局部放电的实验研究

孙曙光，王景芹，陆俭国，金少华

（1.河北工业大学 控制科学与工程学院，天津 300130；2.河北工业大学 电气工程学院，天津 300130；3.河北工业大学 理学院，天津 300401）

0 引言

气体绝缘组合电器（GIS）是在电力系统和众多企业用户中广泛应用的高压开关设备，它结构紧凑、占地面积小，且不受外界环境的影响.通过对GIS运行过程中发生的局部放电进行监测，预先判断出发生故障的位置和故障类型，可以有目的地进行故障切除，大大提高检修效率和系统的稳定性[1-2].本论文的工作就是利用超高频（UHF）法研究GIS实验模型中的局部放电特征，为故障类型的识别提供可靠依据.

本文重点研究了110 kVGIS实验样机中几种典型故障的局部放电特征，包括高压导体表面尖刺、高压导体悬浮电位、绝缘子表面固定颗粒3种类型.实验表明不同故障类型的局部放电超高频信号在波形、幅值、检波相位分布等方面存在显著的差异，可以依据这些特征对GIS进行局部放电故障类型的识别.另外还分析了不同类型局部放电的超高频信号与放电量pC的对应关系，以期利用超高频信号进行放电量评估.

1 实验系统

1.1 实验装置与局放源

实验模型由110 kV ZFW-126型GIS实际部件构成，如图1所示.该试验装置模型整体呈L型结构，三相共箱式设计，各气室充以 SF6气体作为绝缘介质，超高频传感器的安装采用外置式，安置在GIS腔体开孔处，如测量点1、3所示，本文共设计了3种典型的局部放电源模型：

1）高压导体上的金属尖刺放电[3]：尖刺为一直径为0.5mm的单根铜丝，与筒体壁的间隙为20mm，铜丝由螺丝固定在高压导体上，并紧密接触.

2）悬浮电位：当GIS屏蔽罩松动时,常会变成悬浮体而产生局部放电[4]，采用一个不锈钢螺母来模拟这种放电，利用绝缘胶带将螺母垫起，螺母与高压导杆的间隙为0.1mm.

3）绝缘子表面的固定金属颗粒[5-6]：绝缘子表面固定金属颗粒沿面局部放电缺陷的放电模型为长度5 cm、直径1mm、平行于电场方向固定放置的单根铜丝，上端部位于绝缘子与高压导杆连接点1 cm处.

图1 实验装置Fig.1 Experimentalequipment

2 检测装置

在实验过程中，试验回路如图2所示.无晕实验变压器为380V/300 kV，Cx为相应的试验模型的等效电容；Co为300 kV、400 pF高压电容器，用于耦合Cx放电时产生的脉冲电流信号，所使用的测量仪器主要包括以下2种：

1）XD2102型常规局放仪：该局放仪采用基于脉冲电流法的测量原理，因超高频法不能直接测量试品的视在放电量pC，所以配备一台常规局放仪以实现放电量的标定.

2）示波器：超高频传感器有两路输出，一路输出为检波输出，对UHF放电信号进行包络检波，接至低采样速率示波器，以观察局部放电信号在工频周期内的相位分布；另一路为射频输出，即原始的UHF信号，接至泰克TDS3034B示波器,该示波器单通道采样速率达到2.5 GS/s、带宽300 MHz、存储深度10 kpts，以满足超高频信号的测量要求.

图2 实验连接图Fig.2 The connection diagram of experiment

3 GIS局部放电放电特性分析

3.1 金属尖刺放电分析

图3为尖刺放电在0.2MPa气压、试验电压为90 kV的放电波形，在0.2MPa下，放电起始电压为20 kV，到120 kV时出现闪络，到达击穿的临界状态.图3a)中3条测量波形由上至下依次为测量点3测到的超高频信号、测量点1测到的超高频信号，以及超高频信号的频谱分布，由于测量点3距离局放源要近一些，所以由该点测得的信号幅值要大，由图中可以发现在此条件下尖刺放电单次放电的超高频信号幅值接近100mV，持续性时间近200ns，频谱分量主要集中在400～800MHz.图3b)可以观察该种放电的超高频检波信号在工频周期内的相位分布，实验中发现该类型放电在单个工频周期内的放电次数多，放电信号相互交叠，放电首先出现在工频电压的正半周的峰值附近，50 kV后负半周才开始出现局部放电，但小于正半周的放电幅值.

为进一步分析电压及SF6气体气压对放电的影响，将气体充至0.45MPa气压下进行实验，并施加不同的电压，以下放电类型同，在0.45 MPa气压下局放起始电压为20 kV，在100 kV出现闪络，实验中可以发现此种放电在同一气压下电压增加放电幅值变大，变化明显；随着气压升高，起始放电电压变化不大，相同电压下的放电幅值增大，击穿电压降低.

