基于實體GIS設(shè)備試驗的局部放電光學信號傳播特性研究

韓旭濤，史天一，王昊天，周陽，陳歡，張軒瑞，李軍浩，李興旺，姚聰偉，孫帥

(1. 西安交通大學 電氣工程學院，陜西 西安 710049；2. 廣東省電力裝備可靠性企業(yè)重點實驗室(廣東電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院)，廣東 廣州 510080)

氣體絕緣開關(guān)設(shè)備(gas insulated switchgear，GIS)具有高可靠、環(huán)境友好、結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代電力系統(tǒng)的建設(shè)中，起到通斷、控制和保護等重要作用。我國的1 100 kV特高壓變電站均采用GIS[1-3]。但是，在GIS的制造、運輸、組裝以及運行過程中，由于人為因素等不可避免地會產(chǎn)生絕緣缺陷。在高電壓作用下，絕緣缺陷引發(fā)電場集中，從而發(fā)生局部放電。局部放電既是GIS絕緣失效的原因，也是其絕緣劣化的表征。所以，通過檢測局部放電能夠有效發(fā)現(xiàn)GIS內(nèi)部的絕緣缺陷，從而避免嚴重設(shè)備故障的發(fā)生[4-6]。

局部放電發(fā)生時會向外輻射光信號，通過測量光學信號能夠?qū)崿F(xiàn)局部放電的檢測。隨著超敏光電測量技術(shù)和傳感技術(shù)的發(fā)展，光測法在抗電磁干擾、靈敏度和光譜分析方面表現(xiàn)突出，在監(jiān)測置信度和時效性方面具有不可替代性[7]。局部放電光測法由于檢測靈敏度高、電磁免疫，且尤其適合于具有全封閉結(jié)構(gòu)的GIS，已成為目前GIS局部放電檢測中最有前景的方法之一。研究人員圍繞局部放電光學傳感器、絕緣缺陷激發(fā)的光學信號特性、光學信號和電學信號的關(guān)聯(lián)關(guān)系等方面開展了相關(guān)研究，為GIS局部放電光測法的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)[8-13]。然而，在實際應(yīng)用過程中，相比于傳統(tǒng)的局部放電特高頻檢測法，光信號會隨著檢測距離的增加或者由于設(shè)備內(nèi)部部件的遮擋而發(fā)生嚴重衰減，因此研究局部放電的光學信號傳播特性對于GIS局部放電光測法的現(xiàn)場應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實意義。針對于此，學者們采用數(shù)值仿真的方式，對GIS內(nèi)部局部放電光學信號的傳播特性進行了研究分析。西安交通大學韓旭濤等最早基于光學信號的粒子特性，采用COMSOL中的粒子追蹤模塊仿真研究了傳播距離、設(shè)備結(jié)構(gòu)、接收角度、GIS部件等因素對GIS內(nèi)部局部放電光學信號傳播特性的影響規(guī)律，為局部放電光測法的現(xiàn)場應(yīng)用提供了支撐[14-16]。上海交通大學錢勇等人針對T型結(jié)構(gòu)中GIS局部放電光學信號的傳播特性進行了仿真研究，獲得了特殊結(jié)構(gòu)下的GIS局部放電光學信號傳播規(guī)律[17]。李信哲等提出了基于單光子探測的局部放電多光譜診斷方法，利用單光子固態(tài)光電器件對放電進行同步測量，論證了多光譜局部放電光學診斷技術(shù)的優(yōu)勢[18]。華北電力大學吳詩優(yōu)等人對于不同傳感器布置方式下接收到的光學信號特性進行仿真，針對不同GIS結(jié)構(gòu)提出了最優(yōu)的光學傳感器布置方式[19]。華北電力大學王贊等提出了一種采用內(nèi)置式非本征法布里-珀羅干涉(extrinsic Fabry-Perot interferometric，EFPI)光纖傳感器來檢測GIS中局放超聲信號的方法，具有較大的工程價值[20]。

