局部放電的本征特征［5］。本文在研究超聲波檢測(cè)法的基礎(chǔ)上，建立檢測(cè)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)制作GIS典型絕緣缺陷模型，最終獲得局部放電信息。

1　局部放電超聲波檢測(cè)

在GIS內(nèi)部發(fā)生局部放電時(shí)會(huì)產(chǎn)生電荷中和過程，相應(yīng)的會(huì)產(chǎn)生較陡的電流脈沖，電流脈沖的作用將使得局部放電發(fā)生的局部區(qū)域瞬間受熱而膨脹，形成一個(gè)類似爆炸的效果，放電結(jié)束后原來受熱而膨脹的區(qū)域恢復(fù)到原來的體積，這種由于局部放電產(chǎn)生的一漲一縮的體積變化引起了介質(zhì)的疏密瞬間變化，形成超聲波，從局部放電點(diǎn)以球面波的方式向四周傳播，因此當(dāng)發(fā)生局部放電時(shí)也伴隨著超聲波的產(chǎn)生；另一方面，超聲波檢測(cè)法還可以檢測(cè)運(yùn)動(dòng)顆粒產(chǎn)生的機(jī)械波，一般工程上應(yīng)用超聲波區(qū)分顆粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

由于超聲波法受電氣干擾小以及它在缺陷定位上的廣泛應(yīng)用，因此人們對(duì)超聲波法的研究比較深入，使用固定在GIS外殼上的超聲波傳感器接收缺陷局部放電、自由微粒運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的超聲波，由此來確定故障源的位置和劣化程度的應(yīng)用較為廣泛。關(guān)于GIS典型缺陷局部放電信號(hào)超聲波檢測(cè)法相關(guān)研究是國(guó)內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題，已取得一定的研究成果，如局部放電超聲波檢測(cè)技術(shù)研究和裝備研制等方面已取得長(zhǎng)足發(fā)展，市場(chǎng)上已有技術(shù)成熟的儀器設(shè)備。但關(guān)于GIS設(shè)備絕緣缺陷引發(fā)的局部放電超聲信號(hào)特征仍未獲得公認(rèn)的結(jié)論，制約了該技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。本文將超聲法和數(shù)字化測(cè)量?jī)烧呓Y(jié)合，旨在通過檢測(cè)典型局部放電模型放電或是自由顆粒跳動(dòng)的超聲波信號(hào)，經(jīng)數(shù)字化處理后，獲得各種譜圖和統(tǒng)計(jì)量，為進(jìn)一步研究不同缺陷類型的局放特征提供數(shù)據(jù)和試驗(yàn)依據(jù)。

2　典型缺陷與檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

GIS內(nèi)部發(fā)生故障的原因往往是多方面的，GIS在制造和組裝過程中，難免會(huì)留下一些微小缺陷。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，制作了高壓母線金屬尖刺突起、筒壁（地電位）金屬尖刺突起，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　GIS常見缺陷示意圖

根據(jù)參考文獻(xiàn)［6，7］，主要設(shè)計(jì)了5種GIS常見缺陷模型，包括高壓母線金屬尖刺、筒壁上的金屬尖刺、懸浮電位、絕緣子內(nèi)部氣隙及自由金屬顆粒等。其中金屬尖刺模型為長(zhǎng)度53 mm、尖端處等效曲率半徑100 μm的鋼針；金屬懸浮電位缺陷是通過聚乙烯絕緣螺桿將金屬鋁片固定在高壓母線上，2者相距一定距離（試驗(yàn)時(shí)分別使用1 mm，1.5 mm，2 mm和4 mm的間隙距離），絕緣螺桿可以用于調(diào)節(jié)懸浮鋁片與導(dǎo)桿的間隙距離；絕緣子內(nèi)部氣隙放電模型由三層環(huán)氧板粘接而成，上下兩層環(huán)氧板直徑為45 mm，厚2 mm，中間夾板帶有扁平氣泡缺陷，其尺寸為2 mm（厚度）× 2 mm（直徑），2 mm（厚度）×1 mm（直徑）等；而自由金屬微粒缺陷則是放置鋼制和鋁制的金屬小球，其直徑分別為1 mm，2 mm，3 mm不等。

