罐式断路器加装内置式特高频局部放电传感器方法研究

李建鹏 孟延辉 付炜平 张伟 李强 刘晓飞 李连众 郝自为

摘 要：

为了提高罐式断路器绝缘状态监测水平，保障设备可靠运行，提出了现场加装内置式特高频局部放电传感器实施方法。首先，通过加装位置选择、传感器选型、密封结构设计、电场仿真计算和安装环境控制，实现内置式特高频局部放电传感器的现场安装；其次，通过密封试验检查加装位置的密封性能；最后，利用真型测试检验传感器的安装效果。结果表明：加装特高频传感器以后，罐式断路器内手孔表面和耦合电极的最大场强为12.45 kV/mm，屏蔽罩的最大场强为18.51 kV/mm，均小于设计许用值；密封结构包扎5 h后定量检漏SF6气体体积分数为8 μL/L，小于标准要求值15 μL/L；传感器灵敏度满足检测需要，且对外界干扰信号具有一定的抑制作用。运罐式断路器在加装内置式特高频局部放电传感器以后，其绝缘性能、密封性能和检测灵敏度均满足设计要求。研究结果为解决特高频局部放电现场检测提供了一种较为实用高效的方法。

关键词：

波谱分析；内置式；罐式断路器；局部放电；特高频；密封结构

中图分类号：

TM935

文献标识码：A

DOI： 10.7535/hbgykj.2024yx03009

收稿日期：2023-05-06;修回日期：2024-04-18；责任编辑：王淑霞

基金项目：国家电网公司总部科技项目资助（5204GY23002）

第一作者简介：

李建鹏（1985—），男，河北石家庄人，高级工程师，主要从事电力设备在线监测与故障诊断方面的研究。

通信作者：

孟延辉高级工程师。E-mail：liyixuan0311@126.com

李建鹏，孟延辉，付炜平，等.

罐式断路器加装内置式特高频局部放电传感器方法研究

［J］.河北工业科技，2024，41（3）：227-233.

LI Jianpeng， MENG Yanhui，FU Weiping，et al.

Research on the method of installing built-in UHF partial discharge sensors in tank circuit breakers

［J］. Hebei Journal of Industrial Science and Technology，2024，41（3）：227-233.

Research on the method of installing built-in UHF partial discharge sensors in tank circuit breakers

LI Jianpeng1， MENG Yanhui1， FU Weiping2， ZHANG Wei3， LI Qiang1， LIU Xiaofei1，  LI Lianzhong1， HAO Ziwei1

（1.State Grid Hebei Electric Power Company Limited Ultra-high Voltage Branch， Shijiazhuang， Hebei 050071， China；2.State Grid Hebei Electric Power Company Limited Hengshui Branch， Hengshui， Hebei 053000，China；3.Xian XD Switchgear Electric Company Limited， Xian，Shaanxi 710077， China）

Abstract：

In order to improve the insulation status monitoring level of tank circuit breakers and ensure the reliable operation of equipment， a method for installing built-in ultra-high frequency partial discharge sensors on site was proposed. Firstly， the on-site installation of the built-in ultra-high frequency partial discharge sensor was achieved through the selection of installation position， sensor selection， sealing structure design， electric field simulation calculation， and installation environment control. Secondly， the sealing performance of the installation position was checked through sealing tests. Finally， the installation effect of the sensor was verified through true type testing. The results show that after the installation of ultra-high frequency sensors， the maximum field strength of the inner hand hole surface and coupling electrode of the tank circuit breaker is 12.45 kV/mm， and the maximum field strength of the shielding cover is 18.51 kV/mm， both of which are lower than the design allowable values. Quantitative leak detection of SF6 gas volume fraction of eight after five hours of sealing structure wrapping 8 μL/L， less than the standard requirement value of 15 μL/L. The sensitivity of the sensor meets the detection needs and has a certain inhibitory effect on external interference signals. After installing a built-in ultra-high frequency partial discharge sensor， the insulation performance， sealing performance， and detection sensitivity of the tank type circuit breaker meet the design requirements. The research results provide a practical and efficient method for on-site detection of ultra-high frequency partial discharge.

