局部放電特高頻檢測校準影響因素研究

劉順成,向加佳,陳劍,程宇,肖德華,陳全明

(1. 國網湖南省電力有限公司經濟技術研究院,湖南 長沙410004；2. 能源互聯網供需 運營湖南省重點實驗室,湖南 長沙 410004；3. 國網湖南省電力有限公司技術技能 培訓中心,湖南 長沙410131；4. 國網湖南省電力有限公司寧鄉市供電分公司,湖南 長沙410600；5. 國網湖南省電力有限公司城步縣供電分公司,湖南 邵陽 422500)

0 引言

局部放電(簡稱“局放”)是評價電氣設備絕緣狀態的最重要手段之一,主要表征高壓作用下的絕緣狀況。特高頻(ultra high frequency,UHF)檢測法具有優秀的抗干擾性能與靈敏度,已普遍應用于局放的在線監測[1—3]。

UHF信號測量頻率范圍為0.3～3 GHz,至今尚未形成定量校準檢測標準,國內外研究人員一直尋求表征設備絕緣劣化程度最為靈敏的UHF特征參量。由于局放產生的電磁場具有復雜的傳播與衰減特性,在現有技術條件下,無法直接準確測量電磁場能量大小來表征局放水平,尋求其他途徑來量化分析UHF信號成為必然[4—6]。英國Martin Judd等學者在上世紀末從局放產生的瞬時電流值與轉移電荷量入手研究UHF信號校準,此后,國內外學者基于該思想進行了大量的研究,通過仿真、建模與試驗研究論證了UHF信號積累能量與其對應視在放電量的二次方呈線性關聯[7—11]。

UHF檢測方法難以定量校準的主要原因是UHF信號測定的影響因素非常復雜。現有研究多集中于現場實際情況,即UHF信號在變壓器腔體、氣體隔離開關(gas insulated switchgear,GIS)內不同結構、不同部位的傳播特性[12—14],或研究傳播介質(如變壓器油、SF6氣體)對UHF信號的影響[15—19],亦或研究測量天線傳感器的優化改進[20],鮮見聚焦于UHF信號特點、綜合分析UHF測量方法定量校準影響因素的相關文獻。

文中根據UHF信號的產生與測量特性,結合理論分析與試驗研究,綜合考察不同機理局放的放電源特性、不同頻率UHF信號的傳播規律以及測量傳感器對于UHF檢測校準的影響,為探求UHF信號更有效、更靈敏的校準方法提供一定參考,以期早日構建規范的特高頻法校準體系。

1 放電源特性

電氣設備由于本身質量或者外部損傷等原因,會在其內部、表面等部位產生絕緣缺陷,在一定條件下將引發局放。不同放電源具有不同的局放特性,根據缺陷特點一般有氣隙放電、電暈放電、沿面放電和懸浮放電4種類型。

1.1 氣隙放電缺陷

國標和國際電工委員會推薦反映局放原理的電路如圖1所示[21],其實質為氣隙放電的等效電路。其中,Rc,Cc分別為氣隙的電阻與電容；Rb,Cb分別為放電氣隙串聯介質的電阻與電容；Ra,Ca為剩余介質的電阻與電容。

圖1 氣隙局放三電容等效電路Fig.1 The three capacitances equivalent circuit of internal gas partial discharge

脈沖電流法的理論分析使用該氣隙模型。但如果單純使用該模型去分析所有類型的局放UHF信號積累能量與其放電量的關聯性,具有較大的局限性,如電暈放電、沿面放電以及懸浮放電等幾類常見局放,其局放機理與氣隙放電差別較大,將影響其校準精確程度。因此,分析各類局放的有效等值模型以求綜合研究各種缺陷的UHF信號標定是非常有必要的,同時進一步對其局放 UHF信號與放電量的關聯準確性及反應絕緣缺陷嚴重程度的合理性進行驗證。

