GIS絕緣墊片分層間隙中局部放電檢測及形成機理研究

鄒 陽，周求寬，劉明軍，唐志國，張 達

（1.國網(wǎng)江西省電力有限公司電力科學(xué)研究院，江西 南昌 330096；2.國網(wǎng)江西省電力有限公司，江西 南昌 330077；3.華北電力大學(xué) 新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室，北京 102206）

0 引言

近年來，隨著國內(nèi)電網(wǎng)建設(shè)速度突飛猛進，且新建變電站以氣體絕緣開關(guān)設(shè)備（GIS）站為主，GIS設(shè)備在電網(wǎng)的使用量越來越大。過去認為GIS設(shè)備是免維護的，但國內(nèi)已經(jīng)發(fā)生了數(shù)起較為嚴重的GIS事故，上述觀點已經(jīng)不再被認同。GIS設(shè)備內(nèi)部空間有限，絕緣裕度相對較小，因此一旦出現(xiàn)絕緣缺陷，可能造成嚴重的設(shè)備故障[1]，引起較大范圍的停電和長時間的檢修，造成大的經(jīng)濟損失以及惡劣的社會影響[2-3]。為了預(yù)防GIS設(shè)備絕緣故障，保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行，有必要對運行中的GIS設(shè)備進行檢測。

目前，GIS設(shè)備內(nèi)部絕緣狀態(tài)的評價主要依據(jù)局部放電（PD）檢測結(jié)果[4]。電力設(shè)備的局部放電是一種快速的脈沖放電，放電會在設(shè)備的內(nèi)部及附近產(chǎn)生聲、光、電氣、機械等物理現(xiàn)象和化學(xué)變化，可以通過在電力設(shè)備周圍布置對應(yīng)的傳感器[5]，監(jiān)視其局部放電情況。超聲波局部放電檢測、特高頻局部放電檢測、SF6氣體分解產(chǎn)物檢測等已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于GIS設(shè)備的局部放電檢測。

GIS的局放診斷在防止電網(wǎng)故障和降低維護成本方面起著至關(guān)重要的作用，建立一個能夠檢測、識別和定位GIS中缺陷的診斷系統(tǒng)[6]具有重要意義。GIS中存在多種不同類型的絕緣缺陷，其中固體絕緣氣隙缺陷是在工頻電壓下誘發(fā)GIS故障的主要缺陷之一，因此有必要對氣隙缺陷進行絕緣檢測。但目前大量針對GIS中局部放電機理[7]的研究僅限于表面電荷積累[8]對PD隨時間轉(zhuǎn)變的影響[9]，針對絕緣墊片的電氣特性、局放機理和電氣性能還缺乏深入研究。

本文檢測氣壓變化時墊片電極/環(huán)氧樹脂分層處的局部放電脈沖，通過模擬GIS絕緣墊片中的微分層長度，得到局放相位特征，進一步研究PD隨壓力變化的特性，并討論負極性和正極性極PD產(chǎn)生速率的變化規(guī)律，最后基于測量結(jié)果提出PD產(chǎn)生的物理機制。

1 GIS絕緣墊片缺陷及試驗方法

1.1 GIS絕緣墊片故障分析及人工模擬試驗

如圖1所示，GIS絕緣墊片中的電極/環(huán)氧樹脂界面處的微小間隙分層可能是造成GIS絕緣故障的因素之一[4]。雖然墊片處環(huán)氧樹脂澆鑄技術(shù)的進步可以消除制造過程中的分層現(xiàn)象，但是實際工況下GIS需要耐受機械應(yīng)力、熱應(yīng)力和電應(yīng)力的作用，當(dāng)這些應(yīng)力作用在GIS墊片上時，就會造成電極/環(huán)氧樹脂界面處的粘附力喪失并進一步導(dǎo)致分層。分層后的電極/環(huán)氧樹脂界面會產(chǎn)生微放電痕跡，引起GIS墊片性能退化[5]，最終可能導(dǎo)致絕緣墊片的介電性能失效[6]。當(dāng)墊片出現(xiàn)微小間隙之后，場強將集中于間隙所在位置，從而引起間隙的局部放電，同時電壓極性不同，間隙局部放電的形成機理也可能不同，通過人工模擬墊片微小間隙缺陷的方法進行試驗研究。

