GIS中金屬微粒誘發(fā)沿面局部放電發(fā)展過程的研究

陳予倫,常丁戈,楊鼎革,張冠軍

(1. 電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(西安交通大學(xué)),陜西 西安 710049；2. 國(guó)網(wǎng)陜西省電力公司電力科學(xué)研究院,陜西 西安 710199)

0 引言

氣體絕緣全封閉組合電器(gas insulated switch,GIS)是全部或部分采用SF6為絕緣介質(zhì)的金屬封閉開關(guān)設(shè)備,其將斷路器、隔離開關(guān)、電流互感器等元件封閉于金屬外殼內(nèi)以實(shí)現(xiàn)高壓導(dǎo)體的可靠絕緣,具有占地面積小、不受外界環(huán)境影響、運(yùn)行可靠性高等優(yōu)點(diǎn),因此也被稱為氣體絕緣變電站[1—3]。然而,當(dāng)電場(chǎng)不均勻度較高時(shí),SF6氣體的絕緣強(qiáng)度會(huì)嚴(yán)重下降,根據(jù)國(guó)網(wǎng)運(yùn)檢部近年來記錄的大量GIS故障案例,發(fā)現(xiàn)多數(shù)故障的起因可歸結(jié)于金屬微粒引起GIS電場(chǎng)畸變[4]。

GIS中的金屬微粒在電場(chǎng)力的作用下會(huì)啟舉并向盆式絕緣子靠近,經(jīng)過一段時(shí)間的作用后,金屬微粒會(huì)附著在絕緣子表面并聚集在絕緣子與電極的結(jié)合點(diǎn)[4],進(jìn)而誘發(fā)GIS設(shè)備的絕緣擊穿,造成大面積停電事故,帶來社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益的損失。

近年來,國(guó)內(nèi)外對(duì)GIS設(shè)備中絕緣子表面固定金屬微粒引起的沿面放電進(jìn)行了很多研究。文獻(xiàn)[5]利用220 kV GIS設(shè)備沿面放電缺陷發(fā)展實(shí)驗(yàn)平臺(tái)研究了絕緣子表面固定金屬微顆粒沿面局部放電發(fā)展的現(xiàn)象及特征,研究表明其局部放電發(fā)展現(xiàn)象呈現(xiàn)出3個(gè)階段。文獻(xiàn)[6]通過模擬GIS金屬微粒附著在絕緣子表面時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度,估算其局部放電起始電壓。文獻(xiàn)[7]通過研究固定在絕緣子表面的金屬微粒,確定了絕緣子表面上影響微粒誘導(dǎo)閃絡(luò)發(fā)生的關(guān)鍵部位。先前針對(duì)GIS盆式絕緣子沿面放電的發(fā)展特性已存在大量的研究,然而在實(shí)際的工況運(yùn)行條件下,金屬微粒誘發(fā)GIS盆式絕緣子沿面放電的過程難以觀測(cè),也有觀點(diǎn)認(rèn)為GIS絕緣子沿面閃絡(luò)具有“無征兆閃絡(luò)”特征,但缺乏充分的實(shí)驗(yàn)依據(jù)[8—11]。由此可見,目前對(duì)于GIS盆式絕緣子表面金屬微粒誘發(fā)沿面放電過程這一課題還缺乏觀測(cè)和表征的深入研究[12—15]。

為此,文中根據(jù)GIS實(shí)際運(yùn)行條件,搭建了GIS模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái),設(shè)計(jì)了GIS中盆式絕緣子表面的金屬微粒缺陷,并利用增強(qiáng)型電荷耦合檢測(cè)器相機(jī)(intensified charge-coupled detector,ICCD)觀測(cè)到了GIS盆式絕緣子表面金屬微粒缺陷誘發(fā)沿面放電的過程,揭示了其放電發(fā)展的特性,為GIS絕緣子沿面放電發(fā)展的研究提供了依據(jù)。

