突出物缺陷下局部放電發(fā)展過程研究及特征信息提取

董玉林，李天昊

(國網(wǎng)湖南省電力有限公司長沙供電分公司，湖南 長沙 410015)

局部放電(partial discharge,PD)作為引起氣體絕緣組合電器(gas insulation switchgear,GIS)絕緣劣化和絕緣事故的重要因素[1-2]。目前，對GIS內(nèi)PD研究主要集中在信號去噪[3]和模式識別方面[4-5]，對其內(nèi)PD嚴重程度的評估研究甚少。不同于固體絕緣介質(zhì)，GIS內(nèi)的SF6氣體沒有像固體絕緣介質(zhì)一樣的老化過程，所以GIS內(nèi)PD發(fā)展過程與固體絕緣介質(zhì)內(nèi)PD發(fā)展過程也不同。為了掌握GIS的絕緣狀況，必須研究GIS內(nèi)PD發(fā)展過程的。

現(xiàn)在，國內(nèi)外一些學(xué)者從PD的統(tǒng)計特征出發(fā)，對PD發(fā)展過程進行了一些研究，發(fā)現(xiàn)放電次數(shù)、放電幅值、放電相位等特征與PD嚴重程度緊密相關(guān)[6-10]。雖然放電次數(shù)和放電幅值特征在隨著PD的發(fā)展表現(xiàn)出一定的單調(diào)性，但在對PD發(fā)展和嚴重程度進行診斷評估時，其只能作為一個參考特征，不能僅由單一特征或很少幾個特征來準確診斷PD嚴重程度[11]?？傊?，在還沒有對PD發(fā)展過程準確認知前，采用少量的放電特征參量來表征PD嚴重程度的準確性是不足的。為此，本文對GIS內(nèi)部典型金屬突出物缺陷下PD發(fā)展過程進行了試驗研究，提取不同放電階段特高頻(ultra-high frequency，UHF)PD信號11個特征量，分析其隨著PD發(fā)展的變化規(guī)律和機理。

1 局部放電實驗平臺及實驗方法

1.1 實驗平臺

圖1所示為實驗接線原理圖，T1為柱式調(diào)壓器，T2為無局放工頻試驗變壓器，C1/C2為工頻分壓器，R為保護電阻，示波器為TekDPO 7104示波器，其帶寬為1GHz，最大采樣率為20GS/s。實驗采用的UHF傳感器的帶寬為340MHz-440MHz，中心頻率為390MHz。根據(jù)GIS中金屬突出物缺陷下放電特征，設(shè)計了針-板缺陷模型模擬GIS內(nèi)金屬突出物缺陷，針-板間距為5mm，置于充以0.4MPa的SF6氣體的模擬GIS裝置中。

圖1 實驗接線原理圖Fig.1 Principle diagram of experimental connection

1.2 實驗方法

模擬金屬突出物缺陷下不同嚴重程度PD過程的試驗方法有：恒定電壓法和逐步升壓法[12]。恒定電壓法所需要的實驗周期長，不太適用于本文規(guī)律性試驗研究；逐步升壓法采用較高的電壓應(yīng)力來加速缺陷的劣化，不但可以模擬絕緣缺陷下PD的發(fā)展過程，而且能在較短的時間內(nèi)獲得大量的實驗數(shù)據(jù)。因此，本文采用逐步升壓法來進行突出物缺陷下PD的發(fā)展過程試驗研究。

GIS模擬裝置耐壓強度高，經(jīng)測試在能使缺陷發(fā)生擊穿的電壓下，裝置本身仍不會產(chǎn)生PD。實驗中，首先緩慢升高試驗電壓，直至產(chǎn)生穩(wěn)定PD信號，測得起始放電電壓為9.4kV，設(shè)置示波器采樣率為5GS/s，采集單次PD脈沖波形；然后，設(shè)置示波器采樣率為50MS/s，設(shè)置每隔1s采集一個工頻周期內(nèi)PD信號，采集100個工頻周期內(nèi)的PD信號作為一個PD樣本；然后每2h升高電壓2.5kV，并采集該電壓下的PD信號。實驗發(fā)現(xiàn)，在26.3kV下缺陷處出現(xiàn)了強烈的電暈，當電壓為27.6kV發(fā)生了擊穿。為了保證示波器的安全性，實驗中不采集27.6kV實驗電壓下的PD信號，而選擇采集26.3kV下的PD信號作為絕緣缺陷擊穿前的PD特征信號。圖2所示為實驗中所加的階梯實驗電壓。