GIS典型缺陷超聲信號(hào)的試驗(yàn)與測(cè)試系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。該系統(tǒng)主要由最大輸出電壓為250 kV的無(wú)局放交流試驗(yàn)變壓器、保護(hù)電阻Rz（水電阻）、耦合電容Ck（85 pF）、檢測(cè)阻抗（50 Ω）、C1和C0組成的分壓器、可進(jìn)行內(nèi)置缺陷更換的110 kV GIS試驗(yàn)段（Cx）、AIA超聲信號(hào)檢測(cè)儀和脈沖電流法檢測(cè)系統(tǒng)組成。脈沖電流法作為輔助手段，用于比較和確認(rèn)采集獲取的放電信號(hào)。試驗(yàn)時(shí)，將缺陷安裝在GIS腔體內(nèi)，試驗(yàn)時(shí)充0.45 MPa的SF6氣體。

圖2　測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3　缺陷局部放電特性

3.1母線金屬尖刺缺陷

由于加工或安裝等原因，GIS高壓母線上可能形成金屬突起，其尖刺部分容易形成強(qiáng)場(chǎng)強(qiáng)區(qū)，將周圍的氣體電離，產(chǎn)生局部放電，長(zhǎng)期作用會(huì)破壞GIS絕緣狀態(tài)［8］。試驗(yàn)時(shí)，電壓從低往高加，直至測(cè)量到穩(wěn)定的超聲信號(hào)，記錄其起始放電和強(qiáng)烈放電時(shí)的局部放電信號(hào)相位分布圖（PRPD），譜圖如圖3所示。

圖3　母線尖刺缺陷起始放電和放電強(qiáng)烈時(shí)的PRPD譜圖

從PRPD譜圖中發(fā)現(xiàn)該類型的放電可以分2個(gè)階段。電壓較低時(shí)，僅工頻負(fù)半周出現(xiàn)少量放電脈沖而正半周基本沒有放電，這是因?yàn)榧舛苏龢O性時(shí)，尖端附近電離出的正離子質(zhì)量較大，移動(dòng)緩慢而電子則很快向尖端移動(dòng)，這樣形成的反向電場(chǎng)削弱了尖端場(chǎng)強(qiáng)而等效使尖端半徑增大而不容易發(fā)生放電；相反工頻負(fù)半周時(shí)尖端為負(fù)極性，因電子質(zhì)量小移動(dòng)速度快而迅速向地電位移動(dòng)，正離子靠近尖端附近，則正離子對(duì)尖端與正板對(duì)尖的電場(chǎng)疊加而增大了尖端附近場(chǎng)強(qiáng)，從而容易先出現(xiàn)放電。電壓較高時(shí)，在工頻正半周時(shí)氣體電離很強(qiáng)烈，大量正離子向板靠近等效減小了尖板間距，不斷繼續(xù)電離而形成電子崩進(jìn)而形成流注放電，從而在正半周可能出現(xiàn)擊穿產(chǎn)生幅值較大的放電脈沖。這樣局部放電程度加劇，正半周也出現(xiàn)大量放電脈沖，而且正負(fù)半周放電脈沖均處于工頻相位正、負(fù)峰值附近。

3.2 GIS筒壁金屬尖刺缺陷

GIS筒壁直接與大地連接，但由于金屬尖刺的存在而使電場(chǎng)發(fā)生畸變，尖刺處的電場(chǎng)易使周圍的SF6氣體發(fā)生電離，進(jìn)而引發(fā)局部放電。該缺陷在現(xiàn)實(shí)GIS設(shè)備生產(chǎn)、安裝、運(yùn)輸過程中出現(xiàn)的概率較大，是一種較為常見的缺陷類型。試驗(yàn)時(shí)，外施電壓從低往高加，記錄起始放電和強(qiáng)烈放電的PRPD譜圖如圖4所示。

