六氟化硫氛圍針—板電極尖端放電演化特征分析

李平 鄒長林 陳兆權

摘要：為研究SF6氣體絕緣設備在尖端缺陷下局部放電演化特征，模擬GIS中可能出現(xiàn)的尖端缺陷。采用脈沖電流法測量了尖端放電脈沖序列，同時利用局部放電檢測儀測得放電的PRPD譜圖，分析了SF6氣體中尖端放電的演化特征。為進一步確定GIS中尖端放電的發(fā)展過程及危險度，采用內外置特高頻傳感器采集到局部放電的特高頻電磁波信號，獲取了放電PRPD譜圖，分析了尖端放電演化過程。結果表明，隨外施電壓增加，尖端放電的正半周幅值明顯高于負半周，正、負半周的上升沿和下降沿放電量隨外施電壓增大而增大。當GIS內存在尖端缺陷時，在外施電壓遠低于GIS正常運行電壓時就已經發(fā)生放電，且放電結果和實驗室模型中結果一致。因此，可以考慮采用實驗室模型來研究220kV GIS中尖端局部放電發(fā)展過程。

關鍵詞：SF6；尖端放電；脈沖電流法；特高頻法；PRPD譜圖

中圖分類號： TM561文獻標志碼：A文章編號：1672-1098（2017）04-0012-07

Abstract：To investigate evolution characteristics of partial discharge caused by protrusion in SF6 gas insulated switchgear， a point discharge model was set up on the experiment platform， which was used to simulate the possible protrusion defects in GIS. The pulse sequence of protrusion discharge was measured with the pulse current method. At the same time， with the help of partial discharge detector， the PRPD spectrum diagrams were obtained. The evolution characteristics of point discharge in SF6 were analyzed. In order to identify the risk and developing process of point discharge in GIS， the inner and outer ultrahigh frequency （UHF） sensor were adopted to detect the UHF electromagnetic wave signal， and the PRPD spectra diagrams were also obtained. The results show that the positive half cycle amplitude of protrusion discharge was obviously higher than that of the negative half cycle with the increase of applied voltage. The discharge amplitude about rising and falling part of the positive and negative half cycle increased with the applied voltage increasing. When the protrusion defect exists in GIS， discharge would occur even if the applied voltage was far lower than the operating voltage. And the results were the same as that in laboratory. Accordingly， the experimental model in laboratory can be used to study the process of protrusion discharge in 220kV GIS.

Key words：SF6； Protrusion discharge； Pulse current method； Ultra high frequency； PRPD spectra diagram

SF6氣體因其優(yōu)越的絕緣性能和滅弧特性廣泛應用于多種高壓電力設備[1]，在現(xiàn)代電力行業(yè)SF6氣體滅弧的斷路器得到了廣泛的應用。SF6氣體絕緣設備（Gas Insulated Switchgear，GIS）結構緊湊、運行可靠性高、維護周期長，與常規(guī)變電站相比，相同電壓等級下GIS占地面積更小。隨著GIS在電力系統(tǒng)的廣泛應用，其電壓等級越來越高，一旦GIS發(fā)生故障，會嚴重威脅電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，造成供電間斷。因此，需要對GIS運行狀況進行有效監(jiān)測和評估。運行經驗及故障分析表明，GIS在生產、安裝過程中會不可避免地帶來金屬尖端、自由微粒等，這些缺陷會畸變GIS內部的電場，使GIS內某些部位電場強度增大，甚至超過SF6氣體的耐電強度，導致局部放電的發(fā)生[2-4]。局部放電持續(xù)存在和發(fā)展會使GIS內部絕緣進一步劣化，導致設備發(fā)生更嚴重的故障。同時，局部放電也為診斷設備缺陷或故障提供了有用的檢測信號，用于評估設備絕緣狀態(tài)。因此，研究分析GIS內部缺陷導致的局部放電演化特征并評估局部放電的危險度十分必要。

目前用于局部放電測量的方法有脈沖電流法[5-6]、超聲波法[7-8]、特高頻法[9-10]等。脈沖電流法是唯一具有國際標準（IEC60207）的局部放電檢測方法。該方法最早由英國電氣協(xié)會提出，通過在耦合電容側的檢測阻抗上測量脈沖電流，可以獲得局部放電的視在放電量、放電相位等信息。脈沖電流法主要采集局部放電中較低頻段的信號，可以有效避免無線電干擾，并能檢測突變信號。但是在測量時需要通過電容的耦合將局部放電轉換成電壓信號，所以在測量過程中易受到電磁環(huán)境的影響。此外，由于測量頻帶窄、頻率較低，提取的放電信息不夠豐富。針對脈沖電流法的不足之處，文獻[10]采用更高檢測頻帶的測量阻抗（30MHz左右）測量了局部放電的脈沖電流信號，有效地分離了噪聲和放電信號。之后還有學者采用極性鑒別方式對變壓器局部放電信號和噪聲進行了有效地分離[11]。

