局部放電特高頻檢測(cè)校準(zhǔn)影響因素研究

劉順成,向加佳,陳劍,程宇,肖德華,陳全明

(1. 國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院,湖南 長(zhǎng)沙410004；2. 能源互聯(lián)網(wǎng)供需 運(yùn)營(yíng)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 長(zhǎng)沙 410004；3. 國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司技術(shù)技能 培訓(xùn)中心,湖南 長(zhǎng)沙410131；4. 國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司寧鄉(xiāng)市供電分公司,湖南 長(zhǎng)沙410600；5. 國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司城步縣供電分公司,湖南 邵陽(yáng) 422500)

0 引言

局部放電(簡(jiǎn)稱(chēng)“局放”)是評(píng)價(jià)電氣設(shè)備絕緣狀態(tài)的最重要手段之一,主要表征高壓作用下的絕緣狀況。特高頻(ultra high frequency,UHF)檢測(cè)法具有優(yōu)秀的抗干擾性能與靈敏度,已普遍應(yīng)用于局放的在線監(jiān)測(cè)[1—3]。

UHF信號(hào)測(cè)量頻率范圍為0.3～3 GHz,至今尚未形成定量校準(zhǔn)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn),國(guó)內(nèi)外研究人員一直尋求表征設(shè)備絕緣劣化程度最為靈敏的UHF特征參量。由于局放產(chǎn)生的電磁場(chǎng)具有復(fù)雜的傳播與衰減特性,在現(xiàn)有技術(shù)條件下,無(wú)法直接準(zhǔn)確測(cè)量電磁場(chǎng)能量大小來(lái)表征局放水平,尋求其他途徑來(lái)量化分析UHF信號(hào)成為必然[4—6]。英國(guó)Martin Judd等學(xué)者在上世紀(jì)末從局放產(chǎn)生的瞬時(shí)電流值與轉(zhuǎn)移電荷量入手研究UHF信號(hào)校準(zhǔn),此后,國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于該思想進(jìn)行了大量的研究,通過(guò)仿真、建模與試驗(yàn)研究論證了UHF信號(hào)積累能量與其對(duì)應(yīng)視在放電量的二次方呈線性關(guān)聯(lián)[7—11]。

UHF檢測(cè)方法難以定量校準(zhǔn)的主要原因是UHF信號(hào)測(cè)定的影響因素非常復(fù)雜?，F(xiàn)有研究多集中于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,即UHF信號(hào)在變壓器腔體、氣體隔離開(kāi)關(guān)(gas insulated switchgear,GIS)內(nèi)不同結(jié)構(gòu)、不同部位的傳播特性[12—14],或研究傳播介質(zhì)(如變壓器油、SF6氣體)對(duì)UHF信號(hào)的影響[15—19],亦或研究測(cè)量天線傳感器的優(yōu)化改進(jìn)[20],鮮見(jiàn)聚焦于UHF信號(hào)特點(diǎn)、綜合分析UHF測(cè)量方法定量校準(zhǔn)影響因素的相關(guān)文獻(xiàn)。

文中根據(jù)UHF信號(hào)的產(chǎn)生與測(cè)量特性,結(jié)合理論分析與試驗(yàn)研究,綜合考察不同機(jī)理局放的放電源特性、不同頻率UHF信號(hào)的傳播規(guī)律以及測(cè)量傳感器對(duì)于UHF檢測(cè)校準(zhǔn)的影響,為探求UHF信號(hào)更有效、更靈敏的校準(zhǔn)方法提供一定參考,以期早日構(gòu)建規(guī)范的特高頻法校準(zhǔn)體系。

1 放電源特性

電氣設(shè)備由于本身質(zhì)量或者外部損傷等原因,會(huì)在其內(nèi)部、表面等部位產(chǎn)生絕緣缺陷,在一定條件下將引發(fā)局放。不同放電源具有不同的局放特性,根據(jù)缺陷特點(diǎn)一般有氣隙放電、電暈放電、沿面放電和懸浮放電4種類(lèi)型。