圖1 GIS內(nèi)部氣隙缺陷類型Fig.1 Gas defect types related to GIS spacers

采用如圖2所示的實驗裝置模擬SF6氣體中電極/環(huán)氧樹脂界面處的分層缺陷。試驗電極由高壓電極和接地電極組成。高壓電極直徑為60 mm，環(huán)氧樹脂絕緣保護套直徑為90 mm，護套相對介電常數(shù)為3.7。用真空潤滑脂將相對介電常數(shù)為6.0的氧化鋁填充型矩形環(huán)氧樹脂板（100 mm×100 mm×5 mm）固定在高壓電極上，以避免界面處產(chǎn)生空隙。模擬分層由插在環(huán)氧板和接地電極之間的一層介電薄膜構(gòu)成，每個介電薄膜厚度為25 μm且長度可調(diào)，試驗時分層間隙長度調(diào)整為50 μm。電極裝置安裝在充滿SF6氣體的氣室中，為了調(diào)節(jié)分層過程中的SF6氣體壓力，分層間隙對儲罐保持打開的狀態(tài)。采用50 Ω電阻耦合局部放電脈沖，然后使用局部放電電流脈沖波形分析儀（PD-CPWA）對放電電流脈沖波形進行分析[10]。

圖2 PD脈沖測量和分析實驗裝置Fig.2 Experimental configuration for measurement and analysis of PD pulses

1.2 試驗步驟

試驗步驟如圖3所示。試驗前先在不同氣體壓力下測量PD起始電壓（PDIV）和對應(yīng)的PD起始場強（PDIE）。由于以往PD活動累積的表面電荷會對PDIV和PDIE測量結(jié)果產(chǎn)生較大影響[8]，因此在PDIV測量時交流電壓應(yīng)按照0.1 kVrms/s的速率逐漸增加。然后開始采集每個氣壓值下的PD信號特征：在分層狀態(tài)下，由于表面充電發(fā)生在PD活動的幾分鐘內(nèi)[9]，而實際分層中表面充電在低氣壓下就能發(fā)生，因此在每個氣壓值下給試品加壓時，需要一直加壓10 min直至發(fā)生穩(wěn)定的PD，此時再采集并分析每個氣壓值下的PD特性。調(diào)節(jié)加壓電壓使GIS墊片分層間隙中的電場處于實際工況下的場強范圍內(nèi)（2.5～5 kVrms/mm[4,11]），由于與環(huán)氧樹脂墊片相比，分層間隙長度非常小，因此GIS墊片處分層的預(yù)期場強范圍為15～30 kVrms/mm（2.5～5 kVrms/mm×6（環(huán)氧樹脂的相對介電常數(shù)））。試驗時將施加的電壓設(shè)定為28 kVrms，從而保證GIS墊片間隙處的場強為24 kVrms/mm。

圖3 測量PD特性的實驗步驟Fig.3 Experimental procedures for measuring PD characteristics

2 試驗結(jié)果

2.1 PD起始電壓特性

不同SF6氣體壓力條件下測得GIS墊片間隙中的PD起始電壓（PDIV）如圖4所示。由圖4可見，在不同氣壓下PDIV不同，氣壓越高，PDIV越大。將PDIE擬合到SF6氣體的理論擊穿場強[12]后發(fā)現(xiàn)臨界E/p值等于110 V/(Pa·m)，其中E是電場，p是氣體壓力，低壓條件下SF6氣體中的臨界E/p值為89 V/(Pa·m)[13]，本試驗中得到的臨界E/p值較高，這可能是GIS墊片分層間隙的放電體積較小造成的。

圖4 SF6氣體中50 μm間隙下電極/環(huán)氧樹脂分層的PD初始特性Fig.4 PD inception characteristics of electrode/epoxy delamination with 50 μm gap in SF6gas

2.2 局部放電活動的壓力特性

兩種不同極性的PD生成速率和平均放電電流的大小與氣體壓力的關(guān)系如圖5所示，其中PD生成速率表示為每秒脈沖數(shù)（pps）。從圖5(a)中可以看出，當(dāng)氣體壓力為0.06 MPa時，正、負極性的局部放電生成速率達到峰值；當(dāng)氣體壓力為0.25 MPa時，局部放電活動停止；正極性PD的生成速率小于負極性PD的生成速率。從圖5(b)可以看出，隨著氣體壓力從0.02 MPa增加到0.25 MPa，平均PD電流值逐漸減小到零；與PD生成速率類似，正極性PD平均電流值和負極性PD平均電流值也存在差異，其差異隨著氣壓的升高而減小，這是因為正負極性PD的電子來源不同：當(dāng)電子來自接地電極時，PD脈沖是負極性的；由于在先前的負極性PD過程中環(huán)氧樹脂表面上已經(jīng)累積了負電荷，因此正極性PD的初始電子是從絕緣環(huán)氧樹脂處產(chǎn)生的，其放電電流更多的依賴于負極性PD。隨著氣壓的升高，環(huán)氧樹脂表面上累積的電子數(shù)量減少，正極性PD平均電流下降幅度將大于負極性PD，因此隨氣壓升高兩者的放電電流值差異減小。

