252 kV GIS局部放電試驗(yàn)仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)研究

杜彥強(qiáng)，畢海濤，師 政，馮占穩(wěn)，黃福存

(國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006)

1 平臺(tái)簡述

GIS局部放電是GIS絕緣變質(zhì)的重要征兆，也是導(dǎo)致其絕緣進(jìn)一步惡化的原因。由于絕緣擊穿會(huì)極大地影響電力系統(tǒng)和設(shè)備的穩(wěn)定性。因此各國都非常重視對(duì)GIS局部放電的研究。相應(yīng)的仿真試驗(yàn)平臺(tái)也重點(diǎn)設(shè)計(jì)接近于實(shí)際效果的GIS局部放電模擬平臺(tái)，這對(duì)研究GIS局部放電及放電檢測都有重要意義。目前國內(nèi)外對(duì)于GIS局部放電試驗(yàn)平臺(tái)的研究已較成熟[1-2]。部分實(shí)物如圖1所示。

圖1 GIS局部放電仿真平臺(tái)

2 GIS局部放電原因和檢測方法

2.1 GIS局部放電原因

a. 載流導(dǎo)體表面存在缺陷，例如設(shè)計(jì)缺陷、尖角、毛刺以及導(dǎo)體表面存在較高的電場強(qiáng)度等，均有可能引發(fā)GIS局部放電。由于導(dǎo)體周圍被氣體覆蓋，因此該局部放電通常也被稱為電暈。

b. 由于絕緣體和導(dǎo)體距離較近，產(chǎn)品制造殘留或熱脹冷縮等原因會(huì)產(chǎn)生一定空氣間隙而發(fā)生放電。同時(shí)氣息的擊穿強(qiáng)度較低，很容易在空氣間隙中發(fā)生放電現(xiàn)象。

c. 絕緣體澆注過程產(chǎn)生的氣泡和裂紋導(dǎo)致局部放電現(xiàn)象。

d. SF6在較強(qiáng)的電場下引起放電。

這幾種放電現(xiàn)象會(huì)嚴(yán)重?fù)p害GIS的絕緣性能，影響GIS產(chǎn)品的運(yùn)行質(zhì)量，因此必須通過合理的方法來研究其放電的檢測過程。

2.2 GIS局部放電檢測方法

隨著GIS在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，人們?cè)絹碓街匾暺溥\(yùn)行的穩(wěn)定性。為了保持其長期穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，其診斷技術(shù)也越來越受到重視，GIS局部放電的檢測方法和技術(shù)也越來越完善。當(dāng)前檢測的方法有很多，但檢測原理相似，都是依據(jù)GIS局部放電產(chǎn)生的物理及化學(xué)反應(yīng)的檢測來實(shí)現(xiàn)。

常見的檢測方法有5種：

a. 耦合電容法，即脈沖電流法。基本原理是在GIS外殼上加一個(gè)電壓檢測裝置，用來檢測和搜集局部放電在導(dǎo)體上的電壓變化。這種檢測方法非常靈敏，而且現(xiàn)場檢測也比較容易實(shí)現(xiàn)。但是缺點(diǎn)也非常明顯，由于檢測的是電壓變化，因此很容易受到其它電磁噪聲的影響，所以其檢測方法有較大局限性。

b. 超高頻(UHF)法[3-4]。UHF方法已被廣泛應(yīng)用于GIS生產(chǎn)和應(yīng)用過程中，是一種基于超高頻信號(hào)的局部放電在線監(jiān)測方法。該方法采用的傳感器不是耦合方式，而是通過檢測局部放電產(chǎn)生的電磁波信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)行中GIS的局部放電信號(hào)的檢測，具有高靈敏度和定位準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，其檢測原理與脈沖電流不同。一般發(fā)生GIS局部放電的時(shí)候，會(huì)在放電部位產(chǎn)生電荷轉(zhuǎn)移，而電荷轉(zhuǎn)移會(huì)產(chǎn)生頻率超高的電磁脈沖，由于電磁作用產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁信號(hào)，可以作為GIS局部放電的檢測過程。

c. 超聲波檢測。超聲波檢測是利用了GIS局部放電產(chǎn)生的震動(dòng)和聲音，是除超高頻檢測方法外最成熟的方法。由于利用了超聲波的震動(dòng)和聲音，因此其抗電磁干擾的能力很強(qiáng)。但是因?yàn)槁曇粜盘?hào)在不同介質(zhì)中的傳播速度不同，所以檢測到的信號(hào)也極其復(fù)雜，對(duì)于檢測人員的要求非常高，需要有長期檢測經(jīng)驗(yàn)才能夠準(zhǔn)確完成[5-6]。

d. 化學(xué)檢測。化學(xué)檢測是利用GIS局部放電產(chǎn)生的化學(xué)氣體或者其它化學(xué)物質(zhì)完成檢測，缺點(diǎn)是GIS局部放電釋放出來的氣體會(huì)被SF6氣體稀釋，因此對(duì)于很多檢測環(huán)境和情況，化學(xué)檢測方法一般敏感性并不高[7]。

e. 光學(xué)檢測。光電倍增器可監(jiān)測到一個(gè)光子的發(fā)射，但由于射線被SF6氣體和玻璃強(qiáng)烈吸收，因此有“死角”出現(xiàn)。該方法對(duì)于已知放電源位置的監(jiān)測比較有效，但不具備對(duì)故障的定位能力，并且由于GIS內(nèi)壁光滑而引起反射會(huì)產(chǎn)生一定影響，造成靈敏度不高。