1.1 氣隙放電缺陷

國(guó)標(biāo)和國(guó)際電工委員會(huì)推薦反映局放原理的電路如圖1所示[21],其實(shí)質(zhì)為氣隙放電的等效電路。其中,Rc,Cc分別為氣隙的電阻與電容；Rb,Cb分別為放電氣隙串聯(lián)介質(zhì)的電阻與電容；Ra,Ca為剩余介質(zhì)的電阻與電容。

圖1 氣隙局放三電容等效電路Fig.1 The three capacitances equivalent circuit of internal gas partial discharge

脈沖電流法的理論分析使用該氣隙模型。但如果單純使用該模型去分析所有類(lèi)型的局放UHF信號(hào)積累能量與其放電量的關(guān)聯(lián)性,具有較大的局限性,如電暈放電、沿面放電以及懸浮放電等幾類(lèi)常見(jiàn)局放,其局放機(jī)理與氣隙放電差別較大,將影響其校準(zhǔn)精確程度。因此,分析各類(lèi)局放的有效等值模型以求綜合研究各種缺陷的UHF信號(hào)標(biāo)定是非常有必要的,同時(shí)進(jìn)一步對(duì)其局放 UHF信號(hào)與放電量的關(guān)聯(lián)準(zhǔn)確性及反應(yīng)絕緣缺陷嚴(yán)重程度的合理性進(jìn)行驗(yàn)證。

1.2 電暈放電缺陷

在局放中,電暈放電很常見(jiàn),其放電性質(zhì)按外電壓大小可分為2個(gè)階段。第一階段：外加電壓低于某個(gè)閾值,放電量與施加的電壓幾乎無(wú)關(guān),取決于形成電極的形狀和尺寸。第二階段：外電壓超過(guò)此閾值,放電量將隨著電流的加大而增加,與外電壓呈正相關(guān),且受氣體壓力、氣體類(lèi)型、曲率半徑等因素影響?？捎脠D2所示兩電容模型研究其放電規(guī)律。

圖2 兩電容電暈放電等效電路Fig.2 The two capacitances equivalent circuit of corona discharge

圖2中,Cc,Cb分別為放電等效電容和其他等效電容,等效放電電阻R>>Cc,Cc>>Cb,因此計(jì)算時(shí)一般R,Cb忽略不計(jì)。真實(shí)放電量q=CcΔU0等效于q=CcΔU。

假定氣隙是理想間隙,在外電壓不變的情況下,放電部位難以影響等效電容,即Cc為常數(shù)。

(1)

式中：l為間隙距離；ε0為真空的介電常數(shù)；εr為氣隙中氣體相對(duì)介電常數(shù)；ε為氣隙相對(duì)介電常數(shù)；S為氣隙橫截面積。由式(1)易知,Cc由氣體類(lèi)型與間隙參數(shù)共同決定,且電暈放電的視在放電量與真實(shí)放電量近似相等。因此,其UHF信號(hào)積累能量與放電量的校準(zhǔn)準(zhǔn)確性較高,能表征設(shè)備缺陷局放嚴(yán)重程度。

1.3 懸浮放電缺陷

設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中,由于振動(dòng)等原因會(huì)造成設(shè)備內(nèi)部某些部位出現(xiàn)松動(dòng),處在高電壓與低電壓之間金屬零部件,其對(duì)地電位由于阻抗分壓的不同,會(huì)形成相對(duì)穩(wěn)定的懸浮電位,進(jìn)而導(dǎo)致懸浮放電。懸浮放電的間隙通常固定不變,其耦合電容值也保持穩(wěn)定,屬于容性放電,放電穩(wěn)定性強(qiáng)。此外,單次放電具有相對(duì)充裕的時(shí)間來(lái)進(jìn)行電荷量的轉(zhuǎn)移與中和消散,能有效避免絕緣放電前一次殘余電荷影響下次放電起始電壓的情況發(fā)生。所以,當(dāng)外部電壓變大,只會(huì)提高放電頻率,對(duì)q的影響很小,視在放電量與真實(shí)放電量基本保持一致。懸浮類(lèi)局放具有優(yōu)質(zhì)穩(wěn)定的放電性能,其UHF 信號(hào)積累能量與真實(shí)放電量的校準(zhǔn)準(zhǔn)確性相對(duì)最佳。