Keywords：

spectral analysis; built in; tank type circuit breaker; partial discharge; ultra-high frequency; sealing structure

罐式断路器在500 kV及以上电压等级断路器中占据重要地位，它可与电流互感器、母线、隔离开关、接地刀闸、避雷器等组成GIS，具有结构重心低、抗震性能好、耐污秽能力强等优点［1-4］。

国家电网公司相关统计及运维经验表明，绝缘缺陷是高压断路器的主要故障形式。绝缘击穿之前通常会出现局部放电，局部放电水平可以表征内部初期绝缘缺陷，是高压断路器绝缘状态监测的关键指标。高压断路器局部放电现场检测方法中，由局部放电引起冲击性振动形成的超声波可以穿过断路器金属外壳被外部超声传感器接收，检测范围广，但是衰减率高，适合人工进行周期性的局部放电检测。局部放电脉冲电流激发的特高频电磁波信号，虽然只能通过盆式绝缘子等非金属部件，但在罐式断路器同轴筒形结构中传播衰减小，具有较高的检测灵敏度和检测范围，适合安装监测装置进行局部放电的在线监测。

为了满足现场特高频局部放电检测需要，新生产的罐式断路器会预留无金属覆盖的绝缘盆子浇注孔作为特高频局部放电检测口。但是断路器早期绝缘缺陷产生的局部放电信号能量小，在经过气体、绝缘材料等介质后衰减大，穿过绝缘盆子浇注孔后被外部特高频传感器接收到的信号通常会很弱。再加上检测现场电磁干扰严重，导致外部局部放电检测的灵敏度、准确度大大降低［5］，且此方法仅满足特高频带电检测，不适合进行在线监测。

内置式特高频传感器是在断路器或GIS气室内壁上设置耦合电极，接收局部放电产生的特高频电磁信号，通过同轴电缆传送到气室外部，相比外部检测具有较高的传感灵敏度和抗干扰性能。在内置式特高频局部放电检测技术方面，国内学者进行了大量研究，成果卓著。文献［6］研究了圆盘形内置式特高频局部放电传感器的影响因素，指出驻波比低、频带宽的传感器检测性能更高。文献［7］分析了特高频局部放电检测方法遵循的试验导则以及技术标准，指出了国内现行标准的局限性。文献［8］－文献［10］研究了内置式特高频局部放电传感器的优化设计方法、检测灵敏度及现场校验技术。

针对出厂时间早、无特高频传感器和检测口的罐式断路器尚无法进行特高频局部放电检测的问题，依据罐式断路器的结构特点、绝缘安全和密封要求，从加装位置选择、传感器选型、密封结构设计、电场仿真分析和安装环境控制5个方面研究现场加装内置式特高频传感器的可行性，以提高罐式断路器绝缘状态监测水平、保障设备可靠运行。

1 技术方案

1.1 加装位置选择

1.1.1 通用设计

500 kV及以上电压等级的GIS断路器两侧连接有电流互感器，电流互感器气室内部只有一次导体穿过，二次线圈布置在气室外部，气室内结构较为简单，电场分布易于控制，所以通常选择在电流互感器气室手孔盖板上安装传感器，通用布置方式如图1所示。传感器安装以后对气室内部电场影响很小，此方案设计成熟，现场应用效果良好。

1.1.2 位置确定

罐式断路器典型结构如图2所示，可供加装特高频传感器的位置有上手孔盖板、下手孔盖板和两侧端盖板。上手孔盖板加装传感器后气室存在进水、受潮隐患，对密封要求严苛。

两侧端盖板拆卸难度较大，现场实施过程中灭弧室大面积暴露于空气中，对防潮、防尘措施要求很高。参照GIS成熟应用的局部放电传感器安装位置，本文选择在罐式断路器下手孔盖板上加装特高频传感器。

文献［11］研究了传感器安装手孔、结构参数与传感器性能参数间的影响关系，得到以下结论：传感器的灵敏度与手孔直径和耦合电极直径有关系，当手孔直径为耦合电极直径2倍时，传感器的灵敏度最高；手孔深度的增加能使平均灵敏度在一定程度上得到提高，但在具体频点上可能会降低灵敏度。本文设计的手孔结构，如图3所示，其中手孔直径D=240 mm，配合使用的商用传感器电极直径为160 mm、手孔深度H=80 mm、手孔盖板直径L=300 mm，灵敏度在理论上满足现有研究要求。

1.2 传感器选型

圆盘型特高频传感器是在手孔上设置一个轴对称的耦合电极，主要由圆板电极、介质板和同轴电缆组成，结构简单且容易实现良好的电场分布和气密性控制，在现场得到了广泛应用［12-13］。

文献［14］开展了圆盘型特高频传感器性能的仿真与实测研究，指出断路器特高频局部放电检测主要频段在700 MHz附近，频带为300 MHz～1.5 GHz，接收圆盘直径在150～190 mm时回波参数S11 曲线整体较小，传感器性能最优；电极厚度的增加会增强其机械强度，但导致谐振频率对应的S11值降低，综合考虑电极厚度在10 mm左右时，传感器的整体性能较优。本文选用的商用内置式特高频传感器结构如图4所示，具体参数：电极圆盘直径为160 mm、电极厚度为10 mm；环氧树脂板介电常数为2.2、直径为200 mm、介质厚度为20 mm。在螺栓与耦合电极之间加设绝缘垫片，阻隔金属螺栓对耦合电极的旁路作用，用金属螺栓将耦合电极与环氧树脂板固定在手孔盖板上。