1.2 電暈放電缺陷

在局放中,電暈放電很常見,其放電性質按外電壓大小可分為2個階段。第一階段：外加電壓低于某個閾值,放電量與施加的電壓幾乎無關,取決于形成電極的形狀和尺寸。第二階段：外電壓超過此閾值,放電量將隨著電流的加大而增加,與外電壓呈正相關,且受氣體壓力、氣體類型、曲率半徑等因素影響。可用圖2所示兩電容模型研究其放電規律。

圖2 兩電容電暈放電等效電路Fig.2 The two capacitances equivalent circuit of corona discharge

圖2中,Cc,Cb分別為放電等效電容和其他等效電容,等效放電電阻R>>Cc,Cc>>Cb,因此計算時一般R,Cb忽略不計。真實放電量q=CcΔU0等效于q=CcΔU。

假定氣隙是理想間隙,在外電壓不變的情況下,放電部位難以影響等效電容,即Cc為常數。

(1)

式中：l為間隙距離；ε0為真空的介電常數；εr為氣隙中氣體相對介電常數；ε為氣隙相對介電常數；S為氣隙橫截面積。由式(1)易知,Cc由氣體類型與間隙參數共同決定,且電暈放電的視在放電量與真實放電量近似相等。因此,其UHF信號積累能量與放電量的校準準確性較高,能表征設備缺陷局放嚴重程度。

1.3 懸浮放電缺陷

設備運行過程中,由于振動等原因會造成設備內部某些部位出現松動,處在高電壓與低電壓之間金屬零部件,其對地電位由于阻抗分壓的不同,會形成相對穩定的懸浮電位,進而導致懸浮放電。懸浮放電的間隙通常固定不變,其耦合電容值也保持穩定,屬于容性放電,放電穩定性強。此外,單次放電具有相對充裕的時間來進行電荷量的轉移與中和消散,能有效避免絕緣放電前一次殘余電荷影響下次放電起始電壓的情況發生。所以,當外部電壓變大,只會提高放電頻率,對q的影響很小,視在放電量與真實放電量基本保持一致。懸浮類局放具有優質穩定的放電性能,其UHF 信號積累能量與真實放電量的校準準確性相對最佳。

1.4 沿面放電缺陷

沿面放電相對復雜,其流注發展、閃絡電壓高低往往與介質有較大關聯,常在設備絕緣介質邊界表面以及金屬部件與絕緣介質之間發生,常用球-板、柱-板、針-板3種等效模型分析。球-板等效模型主要研究切線、法線電場共同作用下形成的非均勻電場；柱-板等效模型主要研究切線方向電場非常強的準均勻場；針-板等效模型則研究電場法線分量非常強的電場。因此,按照放電源特性選取相應的模型來研究。沿面放電的特性決定其UHF檢測定量研究的不穩定性,UHF信號能量與視在放電量的關聯準確性相對較低。

1.5 試驗研究

為進一步驗證不同放電源的UHF信號能量與其真實放電量校準可靠性并不一致,針對以上4種典型缺陷做了UHF信號積累能量與放電量的擬合關聯對比試驗[16],實測UHF信號的時域波形如圖3所示。顯然4種典型缺陷的UHF信號強度、脈寬均不相同,氣隙放電、電暈放電、懸浮放電、沿面放電脈寬依次減小,不同類型的局放機理存在差別,表征局放強度的真實放電量與視在放電量的差值也不一致。

圖3 4種典型局放UHF信號Fig.3 UHF signals of four typical patical discharges

圖4為4種不同放電源的UHF信號能量與視在放電量的試驗擬合關系,試驗結果表明：表征放電整體分散性的擬合優度從低到高依次為沿面放電、懸浮放電、氣隙放電、電暈放電；表征單次放電能量的樣本觀測點圍繞樣本回歸線緊密程度從低到高依次為氣隙放電、沿面放電、懸浮放電、電暈放電。

