基于超声波法的GIS盆式绝缘子内部气隙放电特性研究

周云锋,张子阳，杨景刚，贾勇勇

(1.江苏省电力公司，江苏 南京 210024；2.江苏省电力公司电力科学研究院，江苏 南京 211103)

GIS由于其占地面积小，可靠性高的优点在电力系统中得到了越来越广泛的应用[1-3]，局部放电是GIS中放电性故障的初期表现，对GIS进行局部放电检测是保证GIS安全运行的重要手段[4,5]。局部放电信号包含了丰富的绝缘状态信息[6]，对GIS制造、安装及运行过程中产生的缺陷能够进行有效反应，可检测出绝缘故障的发生及严重程度，在事故的早期阶段提出报警，以便有计划地安排维修，减少设备的损坏，避免事故发生所带来的巨大损失。因而局部放电的检测、评价和定位也就成为GIS绝缘状况监测的最重要手段。

基于超声波法的局部放电检测是一种对电力设备很重要的、非破坏性的检测手段。电力设备内部发生局放时表现为一个小范围的气体击穿，气体分子的相互撞击会产生超声波脉冲，不同的电气设备，环境条件和绝缘状况产生的声波频谱都不相同[7]。GIS中沿SF6气体传播的只有纵波，而在GIS外腔体中，既可以传播横波也可以传播纵波[8]。GIS中局部放电激发的超声波可以看作是以点源的方式向四周传播，由于超声波的波长较短，因此它的方向性较强，从而它的能量较为集中，可以通过外壁的超声传感器收集放电时产生的超声信号并对其进行分析。

盆式绝缘子是GIS中重要的、用量非常大的绝缘介质，其材料通常为环氧，盆式绝缘子的绝缘性能对整个GIS的安全运行具有重要意义。盆式绝缘子一般采用真空浇注的方式进行制作，在浇注过程中如果真空度不够或者进入了微量气体，则会在浇注成型的绝缘子中产生微量气泡，气泡一旦形成，由于环氧的介电常数（ε=3.6）大于气体的介电常数（ε=1），所以气泡会承担很高的场强，会导致气泡发生放电，从而引起盆式绝缘子中产生局部放电。局部放电一旦形成，就会对绝缘产生长期的电气和物理破坏，最终会导致绝缘失效，致使GIS产生事故。盆式绝缘子中由于气泡引起的局部放电特性与气泡的体积大小密切相关，其对绝缘的危害程度也不相同，本文以不同体积的环氧中气泡为研究对象，对其局部放电的超声波特性进行了研究。

1 测量系统及缺陷制作

研究过程中采用了一套以超声波检测为基础的综合测试系统，实验线路如图1所示，它包括工频加压系统及超声波测试回路。

图1 测量系统示意图

图1中，Z为保护阻抗，CK为耦合电容，CX为试品电容。由于没有现成的带有内部缺陷的绝缘子，因此本文使用缺陷单元模拟此类缺陷，如图2所示。放电模型由三层环氧板黏接而成，上下两层环氧板厚2 mm，中间夹板带有气隙缺陷，其厚度可以调整。

缺陷单元放置在密封腔体内，腔体上下采用金属板，中间采用有机玻璃作为腔体外壳，超声传感器放置在下金属板进行超声信号的传感。

设置尺寸为 2 mm（厚度）×1 mm（直径），2 mm×2 mm，2 mm×3 mm，1 mm×1 mm，1 mm×2 mm，1 mm×3 mm的扁平气泡，对其放电谱图进行分析，并研究气隙尺寸对放电起始电压、局部放电量等影响。考虑到此类放电的分散性以及放电模式的时间累计性，试验中每个样品首先升压至能采集到放电信号，然后稳定此时施加的电压10 min，再逐级增大电压，每一级电压下均保持10 min左右以观测放电现象。

2 实验结果及分析

利用上述的测量系统及试品，对盆式绝缘子中不同体积的气隙缺陷进行了局部放电实验，对其放电特性进行了研究。

2.1 放电谱图

以体积为2 mm×2 mm缺陷为例，研究不同电压下气隙内部放电的发展。放电PRPO谱图如图3所示。

图3 不同外加电压下的气隙放电PRPD谱图

从图3可以看出，15kV时为起始放电阶段，PRPD谱图呈现双峰的模式，幅值约为2 mV，随着施加电压增加到20kV左右，PRPD谱图出现 “兔耳”（图中圈中部分），最大放电幅值约为1.5 mV。