1.4 沿面放電缺陷

沿面放電相對(duì)復(fù)雜,其流注發(fā)展、閃絡(luò)電壓高低往往與介質(zhì)有較大關(guān)聯(lián),常在設(shè)備絕緣介質(zhì)邊界表面以及金屬部件與絕緣介質(zhì)之間發(fā)生,常用球-板、柱-板、針-板3種等效模型分析。球-板等效模型主要研究切線、法線電場(chǎng)共同作用下形成的非均勻電場(chǎng)；柱-板等效模型主要研究切線方向電場(chǎng)非常強(qiáng)的準(zhǔn)均勻場(chǎng)；針-板等效模型則研究電場(chǎng)法線分量非常強(qiáng)的電場(chǎng)。因此,按照放電源特性選取相應(yīng)的模型來(lái)研究。沿面放電的特性決定其UHF檢測(cè)定量研究的不穩(wěn)定性,UHF信號(hào)能量與視在放電量的關(guān)聯(lián)準(zhǔn)確性相對(duì)較低。

1.5 試驗(yàn)研究

為進(jìn)一步驗(yàn)證不同放電源的UHF信號(hào)能量與其真實(shí)放電量校準(zhǔn)可靠性并不一致,針對(duì)以上4種典型缺陷做了UHF信號(hào)積累能量與放電量的擬合關(guān)聯(lián)對(duì)比試驗(yàn)[16],實(shí)測(cè)UHF信號(hào)的時(shí)域波形如圖3所示。顯然4種典型缺陷的UHF信號(hào)強(qiáng)度、脈寬均不相同,氣隙放電、電暈放電、懸浮放電、沿面放電脈寬依次減小,不同類(lèi)型的局放機(jī)理存在差別,表征局放強(qiáng)度的真實(shí)放電量與視在放電量的差值也不一致。

圖3 4種典型局放UHF信號(hào)Fig.3 UHF signals of four typical patical discharges

圖4為4種不同放電源的UHF信號(hào)能量與視在放電量的試驗(yàn)擬合關(guān)系,試驗(yàn)結(jié)果表明：表征放電整體分散性的擬合優(yōu)度從低到高依次為沿面放電、懸浮放電、氣隙放電、電暈放電；表征單次放電能量的樣本觀測(cè)點(diǎn)圍繞樣本回歸線緊密程度從低到高依次為氣隙放電、沿面放電、懸浮放電、電暈放電。

圖4 不同放電源UHF信號(hào)能量與視在放電量的關(guān)系Fig.4 Relationship between UHF signal energy and apparent discharge quantity of different discharge sources

綜合以上試驗(yàn)研究與理論分析易得,UHF檢測(cè)的校準(zhǔn)準(zhǔn)確性受放電源特性的影響。就UHF信號(hào)積累能量與視在放電量關(guān)聯(lián)曲線而言,4種放電源均有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系,可用于UHF信號(hào)的定量分析,表征局放水平。就4種缺陷視在放電量與真實(shí)放電量之間的差值而言,沿面放電與氣隙放電的差值不定性較大,即UHF信號(hào)能量表征局放水平的可信度需打折扣,而電暈放電與懸浮放電相對(duì)可靠,作為中間量的視在放電量可較好描述局放強(qiáng)度,UHF信號(hào)能量反映局放水平的可信度較高。因此,定量校準(zhǔn)UHF檢測(cè)信號(hào)時(shí),電氣設(shè)備絕緣缺陷放電源類(lèi)型須作為重要影響因素進(jìn)行考察。