局部放電的特高頻法最早由文獻[12]提出，并首先應用于英國Torness及Hutton變電站的420kV GIS設備的局放檢測，對不同缺陷類型的頻譜特性進行了研究，并成功定位了局部放電來源。文獻[13]和[14]對用于GIS局部放電檢測的特高頻傳感器進行系統(tǒng)研究，分析了GIS內缺陷類型、位置、尺寸、脈沖形狀等因素對特高頻信號的影響，研究了特高頻電磁波在GIS腔體內波導模式及其傳播特性。此外，文獻[15-18]在特高頻傳感器性能校驗、典型缺陷UHF局放特性、模式識別及現(xiàn)場應用方面開展了廣泛的研究。近年來，特高頻法因抗干擾性好、靈敏度高、可實現(xiàn)放電源定位等優(yōu)點，得到了國內外同行的普遍認可，在電力設備絕緣缺陷和故障診斷中引起了一定的重視。

本文設計了SF6中尖端缺陷實驗模型，采用脈沖電流法測量了尖端放電信號，分析了放電演化特征。采集特高頻法測量了220kV GIS中心導體尖端缺陷放電信號，評估了尖端放電的危險度，對實際檢測和現(xiàn)場故障診斷具有借鑒意義。

1實驗室模型下實驗方案

1.1尖端放電模型的制備

實驗采用針-板電極來模擬尖端放電，如圖1所示。設備中所加SF6壓強為0.4MPa。針尖到板電極的距離為5mm，針尖為光滑無毛刺的針尖，板電極為光滑平整的銅板電極，直徑為80mm。脈沖電流法可以檢測局部放電過程中轉移的電荷量，而且有統(tǒng)一的判定標準，所以實驗室模型中采用脈沖電流法來檢測局部放電。

1.2脈沖電流法局部放電檢測系統(tǒng)

實驗電路如圖2所示。試驗中采用交流試驗變壓器，其額定參數(shù)如下：額定容量為SN =10kVA，額定電壓為UN=100kV，輸出電流為IN=100mA，在額定電壓下局放量q<5pC。交流變壓器輸出需要通過無局放低通濾波器濾除電源電流中的諧波，分壓變比為1 000∶ 1。

為了在示波器中顯示實驗中的電流，在示波器的電流通道中接入了50Ω的電阻。試驗中采用的示波器為DPO5204B，頻帶寬度2.0GHz，采樣頻率最高可達10.0GS/s。同時，局部放電測量系統(tǒng)采用PDCheck系統(tǒng)，該測量系統(tǒng)具有采集局部放電PRPD圖譜、單個脈沖波形、分析放電相位等多種功能。

1.3實驗具體實施步驟

本實驗測量SF6氣體氛圍中尖端缺陷模型在不同電壓下的局部放電特性，包括采用示波器測量尖端缺陷模型的起始放電電壓、局部放電脈沖序列，采用PD check局放檢測儀測量PRPD譜圖。實驗具體流程如下：

1） 采用階梯升壓法施加電壓，在不同外施電壓下，利用示波器采集并記錄局部放電脈沖序列；

2） 針對不同的外施電壓，利用局放檢測儀來采集局部放電的PRPD譜圖。

2220kV GIS尖端放電實驗方案

2.1GIS試驗模型

在220kV GIS內建立尖端缺陷模型，如圖3所示，尖端缺陷位于中心導體處。試驗中采用特高頻法檢測尖端缺陷的局部放電信號。設置內置特高頻傳感器S1，外置特高頻傳感器S2、S3、S4，用于檢測尖端局部放電產生的特高頻電磁波信號。GIS腔體內充滿0.5MPa的SF6氣體。

2.2220kV GIS尖端放電試驗步驟

在220kV GIS中心導體處設置尖端，模擬GIS實際運行中可能出現(xiàn)的尖端缺陷。試驗具體步驟如下：

1） 將內外置傳感器同時接至局部放電檢測儀的不同通道，根據(jù)PRPD譜圖判斷是否有局部放電產生；

2） 若PRPD譜圖顯示某處發(fā)生局部放電，將內外置傳感器接至示波器不同通道，測試局部放電的脈沖序列。

3實驗結果

3.1實驗室模型SF6氣體中尖端放電實驗結果

1）尖端放電的脈沖序列

尖端放電是最常見的一種放電類型，本文通過實驗，對尖端放電的形成和發(fā)展過程進行了研究。在不同的外加電壓下，通過示波器獲得了尖端放電的脈沖序列。通過脈沖序列分析，可以得到尖端放電從產生到擊穿過程中的發(fā)展過程。圖4為示波器檢測到的不同外施電壓下的放電波形。