圖2 階梯實驗電壓Fig.2 Step test voltage

2 不同放電發(fā)展階段放電譜圖分析

本文共進行了5次模擬GIS內(nèi)突出物缺陷下PD發(fā)展過程試驗，5次試驗結(jié)果基本一致，本文選擇其中一次試驗結(jié)果進行分析。圖3所示為不同放電階段下的UHF PD信號φ-u散點圖和φ-n譜圖。

圖3 不同放電階段φ-u散點圖和φ-n譜圖Fig.3 φ-u scatter diagram and φ-n spectrograms at different PD stages

在負半周峰值附近最先出現(xiàn)放電，放電區(qū)間分布在250°-310°，而正半周峰值附近能看到很少且微弱的放電脈沖，并主要分布在80°-110°區(qū)間，負半周的放電脈沖幅值明顯大于正半周產(chǎn)生的放電脈沖幅值，如圖3(a)所示。隨著電壓的升高，在電壓為11.9kV時，負半周的放電脈沖幅值明顯增加，且最大脈沖幅值達到了起始放電電壓下的2倍左右，負半周總放電次數(shù)也是明顯增加，在270°附近放電脈沖最為密集，放電脈沖相位分布區(qū)間擴展到230°-320°；而正半周放電現(xiàn)象仍不明顯，如圖3(b)所示。

在14.4kV電壓下，正負半周內(nèi)的放電脈沖幅值和放電次數(shù)都有增加，正半周放電脈沖幅值達到了10mV左右，但是正半周在各相位上的放電次數(shù)都較少，遠小于負半周放電次數(shù)。另外，在該電壓下，負半周φ-n譜圖出現(xiàn)了向180°偏斜的現(xiàn)象，譜圖呈近似直角三角形形狀，而正半周的φ-n譜圖沒有明顯的傾斜。

在16.9kV電壓下，正負半周放電次數(shù)都有增加，但是正半周放電次數(shù)仍遠小于負半周。負半周的放電脈沖幅值沒有明顯增加，而正半周放電脈沖幅值增加較明顯，并且一些放電脈沖幅值已經(jīng)超過了負半周，負半周的φ-n譜圖繼續(xù)向180°偏斜，且在臨近200°附近開始出現(xiàn)放電脈沖。

當電壓為19.4kV時，正負半周放電次數(shù)和放電脈沖幅值有微弱的增加，負半周φ-n譜圖進一步向180°傾斜。在該放電階段，最明顯的特點就是正半周放電脈沖的φ-n譜圖開始向0°偏斜，且圖呈三角形形狀。繼續(xù)升高電壓到21.9kV時，正負半周放電φ-u散點圖的相似程度變高，都呈現(xiàn)出梯形形狀，最大放電脈沖幅值基本相等，放電脈沖相位分布寬度基本相等，且正半周放電脈沖分布在5°-125°，而負半周放電脈沖分布在190°-310°。在該放電階段正半周放電次數(shù)出現(xiàn)了陡增，正半周最大放電次數(shù)與負半周最大放電次數(shù)基本相等，φ-n譜圖繼續(xù)向0°偏斜。

當電壓升高到24.4kV時，放電繼續(xù)發(fā)展，在0°附近出現(xiàn)了放電，在0°-100°區(qū)間內(nèi)放電脈沖幅值沒有明顯的增加，而在100°-125°區(qū)間內(nèi)，放電脈沖幅值顯著增加，最大放電脈沖幅值達到了53mV，但是在區(qū)間100°-125°內(nèi)，放電次數(shù)較少，正半周放電最密集的區(qū)域仍在靠近0°附近，且最大放電次數(shù)出現(xiàn)在30°附近。正半周φ-n譜圖的尖峰更加明顯，負半周放電脈沖幅值沒有明顯增加，放電次數(shù)繼續(xù)的增加，φ-n譜圖中各相位處放電脈沖次數(shù)分布變得均勻。

當電壓升高到26.3kV時，實驗過程中聽到了強烈的電暈聲，放電發(fā)展到臨近擊穿階段。在該階段，如圖3(h)所示，在整個工頻周期都出現(xiàn)了放電脈沖，但是在155°-175°區(qū)間和320°-360°區(qū)間放電次數(shù)很少，遠小于其他相位區(qū)間的放電次數(shù)。同時，正半周放電相位區(qū)間寬度明顯大于負半周放電相位區(qū)間寬度，其中正半周放電脈沖主要分布區(qū)間為0°-155°，負半周放電脈沖主要分布區(qū)間為180°-300°；正半周放電次數(shù)也是明顯大于負半周放電次數(shù)。另外，發(fā)現(xiàn)在5°-80°相位區(qū)間內(nèi)，放電都達到了100次，也就是說每一個工頻周期內(nèi)在該區(qū)間內(nèi)都出現(xiàn)了放電。在區(qū)間100°-125°放電脈沖幅值進一步增大，并且放電區(qū)間向兩邊發(fā)展，擴展到80°-140°區(qū)間范圍，而正負半周其他放電相位區(qū)間放電脈沖幅值沒有明顯的增加。