1 GIS模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建及實(shí)驗(yàn)分析方法

1.1 GIS模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建

為了更加細(xì)致地觀測(cè)GIS絕緣子表面金屬微粒局部放電演變過程并分析其演變特性,根據(jù)GIS實(shí)際運(yùn)行工況,搭建如圖1所示的GIS模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái),主要包括鎧裝工頻實(shí)驗(yàn)變壓器、測(cè)試單元和測(cè)量系統(tǒng)。鎧裝工頻實(shí)驗(yàn)變壓器最高施加電壓100 kV。測(cè)試單元為盆式絕緣子,該絕緣子是以220 kV GIS的盆式絕緣子為基準(zhǔn)成比例縮小設(shè)計(jì)制成,具有清晰直觀且便于操作的優(yōu)點(diǎn)。測(cè)量系統(tǒng)由脈沖電流檢測(cè)裝置、ICCD和相應(yīng)的信號(hào)采集系統(tǒng)組成。實(shí)驗(yàn)時(shí),密封腔內(nèi)充入SF6氣體,在正對(duì)測(cè)試單元的位置設(shè)置玻璃觀察窗,并架設(shè)ICCD設(shè)備,用于記錄金屬微粒沿面放電的演變過程。

圖1 GIS模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.1 Simulation experiment platform of GIS

1.2 放電缺陷模型

實(shí)際GIS中金屬微粒的主要來源是螺絲旋鈕和觸頭摩擦產(chǎn)生的金屬屑,其尺寸通常不會(huì)超過厘米級(jí),且金屬微粒長(zhǎng)度小于5 mm時(shí),各類測(cè)量方法都難以檢測(cè)到其額定電壓下的放電脈沖[16]。由此,以一個(gè)長(zhǎng)度7.5 mm,直徑1 mm的線形金屬微粒為研究對(duì)象,將其固定在垂直于水平面的盆式絕緣子表面,如圖2所示,以模擬工程上常見的附著在絕緣子表面的金屬微粒缺陷。

圖2 盆式絕緣子金屬微粒缺陷模型Fig.2 Metallic particle on basin insulator model

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

文中旨在以局部放電譜圖的發(fā)展趨勢(shì)分析金屬微粒局部放電的發(fā)展過程,因此選擇抗外界干擾能力強(qiáng)、測(cè)量結(jié)果較為顯著的脈沖電流法測(cè)量金屬微粒的局部放電。測(cè)量?jī)x器選用意大利Techimp公司的PDcheck,其可將所在支路的耦合電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)并通過羅氏線圈的感應(yīng)得到信號(hào)的相位信息。同步相位信息的相位誤差采用針尖缺陷在放電譜圖上的極性效應(yīng)進(jìn)行校準(zhǔn),通過設(shè)置典型的針尖缺陷,多次測(cè)量其局部放電相位分辨譜圖(phase resolved pulse discharge,PRPD),計(jì)算每個(gè)譜圖下針尖缺陷理論相位與實(shí)際相位的偏差并取平均值,最終得到實(shí)驗(yàn)條件下的相位誤差為-99.5°。

ICCD相機(jī)選用型號(hào)為Andor iStar DH334T。如圖1所示,ICCD相機(jī)正對(duì)實(shí)驗(yàn)腔體的觀察窗,用于拍攝記錄實(shí)驗(yàn)過程中金屬微粒在絕緣子上的沿面放電過程。ICCD的拍照觸發(fā)端連接示波器的外觸發(fā)端口,以示波器測(cè)得的局放脈沖電流波形觸發(fā)拍照,使攝像系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)記錄金屬微粒的局部放電過程。