PRPD谱图“兔耳”部分出现的原因是由于在施加电压过零点附近气隙外加电场极性的反转，与气隙内部空间电荷产生的场强同一方向，两个场强叠加导致气隙内部场强剧增，而使得放电剧烈，所以出现“兔耳”这样信号较强的谱图。

在此基础上继续增加施加电压到22.5kV，放电量变大，最大放电幅值约为15 mV，且“兔耳”部分变得更明显，随着施加电压的变化，气隙放电的谱图模式变化不大，此时随着局部放电的进行，缺陷气隙内的气体分子不断发生放电分解，产生CO2，H2O等电负性分子，这些分子一方面对气隙内的气体放电发生影响，一方面同介质产生化学反应，生成结晶状物体附着在介质表面，改变介质表面的电导率。同时由于放电产生的分子和电子不断轰击介质表面，致使介质表面粗糙程度增加，对放电产生的空间电荷积聚产生影响，导致放电谱图的变化。比较不同电压下的谱图还可以发现，随着施加电压的增加，“兔耳”的相位也随着拉宽。由此可见，“兔耳”现象是内部气隙缺陷放电所特有的一种特性。

2.2 气隙尺寸的影响

不同气隙厚度的起始放电幅值如图4所示。

图4 气隙尺寸对起始放电量的影响

从图4可以看出，气隙尺寸对放电幅值的影响很大。图中2条曲线分别为厚度δ=1 mm和δ=2 mm的气隙起始放电幅值与气隙直径d的关系，可见初始放电幅值随着气隙体积的增大而增大。可以用3个电容来表征介质内部存在缺陷时的局部放电的机理，示意图如图5所示。

图5 固体介质内部气隙放电的三电容模型

图5中，Cg为气隙的电容，Cb为和Cg相串联部分的介质电容，Ca为其余大部分绝缘的电容。

施加电压于试品，使得气隙上的电压到达击穿电压UgB时，气隙发生放电。气隙发生一次局放，试品两端出现瞬变电荷量Qa。放电产生后，Cg上的电压降到ΔUg，假设试品为扁平状且与电场方向垂直，气隙厚度为δ，试品厚度为h，气隙和介质的相对介电常数分别为εrc和εrb，由此电容模型可导出：

式（1）中：S 为气隙面积。

当气隙较大时，并不是整个气隙都会发生放电，放电只发生在一部分面积中。因此，每次实际的放电面积应该以ηS来表示，其中η=0.1～0.8，Qa为：

由式（2）可知，面积 S越大，放电量 Qa越大；δ增大，且气隙起始放电电压变化不大时，Qa增大。试验结果大致上能定性地反映出上述规律，但由于不确定因素的存在，要定量描述放电量与各个参数的关系还比较困难。

2.3 施加电压的影响

3个不同SF6气压下超声信号有效值与施加电压的关系如图6所示。

图6 信号有效值与施加电压关系图

从图6可以看出，气隙发生起始放电以后，增大施加电压气隙场强增大，检测到的超声波信号随着缓慢增大，但在施加电压增大到一定程度时，信号幅值陡然增大。分析认为放电量增大的原因有：（1）施加电压的增大使得气隙上的电压降增大；（2）气隙内场强增加，离子运动更加活跃，参加放电气隙有效面积增大。

3 讨论

固体绝缘中的气隙放电是局部放电产生的重要原因，从本质上来讲，气隙放电的特性由外施电压产生的外电场和气隙内空间电荷产生的内电场所决定，两者之和决定了气隙是否发生放电及发生放电的幅值和时刻。由于工频电压是随时间不断变化，当外加电压在过零点极性反转时，外加电场和空间电荷产生的内电场极性相同，会导致气隙承担一个较大的电场，从而会在过零点附近产生较大放电幅值，形成气隙放电所固有的“兔耳”谱图。由于气隙体积增加，其放电起始电压增加，导致一旦引起放电，就是一个较大的数值。因此大气隙会引起大放电，放电剧烈会导致绝缘介质电老化加速，从而导致绝缘失效概率增加。

4 结束语

通过对GIS中盆式绝缘子内部气隙模型局部放电的超声波检测，对其局部放电特性进行了研究。研究表明，随着外加电压的升高，气隙放电谱图表现出固体绝缘内部放电所独有的“兔耳”状谱图，通过观察“兔耳”谱图的有无，可以简单地判断是否为内部放电。实验结果表明，气隙体积对放电幅值具有较大影响，大气隙会引发大幅值放电，而随着外加电压的升高，其放电幅值会随之升高，研究为GIS中局部放电的准确检测、缺陷定位及模式识别奠定了实验基础。

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