2 UHF信號(hào)傳播特性的影響

UHF定量檢測(cè)準(zhǔn)確性的最主要決定性因素是其信號(hào)的傳播與測(cè)量,文中使用能便捷、平滑調(diào)整主要參數(shù)的UHF 信號(hào)發(fā)生裝置[22]分析UHF信號(hào)的傳播與測(cè)量規(guī)律,搭建圖5所示試驗(yàn)平臺(tái),屏蔽箱參數(shù)為5.5 m×2.5 m×2.5 m,試驗(yàn)選在深夜進(jìn)行,將周?chē)胍艏半姶庞绊懡抵磷畹汀楸ＷC模擬信號(hào)的帶寬,發(fā)射天線選用0.3～1.5 GHz的全向盤(pán)錐天線,為檢測(cè)測(cè)量裝置的特性,分別選用響應(yīng)特性各異的微帶、單極子、雙錐天線來(lái)測(cè)量信號(hào),定義d為測(cè)量距離,φ為相對(duì)測(cè)量角度。

圖5 試驗(yàn)平臺(tái)Fig.5 Test platform

2.1 傳播距離的影響

UHF信號(hào)有效頻域非常寬廣,信號(hào)能量的衰減不僅取決于傳播距離,與頻率也密切相關(guān)。絕緣缺陷發(fā)生局放時(shí)分散性、隨機(jī)性較大,各個(gè)頻率的UHF信號(hào)所攜帶的能量也不盡相同。因此,局放UHF信號(hào)在各頻率點(diǎn)隨傳播距離的輻射衰減特性對(duì)UHF定量檢測(cè)意義重大。

試驗(yàn)中,通過(guò)調(diào)節(jié)測(cè)量天線傳感器與發(fā)射天線的間距,頻率間隔為0.1 GHz,測(cè)量不同頻率UHF信號(hào)能量隨距離的變化,測(cè)量結(jié)果如圖6所示。試驗(yàn)選擇0.3～1.4 GHz的輸出信號(hào),對(duì)應(yīng)的信號(hào)波長(zhǎng)則為21.43～100 cm。電磁波測(cè)量有遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)和近場(chǎng)區(qū)之分,測(cè)距小于一個(gè)波長(zhǎng)為近區(qū)場(chǎng)測(cè)量,大于一個(gè)波長(zhǎng)的區(qū)域?yàn)檫h(yuǎn)區(qū)場(chǎng)測(cè)量。圖6中箭頭所標(biāo)注距離為該頻率的電磁遠(yuǎn)、近測(cè)量的臨界點(diǎn)。

圖6 不同頻率下UHF信號(hào)幅值與傳播距離的關(guān)系Fig.6 The relationship of UHF signal amplitude and measuring distance under different frequencies

分析可知,各個(gè)頻段的UHF信號(hào)能量衰減主要在近區(qū)場(chǎng),進(jìn)入遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)則較為平穩(wěn)。近區(qū)場(chǎng)中信號(hào)隨距離呈斷崖式衰減,究其原因是電場(chǎng)與磁場(chǎng)在此區(qū)間不均勻度很大,無(wú)明確關(guān)系,故能量衰減急劇。進(jìn)入遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū),電磁能量以電磁波形式向外輻射,因而信號(hào)衰減相對(duì)較慢,信號(hào)的衰減呈非線性,不同頻率信號(hào)的衰減斜率各不相同。 總體上,信號(hào)的衰減斜率與距離呈負(fù)相關(guān),即信號(hào)衰減幅度隨距離增加而減小；信號(hào)進(jìn)入衰減平穩(wěn)期(信號(hào)能量相對(duì)穩(wěn)定)的距離與頻率成負(fù)相關(guān),即UHF信號(hào)隨著頻率的增加,其衰減曲線斜率出現(xiàn)拐點(diǎn)的位置離信號(hào)源越近,且當(dāng)信號(hào)頻率大于等于某一數(shù)值時(shí)(大致為1 GHz),其進(jìn)入平穩(wěn)期的位置達(dá)到最小值。此外,在測(cè)量距離最遠(yuǎn)處信號(hào)強(qiáng)度均有一定增幅,其原因是該處接近箱壁,箱體內(nèi)折反射疊加較強(qiáng)。