當前研究人員圍繞GIS內(nèi)部局部放電光學信號的傳播特性進行了仿真研究，但是針對實際GIS中光學信號的傳播特性缺乏試驗分析，導(dǎo)致現(xiàn)場局部放電光測法的應(yīng)用缺少有力支撐。為此，本文在某實體GIS上設(shè)置導(dǎo)桿尖刺和懸浮電位2類放電位置隨機性強的絕緣缺陷，基于研究團隊前期研制的局部放電光-電融合傳感器，對實際GIS中局部放電光學信號的傳播特性進行研究，旨在為局部放電光測法的現(xiàn)場應(yīng)用提供支撐。

1 試驗系統(tǒng)

1.1 光-電融合傳感器結(jié)構(gòu)

將熒光光纖和GIS內(nèi)置特高頻傳感器相結(jié)合研制局部放電融合傳感器，傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示。熒光光纖嵌入內(nèi)置傳感器的上極板表面，通過特制的光纖密封接頭從金屬底板將光信號引出。

圖1 熒光光纖-特高頻融合傳感器結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of fluorescence fiber-ultrahigh frequency fusion sensor

塑料熒光光纖具有很好的柔韌性，為了增加熒光光纖的長度，提高傳感器對光信號的靈敏度，將熒光光纖按照阿基米德螺旋線布置在內(nèi)置特高頻傳感器的上極板表面，如圖2所示，其中熒光光纖一半嵌入至上極板中。

圖2 熒光光纖布置Fig.2 Layout diagram of fluorescent fiber

1.2 試驗系統(tǒng)

GIS局部放電光學信號傳播特性試驗在110 kV實體GIS母線段開展，試驗系統(tǒng)如圖3所示。GIS母線段由3個氣室組成，中間由2個具有通氣孔的通氣絕緣子分隔。每個氣室上均有特高頻傳感器安裝窗，可安裝所研制的光-電融合傳感器，從而實現(xiàn)局部放電光學信號的檢測。

圖3 GIS局部放電光學信號傳播特性試驗系統(tǒng)Fig.3 GIS partial discharge optical signal propagation characteristic test system

試驗中，通過250 kV/250 kVA的工頻試驗變壓器施加工頻電壓于110 kV電壓等級GIS試驗平臺，采用電容分壓器測量工頻電壓，分壓比為1 003∶1。通過融合傳感器檢測放電產(chǎn)生的光信號。光信號通過光電轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為電信號，和分壓器檢測到的電壓信號通過相同長度的同軸電纜連接到高速數(shù)字示波器。

1.3 缺陷布置

GIS內(nèi)部常見的絕緣缺陷包含發(fā)生在氣體中的絕緣缺陷和絕緣子上的缺陷，其中氣體中的絕緣缺陷位置不確定，產(chǎn)生具有隨機性，因此本文針對導(dǎo)桿金屬尖刺缺陷和懸浮缺陷這2類發(fā)生在氣體中的常見絕緣缺陷進行研究。

金屬尖刺缺陷模型設(shè)置為通過螺栓緊固結(jié)構(gòu)固定在導(dǎo)桿上的金屬針電極，如圖4(a)所示，針電極長20 mm，直徑2 mm，曲率半徑47 μm。利用環(huán)氧介質(zhì)將金屬絲與導(dǎo)桿隔離，金屬絲和環(huán)氧介質(zhì)通過絕緣膠帶固定，環(huán)氧介質(zhì)和導(dǎo)桿間通過螺栓緊固結(jié)構(gòu)固定，形成懸浮電位缺陷，如圖4(b)所示，金屬絲最遠處距離導(dǎo)桿20 mm，最近處距離導(dǎo)桿1 mm，直徑0.8 mm，曲率半徑0.4 mm。

圖4 實體GIS中絕緣缺陷設(shè)置Fig.4 Schematic diagram of insulation defect setting in physical GIS

試驗腔體為三相共體GIS，缺陷安裝布置在距離傳感器最近的導(dǎo)桿上。為了避免缺陷對光學信號傳播的影響，傳感器中心和導(dǎo)桿之間相距16.5 cm，缺陷與水平中央的距離為15 cm，如圖5所示。