選擇階梯升壓法對(duì)所述盆式絕緣子缺陷模型進(jìn)行加壓。實(shí)驗(yàn)前已確保環(huán)境噪聲信號(hào)被觸發(fā)電平過濾。當(dāng)電壓升高至17.5 kV時(shí),出現(xiàn)了穩(wěn)定且微弱的局部放電信號(hào),故以17.5 kV為局部放電起始電壓。預(yù)實(shí)驗(yàn)表明,當(dāng)外施電壓的步長(zhǎng)處于10.3～11.5 kV時(shí),局部放電信號(hào)強(qiáng)度的階段性較為明顯,因此選取10.9 kV為步長(zhǎng)逐步升高電壓,各放電階段電壓持續(xù)作用時(shí)間為1 h。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)電壓升高至61.1 kV時(shí),該階段仍能穩(wěn)定放電；當(dāng)電壓升高至66.7 kV時(shí),盆式絕緣子沿面閃絡(luò)。因此文中選擇61.1 kV為最高實(shí)驗(yàn)電壓,實(shí)驗(yàn)分為5個(gè)加壓階段,所加電壓如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)加壓方式Fig.3 Experimental voltage and duration

2 局部放電發(fā)展過程與特征參數(shù)分析

2.1 放電譜圖分析

文中給出了不同階段電壓下盆式絕緣子金屬微粒PRPD譜圖及該階段下對(duì)應(yīng)的發(fā)光譜圖,具體如圖4所示。

圖4 各階段下的PRPD譜圖及其發(fā)光譜圖Fig.4 PRPD and its emission spectrums of each stage

第一實(shí)驗(yàn)階段。當(dāng)電壓升至17.5 kV時(shí),檢測(cè)到負(fù)半周開始出現(xiàn)微弱且不穩(wěn)定的放電信號(hào),由圖4(a)可知,放電點(diǎn)主要散布在270°且放電幅值最大不超過5 mV。在此階段,盆式絕緣子上的固定金屬微粒端部穩(wěn)定發(fā)出微弱的光,如圖4(b)所示,呈現(xiàn)電暈放電為主的特征。

第二實(shí)驗(yàn)階段,電壓升至28.4 kV,此時(shí)放電點(diǎn)仍散布在負(fù)半周約270°處,幅值仍不超過5 mV,如圖4(c)所示,可以看出此時(shí)放電比先前更加密集且局部放電相位寬度也有明顯增大。如圖4(d)所示,第二階段金屬微粒的發(fā)光出現(xiàn)向下延伸的趨勢(shì)。在該實(shí)驗(yàn)階段下仍呈現(xiàn)以電暈放電為主的特征,同時(shí)也出現(xiàn)了向沿面流注放電發(fā)展的趨勢(shì)。

第三實(shí)驗(yàn)階段,電壓升至39.3 kV,此時(shí)正半周開始少量放電,放電幅值微小,負(fù)半周放電較前一階段無明顯變化,放電點(diǎn)仍散布在負(fù)半周約270°處,放電幅值逼近5 mV,可以看出負(fù)半周逐漸開始穩(wěn)定放電,如圖4(e)所示。此時(shí)局部放電已初步發(fā)展成了明顯的放電通道,如圖4(f)所示。在該實(shí)驗(yàn)階段中電暈放電和沿面流注放電并存,放電已從先前的電暈放電主導(dǎo)轉(zhuǎn)變成沿面流注放電為主導(dǎo)。

第四實(shí)驗(yàn)階段,隨著外施電壓的不斷增大,局部放電相位譜圖正半周開始大量放電,局部放電相位寬度顯著增大,放電幅值也出現(xiàn)明顯增大,放電點(diǎn)集中在7～12 mV區(qū)間,如圖4(g)所示,且負(fù)半周的局部放電相位寬度也較前一階段有所增長(zhǎng),放電幅值仍穩(wěn)定在5 mV左右。從該階段的發(fā)光譜圖4(h)可以看出,此時(shí)放電通道進(jìn)一步增長(zhǎng),發(fā)光強(qiáng)度較先前有所增大,且放電通道中出現(xiàn)了微小的分支。在該實(shí)驗(yàn)階段中,局部放電正在以流注放電的形式沿環(huán)氧絕緣表面不斷發(fā)展。