從圖4可知，隨著電壓的增加，放電幅值和放電次數(shù)都在增加，并且正半周放電量幅值要明顯大于負半周。如圖4（a）所示，外施電壓為14.5kV時，局部放電主要是在交流電壓峰值，隨著電壓升高到18.0kV，局放脈沖序列特性發(fā)生變化，表現(xiàn)為峰值附近放電量小于峰值兩側放電量，且放電次數(shù)和脈沖電流幅值增加。

2）尖端放電的PRPD譜圖

在實驗過程中，用局部放電檢測儀測量了不同外施電壓下試品局放的PRPD譜圖，每個譜圖中都包含著多次放電的數(shù)據(jù)信息，直觀的反映出不同相位下的放電次數(shù)和放電密度。通過PRPD譜圖，可以更好地反映出局部放電的特點。

由圖5可知，在較低電壓（9.0kV）下，放電主要集中在負半周的峰值附近；當電壓增加到14.5kV時，正極性外施電壓下出現(xiàn)局部放電，且大于負放電量，主要集中交流電壓正負半周的峰值附近，成“單駝峰”狀，正、負半周分別關于和對稱。整個放電過程中，正半周的放電幅值明顯的高于負半周，其原因是當針尖具有正極性時，會在其頭部形成流注。由于流注等離子體帶有正電荷，又促使產生新的電子崩，使放電逐漸向負極推進。而當針尖是負極性時，容易產生電暈，如圖5（a）所示。但之后負半周放電明顯要弱于正半周，原因是負半周的電子崩會在針尖周圍形成電子層，相當于增大了針尖的直徑，放電不易發(fā)生。隨著電壓的增加，正負半周放電量與放電次數(shù)均呈現(xiàn)增加的趨勢，如圖5（b）、圖5（c）所示，負半周要明顯弱于正半周。當施加電壓達到22.9kV時，正半周上升沿與下降沿處放電量加大，且大于處放電量，如圖5（d）所示，這與上述放電波形分析呈現(xiàn)相同的規(guī)律，主要是由于空間電荷的影響。

3.2220kV GIS中尖端放電實驗結果

在220kV GIS腔體內設置尖端缺陷，采用特高頻法測量了不同外施電壓下尖端放電發(fā)展過程，用局部放電檢測儀記錄了尖端放電的PRPD譜圖。

圖6所示為220kV GIS在不同外施電壓下，尖端放電的PRPD譜圖。當外施電壓比較低時，尖端局部場強高將首先發(fā)生電暈放電，并出現(xiàn)在外施正弦電壓的負半周，如圖6（a）所示。這是由極不均勻電場的極性效應所導致的。隨外施電壓逐漸升高，外施電壓的正半周也出現(xiàn)局部放電，且主要集中在外施電壓的峰值處附近，如圖6（b）所示。從圖6可以看出，隨著外施電壓的升高，正極性的放電峰值逐漸超過負極性放電，如圖6（c）、圖6（d）所示，而外施電壓過高，正半周放電由集中在峰值處轉移至集中在正半周峰值處附近的上升沿和下降沿，如圖6（e）、圖6（f）所示，這可以用如圖7所示的尖端放電模型來解釋。當尖端具有正極性時，尖端局部場強很高，將首先在尖端處發(fā)展起來電子崩，電子崩中的電子迅速消失于正極性的尖端，正離子因質量大移動速度慢遺留在尖端附近，正離子大大加強了和負極板之間的電場，引起光電離，在正離子和陰極板之間發(fā)展起流注，由于流注頭部集中大量的正離子，大大加強流注通道前方的電場，因此放電容易發(fā)展。而當尖端具有負極性時，放電仍然從曲率半徑小的尖端開始，在尖端附近發(fā)展起電子崩，電子移動速度快將迅速離開尖端移向正極板，正離子移動速度慢而遺留在尖端附近，正空間電荷大大加強了尖端附近的電場，而削弱了和正極板之間的電場，因此尖端附近會產生強烈的電暈放電，但不易向正極板發(fā)展。當外施電壓繼續(xù)升高時，在電壓上升沿處電場即可激發(fā)放電，隨著正空間電荷的擴散，尖端處電場降低，因此電壓峰值時放電反而減弱，隨著正離子的進一步擴散，尖端處電場逐漸恢復，在下降沿處重新激發(fā)放電，使放電主要集中在正半周峰值處的上升沿和下降沿。