圖4　簡(jiǎn)壁尖刺缺陷起始放電和放電強(qiáng)烈時(shí)的PRPD譜圖

由圖4可看出起始放電時(shí)信號(hào)主要集中在正半周峰值附近，隨著電壓繼續(xù)升高，放電量和放電次數(shù)繼續(xù)增大，而負(fù)半周也出現(xiàn)一些放電脈沖，相位集中在270°附近。由此可見，當(dāng)金屬尖刺所處位置不同時(shí)，其引發(fā)的局部放電PRPD譜圖會(huì)因?yàn)闃O性效應(yīng)而呈現(xiàn)不同特性，在電壓較低時(shí)，相位譜圖呈單峰形態(tài)，在電壓較高時(shí)，2種放電的相位譜圖為雙峰模式，但信號(hào)幅值和信號(hào)密度分布有區(qū)別。

3.3GIS內(nèi)置懸浮電位缺陷

在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，懸浮電極間隙距離的大小對(duì)放電起始電壓和放電重復(fù)率有較明顯的影響，但對(duì)放電譜圖特性則影響不大，因此本文僅對(duì)間隙距離為2 mm的缺陷模型放電數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。與尖刺產(chǎn)生的氣體電離性質(zhì)的放電不同，懸浮電位缺陷所引起的局部放電具有局部擊穿性質(zhì)。因?yàn)閼腋‰娢惑w與高壓母線形成一個(gè)電容，當(dāng)該等效電容兩端的電壓超過其耐受電壓時(shí)，高壓母線與懸浮電極之間的間隙就被擊穿，發(fā)生局部放電。當(dāng)外施電壓較高時(shí)，缺陷在一個(gè)工頻周期內(nèi)可能發(fā)生多次充電放電過程，出現(xiàn)多次擊穿的現(xiàn)象。記錄起始放電和強(qiáng)烈放電時(shí)的PRPD譜圖如圖5所示（強(qiáng)烈放電時(shí)信號(hào)幅值較大，故記錄到的為經(jīng)過衰減后的信號(hào)，但相位特征未發(fā)生改變）。

該類缺陷引發(fā)的局部放電主要集中在電源電壓的下降沿附近，隨著電壓的繼續(xù)升高，相位出現(xiàn)向過零點(diǎn)漂移的現(xiàn)象，且出現(xiàn)多次放電—熄滅—放電的現(xiàn)象。這是因?yàn)樵谳^低電壓下，懸浮體感應(yīng)電壓較低，還不足以使得懸浮體與電極之間的間隙擊穿，所以發(fā)生類似于電暈放電的現(xiàn)象，因此采集到的放電信號(hào)幅值較小，且集中在施加電壓峰值附近；電壓升高，懸浮體與高壓電極之間的電壓差足以擊穿SF6氣體間隙，因此放電信號(hào)幅值迅速上升，且放電信號(hào)譜圖沒有明顯的波峰，即各個(gè)放電信號(hào)幅值相差不大，且中心相位向零點(diǎn)漂移。

圖5　懸浮電位缺陷起始放電和放電強(qiáng)烈時(shí)的PRPD譜圖

3.4盆式絕緣子內(nèi)部氣泡缺陷

高壓電氣設(shè)備中固體電介質(zhì)承擔(dān)絕緣作用且還決定設(shè)備的機(jī)械強(qiáng)度，固體絕緣中氣隙（氣泡）是最常見的缺陷類型，當(dāng)固體絕緣材料介質(zhì)出現(xiàn)缺陷時(shí)會(huì)導(dǎo)致高壓設(shè)備內(nèi)部絕緣擊穿，引發(fā)嚴(yán)重的運(yùn)行事故。試驗(yàn)結(jié)果表明，氣泡尺寸大小對(duì)放電起始電壓及放電重復(fù)率的大小有一定的影響，但對(duì)放電信號(hào)特征的影響較小，因此本文選擇尺寸為2 mm（厚度）×1 mm（直徑）的氣泡試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