3 放電特征變化規(guī)律

3.1 特征信息提取

(1)相鄰放電脈沖幅值最大比值Δumax特征

隨著PD的發(fā)展，正負半周放電脈沖幅值呈現(xiàn)不同變化趨勢。通過對正負半周相鄰放電脈沖幅值特征進行分析發(fā)現(xiàn)，在不同放電發(fā)展階段，相鄰放電脈沖幅值比值同樣呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，這些比值特征可以作為反映放電發(fā)展階段的特征[13]。比值特征如式(1)和(2)所示。

(1)

(2)

(2)相鄰放電時間間隔ΔT特征

在不同的放電發(fā)展階段，正負半周放電脈沖的密集程度不同，即相鄰放電脈沖的時間間隔有差異。為此，提取式(3)-(5)所示特征參量，作為描述PD發(fā)展指紋信息。

(3)

(4)

ΔTmax=max(Δt1,Δt2,…,ΔtN-1)

(5)

(3)等值累積放電量Qacc特征

PD越劇烈，單位時間內(nèi)的放電量越大，對絕緣的危害越嚴重，因此，一定時間內(nèi)的放電量可作為表征PD嚴重程度的特征。研究表明，UHF PD信號幅值與PD視在放電量存在二次積分關(guān)系[14]，因此，定義等值累積放電量Qacc為：

(6)

式中，N為一個工頻周期內(nèi)放電次數(shù)；ui表示第i個放電脈沖幅值。

(4)放電信號熵En特征

信息熵表示信息的復(fù)雜度，熵越大，信息越豐富，復(fù)雜度越高[15]。對一個工頻周期內(nèi)的放電脈沖序列而言，在不同放電階段，放電幅值、放電次數(shù)和相位分布表現(xiàn)出的差異性可以用信號的復(fù)雜度來表征，為此，本文構(gòu)造如式(7)所示熵值En特征。

(7)

式中，N為一個工頻周期內(nèi)放電次數(shù)；ui為第i個放電脈沖幅值。

3.2 放電特征變化規(guī)律

(1)放電脈沖最大幅值u

圖4所示為100個工頻周期正負半周最大放電脈沖幅值u的平均值變化曲線。隨著PD的發(fā)展，負半周放電脈沖最大幅值u呈增長-飽和趨勢，從11.9kV到16.9kV，放電脈沖最大幅值u有少量的增長，從16.9kV開始，放電脈沖最大幅值u基本達到了飽和。正半周放電脈沖最大幅值u在整個放電發(fā)展階段呈指數(shù)增長趨勢，從起始放電電壓開始到19.4kV電壓下，放電脈沖最大幅值u小于負半周放電脈沖最大幅值u，從19.4kV開始，正半周放電脈沖最大幅值u開始超過負半周放電脈沖最大幅值u，并急劇增加，到電壓為26.3kV時，放電脈沖最大幅值u已經(jīng)達到65mV。

圖4 工頻正負半周最大放電脈沖幅值Fig.4 Maximum amplitudes of PD pulses in power frequency positive and negative half cycle

(2)放電次數(shù)N

圖5所示為不同放電發(fā)展階段一個工頻周期正負半周平均放電次數(shù)N的規(guī)律曲線?？梢钥闯?，正負半周放電脈沖次數(shù)呈增長趨勢，但負半周放電脈沖次數(shù)增長速率相對較平緩，在PD初始階段，正半周放電脈沖次數(shù)很少，增長速度也很慢，但是到了16.9kV后，正半周放電脈沖數(shù)幾乎成倍增長，到鄰近擊穿階段，正半周放電脈沖數(shù)急劇增加，開始超過負半周放電脈沖次數(shù)。

圖5 工頻正負半周放電脈沖次數(shù)

