基于GIS局部放电模拟装置及评价方法的研究

(1.中交第四航务工程勘察设计院有限公司 广东 广州 510220;2.广州供电局有限公司电力试验研究院 广东 广州 510410)

1 引言

GIS以其结构紧凑、占地面积小、安装方便、受外界干扰少、检修周期长等优点被广泛应用于高压输变电系统中。然而GIS发生故障时，维修复杂，修复时间长，影响面积大，后果严重，其中以绝缘故障的比例为多[1-3]。局部放电信号包含了丰富的绝缘状态信息，不仅能检测到GIS制造与安装过程中引入的缺陷，而且在线监测过程中能够及时发现绝缘故障，并能够检测出故障的严重程度，因此，局部放电测量是绝缘状态监测的重要手段[4-5]。

在电力系统中，局部放电检测的方法主要有两大类，一类是电测法，包括脉冲电流检测法、超声波检测法、高频检测法和超高频检测法；另一类是非电测法，包括测光法、超声波法和测分解(或生成)物法[6-10]。在上述方法中，目前，GIS局部放电检测主要采用电测法中的脉冲电流检测法、超高频检测法和超声波检测法。

为了研究GIS在线监测装置和局放带电测试仪等设备的准确性，本文设计模拟GIS常见的局部放电模型，通过调节该缺陷模拟装置的模型类型和参数，验证在线监测装置或局放测试是否能对GIS进行有效的故障监测及故障分类判别，并对测试结果和缺陷判定进行评价。本装置采用脉冲电流检测法进行局部放电时域分析，采用超高频检测法进行局部放电频域分析。

2 GIS局部放电模拟装置

2.1 GIS局部放电模拟装置结构

GIS是由母线、隔离开关、电流互感器、电压互感器、断路器和套管等元件联结在一起的高度集成化的开关电器。本文GIS局部放电模拟装置采用110kV GIS单相母线腔体为试品，设置尖端缺陷、悬浮缺陷、颗粒缺陷、气隙缺陷4钟GIS典型缺陷[14-16]，内置无局放变压器和无局放耦合电容器，模拟GIS无局放实验环境。该GIS局部放电模拟装置适用于实验室实验。GIS局部放电模拟装置如图1所示。四种放电模型采用可调节方式，可任意选择一种或多种进行放电。当GIS内部发生局部放电时，可同时使用电脉冲、超声波、超高频等测量方式。

图1 GIS局部放电模拟装置

2.2 圆板型内置传感器

本装置采用超高频(UHF)检测进行局部放电频谱分析，设计制作了圆板式内置传感器。GIS内置传感器采用天线安置在GIS内部，可接收各个方向的电磁波信号，转化为高频电流，用同轴探针作为馈线进行馈电，通过同轴射频电缆把信号引给检测设备，具体结构如图2所示。

图2 圆板式内置传感器

研究表明[17]，圆板传感器半径大小和引线长度对天线频率有很大影响。在检测频带范围内，圆板天线的增益随着半径的增大而增大，圆板的半径越大，接收信号的能力越强。保持圆板半径不变，引线长度越长，信号增益越大。

2.3 GIS典型缺陷模型

根据GIS典型缺陷故障，设计了GIS的尖端缺陷、悬浮缺陷、气隙缺陷和颗粒缺陷4种缺陷模型，可以模拟出GIS不同缺陷的局部放电现象，具体结构如图3所示。

图3 GIS典型缺陷模型实物图

尖端缺陷模型采用一根接地金属棒，尖端对准高压导线来模拟，尖端到母线的距离1～5cm可调。悬浮缺陷模型采用直径为3cm，高0.8cm的圆柱铜块靠近高压母线实验，铜块用聚四氟乙烯支撑。气隙缺陷模型用在浇筑过程中混入气泡的环氧树脂绝缘模型，一端连接高压，一端接地来模拟。颗粒缺陷模型采用金属颗粒靠近高压端，模拟GIS气室内部的金属杂物。当上述GIS缺陷模型远离母线时，不影响其正常工作，并且其局放量在标准局放量范围内，满足标准及实际要求。

3 GIS局部放电测量系统

为了防止外界环境干扰及减少GIS内部局部放电信号的干扰，尽可能保证干净的实验背景，测量系统的实验电源使用电源控制箱、隔离滤波器、无局放实验变压器和无局放耦合电容。同时，采用的实验电压在0～160kV内可调；无局放耦合电容为50pF。GIS局部放电模拟装置中的缺陷模型设计为可调节方式，从而可任意选择一种或多种模型进行放电。 GIS局部放电测量系统如图4所示。

4 局放测试结果分析

4.1 局部放电时域图谱分析

从电脉冲局部放电时域图谱中可分析放电发生时工频电压的相位、放电强度与相位的关系、正负半周的相似情况等，不同类型、不同强度的放电时域图谱具有不同的特点。在实验中通过改变SF6气体压力、外加电压的幅值等措施控制GIS缺陷模型的放电强度。