考慮到此類放電的分散性以及放電模式的時(shí)間累計(jì)性，試驗(yàn)中對(duì)樣品首先升壓至能采集到放電信號(hào)，然后穩(wěn)定此時(shí)施加的電壓10 min，然后逐級(jí)增大電壓，每一級(jí)電壓下均保持10 min左右以觀測(cè)放電現(xiàn)象。記錄起始放電和強(qiáng)烈放電時(shí)的PRPD譜圖如圖6所示。

圖6　內(nèi)部氣泡缺陷起始放電和放電強(qiáng)烈時(shí)的PRPD譜圖

PRPD譜圖呈現(xiàn)出明顯的“兔耳”現(xiàn)象（圖中圈中部分）。由于在施加電壓過零點(diǎn)附近氣隙外加電場(chǎng)極性的反轉(zhuǎn)，與氣隙內(nèi)部對(duì)偶極子場(chǎng)強(qiáng)同一方向，2個(gè)場(chǎng)強(qiáng)疊加導(dǎo)致氣隙內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)劇增，而使得放電劇烈，所以出現(xiàn)“兔耳”這樣信號(hào)較強(qiáng)的譜圖。

隨著施加電壓的升高，“兔耳”部分變得更明顯，氣隙放電的譜圖模式變化不大，一般認(rèn)為是隨著局部放電的進(jìn)行，缺陷氣隙內(nèi)的氣體分子不斷發(fā)生放電分解，產(chǎn)生CO2，H2O等電負(fù)性分子，這些分子一方面對(duì)氣隙內(nèi)的氣體放電發(fā)生影響，一方面同介質(zhì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，生成結(jié)晶狀物體附著在介質(zhì)表面，改變介質(zhì)表面的電導(dǎo)率。同時(shí)由于放電產(chǎn)生的分子和電子不斷轟擊介質(zhì)表面，致使介質(zhì)表面粗糙程度增加，對(duì)放電產(chǎn)生的空間電荷積聚產(chǎn)生影響，導(dǎo)致放電譜圖的變化。比較不同電壓下的譜圖還可以發(fā)現(xiàn)，隨著施加電壓的增加“兔耳”的相位也隨著拉寬。

3.5自由金屬顆粒缺陷

自由顆粒撞擊腔體和飛行中發(fā)生局部放電時(shí)都會(huì)產(chǎn)生超聲波，本文僅對(duì)微粒產(chǎn)生的局部放電進(jìn)行超聲波特性研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，金屬微粒的材質(zhì)、大小會(huì)影響微粒的跳動(dòng)的強(qiáng)烈程度，尺寸越小、材質(zhì)越輕跳動(dòng)越強(qiáng)烈，但一旦發(fā)生跳動(dòng)，其超聲波信號(hào)特征基本一致，因此本文選擇鋁制、直徑為2 mm的微粒試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。記錄到的起始放電時(shí)的PRPD譜圖和飛行圖（記錄微粒跳動(dòng)情況，圖中橫坐標(biāo)為微粒2次跳動(dòng)的時(shí)間間隔，縱軸為信號(hào)幅值）如圖7所示。

圖7　起始放電時(shí)的PRPD譜圖和飛行圖

起始放電時(shí)，信號(hào)主要集中在電源電壓的正峰附近，信號(hào)幅值較小，微粒的飛行跳動(dòng)不活躍，放電幅值與放電時(shí)間間隔之間的統(tǒng)計(jì)不相關(guān)性，在飛行圖上沒有明顯特征。這是因?yàn)樵陔妷翰桓邥r(shí)，金屬微粒未發(fā)生激烈跳動(dòng)，模型相當(dāng)于一個(gè)筒壁處金屬突起物缺陷模型，此時(shí)最先在電源正峰處出現(xiàn)放電信號(hào)。隨著外施電壓逐步升高，微粒逐步發(fā)生跳動(dòng)，放電越來越強(qiáng)烈，記錄到起始放電時(shí)的PRPD譜圖和飛行圖如圖8所示。

