110 kV電壓等級(jí)GIS實(shí)體缺陷設(shè)計(jì)及帶電檢測(cè)分析

唐祥玲

（國(guó)網(wǎng)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(jí)GIS實(shí)體缺陷設(shè)計(jì)

1.1 110 kV電壓等級(jí)GIS實(shí)體缺陷ANSYS仿真

為了符合實(shí)訓(xùn)基地的建設(shè)需求，人們對(duì)110 kV電壓等級(jí)GIS潛伏性缺陷設(shè)計(jì)提出了更高的要求，其需要在正常運(yùn)行的條件下長(zhǎng)期穩(wěn)定的存在，即110 kV電壓等級(jí)GIS實(shí)體局部的放電量較為可觀，但不會(huì)出現(xiàn)擊穿的現(xiàn)象，并且缺陷設(shè)計(jì)具有較高的識(shí)別度[1]。

通過ANSYS仿真計(jì)算110 kV電壓等級(jí)GIS實(shí)體的兩種類型的缺陷設(shè)計(jì)的電場(chǎng)分布。其中，110 kV電壓等級(jí)GIS實(shí)體金屬尖端缺陷設(shè)計(jì)，上級(jí)板、下級(jí)板及金屬尖端都是金屬鋁制造而成，上級(jí)板和下級(jí)板是直徑21 cm的圓柱體，金屬尖端曲率半徑是0.07 mm，長(zhǎng)度為6 cm，下級(jí)板和金屬尖端相距3 cm。110 kV電壓等級(jí)GIS實(shí)體懸浮電位缺陷設(shè)計(jì)，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(zhǎng)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(zhuǎn)角所產(chǎn)生的電場(chǎng)畸變減弱[2]。

經(jīng)過ANSYS仿真計(jì)算得出的結(jié)果可知，若想確保110 kV電壓等級(jí)GIS實(shí)體正常運(yùn)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(jí)GIS實(shí)體金屬尖端的缺陷設(shè)計(jì)的最大電場(chǎng)強(qiáng)度就集中在金屬尖端的區(qū)域。110 kV電壓等級(jí)GIS實(shí)體懸浮電位缺陷設(shè)計(jì)的最大電場(chǎng)強(qiáng)度則集中在銅絲和上電極之間的區(qū)域。

1.2 110 kV電壓等級(jí)GIS實(shí)體缺陷設(shè)計(jì)的構(gòu)建

ZF12B-126（L）型110 kV電壓等級(jí)GIS的結(jié)構(gòu)為三相共箱式。根據(jù)仿真計(jì)算可知，110 kV電壓等級(jí)GIS實(shí)體尖端缺陷設(shè)計(jì)中，在三相高壓導(dǎo)體上全部安裝有材質(zhì)為鋁的金屬尖端，導(dǎo)體和尖端頂部之間的距離為3 cm。在設(shè)計(jì)懸浮電位缺陷時(shí)，選擇使用了直徑為0.7 mm、長(zhǎng)度為30 mm的細(xì)銅絲，高壓導(dǎo)體與細(xì)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(dòng)10 μL/L，隨后施加50 Hz的三相頻率、63.5 kV的交流電壓，后對(duì)110 kV電壓等級(jí)GIS實(shí)體缺陷的放電特性進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量和深入分析。

2 110 kV電壓等級(jí)GIS實(shí)體缺陷設(shè)計(jì)帶電檢測(cè)

在110 kV電壓等級(jí)GIS實(shí)體缺陷設(shè)計(jì)帶電檢測(cè)試驗(yàn)中，分別將110 kV電壓等級(jí)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(nèi)，并利用刀閘對(duì)其進(jìn)行控制。這就可以將110 kV電壓等級(jí)GIS實(shí)體缺陷設(shè)計(jì)分為三種不同的狀態(tài)，分別是僅尖端缺陷、僅懸浮電位缺陷以及復(fù)合缺陷。將DMS超高頻局部放電檢測(cè)系統(tǒng)、UHF傳感器安裝在110 kV電壓等級(jí)GIS母線罐體的不同位置，以測(cè)量110 kV電壓等級(jí)GIS實(shí)體內(nèi)局部的放電特性。