第五實(shí)驗(yàn)階段,電壓逐漸升至61.1 kV,局部放電相位譜圖正負(fù)半周放電強(qiáng)度激增,幅值達(dá)到20 mV,正負(fù)半周放電譜圖均呈峰狀,如圖4(i)所示。此時(shí)貫穿性放電通道已初步形成,盆式絕緣子已臨近沿面閃絡(luò),如圖4(j)所示。此實(shí)驗(yàn)階段對(duì)應(yīng)盆式絕緣子表面固定金屬微粒沿面局部放電發(fā)展的后期階段,主要呈現(xiàn)以沿面流注放電為主的放電特征。

2.2 局部放電特征參數(shù)變化及分析

對(duì)每個(gè)實(shí)驗(yàn)階段,取15 min為電壓施加時(shí)間進(jìn)行局部放電信號(hào)特征量的統(tǒng)計(jì),得到整個(gè)加壓實(shí)驗(yàn)中各個(gè)階段內(nèi)的局部放電次數(shù)、最大放電幅值、平均放電幅值以及局部放電相位寬度,如圖5所示。

圖5 局部放電特征參數(shù)Fig.5 The characteristic parameters of PD

由圖5可知,第一實(shí)驗(yàn)階段只有極少的放電次數(shù),最大放電幅值和平均放電幅值均呈持續(xù)增長(zhǎng)態(tài)勢(shì),局部放電相位寬度也有些許增長(zhǎng),最大相位寬度不超過50°。

第二實(shí)驗(yàn)階段各特征參量都持續(xù)增長(zhǎng),且增幅微小,其中局部放電相位寬度較前一階段出現(xiàn)略微下跌,可能原因?yàn)樵撾A段噪聲干擾變小,放電點(diǎn)則顯得更加集中。

第三實(shí)驗(yàn)階段下,放電次數(shù)增幅顯著,階段末尾又出現(xiàn)些許減少。最大放電幅值和平均放電幅值的增長(zhǎng)趨勢(shì)均與上一階段相似,局部放電相位寬度呈先突增后趨于平緩的增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。

在第四實(shí)驗(yàn)階段中,各個(gè)特征量都有進(jìn)一步增長(zhǎng),其中最大放電幅值、平均放電幅值以及局部放電相位寬度增幅明顯,局部放電次數(shù)呈現(xiàn)先減小后持續(xù)增加的態(tài)勢(shì)。最大放電幅值先突增后趨于平穩(wěn),平均放電幅值和局部放電相位寬度皆出現(xiàn)了先突增后上下浮動(dòng)的變化趨勢(shì)。

在第五實(shí)驗(yàn)階段中,局部放電次數(shù)、最大放電幅值和平均放電幅值皆有極大增幅,說明此時(shí)放電已發(fā)展至接近沿面閃絡(luò)但局部放電相位寬度仍承前趨于平穩(wěn)。

3 局部放電發(fā)展過程分析

3.1 局部放電發(fā)展過程的階段劃分

上述提取的局部放電特征參量在不同階段都出現(xiàn)了不同的變化特征且都呈現(xiàn)總體上升趨勢(shì),但可以發(fā)現(xiàn)在第二、第三和第四實(shí)驗(yàn)階段中,各參量的變化趨勢(shì)并不完全一致,這為局部放電發(fā)展過程的劃分帶來不便。而K-Means聚類算法可通過不斷迭代使目標(biāo)函數(shù)取得極小值,能夠使數(shù)據(jù)達(dá)到較好的分類效果,基于此可將這些特征參量進(jìn)行更精確的聚類劃分[17—18],分析得出的聚類簇即對(duì)應(yīng)GIS盆式絕緣子金屬微粒局部放電發(fā)展過程的不同階段,從而更好地評(píng)估其局部放電發(fā)展的嚴(yán)重程度。

運(yùn)用K-Means聚類算法進(jìn)行分析,具體步驟為：

(1) 將4個(gè)特征參量矩陣集合成一特征向量矩陣λ=[N15minVmaxVaveφm],其中N15min為局部放電次數(shù)；Vmax為最大放電幅值；Vave為平均放電幅值；φm為局部放電相位寬度。

