基于超聲波法的GIS盆式絕緣子內部氣隙放電特性研究

周云鋒,張子陽，楊景剛，賈勇勇

(1.江蘇省電力公司，江蘇 南京 210024；2.江蘇省電力公司電力科學研究院，江蘇 南京 211103)

GIS由于其占地面積小，可靠性高的優點在電力系統中得到了越來越廣泛的應用[1-3]，局部放電是GIS中放電性故障的初期表現，對GIS進行局部放電檢測是保證GIS安全運行的重要手段[4,5]。局部放電信號包含了豐富的絕緣狀態信息[6]，對GIS制造、安裝及運行過程中產生的缺陷能夠進行有效反應，可檢測出絕緣故障的發生及嚴重程度，在事故的早期階段提出報警，以便有計劃地安排維修，減少設備的損壞，避免事故發生所帶來的巨大損失。因而局部放電的檢測、評價和定位也就成為GIS絕緣狀況監測的最重要手段。

基于超聲波法的局部放電檢測是一種對電力設備很重要的、非破壞性的檢測手段。電力設備內部發生局放時表現為一個小范圍的氣體擊穿，氣體分子的相互撞擊會產生超聲波脈沖，不同的電氣設備，環境條件和絕緣狀況產生的聲波頻譜都不相同[7]。GIS中沿SF6氣體傳播的只有縱波，而在GIS外腔體中，既可以傳播橫波也可以傳播縱波[8]。GIS中局部放電激發的超聲波可以看作是以點源的方式向四周傳播，由于超聲波的波長較短，因此它的方向性較強，從而它的能量較為集中，可以通過外壁的超聲傳感器收集放電時產生的超聲信號并對其進行分析。

盆式絕緣子是GIS中重要的、用量非常大的絕緣介質，其材料通常為環氧，盆式絕緣子的絕緣性能對整個GIS的安全運行具有重要意義。盆式絕緣子一般采用真空澆注的方式進行制作，在澆注過程中如果真空度不夠或者進入了微量氣體，則會在澆注成型的絕緣子中產生微量氣泡，氣泡一旦形成，由于環氧的介電常數（ε=3.6）大于氣體的介電常數（ε=1），所以氣泡會承擔很高的場強，會導致氣泡發生放電，從而引起盆式絕緣子中產生局部放電。局部放電一旦形成，就會對絕緣產生長期的電氣和物理破壞，最終會導致絕緣失效，致使GIS產生事故。盆式絕緣子中由于氣泡引起的局部放電特性與氣泡的體積大小密切相關，其對絕緣的危害程度也不相同，本文以不同體積的環氧中氣泡為研究對象，對其局部放電的超聲波特性進行了研究。

1 測量系統及缺陷制作

研究過程中采用了一套以超聲波檢測為基礎的綜合測試系統，實驗線路如圖1所示，它包括工頻加壓系統及超聲波測試回路。

圖1 測量系統示意圖

圖1中，Z為保護阻抗，CK為耦合電容，CX為試品電容。由于沒有現成的帶有內部缺陷的絕緣子，因此本文使用缺陷單元模擬此類缺陷，如圖2所示。放電模型由三層環氧板黏接而成，上下兩層環氧板厚2 mm，中間夾板帶有氣隙缺陷，其厚度可以調整。

缺陷單元放置在密封腔體內，腔體上下采用金屬板，中間采用有機玻璃作為腔體外殼，超聲傳感器放置在下金屬板進行超聲信號的傳感。

設置尺寸為 2 mm（厚度）×1 mm（直徑），2 mm×2 mm，2 mm×3 mm，1 mm×1 mm，1 mm×2 mm，1 mm×3 mm的扁平氣泡，對其放電譜圖進行分析，并研究氣隙尺寸對放電起始電壓、局部放電量等影響。考慮到此類放電的分散性以及放電模式的時間累計性，試驗中每個樣品首先升壓至能采集到放電信號，然后穩定此時施加的電壓10 min，再逐級增大電壓，每一級電壓下均保持10 min左右以觀測放電現象。

2 實驗結果及分析

利用上述的測量系統及試品，對盆式絕緣子中不同體積的氣隙缺陷進行了局部放電實驗，對其放電特性進行了研究。

2.1 放電譜圖

以體積為2 mm×2 mm缺陷為例，研究不同電壓下氣隙內部放電的發展。放電PRPO譜圖如圖3所示。

圖3 不同外加電壓下的氣隙放電PRPD譜圖

從圖3可以看出，15kV時為起始放電階段，PRPD譜圖呈現雙峰的模式，幅值約為2 mV，隨著施加電壓增加到20kV左右，PRPD譜圖出現 “兔耳”（圖中圈中部分），最大放電幅值約為1.5 mV。