2.1 傳感器的安裝

110 kV電壓等級(jí)GIS實(shí)體內(nèi)存在一些絕緣子，部分絕緣子帶有金屬鋁環(huán)，可以通過在110 kV電壓等級(jí)GIS實(shí)體內(nèi)安裝傳感器的方式將超高頻信號(hào)收集起來。安裝內(nèi)置傳感器的主要優(yōu)勢(shì)在于受外界信號(hào)干擾較小，但也存在一定的缺點(diǎn)，即設(shè)計(jì)加工成本偏高。在還未將金屬鋁環(huán)安裝在盆式絕緣子時(shí)，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(hào)采集在一起[4]。安裝外置傳感器的主要優(yōu)勢(shì)在于該種測(cè)量屬于非侵入式測(cè)量，測(cè)量更加方便，其缺點(diǎn)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(cè)量在線單周期譜圖。對(duì)比兩者的在線單周期譜圖測(cè)量結(jié)果可知，兩者特征峰值的測(cè)量結(jié)果相同，但是在外界電磁干擾的影響下，外置傳感器對(duì)結(jié)果的識(shí)別可能會(huì)存在一定的誤差。所以，在深入分析后期測(cè)量結(jié)果時(shí)，采集的超高頻信號(hào)都是由內(nèi)置傳感器采集的信號(hào)。此外，110 kV電壓等級(jí)GIS實(shí)體內(nèi)置懸浮電位缺陷在運(yùn)行的過程中，將方電源的位置與外置傳感器之間的距離進(jìn)行合理調(diào)整。在正確的測(cè)量方式下，對(duì)110 kV電壓等級(jí)GIS實(shí)體進(jìn)行研究和分析，可知UHF信號(hào)輻值法的測(cè)量結(jié)果與傳感器和方電源之間距離的變化沒有比較明顯的關(guān)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(jí)GIS實(shí)體缺陷設(shè)計(jì)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(shí)接入，升壓時(shí)可以明顯地看到110 kV電壓等級(jí)GIS實(shí)體由單類缺陷逐漸的向復(fù)合缺陷轉(zhuǎn)變。不管是脈沖出現(xiàn)的位置，還是脈沖幅值和重復(fù)率，尖端缺陷和懸浮電位缺陷的局部放電特性表現(xiàn)均有所不同。

2.3 不同氣壓下的局部放電特性

為了進(jìn)一步分析和研究不同氣壓對(duì)110 kV電壓等級(jí)GIS實(shí)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(chǔ)電壓的試驗(yàn)。同時(shí)對(duì)這些不同起始電壓的尖端缺陷緩慢加壓，直到放電信號(hào)逐漸穩(wěn)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(guān)系可知，熄滅電壓和起始電壓十分接近，并且都會(huì)隨著氣壓的不斷升高而不斷增大。擊穿電壓則呈現(xiàn)出像駝峰一樣形狀的曲線，在0.2 MPa處擊穿電壓達(dá)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(duì)較小時(shí)，這些正離子會(huì)逐漸擴(kuò)散，形成一層空間電荷，相當(dāng)于正電極的曲率半徑擴(kuò)大。因此，這些正離子的存在可以使電場(chǎng)變得均勻[5]。但是如果分子的密度較高，這些正離子的擴(kuò)散就會(huì)受到一定的阻礙，會(huì)在電暈層的頭部大量聚集，電暈層頭部的電場(chǎng)會(huì)有所增強(qiáng)，所以這時(shí)擊穿電壓呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)。

3 結(jié) 論

利用ANSYS仿真計(jì)算得出了110 kV電壓等級(jí)GIS實(shí)體正常運(yùn)行下，金屬尖端缺陷和懸浮電位缺陷設(shè)計(jì)的參數(shù)。利用傳感器的不同安裝位置采集和測(cè)量了超高頻信號(hào)，將傳感器安裝在內(nèi)部時(shí)，其測(cè)量的結(jié)果很少會(huì)受到環(huán)境噪聲的干擾，但是識(shí)別結(jié)果準(zhǔn)確度較高；將傳感器安裝在外部，在測(cè)量和使用上比較便捷。不管是將傳感器安裝在何種位置，對(duì)所測(cè)得的信號(hào)特性并不會(huì)造成明顯的影響。此外，對(duì)金屬尖端缺陷與氣壓的關(guān)系進(jìn)行試驗(yàn)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(xiàn)出駝峰形曲線。