圖5 PD生成速率和PD平均電流值與氣體壓力的關(guān)系Fig.5 Relationship between PD generation rate,average PD current and gas pressure

2.3 局部放電生成速率的相位特性

利用交流電壓相位（φ）與局部放電脈沖的相對數(shù)量（n）之間的關(guān)系[14]，分析局部放電活動隨壓力變化的情況，結(jié)果如圖6所示，其中交流電壓相位每10°劃分一次，并記錄在每個相位間隔內(nèi)的局部放電脈沖數(shù)量，通過此相位間隔內(nèi)脈沖數(shù)占整個局部放電脈沖數(shù)的百分比進行放電活動水平的衡量。從圖6可以看出，在0.02 MPa和0.06 MPa的氣壓條件下，局部放電脈沖出現(xiàn)在外加電壓零點相位（0°和180°）附近；當(dāng)氣體壓力為0.10～0.20 MPa時，局部放電脈沖的相位特性向外加電壓峰值（90°和270°）附近移動；在氣壓大于等于0.25 MPa時，PD活動完全停止。

3 分析與討論

由試驗結(jié)果可知，隨著分層間隙中SF6氣體壓力的增加，PD活動發(fā)生了變化；此外負極性PD和正極性PD的PD生成速率也不同，下面從這兩個方面進行分析。

3.1 PD活動的壓力特性及機理

圖5中PD的壓力特性和圖6中相對PD脈沖數(shù)量特性的成因可歸因于兩點：一是SF6氣體電氣強度的壓力特性；二是當(dāng)電壓相位超過PD起始相位后，瞬時電場強度高于臨界電場強度。

圖6 不同SF6氣體壓力下的φ-n分布Fig.6 The φ-n distribution in SF6gas with different pressure

圖7 分層中氣體壓力下PD行為的轉(zhuǎn)變Fig.7 Transition of PD behavior with gas pressure in the delamination

基于實驗結(jié)果可將PD行為分為3個階段，如圖7所示，圖中使用的相位是兩種極性的局部放電脈沖開始出現(xiàn)時的起始相位角。階段1表示低氣壓下的PD特性，其中PD生成速率隨著SF6氣體壓力的增加而增加，并且PD脈沖出現(xiàn)在外施電壓的零點相位附近；階段2對應(yīng)于氣體壓力0.06～0.25 MPa下的PD特性，其中PD生成速率隨著氣體壓力的增加而減小，并且PD脈沖超過零交叉點；階段3表示PD活動完全停止。由圖7可知，在不加電壓的情況下，將氣壓從0增加到0.4 MPa，PD生成速率隨著氣體壓力的增加而增加，負極性PD的生成速率大于正極性PD的生成速率。隨后施加交流電壓10 min，將氣壓從0.4 MPa減小到0 MPa，PD生成速率變化趨勢跟圖5(a)一致。

圖8展示了每個階段的PD特性和形成機理。圖8(a)是階段1，由于分層間隙中的氣體壓力低，SF6氣體的電氣強度低，從而增加了局部放電電流幅值，此時通過間隙的局部放電可沿著環(huán)氧樹脂表面發(fā)展，導(dǎo)致分層內(nèi)部的電場降為零，如圖5(b)所示。此時PD脈沖出現(xiàn)在施加電壓的零點相位附近，如圖6(a)所示。

在PD階段2中，隨著壓力的增加，SF6氣體的電氣強度變得更高，PD電流值變小，如圖5(b)所示，PD脈沖沿環(huán)氧樹脂表面的延伸很短，此時單個局部放電并不影響其他位置的電場，PD脈沖可以出現(xiàn)在多個位置。多個位置發(fā)生PD可以提高PD生成速率，如圖8(b)所示。影響PD生成速率和相位特性的主要因素是間隙內(nèi)電場和PDIE的相位角范圍，顯然PDIE的相位角范圍隨著氣體壓力的升高而減小，但同時PD隨氣壓升高而升高，導(dǎo)致電壓相位范圍變窄。較高的氣體壓力下PD活動如圖6(c)、(d)、(e)所示，PD生成速率降低，如圖8(c)所示。

在階段3中，隨著氣體壓力升高至0.25 MPa，PD活動停止，如圖8(d)所示。這是因為PD起始電場高于分層間隙內(nèi)施加的電場（24 kVrms/mm），電極/環(huán)氧分層的局部放電活動會受到分層間隙中SF6氣體壓力升高的限制。