圖5 缺陷所處的GIS導(dǎo)桿位置Fig.5 The position of GIS guide rod where the defect is located

基于搭建的試驗平臺研究傳播距離對GIS光信號的影響，在GIS氣室內(nèi)不同位置分別布置相同的懸浮或尖刺缺陷進行試驗，缺陷位置如圖6所示，最遠的缺陷布置在GIS氣室的最左端，和融合傳感器相距22.5 cm，最近的缺陷正對傳感器。

圖6 不同距離缺陷的位置Fig.6 Schematic diagram of the location of defects at different distances

此外，為探究傳播路徑受到絕緣子遮擋時的檢測效果，將懸浮缺陷和融合傳感器布置在GIS中的2個相鄰氣室，如圖7所示，2個氣室之間相隔的絕緣子上具有通氣孔，稱為通氣絕緣子。通氣絕緣子上的通氣孔為光信號的傳播提供了路徑，在檢測點1檢測得到的結(jié)果即為圖6位置1的檢測結(jié)果。

圖7 相鄰氣室下缺陷布置Fig.7 Schematic diagram of defect layout under adjacent air chambers

2 檢測距離對光學信號特性的影響

2.1 導(dǎo)桿尖刺試驗結(jié)果

統(tǒng)計不同位置和不同電壓下導(dǎo)桿尖刺局部放電幅值和放電數(shù)，如圖8所示。

圖8 尖刺缺陷下不同位置處檢測到的放電數(shù)和放電幅值Fig.8 Discharge numbers and amplitudes detected at different positions under protrusion defects

尖刺缺陷下的試驗結(jié)果表明，隨著檢測距離的增加，局部放電光信號的最大幅值有所減小，光信號發(fā)生了衰減，如圖8(a)所示。同時，隨著放電幅值的減小，某些放電信號衰減后小于光傳感器的檢測閾值，此時光信號不能夠被傳感器檢測到，這使得同一電壓下檢測到的放電數(shù)明顯減少，如圖8(b)所示。

雖然隨著檢測距離的增加，不同位置檢測得到的放電幅值和放電數(shù)都有所降低，但是3個位置下的局部放電起始電壓相同，均為50 kV左右。隨著外施電壓的升高，3個位置處的局部放電相位分布(partial discharge phase distribution，PRPD)譜圖檢測結(jié)果也相似，如圖9所示：起始電壓下，在工頻電壓的正負半周均檢測到放電信號；隨著外施電壓的升高，正半周的放電多于負半周；當電壓進一步升高，在工頻電壓的正負半周處均檢測到劇烈的放電信號，如圖9所示。因此，在一定范圍內(nèi)，雖然局部放電產(chǎn)生的光信號隨著檢測距離的增加而發(fā)生了衰減，但是光測法對于缺陷的檢測靈敏度不變，同時仍可通過放電譜圖來對缺陷進行診斷。

圖9 尖刺缺陷不同位置處的PRPD譜圖Fig.9 PRPD spectrogram at different positions of protrusion defect

2.2 懸浮電位試驗結(jié)果

懸浮缺陷下，不同位置的局部放電起始電壓相近。隨著檢測距離的增加，光信號同樣發(fā)生了衰減。隨著檢測距離的增加，放電幅值明顯減小，檢測到的最大放電幅值每增加1 cm衰減約2.2%，如圖10(a)所示。但是，由于單次的放電幅值較大，即使信號的幅值隨著距離發(fā)生了衰減，信號仍然能夠被檢測到，所以，隨著檢測距離的增加，測得的放電數(shù)相近，如圖10(b)所示。

圖10 懸浮缺陷不同位置處檢測得到的放電數(shù)和放電幅值Fig.10 Discharge numbers and amplitudes detected at different positions under floating defects