(3)相鄰放電脈沖幅值最大比值Δumax

圖6為100個工頻周期正負半周相鄰放電脈沖幅值最大比值Δumax的平均值變化曲線。可知，正負半周相鄰放電脈沖幅值最大比值Δumax變化規(guī)律與放電脈沖最大幅值u變化規(guī)律相似。正半周相鄰放電脈沖幅值最大比值Δumaxx的呈指數(shù)增長趨勢，特別是在19.4kV之后，相鄰放電脈沖最大比值Δumax急劇增長；負半周相鄰放電脈沖最大比值Δumax呈增長-飽和趨勢，但在整個放電發(fā)展階段，總增量較小。不同的是，正半周相鄰放電脈沖幅值最大比值Δumax在臨近擊穿前增幅比放電脈沖最大幅值u增幅更加陡峭，而負半周相鄰兩放電脈沖幅值最大比值Δumax在整個PD發(fā)展階段增長較平緩。

圖6 工頻正負半周相鄰放電脈沖幅值比值最大值Fig.6 Maximum value of adjacent PD pulse amplitude ratio between positive and negative half cycles of power frequency

(4)相鄰放電脈沖時間間隔ΔT

圖7所示100個工頻周期正負半周相鄰放電脈沖平均時間間隔變化曲線。正負半周放電脈沖時間間隔ΔT呈近似指數(shù)衰減，從PD初始階段開始，正半周放電脈沖時間間隔ΔT大于負半周相鄰放電脈沖時間間隔ΔT，隨著PD發(fā)展，這種差距逐漸縮小，在鄰近擊穿階段，正負半周相鄰放電脈沖時間間隔ΔT基本相等。

圖7 工頻正負半周相鄰放電脈沖時間間隔平均值Fig.7 Average time interval of adjacent PD pulses in power frequency positive and negative half cycle

(5)相鄰放電脈沖最大時間間隔ΔTmax

工頻周期內(nèi)相鄰放電脈沖最大值時間間隔ΔTmax也就是正負半周中相隔最近兩次放電脈沖時間間隔，它一定程度上表征著正負半周相位分布區(qū)間變化趨勢，圖8所示為100個工頻周期內(nèi)相鄰放電脈沖最大時間間隔ΔTmax變化曲線。隨著PD的發(fā)展，工頻周期內(nèi)相鄰放電脈沖時間間隔最大值ΔTmax逐漸減小，正負半周放電脈沖相位分布區(qū)間逐漸拉近。

圖8 工頻周期內(nèi)相鄰放電脈沖時間間隔最大值Fig.8 Maximum time interval of adjacent PD pulses in a power cycle

(6)等值累積放電量Qacc

圖9所示為一個工頻周期平均等值累積放電量Qacc變化曲線。從起始放電到臨近擊穿，等值累積放電量Qacc呈指數(shù)增長趨勢，施加電壓越高，PD越嚴重，等值累積放電量Qacc越大，如果絕緣劣化越嚴重，特別是在臨近擊穿階段，其等值累積放電量Qacc會急劇增長。

圖9 不同放電階段等值累積放電量Fig.9 Equivalent cumulative discharges capacity in different PD stages

(7)放電信號熵En

圖10所示為不同PD階段放電脈沖信號熵特征En曲線，放電信號熵En特征呈指數(shù)增長趨勢，PD越嚴重，熵En值越大，工頻周期內(nèi)放電信號越復(fù)雜，信息含量越豐富。

圖10 不同放電階段放電信號熵特征Fig.10 Entropy feature of discharges signals in different PD stages

由圖4-10可知，在不同PD階段，放電特征信號的變化規(guī)律不同，利用這11個特征的差異信息構(gòu)建用于PD階段劃分和PD嚴重程度判別的特征集，可克服在進行PD階段劃分時，由于PD階段劃分的模糊性導(dǎo)致的單一特征不足以描述不同PD階段特征的問題，為進行PD嚴重程度評估提供更加完整的數(shù)據(jù)信息。這些特征信息與PD發(fā)展過程緊密相連，因此，采用這些特征參量可以有效實現(xiàn)PD發(fā)展階段的劃分和嚴重程度的評估。

4 放電發(fā)展中特征參量變化機理分析

在PD發(fā)展過程中，由于電子發(fā)射、SF6電離以及附著效應(yīng)等，會在針-板間隙產(chǎn)生大量的帶電粒子，在電場作用下，正負粒子會向相反的方向遷移，加強或削弱針電極前方電場[16-20]。

