基于GIS局部放電模擬裝置及評價方法的研究

(1.中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司 廣東 廣州 510220;2.廣州供電局有限公司電力試驗研究院 廣東 廣州 510410)

1 引言

GIS以其結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、安裝方便、受外界干擾少、檢修周期長等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于高壓輸變電系統(tǒng)中。然而GIS發(fā)生故障時，維修復(fù)雜，修復(fù)時間長，影響面積大，后果嚴(yán)重，其中以絕緣故障的比例為多[1-3]。局部放電信號包含了豐富的絕緣狀態(tài)信息，不僅能檢測到GIS制造與安裝過程中引入的缺陷，而且在線監(jiān)測過程中能夠及時發(fā)現(xiàn)絕緣故障，并能夠檢測出故障的嚴(yán)重程度，因此，局部放電測量是絕緣狀態(tài)監(jiān)測的重要手段[4-5]。

在電力系統(tǒng)中，局部放電檢測的方法主要有兩大類，一類是電測法，包括脈沖電流檢測法、超聲波檢測法、高頻檢測法和超高頻檢測法；另一類是非電測法，包括測光法、超聲波法和測分解(或生成)物法[6-10]。在上述方法中，目前，GIS局部放電檢測主要采用電測法中的脈沖電流檢測法、超高頻檢測法和超聲波檢測法。

為了研究GIS在線監(jiān)測裝置和局放帶電測試儀等設(shè)備的準(zhǔn)確性，本文設(shè)計模擬GIS常見的局部放電模型，通過調(diào)節(jié)該缺陷模擬裝置的模型類型和參數(shù)，驗證在線監(jiān)測裝置或局放測試是否能對GIS進行有效的故障監(jiān)測及故障分類判別，并對測試結(jié)果和缺陷判定進行評價。本裝置采用脈沖電流檢測法進行局部放電時域分析，采用超高頻檢測法進行局部放電頻域分析。

2 GIS局部放電模擬裝置

2.1 GIS局部放電模擬裝置結(jié)構(gòu)

GIS是由母線、隔離開關(guān)、電流互感器、電壓互感器、斷路器和套管等元件聯(lián)結(jié)在一起的高度集成化的開關(guān)電器。本文GIS局部放電模擬裝置采用110kV GIS單相母線腔體為試品，設(shè)置尖端缺陷、懸浮缺陷、顆粒缺陷、氣隙缺陷4鐘GIS典型缺陷[14-16]，內(nèi)置無局放變壓器和無局放耦合電容器，模擬GIS無局放實驗環(huán)境。該GIS局部放電模擬裝置適用于實驗室實驗。GIS局部放電模擬裝置如圖1所示。四種放電模型采用可調(diào)節(jié)方式，可任意選擇一種或多種進行放電。當(dāng)GIS內(nèi)部發(fā)生局部放電時，可同時使用電脈沖、超聲波、超高頻等測量方式。

圖1 GIS局部放電模擬裝置

2.2 圓板型內(nèi)置傳感器

本裝置采用超高頻(UHF)檢測進行局部放電頻譜分析，設(shè)計制作了圓板式內(nèi)置傳感器。GIS內(nèi)置傳感器采用天線安置在GIS內(nèi)部，可接收各個方向的電磁波信號，轉(zhuǎn)化為高頻電流，用同軸探針作為饋線進行饋電，通過同軸射頻電纜把信號引給檢測設(shè)備，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 圓板式內(nèi)置傳感器

研究表明[17]，圓板傳感器半徑大小和引線長度對天線頻率有很大影響。在檢測頻帶范圍內(nèi)，圓板天線的增益隨著半徑的增大而增大，圓板的半徑越大，接收信號的能力越強。保持圓板半徑不變，引線長度越長，信號增益越大。

2.3 GIS典型缺陷模型

根據(jù)GIS典型缺陷故障，設(shè)計了GIS的尖端缺陷、懸浮缺陷、氣隙缺陷和顆粒缺陷4種缺陷模型，可以模擬出GIS不同缺陷的局部放電現(xiàn)象，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 GIS典型缺陷模型實物圖