图3 尖刺放电波形Fig.3 Thewaveform of corona discharge

3.2 悬浮电位放电分析

图4 为悬浮电位放电在0.2MPa气压、试验电压为90 kV的放电波形，放电起始电压为70 kV，图4a)中两条测量波形由上至下依次为测量点3测到的超高频信号以及超高频信号的频谱分布，由图中可以发现在此条件下悬浮电位放电单次放电的超高频信号幅值接近500 mV，持续性时间近800 ns，频谱分量主要集中在300～600 MHz.图3b)可以观察该种放电的超高频检波信号在工频周期内的相位分布，实验中发现此种类型的局部放电在一个工频周期内的放电次数少，但只要发生放电，放电幅值就比较明显，位于工频正负半周上升沿的放电信号基本成对出现，大小相等、放电相位也基本对称.

对于悬浮电位放电，在同一气压下，随电压增加局放幅值增加不是很明显；气压增加时出现局放的起始电压变大，0.45MPa下为120 kV，同时放电幅值较0.2MPa下有明显的增加.

图4 悬浮电位放电波形Fig.4 Thewaveform of suspension discharge

3.3 绝缘子表面固定金属颗粒放电分析

下图5为金属颗粒放电在0.2MPa气压、实验电压为90 kV的放电波形，局部放电起始电压为60 kV，到110 kV时出现闪络，图5a)中3条测量波形由上至下依次为测量点1测到的超高频信号、测量点3测到的超高频信号，以及超高频信号的频谱分布，由图中可以发现在此条件下颗粒放电单次放电的超高频信号幅值约200mV，持续性时间近250 ns，频谱分量主要集中在200～600MHz.图3b)可以观察该种放电的超高频检波信号在工频周期内的相位分布，实验中发现此种类型的局部放电一个工频周期内的放电次数较多但幅值大小不一，相位集中在正负半周的上升沿.在同一气压下，随电压增加局放幅值增加明显；随着气压升高，起始放电电压变化不大，相同电压下放电次数减少，但单次放电幅值增大，0.45 MPa下在90 kV时出现闪络，击穿电压降低.

图5 金属颗粒放电波形Fig.5 Thewaveform ofmetalparticledischarge

4 局部放电量的估计

为了利用超高频信号进行局部放电量的标定[7-8]，采取的实验方案如下，利用常规局放仪的测量探头与超高频传感器实时测量单次放电各自所对应信号的峰值，由于利用基于脉冲电流法的测量信号的幅值可以直接得到放电量 pC，据此可以间接得出超高频信号峰值与放电量之间的关系，利用该局放仪提供的校准脉冲发生器可以得到局放仪测量探头信号幅值与放电量之间的对应关系如图6所示.

首先对0.2MPa气压下的高压导体表面悬浮电位放电进行了放电量标定，首先采集70 kV、80 kV、90 kV、100 kV电压下的各10组数据，每组数据为局放仪测量信号的幅值与对应的超高频信号幅值.将每个电压等级下的10组数据进行平均后得到的趋势线如图7所示，由图可以发现悬浮电位放电所激发的电磁波峰值与其放电量之间的线性关系不是很明显.

对于高压导体表面尖刺放电，室验中共取了70组数据，从30 kV到90 kV，每10 kV电压下取10组数据，对这7个电压等级的数据取平均值后得到的趋势线如图8所示.

从图中可以看出，高压导体表面尖刺放电的放电量与超高频信号的幅值呈现比较明显的线性关系，且求得的渐近线方程决定系数为0.970 5，可以很好的近似二者之间的线性关系.

图6 脉冲电流信号幅值与放电量对应关系Fig.6 The relationship between the amplitude of impulse currentsignal and discharge quantity

图7 悬浮电位超高频信号幅值与放电量对应关系Fig.7 The relationship between the amplitude of UHF signal and discharge quantity for suspension discharge

绝缘子表面固定颗粒放电的放电量标定也是在0.2MPa气压下进行的，试验电压从30 kV～100 kV递增，同样是每个电压等级取样10个，结果如图9所示.渐近线的决定系数较低，不能很好的近似二者间关系,超高频信号幅值与放电量的线性关系不是很明显，但从整体上看基本能反映出放电量的变化.

图8 尖刺放电超高频信号幅值与放电量对应关系Fig.8 The relationship between the amplitude of UHF signal and discharge quantity for corona discharge

图9 金属颗粒超高频幅值与放电量对应关系Fig.9 The relationship between the a mplitude of UHF signal and discharge quantity for metal particle discharge

5 结论

文中对基于超高频法的GIS中几种典型的局部放电特征与放电量估计进行了深入研究分析，放电特征研究结果表明不同类型的放电波形及其发生放电的相位模式存在一定的区别，同时放电特性受到气压与电压变化的影响；对放电量估计的分析表明尖刺放电类型超高频信号幅值与放电量之间线性关系最为明显，这些都为基于超高频法的GIS局部放电类型识别与放电量评估的更深入研究打下了基础.

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