圖8　金屬微粒運(yùn)動(dòng)時(shí)的PRPD譜圖和飛行圖

自由微粒自由跳動(dòng)時(shí)的超聲波脈沖信號(hào)較均勻地分布在0～360°的相位周期上，試驗(yàn)中90%以上的測(cè)量有類似的結(jié)果，因此可以說，自由運(yùn)動(dòng)顆粒在自由跳動(dòng)時(shí)信號(hào)幅值大且無(wú)明顯的相位相關(guān)性是其一大特征。雖然顆粒撞擊外殼的時(shí)刻與工頻相位無(wú)關(guān)，但超聲信號(hào)幅值、飛行時(shí)間卻都表現(xiàn)出較強(qiáng)的周期性變化，飛行時(shí)間大約為20 ms。這是因?yàn)楫?dāng)顆粒與金屬外殼碰撞時(shí)，立刻得到新的電荷從而有一個(gè)向上的電荷力使其向上運(yùn)動(dòng)，如果忽略飛行中發(fā)生放電導(dǎo)致的電荷損失，奇數(shù)次半個(gè)工頻周期后顆粒將獲得反方向的電荷力，當(dāng)電荷力達(dá)到最大且和重力方向一致（指向地電極）時(shí)，撞擊的動(dòng)量達(dá)到極大，檢測(cè)到的超聲信號(hào)也達(dá)到極大，因此在飛行圖上體現(xiàn)出飛行時(shí)間與信號(hào)幅值的比較有規(guī)律的周期性變化特性。

3.6鐵心電磁振動(dòng)信號(hào)

由于鐵心飽和，TV，TA或變壓器等會(huì)產(chǎn)生電磁振動(dòng)信號(hào)。這些信號(hào)會(huì)對(duì)超聲波法檢測(cè)局部放電帶來干擾。本文主要從試驗(yàn)室檢測(cè)結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果入手，分析該類信號(hào)的超聲波特征。

（1）試驗(yàn)室模擬。傳感器通過實(shí)驗(yàn)變壓器外殼進(jìn)行測(cè)量變壓器內(nèi)部電磁振動(dòng)情況時(shí)PRPD譜圖、有效值和峰值周期序列圖和飛行模式圖如圖9所示。

圖9試驗(yàn)?zāi)M的PRPD譜圖和飛行圖

圖9顯示出與4倍頻電壓相關(guān)的峰值（“4峰”），這區(qū)別于背景噪聲、局部放電以及自由金屬顆粒。飛行模式則具有隨機(jī)分布的特性，無(wú)明顯的有規(guī)律的特征。

（2）現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)。2組實(shí)際測(cè)量變壓器電磁振動(dòng)情況得到的PRPD譜圖、有效值和峰值周期序列圖和飛行模式圖如圖10所示。

圖10現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的PRPD譜圖和飛行圖

圖10與圖9進(jìn)行對(duì)比，實(shí)測(cè)結(jié)果和試驗(yàn)室測(cè)量結(jié)果有所區(qū)別。但測(cè)量結(jié)果顯示，其共同點(diǎn)是PRPD譜圖呈現(xiàn)“多峰”現(xiàn)象，而試驗(yàn)室測(cè)量時(shí)額定電壓下PRPD譜圖呈現(xiàn)“4峰”，而實(shí)測(cè)結(jié)果額定電壓下為“8峰”，這是由于負(fù)荷不同，使鐵心飽和的程度有所不同，從而使電磁振動(dòng)信號(hào)呈現(xiàn)出不同現(xiàn)象。但飛行模式則具有相同的表征。

試驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果表明，由于鐵心飽和而引起的超聲信號(hào)其PRPD譜圖呈現(xiàn)“多峰”現(xiàn)象，在整個(gè)工頻周期內(nèi)均出現(xiàn)超聲信號(hào)，沒有特別明顯的相位特征，其飛行模式特征表明，飛行時(shí)間較短，約幾毫秒左右，有別于微粒缺陷特征。

3.7信號(hào)衰減特性

通過在GIS外殼上挪動(dòng)超聲波傳感器的位置，改變放電源與傳感器之間的距離，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，高壓導(dǎo)桿上發(fā)生電暈放電時(shí)，在放電源正對(duì)的腔體周圍20 cm之內(nèi)采集到的放電信號(hào)幅值均比較大，隨著傳感器與放電源距離的增大，幅值下降，當(dāng)距離達(dá)到約70 cm時(shí)，傳感器采集到的信號(hào)下降到噪聲水平，特別地如果經(jīng)過了絕緣子的阻擋，那么在絕緣子后采集不到放電信號(hào)，如圖11所示。

圖11　放電信號(hào)幅值隨檢測(cè)距離變化曲線

由于超聲波在SF6氣體中傳播時(shí)發(fā)生衰減，因此當(dāng)增大傳感器與放電源之間的距離時(shí)，超聲波強(qiáng)度衰減，采集到的信號(hào)幅值隨之減小。超聲波在絕緣子上發(fā)生部分反射，造成能量損失，更重要的是聲波在環(huán)氧材料內(nèi)的衰減非常大，因此隔著一個(gè)絕緣子很難采集到局部放電產(chǎn)生的超聲信號(hào)。

4　現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2010年3月，對(duì)某變電站220 kV GIS進(jìn)行局部放電帶電檢測(cè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)某間隔B相分支母線一絕緣盆子處存在較強(qiáng)的局部放電信號(hào)，檢測(cè)結(jié)果如圖12所示。

圖12　現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)到的局部放電信號(hào)

與本文研制的典型缺陷模型引發(fā)的局部放電信號(hào)特征進(jìn)行比對(duì)，發(fā)現(xiàn)該圖呈現(xiàn)出明顯的典型絕緣子內(nèi)部氣隙缺陷特征——“兔耳”現(xiàn)象，由此可判斷該處盆式絕緣子內(nèi)部存在內(nèi)部氣隙缺陷。隨后對(duì)該設(shè)備進(jìn)行了解體，并對(duì)該處盆式絕緣子進(jìn)行X光探傷，發(fā)現(xiàn)在其澆鑄口下部發(fā)現(xiàn)一條長(zhǎng)約150 mm、直徑約2 mm的氣泡，如圖13中方框所示。

圖13　絕緣子X光探傷圖

對(duì)其進(jìn)行解剖后，發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部存在明顯氣泡，進(jìn)一步驗(yàn)證了本文研制設(shè)計(jì)的典型缺陷模型與實(shí)際缺陷具有等效性，缺陷模型產(chǎn)生的局部放電特性可用于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果的判斷與GIS設(shè)備狀態(tài)評(píng)估。解體照片如圖14所示。

圖14　絕緣子解剖圖

5　結(jié)束語(yǔ)

通過本文研究，可得到以下GIS典型缺陷局部放電的超聲波信號(hào)特征：

（1）金屬尖刺缺陷。當(dāng)金屬尖刺所處位置不同時(shí)，其引發(fā)的局部放電PRPD譜圖會(huì)因?yàn)闃O性效應(yīng)而呈現(xiàn)不同特性，在電壓較低時(shí)，相位譜圖呈單峰形態(tài)，在電壓較高時(shí)，2種放電的相位譜圖為雙峰模式，但信號(hào)幅值和信號(hào)密度分布有區(qū)別.