2.3 GIS局部放電仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.3.1 平臺(tái)整體設(shè)計(jì)

鑒于目前GIS局部放電的檢測方法是以GIS局部放電產(chǎn)生聲、光、電、氣等信號(hào)的獲取和檢測來實(shí)現(xiàn)的，因此為了完成對(duì)檢測儀器的測試和試驗(yàn)，設(shè)計(jì)了252 kV的GIS局部放電仿真平臺(tái)。整體的構(gòu)造和設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 GIS局部放電仿真平臺(tái)整體設(shè)計(jì)

2.3.2 GIS局部放電仿真平臺(tái)特殊功能設(shè)計(jì)

T形腔體的設(shè)計(jì)如圖3所示。俯視可看到該腔體包含1個(gè)T型分支，分支端部有2個(gè)直徑為100 mm觀察窗口，該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)便于觀察電磁波在直線腔體中以及經(jīng)過T形腔體后的變化。為了滿足更多的試驗(yàn)效果，2個(gè)端部的玻璃也可以換成特殊的具有一定色波段的玻璃，例如紅外玻璃和紫外玻璃等。結(jié)合紅外線成像儀等高端設(shè)備觀察內(nèi)部放電過程的詳細(xì)情況，對(duì)于研究GIS局部放電有著重要意義。

端口的腔體內(nèi)部詳細(xì)設(shè)計(jì)如圖4所示。從圖4中可看到觀察端的腔體設(shè)計(jì)有2個(gè)角度的觀察方向，一個(gè)是D向的端部觀察，一個(gè)是傾斜的E向觀察窗。這個(gè)E向的觀察窗的設(shè)計(jì)是為了便于觀察形成的光路通道，讓試驗(yàn)人員更加清楚地觀測到內(nèi)部放電過程，同時(shí)這個(gè)窗口的設(shè)計(jì)也為放置試驗(yàn)?zāi)Ｐ吞峁┍憷榱藢?shí)現(xiàn)對(duì)獨(dú)立氣體的檢測過程，其側(cè)部還設(shè)計(jì)了1個(gè)可以充氣的接口，以方便試驗(yàn)人員加強(qiáng)對(duì)氣體分解物的研究，并能夠從這個(gè)接口中提取試驗(yàn)氣體樣本。

圖3 T型腔體俯視圖

圖4 端部腔體設(shè)計(jì)圖

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證GIS局部放電試驗(yàn)仿真平臺(tái)的試驗(yàn)效果，在平臺(tái)中放置了GIS局部放電模型，該模型為尖端放電，具體的試驗(yàn)參數(shù)：尖端曲率半徑為0.5 mm，放電錐角為30°，放電尖長度為15 mm，上下極間距為10 mm。模擬GIS局部放電過程，并對(duì)其進(jìn)行檢測。試驗(yàn)過程采用紫外線成像儀進(jìn)行連續(xù)檢測和記錄。檢測到的放電過程如圖5所示。

圖5 放電發(fā)展過程

圖5(a)是施加電壓前的狀態(tài)，對(duì)應(yīng)的光子顯示的數(shù)量為0，證明現(xiàn)場并沒有電磁干擾。圖5(b)顯示為45 kV觀測到的狀態(tài)，這時(shí)開始出現(xiàn)微弱的光斑，說明開始有微弱的局部放電現(xiàn)象，現(xiàn)實(shí)的光子數(shù)量為8，一般這個(gè)電壓值被稱為局部放電的起始電壓。圖5(c)是55 kV時(shí)觀察到的狀態(tài)，這時(shí)局部放電的現(xiàn)象已非常明顯，光子數(shù)量顯示為51，實(shí)際試驗(yàn)觀測到的效果也比較明顯。圖5(d)是68 kV觀察到的狀態(tài)，光斑非常密集且開始閃爍，說明已經(jīng)出現(xiàn)了擊穿現(xiàn)象。

4 結(jié)束語

通過對(duì)GIS局部放電仿真平臺(tái)研究的分析和調(diào)研，綜合考慮試驗(yàn)?zāi)康囊约捌脚_(tái)進(jìn)行試驗(yàn)的便捷性等，完成252 kV GIS局部放電仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)，對(duì)其整體設(shè)計(jì)以及局部特殊部件的設(shè)計(jì)進(jìn)行闡述，并通過模擬試驗(yàn)觀測該平臺(tái)的實(shí)用性。結(jié)果表明能夠科學(xué)合理地觀察試驗(yàn)發(fā)生的過程，并能夠良好地模擬GIS局部放電的現(xiàn)象和搜集觀察到的數(shù)據(jù)，完成試驗(yàn)設(shè)計(jì)的目的。