1.3 密封结构设计

密封结构失效是影响断路器密封性能的重要因素，主要有以下3种失效原因：1）密封结构设计不当，密封件与密封槽尺寸不匹配，造成密封件压缩量过大或过小；2）密封件的性能与密封介质的相容性较差，不符合使用环境要求；3）密封件表面有瑕疵或使用期超期等密封件质量问题。本研究重点从密封材料选择和密封型式选择2个方面进行密封结构设计。

1.3.1 密封材料选择

SF6充气设备广泛使用橡胶密封材料，由于不同橡胶材料的聚合物链间的孔隙和分子链对气体的作用力不同，导致气体的透气系数在不同橡胶本体中具有差异性，工程应用中将透气系数作为评价橡胶密封材料的重要指标［15-17］。断路器常用的橡胶密封材料主要有丁腈橡胶、丙烯酸酯橡胶、氟橡胶、氟硅橡胶和三元乙丙橡胶。老化以前，丙烯酸酯橡胶和丁腈橡胶的透气系数分别为1.08×10-18，1.14×10-18 m2/（s·Pa）。三元乙丙橡胶和氟橡胶透气系数稍大，分别为3.56×10-18，3.62×10-18 m2/（s·Pa） 。氟硅橡胶的透气系数最大，为16.11×10-18 m2/（s·Pa），比丁腈橡胶和丙烯酸酯橡胶的透气系数要大一个数量级。

在断路器实际运行环境中，密封材料的温度、应力不断变化，加之湿度、大气压力等综合因素的影响，密封材料不可避免地发生老化。老化后，密封材料的分子链发生断裂或者交联、支链运动能力改变等，造成不同橡胶密封材料的透气系数呈现不同的变化趋势［18］。丁腈橡胶、氟橡胶、氟硅橡胶、三元乙丙橡胶和丙烯酸酯橡胶老化后透气系数的变化有较大差异，其中丁腈橡胶、氟橡胶、氟硅橡胶和三元乙丙橡胶老化后透气系数变小，而丙烯酸酯橡胶的透气系数变大。

从耐老化能力方面考察，三元乙丙橡胶的耐热、耐臭氧能力强于丁腈橡胶［19］。从透气性方面考察，老化前三元乙丙橡胶的透气性高于丁腈橡胶，但老化后其透气性接近丁腈橡胶，因此，可以将其作为气体密封的首选材料。

1.3.2 密封型式选择

矩形槽O形密封圈是国内高压断路器行业最早且普遍采用的密封型式，而T形槽O形密封圈是在引进国外技术的基础上逐步推广应用的气体密封型式［20］，上述2种密封型式如图5所示。可见O形橡胶圈直径小于矩形槽的槽宽，T形槽上部约有1/3的槽宽大于O形密封圈直径。

现场应用经验表明，矩形槽和T形槽均可满足断路器气体密封要求，但矩形槽相比于T形槽，其应用范围广、装配工艺简单、加工成本低，因此本文选择矩形槽O形密封圈密封型式，如图6所示。设计的密封结构，矩形槽槽深为8 mm，橡胶密封圈截面直径为10 mm，计算压缩量为20%，通过6颗M12×60螺栓连接手孔盖板与罐体把口。

1.4 电场仿真分析

罐式断路器气室内部安装有触头、导体、屏蔽罩、绝缘件、电容器等部件，结构复杂且电场控制要求严格。加装特高频传感器以后，在保证传感器灵敏度的同时，不引起气室内部电场发生畸变。为此，利用Maxwell软件开展传感器加装前后内部主要部件电场强度的仿真分析，以确保罐式断路器的绝缘性。

1.4.1 电场数值计算模型

罐式断路器气室内各部件的电场分布，可以按照准静电场问题来进行求解，准静电场基本控制方程如式（1）—式（3）所示。

2·D=ρ，（1）

2·E=0，（2）

D=εE，（3）

式中：D为电位移矢量；ρ为体电荷密度；E为电场强度；ε为电介质的介电常数。

式（4）为微分形式的Poisson方程。

2φ=－ρ/ε，（4）

式中，φ为求解区域的电位。

当ρ=0时，式（4）转变为Laplace方程，如式（5）所示。

2φ=0。（5）

罐式断路器的框架结构左右对称，满足第2类齐次边界条件，如式（6）所示

。

εφnΓ2=0，（6）

式中：φn表示电位的法向导数；Γ2表示第2类齐次边界条件。

罐式断路器准静电场的计算涉及4种材料，4种材料的相对介电常数取值如表1所示。

1.4.2 仿真工况

参照以往模型设计经验及工程实际，利用Maxwell 3D静电场模块，对500 kV某型号罐式断路器加装内置式特高频传感器前后的手孔盖板、耦合电极、静侧屏蔽罩（简称静屏蔽）、动侧屏蔽罩（简称动屏蔽）的电场强度进行仿真并计算。