2.2 相對(duì)測(cè)量角度的影響

根據(jù)天線輻射理論,通常使用球面積分求得測(cè)量端信號(hào)強(qiáng)度,而積分面積受測(cè)量角度影響,因此在UHF檢測(cè)中,放電源與測(cè)量天線的相對(duì)位置和相對(duì)角度變化會(huì)影響最終的定量測(cè)量,文中試驗(yàn)探究相對(duì)測(cè)量角度對(duì)各頻率信號(hào)的影響情況,0.3～1.5 GHz的UHF信號(hào)波長(zhǎng)范圍為0.2～1 m,信號(hào)源與檢測(cè)天線間隔固定為1.2 m,即保證測(cè)量位置始終在遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng),與電力設(shè)備實(shí)際局放測(cè)量類(lèi)型匹配。

圖7為根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)繪制的信號(hào)強(qiáng)度與相對(duì)角度關(guān)系,分析易知,測(cè)量傳感器所獲信號(hào)能量受相對(duì)角度影響較大,角度由0°向90°逐漸增大時(shí),測(cè)量UHF電磁信號(hào)強(qiáng)度依次減弱且各頻率點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)度衰減規(guī)律基本相同,即UHF信號(hào)由相對(duì)測(cè)量角度不同的衰減與其自身頻率無(wú)關(guān)。

圖7 不同頻率下UHF信號(hào)幅值與測(cè)量角度的關(guān)系Fig.7 The relationship of UHF signal amplitude and measuring angle at different frequencies

2.3 傳播路徑的影響

局放 UHF信號(hào)傳遞函數(shù)的確定對(duì)其定量校準(zhǔn)極其重要。而影響傳遞函數(shù)的因素除前文所述放電源、傳播距離、測(cè)量角度以及2.4節(jié)將要研究的測(cè)量傳感器之外,還有信號(hào)經(jīng)過(guò)各種路徑遇到的復(fù)雜折反射。發(fā)生局放的電氣設(shè)備或故障部位不同,其信號(hào)經(jīng)過(guò)路徑結(jié)構(gòu)、介質(zhì)、阻擋物等將各不相同,會(huì)產(chǎn)生大量繁復(fù)的折反射,影響傳遞函數(shù)的確定。基于其復(fù)雜性,需通過(guò)一系列專(zhuān)門(mén)的仿真、試驗(yàn)方能系統(tǒng)全面地進(jìn)行研究。文中通過(guò)綜合查閱相關(guān)文獻(xiàn)研究成果來(lái)闡述傳播路徑的影響,并未直接進(jìn)行研究。通常,發(fā)生在GIS內(nèi)的局放,UHF信號(hào)通過(guò)T型、L型結(jié)構(gòu)時(shí)分別出現(xiàn)10 dB,6.8 dB左右的衰減,通過(guò)盆式絕緣子有3.5 dB左右的衰減,同時(shí)信號(hào)衰減情況受GIS腔體尺寸影響。電力變壓器的構(gòu)造更為復(fù)雜,測(cè)量傳感器不論采用外置式還是內(nèi)置式,測(cè)量端信號(hào)都經(jīng)過(guò)相當(dāng)程度的折反射與繞射,外置傳感器還將受到衍射影響。因此,在建立UHF檢測(cè)校準(zhǔn)體系時(shí),應(yīng)將信號(hào)的傳播路徑作為一個(gè)重要影響因素來(lái)確定傳遞函數(shù),以保證校準(zhǔn)的可靠有效。