對比圖5和圖6可以發(fā)現(xiàn)，實驗室模型中的實驗結果和220kV GIS中實驗結果一致。因此，可以采用實驗室模型來研究220kV GIS中尖端局部放電的發(fā)展過程。當220kV GIS中存在尖端缺陷時，在外施電壓遠遠低于GIS正常工作電壓時就發(fā)生放電，并且隨外施電壓逐漸升高，放電越來越強烈，這對于GIS的正常工作是極為不利的。因此，在GIS在投入運行時，應對GIS進行全方位的測試，一旦發(fā)現(xiàn)局部放電，應立即進行排查，準確定位出局部放電源的位置，并及時處理。

4結論

1） 采用脈沖電流法測量了實驗室尖端放電模型中放電脈沖序列和放電的PRPD譜圖，隨外施電壓增加，正半周幅值明顯高于負半周。外施電壓繼續(xù)增加，正半周的上升沿和下降沿放電量增大，高于正半周峰值處的放電，空間電荷起主要作用。

2） 采用特高頻法測量了220kV GIS中尖端放電的PRPD譜圖，當GIS內存在尖端缺陷時，在外施電壓遠低于GIS正常運行電壓時就已經發(fā)生放電，并隨外施電壓增加，放電逐漸加強，實驗結果和采用脈沖電流法的實驗室模型中結果一致。因此，可以采用實驗室模型來研究220kV GIS中尖端局部放電的發(fā)展演化過程。

參考文獻：

[1]唐炬，胡瑤，姚強，等.不同氣壓下SF6的局部放電分解特性[J].高電壓技術，2014，40（8）： 2 257-2 263.

[2]肖燕，郁惟鏞.GIS中局部放電在線監(jiān)測研究的現(xiàn)狀與展望[J].高電壓技術，2005， 31（1）： 47-50.

[3]成永紅，謝小軍，陳玉，等.氣體絕緣系統(tǒng)中典型缺陷的超寬頻帶放電信號的分形分析[J].中國電機工程學報，2004， 24（8）： 99-102.

[4]任重.典型SF6氣體絕緣缺陷局部放電脈沖的Gabor 特征識別[J].高壓電器，2015， 51（12）： 142-148.

[5]李繼勝，趙學風，楊景剛，等.GIS典型缺陷局部放電測量與分析[J].高電壓技術，2009，35（10）：2 440-2 445.

[6]劉少輝.GIS局放脈沖電流和UHF信號的聯(lián)合定位[J].高壓電器，2015， 51（12）： 126-129.

[7]李德軍，沈威，郭志強.GIS 局部放電常規(guī)檢測和超聲波檢測方法的應用比較[J].高壓電器，2009， 45（3）： 99-103.[8]陳敏，陳雋，劉常穎，等.GIS超聲波、超高頻局部放電檢測方法適用性研究與現(xiàn)場應用[J].高壓電器，2015， 51（8）： 186-191.

[9]丁登偉，高文勝，劉衛(wèi)東.GIS中局部放電特高頻信號與放電嚴重程度的關聯(lián)分析[J].高壓電器，2014， 50（9）： 6-11.

[10]李信.GIS局部放電特高頻檢測技術的研究[D].北京：華北電力大學，2005.

[11]李軍浩，韓旭濤，劉澤輝，等.電氣設備局部放電檢測技術述評[J].高電壓技術，2015， 41（8）： 2 583-2 601.

[12]B F HAMPTON， R J MEATS. Diagnostic measurements at UHF in gas insulated substations [J]. IEE Proceedings， 1988， 35 （2）： 137-144.

[13]M D JUDD，O FARISH，B F HAMPTON.Broadband couplers for UHF detection of partial discharge in gas-insulated substations [J]. IEE Proceedings-Science， Measurement and Technology，1995，142（3）：237-243.

[14]M D JUDD， O FARISH， B F HAMPTON. The Excitation of UHF Signals by Partial Discharges in GIS [J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation， 1996， 3 （2）： 213-228.

[15]S OKABE，G UETA，H HAMA，et al. New Aspects of UHF PD Diagnostics on Gas-insulated Systems [J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation， 2014， 21 （5）： 2 245-2 258.

[16]S OKABE， T YAMAGIWA， H OKUBO. Detection of Harmful Metallic Particles inside Gas Insulated Switchgear Using UHF Sensor [J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation， 2008， 15 （3）： 701-709.

[17]S TENBOHLEN， D DENISSOV， S M HOEK， et al. Partial Discharge Measurement in the Ultra High Frequency （UHF） Range [J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation， 2008，15（6）：1 544-1 552.

[18]J Y KOO， S Y JUNG， C H RYU， et al. Identification of insulation defects in gas-insulated switchgear by chaotic analysis of partial discharge [J]. IET Science Measurement and Technology，2010，4（3）：115-124.

（責任編輯：李麗，編輯：丁寒）