在負半周，正空間電荷加強了針尖附近電場，導(dǎo)致更容易發(fā)生放電，正半周相鄰放電脈沖時間間隔ΔT大于負半周。隨著電壓增加，針尖附近局部電場越強，外施電壓對針尖附近復(fù)合電場的影響越來越大，電離越劇烈，單位時間進入電極的正電荷量越大，放電脈沖幅值u越大，放電次數(shù)越多，相鄰放電脈沖時間間隔ΔT越小。當電壓較高時，正空間電荷更容易被吸入針電極，撞擊陰極表面，產(chǎn)生二次電子，中和針尖附近部分正離子，導(dǎo)致負半周放電脈沖幅值u隨電壓的增加逐漸達到飽和。當電壓轉(zhuǎn)入正半周時，針尖附近殘余正空間電荷削弱針尖附近電場SF6電離弱，不容易發(fā)生放電，放電脈沖幅值u小，相鄰放電時間間隔ΔT較大。隨著電壓升高，SF6電離加強，產(chǎn)生大量帶電粒子，同時由于電壓越高，外施電壓建立的電場加速正離子向陰極遷移，使正空間電荷對針尖附近電場的削弱作用減弱，因此，電壓越高時，放電脈沖幅值u越大，放電次數(shù)越多，相鄰放電時間間隔ΔT逐漸減少。另外，隨著電壓升高，正半周放電越強烈，電離產(chǎn)生的正電荷越多，殘留的正電荷也越多，當電壓轉(zhuǎn)入負半周時，由于正空間電荷加強針尖附近電場，在電壓轉(zhuǎn)入負半周很短時間內(nèi)就能引發(fā)PD，也就是放電相位逐漸向180°附近移動。所以相鄰放電脈沖最大時間間隔ΔTmax逐漸減小，同時電壓越大，放電過程中電荷的總轉(zhuǎn)移量越大，遷移速度越快，越雜亂無章，因此，放電信號熵En和等值放電量隨著PD的發(fā)展逐漸增大。

正空間電荷導(dǎo)致正負半周放電次數(shù)N增長趨勢呈現(xiàn)差異性。在正半周電壓較低時，由于正空間電荷對電場的削弱作用，導(dǎo)致正半周不容易放電，外施正弦電壓需要升高的更高電壓下才能激發(fā)SF6電離，因此放電次數(shù)N小于負半周放電次數(shù)N。在臨近擊穿電壓下，在正半周，外加電場加速正離子向陰極遷移，當正弦電壓進入下降階段，由于正空間電荷對電場削弱作用會一直減小，所以放電仍然容易發(fā)生，而負半周，由于正電荷進入電極和中和效應(yīng)，正空間電荷對針尖局部電場的加強作用一直減弱，在正弦電壓進入下降階段，復(fù)合電場一直減小，放電不容易發(fā)生，所以，在臨近擊穿階段，正半周放電次數(shù)N逐漸超過負半周放電次數(shù)N。

正半周發(fā)生強烈放電會在針尖附近產(chǎn)生大量的正離子，削弱針尖附近電場，當外施電壓上升到臨界電壓值時，由于正空間電荷作用，使針尖附近復(fù)合電場減小，所以放電強度較小，即每次大幅值的放電之后出現(xiàn)的總是小幅值的放電脈沖，當外施電壓越大，特別是電壓到達峰值附近時，外施電壓建立的局部場強越大，電離越劇烈，放電脈沖幅值越大，在負半周，每次劇烈放電后，正離子撞擊陰極表面產(chǎn)生的二次電子和電離產(chǎn)生的大量電子，向陽極遷移，中和部分正空間電荷；同時部分電子附著在中性分子上，形成負離子，削弱正空間電荷對針尖附近局部場強的加強作用，因此再次放電時，放電脈沖幅值小，所以正負半周相鄰放電脈沖幅值最大比值Δumax均呈現(xiàn)出增長-飽和趨勢。

總之，由于正空間電荷累積效應(yīng)和對初始電場的畸變作用，以及正負半周放電產(chǎn)生放電脈沖的帶電粒子自身的本質(zhì)差異，導(dǎo)致正負半周各放電特征出現(xiàn)了相關(guān)的差異性和規(guī)律性。這些特征信息與PD發(fā)展過程緊密相連，采用這些特征參量可以有效實現(xiàn)PD發(fā)展階段的劃分和嚴重程度的評估。

5 結(jié)論

(1)采用階梯電壓法對金屬突出物缺陷下的PD過程進行了研究，構(gòu)建了不同PD發(fā)展階段φ-u散點圖和φ-n譜圖，發(fā)現(xiàn)：隨著PD的發(fā)展，正負半周放電脈沖幅值、放電次數(shù)和放電相位區(qū)間分布呈現(xiàn)出一定差異性和規(guī)律性。

(2)從PD產(chǎn)生和發(fā)展的物理微觀過程出發(fā)，分析了正空間電荷PD特征參量變化規(guī)律的影響機理，闡述了帶電粒子的本質(zhì)特性是導(dǎo)致的正負半周放電特征變化規(guī)律不同的原因，解釋了特征參量與放電發(fā)展的關(guān)系。