當光信號在GIS內(nèi)傳播時，放電產(chǎn)生的光子一部分會直接傳播到傳感器而被傳感器檢測得到，一部分會在GIS外殼上或者其他部件上發(fā)生1次或多次漫反射后才最終到達傳感器。隨著檢測距離的增加，經(jīng)過漫反射到達傳感器的光子數(shù)增加。直射到達的光信號強度和距離的平方成反比，發(fā)生衰減；經(jīng)過漫反射的光信號發(fā)生的衰減具有隨機性，同一距離下檢測到的光信號的衰減程度不同，并且這種不同隨著距離的增加會更加明顯。以上過程可能會導(dǎo)致放電譜圖的變化。

不同檢測距離檢測得到的放電譜圖如圖11所示。懸浮缺陷下每次放電的強度相當，所以其PRPD譜圖形狀應(yīng)該呈現(xiàn)“矩形”特征，如圖11(a)所示。但當檢測距離較遠時，大多數(shù)光子在傳播的過程中發(fā)生漫反射，由于漫反射的隨機性，某些光子不能到達傳感器，同一電壓下的信號衰減程度可能不同，使得譜圖的“矩形”特征不再明顯，如圖11(c)所示。所以，當檢測距離較遠時，雖然仍可以測得光信號，但是放電譜圖發(fā)生變化，從而影響對放電類型的判斷。

圖11 懸浮缺陷下不同位置處的PRPD譜圖Fig.11 PRPD spectrogram at different positions of floating defects

3 通氣絕緣子對傳播特性的影響

在相鄰氣室進行導(dǎo)桿尖刺缺陷的檢測時，放電信號已無法被檢測到，因此僅針對懸浮電位缺陷的檢測結(jié)果進行討論。

當在相鄰氣室進行檢測時，局部放電起始電壓為85 kV，與同一氣室檢測的結(jié)果相近。但此時放電產(chǎn)生的光信號不能直接到達傳感器，信號必須經(jīng)過多次漫反射才能到達檢測傳感器處，因此由于漫反射的隨機性引起的放電幅值的衰減程度不一更加明顯。放電的PRPD譜圖未呈現(xiàn)“矩形”特征，如圖12所示。

圖12 在相鄰氣室檢測懸浮缺陷得到的PRPD譜圖Fig.12 PRPD spectrogram obtained from detecting floating defects under adjacent air chambers

此時測量得到的最大放電幅值明顯降低，不超過0.2 V，不到同一氣室正對缺陷情況下的10%。同時，隨著外施電壓升高，檢測得到的最大放電幅值發(fā)生波動，最大值和最小值相差27%，如圖13所示。

圖13 在相鄰氣室檢測懸浮缺陷得到的最大放電幅值Fig.13 The maximum discharge amplitude obtained from detecting floating defects in adjacent air chambers

4 結(jié)論

本文在110 kV實體GIS開展了局部放電光學信號傳播特性研究，試驗觀測了檢測距離和通氣絕緣子對光學信號傳播特性的影響規(guī)律，主要得到如下結(jié)論：

a)在同一氣室內(nèi)部，隨著傳播距離的增加，GIS內(nèi)部局部放電光學信號都會發(fā)生明顯衰減。對于導(dǎo)桿尖刺缺陷，放電最大幅值和放電數(shù)都明顯減小；對于懸浮電位缺陷，由于本身放電幅值較大，放電數(shù)未發(fā)生變化，僅放電幅值有所減小。

b)在同一氣室內(nèi)部，雖然局部放電信號幅值明顯衰減，但由于光測法的高靈敏性，隨著檢測距離的增加，導(dǎo)桿尖刺和懸浮電位缺陷檢測到局部放電的起始電壓未發(fā)生變化；尖刺缺陷下的PRPD譜圖由于本身的分布不均特點，隨著距離增加形狀特性變化不大；懸浮缺陷的PRPD譜圖隨著距離的增加逐漸丟失其特有的“矩形”特征。

c)當光學信號透過帶有通氣孔的絕緣子傳播時，光學信號明顯衰減，懸浮缺陷下雖然依然能夠檢測到放電信號，但由于傳播的隨機性，PRPD放電譜圖形狀已不具有固定特點，且檢測到的光學信號幅值波動較大。