加装传感器前的几何模型见图7，模型的计算区域是原模型大小。图8为加装传感器后的简化几何模型，根据罐体形状和边界条件左右对称的特点，在满足工程需要的情况下，对计算区域进行简化。

在计算模型中施加电压激励源，电压值取额定雷电冲击耐受电压，关键部位电压控制参数按表2选取。

1.4.3 结果分析

图9为加装局部放电传感器后的电场仿真图，电场强度对比如表3所示。由表3可知，罐式断路器加装内置式特高频传感器后，手孔盖板、耦合电极、静侧屏蔽罩、动侧屏蔽罩的电场强度未发生明显畸变，均小于设计许用值，对设备绝缘强度未造成影响。

2 安装环境控制

2.1 全密封移动车间

罐式断路器气室内部绝缘净距小，在特高频传感器加装过程中，若外界环境中的水分、粉尘等进入气室，会极大降低设备的绝缘强度。为有效控制环境条件、保证工程质量，研制了现场全封闭移动车间，如图10所示。移动车间整体采用软质包裹铝合金框架结构，外围铺设防雨布、遮阳布达到防雨、防潮功能。车间内配备照明、空调、除尘、除湿等设备，为加装过程提供近似于工厂车间的全密封安装环境，实现工程质量可控和施工环境舒适的目的。

2.2 控制效果

移动车间完成整体密封后，通过技术手段对车间内的温度、湿度、空气洁净度进行控制，使用温、湿度计、粉尘仪等检测移动车间内的环境指标是否满足罐式断路器开盖要求，环境控制指标如表4所示。

3 真型测试分析

3.1 测试过程

特高频局部放电传感器的现场加装效果如图11所示。充气至额定压力0.6 MPa后，用红外气体检漏仪对密封部位进行定性检漏，未发现气体泄漏点。对密封部位进行包扎，5 h后进行定量检漏，包扎腔内SF6气体浓度（体积分数，下同）为8 μL/L，小于标准要求值15 μL/L，表明密封结构的密封能力满足要求。

为了验证罐式断路器的绝缘性能和传感器的有效性，对一相罐式断路器进行了耐压试验和局部放电测试，测试方案如下：升压试验前，使用MPD600型噪声传感器（陕西同基电力提供）采集外界特高频信号；将电压缓慢升至740 kV保持1 min，然后降压至382 kV持续10 min；采用正常加压和移动电话通讯2种方式进行对比验证，并记录特高频信号幅值。测试数据如表5所示。

3.2 结果与分析

1）740 kV交流电压通过保持1 min，表明特高频传感器的加装未影响罐式断路器的绝缘强度。

2）当加压到740 kV时（耐压试验），套管顶部接线端子引起空气电晕放电产生特高频信号，经过套管和空气传播，被内置式特高频传感器和噪声传感器检测到，特高频信号幅值分别为－33 dBm和－43 dBm，表明内置式特高频传感器的灵敏度满足要求。

3）内置式特高频传感器在降压至382 kV时，测得的信号幅值为－71 dBm，噪声传感器测得的信号幅值为－70 dBm。对比未加压状态下背景噪声，特高频传感器实测信号幅值为－76 dBm，噪声传感器实测信号幅值为－71 dBm，可以判断在该电压下无特高频局部放电信号。

4）使用移动电话模拟外界干扰测试中，内置式特高频传感器测得的信号幅值为－50 dBm，噪声传感器测得的信号幅值为－46 dBm，表明内置式特高频传感器对干扰信号有一定屏蔽作用，抗干扰性能强。

4 结 语

针对在运且无法进行特高频局部放电检测的罐式断路器，提出了现场加装内置式特高频传感器的实施方法，实现了对未预留检测口的在罐式断路器的特高频检测，得到以下结论。

1）罐式断路器加装内置式特高频传感器以后，手孔盖板和耦合电极的最大场强为12.45 kV/mm，屏蔽罩的最大场强为18.51 kV/mm，关键部件的电场分布未发生明显畸变，设备绝缘强度满足设计许用值。

2）罐式断路器内密封结构包扎5 h后定量检漏SF6气体浓度为8 μL/L，小于标准要求值15 μL/L，密封能力符合标准要求，罐式断路器整体密封性能未受影响。

3）传感器灵敏度满足检测需要，通过与噪声传感器比较，内置式特高频传感器对外界干扰信号具有一定的抑制作用。

该方法尚有不足之处。首先，电场数值计算模型中未充分考虑绝缘材料的细微特征，介电常数取值较为主观，可能会降低模型的泛化能力。其次，高海拔、严寒等因素对于密封结构的影响考虑不充分。今后研究中，将持续优化电场计算模型，重点考虑极端工况，切实提高实施方法的工程实用性。

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