尖端缺陷模型采用一根接地金屬棒，尖端對準(zhǔn)高壓導(dǎo)線來模擬，尖端到母線的距離1～5cm可調(diào)。懸浮缺陷模型采用直徑為3cm，高0.8cm的圓柱銅塊靠近高壓母線實驗，銅塊用聚四氟乙烯支撐。氣隙缺陷模型用在澆筑過程中混入氣泡的環(huán)氧樹脂絕緣模型，一端連接高壓，一端接地來模擬。顆粒缺陷模型采用金屬顆?？拷邏憾?，模擬GIS氣室內(nèi)部的金屬雜物。當(dāng)上述GIS缺陷模型遠(yuǎn)離母線時，不影響其正常工作，并且其局放量在標(biāo)準(zhǔn)局放量范圍內(nèi)，滿足標(biāo)準(zhǔn)及實際要求。

3 GIS局部放電測量系統(tǒng)

為了防止外界環(huán)境干擾及減少GIS內(nèi)部局部放電信號的干擾，盡可能保證干凈的實驗背景，測量系統(tǒng)的實驗電源使用電源控制箱、隔離濾波器、無局放實驗變壓器和無局放耦合電容。同時，采用的實驗電壓在0～160kV內(nèi)可調(diào)；無局放耦合電容為50pF。GIS局部放電模擬裝置中的缺陷模型設(shè)計為可調(diào)節(jié)方式，從而可任意選擇一種或多種模型進行放電。 GIS局部放電測量系統(tǒng)如圖4所示。

4 局放測試結(jié)果分析

4.1 局部放電時域圖譜分析

從電脈沖局部放電時域圖譜中可分析放電發(fā)生時工頻電壓的相位、放電強度與相位的關(guān)系、正負(fù)半周的相似情況等，不同類型、不同強度的放電時域圖譜具有不同的特點。在實驗中通過改變SF6氣體壓力、外加電壓的幅值等措施控制GIS缺陷模型的放電強度。

圖4 GIS局部放電測量系統(tǒng)

4.1.1 尖端放電

金屬尖端處電場比較集中，當(dāng)施加電壓達到一定值時，尖端出現(xiàn)電暈放電。當(dāng)SF6氣體壓強為0.4MPa時，電源電壓分別達到20kV，25 kV，所測的放電譜圖及放電量如圖5所示。

圖5 尖端放電時域圖譜

實驗過程分析，電源電壓達到起始電壓后，270°相位位置開始出現(xiàn)放電，如圖5中(a)所示，放電區(qū)間隨外加電壓的升高而變寬。到一定電壓后，90°位置開始出現(xiàn)局部放電信號，且放電幅值明顯高于270°位置，然而270°位置的放電密度高于90°位置，如圖5中(b)所示。隨著電壓升高，90°和270°兩處位置的放電密度都有所增加。

4.1.2 懸浮放電

與尖端產(chǎn)生的電暈放電不同，懸浮銅塊與高壓母線耦合出一個電容，屬于容性放電。當(dāng)發(fā)生局部放電時，檢測阻抗所采到的放電信號幅值很大。當(dāng)電源電壓達到57kV，SF6氣體壓強為0.4MPa時，所測的放電譜圖及放電量如圖5所示。當(dāng)SF6氣體壓強為0.4MPa時，電源電壓分別達到57kV，65 kV，所測的放電譜圖及放電量如圖6所示。

圖6 懸浮放電時域圖譜

實驗中觀察到初始放電發(fā)生在第一象限和第三象限且成對稱分布，且幅值均很高，如圖6中(a)所示。隨著外加電壓的升高，放電圖譜由兩根變?yōu)樗母?，同樣是一、三象限對稱分布，如圖6中(b)所示。對于懸浮放電，一旦發(fā)生放電，其幅值比較高且放電比較穩(wěn)定，正、負(fù)半周基本對稱。