固體絕緣內(nèi)部氣隙放電主要包含兩個過程：流注在氣隙內(nèi)的傳播過程及流注到達界面后的擴展過程。對氣隙放電隨機特性的解釋主要基于兩種理論：放電時延的隨機性及放電面積的隨機性。氣隙內(nèi)部放電特征受很多因素影響，如氣隙內(nèi)部氣壓變化、放電后氣隙表面沉積的空間電荷、介質(zhì)的表面狀態(tài)以及放電后氣體分解產(chǎn)物等。放電起始相位主要取決于放電時延大小及放電起始場強值達到的時刻。研究結(jié)果表明，隨著外施電壓的升高，表面電子發(fā)射和電離的概率增大，即產(chǎn)生自由電子的概率增大，另外電壓升高引發(fā)放電所需的種子電子數(shù)目減少，等待自由電子所需的時間減少，因此放電時延減??；隨著外施電壓的升高，電場強度增加，氣隙內(nèi)的電場強度將更早達到起始放電場強，且前半周期產(chǎn)生的殘余電荷在電壓極性反轉(zhuǎn)后亦對電場起到增強作用，所以最終表現(xiàn)為放電起始相位前移。局部放電導(dǎo)致氣隙內(nèi)部發(fā)生氧化反應(yīng)產(chǎn)生電負性氣體，如CO2、H2O等，電負性氣體具有較強的捕獲自由電子的能力，因此電壓極性反轉(zhuǎn)前最后一次放電產(chǎn)生的電荷將被大量消耗，致使電壓極性反轉(zhuǎn)后首次放電的時延增加，最終出現(xiàn)較大的放電幅值。

圖8 增加分層間隙中的氣體壓力后的PD活動示意圖Fig.8 Schematic illustration of PD activity with the increase of gas pressure in the delamination gap

當(dāng)自由金屬微?？拷邏簩?dǎo)體時，金屬微粒表面的電場強度最大，因此當(dāng)自由金屬微粒發(fā)生運動時，危險系數(shù)較高。絕緣子表面污穢僅僅對絕緣子表面的電場產(chǎn)生較大的畸變效應(yīng)，而對絕緣子內(nèi)部基本不產(chǎn)生影響。針尖部位對電場的畸變最為嚴重，當(dāng)尖刺位于筒壁上時，針尖處的場強約等于尖刺位于高壓導(dǎo)體的1/3，因此當(dāng)尖刺處于導(dǎo)體上時最有可能發(fā)生局放現(xiàn)象。金屬尖刺、自由金屬微粒、絕緣子表面污穢和內(nèi)部氣隙等缺陷引起GIS內(nèi)部局部放電的機理是引起電場畸變的原因，使絕緣材料表面電場增加。因此，PD參數(shù)和相位特征可作為SF6氣體分層缺陷的特征參數(shù)。

3.2 負極性PD和正極性PD產(chǎn)生差異的機理

自由移動的電子是PD產(chǎn)生的必要條件，但產(chǎn)生正、負極性PD脈沖的電子來源不同。在分層情況下，當(dāng)電子來自接地電極時，PD脈沖是負極性的，因此一旦達到臨界電場，由電子崩引發(fā)的PD生成速率非常高。而對于正極性PD，由于在先前的負極性PD過程中在表面上已經(jīng)累積了負電荷，因此第一次電子崩的初始電子是從絕緣環(huán)氧樹脂處產(chǎn)生的[9]，所以正極性PD產(chǎn)生的可能性會降低，所以正極性PD生成速率低于負極性PD（圖5(a)）。

4 結(jié)論

利用分層間隙長度為50 μm的絕緣墊片模型模擬GIS絕緣墊片中的微分層長度，測量分析了氣壓變化時GIS絕緣墊片的電極/環(huán)氧樹脂分層產(chǎn)生的局部放電脈沖，研究了SF6氣體中電極/環(huán)氧樹脂分層的PD行為，并使用φ-n分布以及PD參數(shù)的壓力特性討論PD行為的放電機理，得到如下主要結(jié)論：

（1）SF6氣壓為0.02 MPa時，局部放電脈沖出現(xiàn)在外加電壓的零交叉點附近，局部放電通過間隙沿環(huán)氧樹脂表面?zhèn)鞑ァｋS著氣壓的增加，放電劇烈程度增加，放電脈沖在環(huán)氧樹脂表面的延伸很短，并向外加電壓的過零點擴展，進而在分層間隙的多個位置產(chǎn)生局部放電。

（2）SF6氣壓為0.25 MPa時，PD活動停止，說明由于外加電場的作用，氣體壓力的升高將限制PD的活動。

（3）平均PD電流值隨著氣壓的升高而降低，這是由于氣壓升高導(dǎo)致SF6氣體的電氣強度增加，沿環(huán)氧樹脂表面的PD延伸相對減少。

（4）不同SF6氣體壓力下，由于產(chǎn)生初始電子崩的機理不同，正極性的PD生成速率低于負極性的PD生成速率。