图4 GIS局部放电测量系统

4.1.1 尖端放电

金属尖端处电场比较集中，当施加电压达到一定值时，尖端出现电晕放电。当SF6气体压强为0.4MPa时，电源电压分别达到20kV，25 kV，所测的放电谱图及放电量如图5所示。

图5 尖端放电时域图谱

实验过程分析，电源电压达到起始电压后，270°相位位置开始出现放电，如图5中(a)所示，放电区间随外加电压的升高而变宽。到一定电压后，90°位置开始出现局部放电信号，且放电幅值明显高于270°位置，然而270°位置的放电密度高于90°位置，如图5中(b)所示。随着电压升高，90°和270°两处位置的放电密度都有所增加。

4.1.2 悬浮放电

与尖端产生的电晕放电不同，悬浮铜块与高压母线耦合出一个电容，属于容性放电。当发生局部放电时，检测阻抗所采到的放电信号幅值很大。当电源电压达到57kV，SF6气体压强为0.4MPa时，所测的放电谱图及放电量如图5所示。当SF6气体压强为0.4MPa时，电源电压分别达到57kV，65 kV，所测的放电谱图及放电量如图6所示。

图6 悬浮放电时域图谱

实验中观察到初始放电发生在第一象限和第三象限且成对称分布，且幅值均很高，如图6中(a)所示。随着外加电压的升高，放电图谱由两根变为四根，同样是一、三象限对称分布，如图6中(b)所示。对于悬浮放电，一旦发生放电，其幅值比较高且放电比较稳定，正、负半周基本对称。

4.1.3 气隙放电

气隙放电主要发生在绝缘介质内部，特别是盆式绝缘子。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。在承受高压时，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，最终导致绝缘失败。当SF6气体压强为0.4MPa时，电源电压分别达到19kV，28kV，所测的放电谱图及放电量如图7所示。

图7 气隙放电时域图谱

实验中观察到初始放电发生在第一象限和第三象限，局放峰值较小，如图7中(a)所示。随着外加电压的升高，放电区间逐渐变宽，局放峰值变大，如图7中(b)所示。从气隙放电图谱中可以发现气隙放电不会像悬浮、尖端那么稳定，局放峰值变化较大，但整体波形稳定。

4.1.4 颗粒放电

颗粒指的是GIS中的微小的金属物体，如金属碎屑。颗粒在高场强的作用下移动，相互碰撞，并且在管壁上弹跳。每次碰撞都会产生一个放电。颗粒放电的移动表现出随机性。当SF6气体压强为0.4MPa时，电源电压分别达到40kV，67kV，所测的放电谱图及放电量如图8所示。

实验中观察到放电发生在任意象限，呈现不规律特性。随着外加电压的升高，幅值略有上升并趋于稳定，然后幅值不受电压继续升高影响。此时放电象限依旧呈现不规律性。

4.2 局部放电频域图谱分析

放电的频谱分布决定了超高频局放检测的最佳频段，也可用于放电类型的判断或干扰的排除。在上述时域波形下，使用频谱仪对300M～1500MHz频段进行扫频分析。

图8 颗粒放电时域图谱

4.2.1 尖端放电

尖端放电信号集中频段范围为450M～910MHz。随着放电强度的增加，频率范围随之展宽，频谱幅值也随之增加。尖端放电频谱图如图9所示。图中基线为传感器的背景，峰状突起为放电频谱分量。

图9 尖端放电频域图谱

4.2.2 悬浮放电

悬浮放电的频谱分量遍布整个300M～1500MHz频段，其中300M～700MHz频段相对其他频段频谱幅值更高。相对其他放电频谱，悬浮放电频谱幅值高很多，主要是因为悬浮放电幅值太大，其放电量已超过5000PC。其放电频域谱如图10所示。

4.2.3 气隙放电

气隙放电的频谱分量主要分布在470M～700MHz频段，随着放电强度的增加，频率范围随之展宽，频谱幅值也随之增加。由于放电的特性，通过400ms的扫频，频谱不可能覆盖整个放电频段或稳定在一个频率点上。其放电频域谱如图11所示。

图10 悬浮放电频域图谱

图11 气隙放电频域图谱

4.2.4 颗粒放电

颗粒放电的频谱分量主要分布在550M～680MHz频段。与其他三种放电频谱相比，颗粒放电的频率范围较小。频谱多脉冲的现象反映出颗粒放电具有高能量不稳定的特点。其放电频域谱如图12所示。

图12 颗粒放电频域图谱

5 结论

该GIS局部放电模拟装置共设计了4种典型的局放模型，检测系统可以精确地检测到局放信号、直观地显示放电图谱，通过实验对比不同绝缘缺陷的放电特征，为实现对GIS进行有效的故障监测及故障分类提供重要理论依据，为GIS局部放电研究提供了一个良好的实验和研究平台。该GIS局部放电模拟装置可良好的应用于GIS在线监测装置和带电检测设备的检验评价，具有良好的应用前景和价值。