(2) 利用K-Means算法對(duì)集合矩陣進(jìn)行分析,得出n個(gè)聚類中心κ1,κ2,…,κn。

(3) 從特征向量矩陣λ中提取出待聚類分析的特征向量λ1,λ2,求取其和每個(gè)聚類中心的歐幾里得距離并借此將數(shù)據(jù)集劃分成n個(gè)簇。

(4) 重復(fù)上述過程,對(duì)數(shù)據(jù)集進(jìn)行迭代直至聚類簇的劃分情況不再變動(dòng)。

以局部放電相位寬度-平均放電幅值和局部放電次數(shù)-最大放電幅值為例進(jìn)行聚類分析,所得結(jié)果如圖6所示?？梢奊IS盆式絕緣子局部放電發(fā)展過程被劃分為3個(gè)階段。

圖6 局部放電發(fā)展階段劃分Fig.6 Partition diagram of partial discharge development stage

3.2 局部放電發(fā)展特性

結(jié)合各階段下的局部放電強(qiáng)度與發(fā)光譜圖分析,可將GIS盆式絕緣子表面金屬微粒缺陷局部放電的發(fā)展過程劃分為3個(gè)階段：電暈放電階段,電暈放電與流注放電并存階段和流注放電階段。

(1) 放電初始階段。該階段對(duì)應(yīng)第一、二實(shí)驗(yàn)階段,以電暈放電為主導(dǎo)。在此階段下線形金屬微粒的端部使絕緣子表面的局部電場(chǎng)發(fā)生畸變,滿足電暈起始條件,初始放電微弱且不穩(wěn)定,且此時(shí)并未形成明顯的放電通道。

(2) 放電發(fā)展階段。該階段主要對(duì)應(yīng)第三、四實(shí)驗(yàn)階段,該階段電暈放電和流注放電并存。此時(shí)絕緣子表面電場(chǎng)畸變達(dá)到一定程度,缺陷周圍的SF6氣體逐漸發(fā)生電離,產(chǎn)生的電子崩匯集漸漸形成流注放電通道,并不斷由缺陷處徑向延伸,即盆式絕緣子表面的爬電現(xiàn)象。

(3) 臨近閃絡(luò)階段。該階段主要對(duì)應(yīng)第五實(shí)驗(yàn)階段,電暈放電基本消失,放電特征主要呈現(xiàn)為流注放電。此時(shí)放電愈發(fā)劇烈,電子崩逐步向前累積,放電通道已延伸到了盆式絕緣子邊沿,同時(shí)熱電離產(chǎn)生的先導(dǎo)放電通道使貫穿性放電更易發(fā)生。

4 結(jié)論

文中基于脈沖電流法研究了GIS盆式絕緣子表面固定線形金屬微粒局部放電沿面發(fā)展過程,通過ICCD實(shí)時(shí)拍攝表征不同的放電發(fā)展階段,測(cè)量并提取局部放電相關(guān)參量,利用K-Means聚類算法進(jìn)行階段劃分,所得結(jié)論如下：

(1) GIS盆式絕緣子金屬微粒缺陷局部放電發(fā)展過程具有較為顯著的階段性特征,可分為電暈放電階段,電暈放電與流注放電并存階段和流注放電階段。

(2) 金屬微粒的放電通道在盆式絕緣子上徑向發(fā)展,外施電壓達(dá)到一定程度后會(huì)在絕緣子上形成貫穿性放電。

(3) 利用聚類算法對(duì)提取出的數(shù)據(jù)集進(jìn)行聚類簇的劃分,所得結(jié)果與實(shí)驗(yàn)所得的放電過程劃分結(jié)果表現(xiàn)出一定的契合度。

通過上述方法能夠幫助把握GIS盆式絕緣子典型絕緣缺陷的局部放電發(fā)展過程,但對(duì)于局部放電發(fā)展?fàn)顩r的預(yù)警仍需進(jìn)一步研究。

本文得到國(guó)網(wǎng)陜西省電力公司科技項(xiàng)目(SGSNKY00SPJ-S-1-9-0-0-296)資助,謹(jǐn)此致謝！