PRPD譜圖“兔耳”部分出現的原因是由于在施加電壓過零點附近氣隙外加電場極性的反轉，與氣隙內部空間電荷產生的場強同一方向，兩個場強疊加導致氣隙內部場強劇增，而使得放電劇烈，所以出現“兔耳”這樣信號較強的譜圖。

在此基礎上繼續增加施加電壓到22.5kV，放電量變大，最大放電幅值約為15 mV，且“兔耳”部分變得更明顯，隨著施加電壓的變化，氣隙放電的譜圖模式變化不大，此時隨著局部放電的進行，缺陷氣隙內的氣體分子不斷發生放電分解，產生CO2，H2O等電負性分子，這些分子一方面對氣隙內的氣體放電發生影響，一方面同介質產生化學反應，生成結晶狀物體附著在介質表面，改變介質表面的電導率。同時由于放電產生的分子和電子不斷轟擊介質表面，致使介質表面粗糙程度增加，對放電產生的空間電荷積聚產生影響，導致放電譜圖的變化。比較不同電壓下的譜圖還可以發現，隨著施加電壓的增加，“兔耳”的相位也隨著拉寬。由此可見，“兔耳”現象是內部氣隙缺陷放電所特有的一種特性。

2.2 氣隙尺寸的影響

不同氣隙厚度的起始放電幅值如圖4所示。

圖4 氣隙尺寸對起始放電量的影響

從圖4可以看出，氣隙尺寸對放電幅值的影響很大。圖中2條曲線分別為厚度δ=1 mm和δ=2 mm的氣隙起始放電幅值與氣隙直徑d的關系，可見初始放電幅值隨著氣隙體積的增大而增大。可以用3個電容來表征介質內部存在缺陷時的局部放電的機理，示意圖如圖5所示。

圖5 固體介質內部氣隙放電的三電容模型

圖5中，Cg為氣隙的電容，Cb為和Cg相串聯部分的介質電容，Ca為其余大部分絕緣的電容。

施加電壓于試品，使得氣隙上的電壓到達擊穿電壓UgB時，氣隙發生放電。氣隙發生一次局放，試品兩端出現瞬變電荷量Qa。放電產生后，Cg上的電壓降到ΔUg，假設試品為扁平狀且與電場方向垂直，氣隙厚度為δ，試品厚度為h，氣隙和介質的相對介電常數分別為εrc和εrb，由此電容模型可導出：

式（1）中：S 為氣隙面積。

當氣隙較大時，并不是整個氣隙都會發生放電，放電只發生在一部分面積中。因此，每次實際的放電面積應該以ηS來表示，其中η=0.1～0.8，Qa為：

由式（2）可知，面積 S越大，放電量 Qa越大；δ增大，且氣隙起始放電電壓變化不大時，Qa增大。試驗結果大致上能定性地反映出上述規律，但由于不確定因素的存在，要定量描述放電量與各個參數的關系還比較困難。

2.3 施加電壓的影響

3個不同SF6氣壓下超聲信號有效值與施加電壓的關系如圖6所示。

圖6 信號有效值與施加電壓關系圖

從圖6可以看出，氣隙發生起始放電以后，增大施加電壓氣隙場強增大，檢測到的超聲波信號隨著緩慢增大，但在施加電壓增大到一定程度時，信號幅值陡然增大。分析認為放電量增大的原因有：（1）施加電壓的增大使得氣隙上的電壓降增大；（2）氣隙內場強增加，離子運動更加活躍，參加放電氣隙有效面積增大。

3 討論

固體絕緣中的氣隙放電是局部放電產生的重要原因，從本質上來講，氣隙放電的特性由外施電壓產生的外電場和氣隙內空間電荷產生的內電場所決定，兩者之和決定了氣隙是否發生放電及發生放電的幅值和時刻。由于工頻電壓是隨時間不斷變化，當外加電壓在過零點極性反轉時，外加電場和空間電荷產生的內電場極性相同，會導致氣隙承擔一個較大的電場，從而會在過零點附近產生較大放電幅值，形成氣隙放電所固有的“兔耳”譜圖。由于氣隙體積增加，其放電起始電壓增加，導致一旦引起放電，就是一個較大的數值。因此大氣隙會引起大放電，放電劇烈會導致絕緣介質電老化加速，從而導致絕緣失效概率增加。

4 結束語

通過對GIS中盆式絕緣子內部氣隙模型局部放電的超聲波檢測，對其局部放電特性進行了研究。研究表明，隨著外加電壓的升高，氣隙放電譜圖表現出固體絕緣內部放電所獨有的“兔耳”狀譜圖，通過觀察“兔耳”譜圖的有無，可以簡單地判斷是否為內部放電。實驗結果表明，氣隙體積對放電幅值具有較大影響，大氣隙會引發大幅值放電，而隨著外加電壓的升高，其放電幅值會隨之升高，研究為GIS中局部放電的準確檢測、缺陷定位及模式識別奠定了實驗基礎。

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