4.1.3 氣隙放電

氣隙放電主要發(fā)生在絕緣介質(zhì)內(nèi)部，特別是盆式絕緣子。盆式絕緣子一般采用真空澆注的方式進行制作，在澆注過程中如果真空度不夠或者進入了微量氣體，則會在澆注成型的絕緣子中產(chǎn)生微量氣泡。在承受高壓時，氣泡會承擔(dān)很高的場強，會導(dǎo)致氣泡發(fā)生放電，從而引起盆式絕緣子中產(chǎn)生局部放電，最終導(dǎo)致絕緣失敗。當(dāng)SF6氣體壓強為0.4MPa時，電源電壓分別達到19kV，28kV，所測的放電譜圖及放電量如圖7所示。

圖7 氣隙放電時域圖譜

實驗中觀察到初始放電發(fā)生在第一象限和第三象限，局放峰值較小，如圖7中(a)所示。隨著外加電壓的升高，放電區(qū)間逐漸變寬，局放峰值變大，如圖7中(b)所示。從氣隙放電圖譜中可以發(fā)現(xiàn)氣隙放電不會像懸浮、尖端那么穩(wěn)定，局放峰值變化較大，但整體波形穩(wěn)定。

4.1.4 顆粒放電

顆粒指的是GIS中的微小的金屬物體，如金屬碎屑。顆粒在高場強的作用下移動，相互碰撞，并且在管壁上彈跳。每次碰撞都會產(chǎn)生一個放電。顆粒放電的移動表現(xiàn)出隨機性。當(dāng)SF6氣體壓強為0.4MPa時，電源電壓分別達到40kV，67kV，所測的放電譜圖及放電量如圖8所示。

實驗中觀察到放電發(fā)生在任意象限，呈現(xiàn)不規(guī)律特性。隨著外加電壓的升高，幅值略有上升并趨于穩(wěn)定，然后幅值不受電壓繼續(xù)升高影響。此時放電象限依舊呈現(xiàn)不規(guī)律性。

4.2 局部放電頻域圖譜分析

放電的頻譜分布決定了超高頻局放檢測的最佳頻段，也可用于放電類型的判斷或干擾的排除。在上述時域波形下，使用頻譜儀對300M～1500MHz頻段進行掃頻分析。

圖8 顆粒放電時域圖譜

4.2.1 尖端放電

尖端放電信號集中頻段范圍為450M～910MHz。隨著放電強度的增加，頻率范圍隨之展寬，頻譜幅值也隨之增加。尖端放電頻譜圖如圖9所示。圖中基線為傳感器的背景，峰狀突起為放電頻譜分量。

圖9 尖端放電頻域圖譜

4.2.2 懸浮放電

懸浮放電的頻譜分量遍布整個300M～1500MHz頻段，其中300M～700MHz頻段相對其他頻段頻譜幅值更高。相對其他放電頻譜，懸浮放電頻譜幅值高很多，主要是因為懸浮放電幅值太大，其放電量已超過5000PC。其放電頻域譜如圖10所示。

4.2.3 氣隙放電

氣隙放電的頻譜分量主要分布在470M～700MHz頻段，隨著放電強度的增加，頻率范圍隨之展寬，頻譜幅值也隨之增加。由于放電的特性，通過400ms的掃頻，頻譜不可能覆蓋整個放電頻段或穩(wěn)定在一個頻率點上。其放電頻域譜如圖11所示。

圖10 懸浮放電頻域圖譜

圖11 氣隙放電頻域圖譜

4.2.4 顆粒放電

顆粒放電的頻譜分量主要分布在550M～680MHz頻段。與其他三種放電頻譜相比，顆粒放電的頻率范圍較小。頻譜多脈沖的現(xiàn)象反映出顆粒放電具有高能量不穩(wěn)定的特點。其放電頻域譜如圖12所示。

圖12 顆粒放電頻域圖譜

5 結(jié)論

該GIS局部放電模擬裝置共設(shè)計了4種典型的局放模型，檢測系統(tǒng)可以精確地檢測到局放信號、直觀地顯示放電圖譜，通過實驗對比不同絕緣缺陷的放電特征，為實現(xiàn)對GIS進行有效的故障監(jiān)測及故障分類提供重要理論依據(jù)，為GIS局部放電研究提供了一個良好的實驗和研究平臺。該GIS局部放電模擬裝置可良好的應(yīng)用于GIS在線監(jiān)測裝置和帶電檢測設(shè)備的檢驗評價，具有良好的應(yīng)用前景和價值。