2.4 傳感器特性的影響

測(cè)量傳感器性能直接決定所測(cè)信號(hào)的帶寬、強(qiáng)度和精度,是測(cè)量的最后一個(gè)環(huán)節(jié),考慮電磁測(cè)量的特性,也是最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。參數(shù)特性不同的測(cè)量天線,其測(cè)量數(shù)據(jù)會(huì)不盡相同。文中選取微帶、單極子和雙錐3種較有代表性的天線作為檢測(cè)傳感器,通過(guò)試驗(yàn)探究天線性能的影響情況。

試驗(yàn)采取遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)測(cè)量,保持測(cè)距為1.2 m,試驗(yàn)過(guò)程中,發(fā)射信號(hào)維持5 V的強(qiáng)度,天線具體參數(shù)見(jiàn)表1,其增益比對(duì)情況見(jiàn)圖8。

表1 天線性能參數(shù)Table 1 The performance parameters of antenna

圖8 3種天線的實(shí)測(cè)增益對(duì)比Fig.8 The measured gain comparison of the three antennas

試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖9。試驗(yàn)表明,在天線帶寬內(nèi)所測(cè)量信號(hào)穩(wěn)定且強(qiáng)度高,頻帶外的信號(hào)衰減嚴(yán)重,離頻帶中心距離越遠(yuǎn)的頻率點(diǎn),其信號(hào)衰減程度越高。帶寬決定UHF信號(hào)檢測(cè)強(qiáng)度。另外,對(duì)比天線實(shí)測(cè)增益和所測(cè)信號(hào)幅值的變化規(guī)律,關(guān)聯(lián)圖8和圖9發(fā)現(xiàn),測(cè)量端信號(hào)的幅值隨頻率的變化規(guī)律與天線的實(shí)測(cè)增益曲線相同。

圖9 不同頻率下天線測(cè)量結(jié)果Fig.9 The measuring results of antennas at different frequencies

3 結(jié)論

文中研究典型局放源的放電機(jī)理、UHF信號(hào)的傳播規(guī)律以及天線測(cè)量特性,得出以下結(jié)論。

(1) 結(jié)合4種典型實(shí)測(cè)局放UHF信號(hào)波形,分析了局放源對(duì)UHF檢測(cè)校準(zhǔn)可靠性的影響。試驗(yàn)驗(yàn)證了三電容等效模型的適用范圍,提出使用兩電容等效模型分析電暈放電。

(2) 研究4種典型局放UHF信號(hào)能量與放電量的關(guān)聯(lián)關(guān)系,其UHF信號(hào)積累能量與視在放電量呈較好的二次函數(shù)關(guān)聯(lián),可用于UHF信號(hào)定量分析,但其校準(zhǔn)可靠性不一。其中,電暈、懸浮放電可靠性較高,氣隙、沿面放電則相對(duì)較差。

(3) 試驗(yàn)研究了UHF檢測(cè)傳播特性與測(cè)量傳感器的影響。結(jié)果表明,UHF信號(hào)在近區(qū)場(chǎng)急速衰減,進(jìn)入遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)則基本趨于穩(wěn)定,且不同頻率的UHF信號(hào)隨距離變化的衰減斜率存在差異,UHF信號(hào)自身頻率影響其隨距離的衰減程度,卻不影響其相對(duì)測(cè)量角度變化的衰減。

(4) 天線的帶寬限制UHF信號(hào)的有效測(cè)量頻率。有效帶寬內(nèi)測(cè)量信號(hào)強(qiáng)度變化與天線的增益、駐波比匹配。因此,必須綜合考慮各種因素對(duì)UHF檢測(cè)校準(zhǔn)的影響,確定更加準(zhǔn)確合理的校準(zhǔn)傳遞函數(shù),提高校準(zhǔn)可靠性。