（2）懸浮電位缺陷。局部放電主要集中在電源電壓的下降沿附近，隨著電壓繼續(xù)升高，相位出現(xiàn)向過零點(diǎn)漂移的現(xiàn)象，且出現(xiàn)多次放電—熄滅—放電的現(xiàn)象。

（3）絕緣子內(nèi)部氣泡缺陷。氣泡缺陷的最大特征是在正負(fù)半周上升沿處出現(xiàn)“兔耳”狀分布，并隨著電壓升高“兔耳”幅值增大、“兔耳”起始相位變小的趨勢(shì)。

（4）自由金屬顆粒缺陷。微粒未運(yùn)動(dòng)時(shí)，相當(dāng)于接地體上的尖刺缺陷，局部放電信號(hào)表現(xiàn)出尖刺局放特征；微粒運(yùn)動(dòng)時(shí)，缺陷放電發(fā)生在整個(gè)工頻周期內(nèi)，超聲信號(hào)幅值、飛行時(shí)間卻都表現(xiàn)出較強(qiáng)的周期性變化。

（5）鐵心電磁振動(dòng)信號(hào)。于鐵心飽和而引起的超聲信號(hào)其PRPD譜圖呈現(xiàn)“多峰”現(xiàn)象，在整個(gè)工頻周期內(nèi)均出現(xiàn)超聲信號(hào)，沒有特別明顯的相位特征。

（6）超聲信號(hào)衰減特性。在放電源正對(duì)的腔體周圍20 cm之內(nèi)采集到的放電信號(hào)幅值均比較大，隨著傳感器與放電源距離的增大，幅值下降，當(dāng)距離達(dá)到約70 cm時(shí)，傳感器采集到的信號(hào)下降到噪聲水平，特別地信號(hào)經(jīng)過絕緣子后將衰減到噪聲水平。

通過現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，證明本文設(shè)計(jì)缺陷模型和由此獲得的局部放電特性與實(shí)際缺陷具有一定的等效性，可用于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果的判斷與GIS設(shè)備狀態(tài)評(píng)估。由于GIS局部放電是一個(gè)復(fù)雜的過程，超聲波在傳播過程中遇到障礙會(huì)產(chǎn)生一系列的反射和折射，所以使用超聲波法檢測(cè)GIS內(nèi)部缺陷還需要深入的研究和探索。

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Analysis of Partial Discharge Ultrasonic Wave Characteristic of Typical Defects in GIS

YANG Jinggang，JIA Yongyong，ZHAO Ke，WANG Cunchao，GAO Shan
（Jiangsu Electric Power Company Electric Power Research Institute，Nanjing 211103，China）

For analyzing the partial discharge ultrasonic wave characteristic of typical defects in SF6gas insulation switchgear（GIS），a 110 kV GIS is taken as an object to design typical partial discharge models，namely point electrode model，floating electrode model，air interstice model in insulator and metal particle and iron core electromagnetic shock model for GIS. Experiments using ultrasonic method to detect PD signals for different defects thus have been implemented.The experimental results show that the ultrasonic signals of different defects have different characteristics in waveform，amplitude and phase resolved partial discharge chart，which is helpful in PD pattern recognition for GIS.

gas insulation switchgear（GIS）；typical defects；partial discharge；ultrasonic wave characteristic

TM51

A

1009-0665（2015）02-0010-05

2014-10-12；

2014-11-25

楊景剛（1984），男，陜西咸陽(yáng)人，工程師，從事變電設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)、全過程技術(shù)監(jiān)督工作；

賈勇勇（1986），男，江西九江人，工程師，從事開關(guān)類變電設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)工作；

趙科（1985），男，江蘇無(wú)錫人，工程師，從事開關(guān)類變電設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)工作；

王存超（1984），男，江蘇徐州人，工程師，從事開關(guān)類變電設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)工作。

高山（1974），男，江蘇鹽城人，高級(jí)工程師，從事變電設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)、全過程技術(shù)監(jiān)督工作。