圖4 不同放電源UHF信號能量與視在放電量的關系Fig.4 Relationship between UHF signal energy and apparent discharge quantity of different discharge sources

綜合以上試驗研究與理論分析易得,UHF檢測的校準準確性受放電源特性的影響。就UHF信號積累能量與視在放電量關聯曲線而言,4種放電源均有較好的對應關系,可用于UHF信號的定量分析,表征局放水平。就4種缺陷視在放電量與真實放電量之間的差值而言,沿面放電與氣隙放電的差值不定性較大,即UHF信號能量表征局放水平的可信度需打折扣,而電暈放電與懸浮放電相對可靠,作為中間量的視在放電量可較好描述局放強度,UHF信號能量反映局放水平的可信度較高。因此,定量校準UHF檢測信號時,電氣設備絕緣缺陷放電源類型須作為重要影響因素進行考察。

2 UHF信號傳播特性的影響

UHF定量檢測準確性的最主要決定性因素是其信號的傳播與測量,文中使用能便捷、平滑調整主要參數的UHF 信號發生裝置[22]分析UHF信號的傳播與測量規律,搭建圖5所示試驗平臺,屏蔽箱參數為5.5 m×2.5 m×2.5 m,試驗選在深夜進行,將周圍噪音及電磁影響降至最低。為保證模擬信號的帶寬,發射天線選用0.3～1.5 GHz的全向盤錐天線,為檢測測量裝置的特性,分別選用響應特性各異的微帶、單極子、雙錐天線來測量信號,定義d為測量距離,φ為相對測量角度。

圖5 試驗平臺Fig.5 Test platform

2.1 傳播距離的影響

UHF信號有效頻域非常寬廣,信號能量的衰減不僅取決于傳播距離,與頻率也密切相關。絕緣缺陷發生局放時分散性、隨機性較大,各個頻率的UHF信號所攜帶的能量也不盡相同。因此,局放UHF信號在各頻率點隨傳播距離的輻射衰減特性對UHF定量檢測意義重大。

試驗中,通過調節測量天線傳感器與發射天線的間距,頻率間隔為0.1 GHz,測量不同頻率UHF信號能量隨距離的變化,測量結果如圖6所示。試驗選擇0.3～1.4 GHz的輸出信號,對應的信號波長則為21.43～100 cm。電磁波測量有遠區場和近場區之分,測距小于一個波長為近區場測量,大于一個波長的區域為遠區場測量。圖6中箭頭所標注距離為該頻率的電磁遠、近測量的臨界點。

圖6 不同頻率下UHF信號幅值與傳播距離的關系Fig.6 The relationship of UHF signal amplitude and measuring distance under different frequencies

分析可知,各個頻段的UHF信號能量衰減主要在近區場,進入遠區場則較為平穩。近區場中信號隨距離呈斷崖式衰減,究其原因是電場與磁場在此區間不均勻度很大,無明確關系,故能量衰減急劇。進入遠場區,電磁能量以電磁波形式向外輻射,因而信號衰減相對較慢,信號的衰減呈非線性,不同頻率信號的衰減斜率各不相同。 總體上,信號的衰減斜率與距離呈負相關,即信號衰減幅度隨距離增加而減小；信號進入衰減平穩期(信號能量相對穩定)的距離與頻率成負相關,即UHF信號隨著頻率的增加,其衰減曲線斜率出現拐點的位置離信號源越近,且當信號頻率大于等于某一數值時(大致為1 GHz),其進入平穩期的位置達到最小值。此外,在測量距離最遠處信號強度均有一定增幅,其原因是該處接近箱壁,箱體內折反射疊加較強。

2.2 相對測量角度的影響

根據天線輻射理論,通常使用球面積分求得測量端信號強度,而積分面積受測量角度影響,因此在UHF檢測中,放電源與測量天線的相對位置和相對角度變化會影響最終的定量測量,文中試驗探究相對測量角度對各頻率信號的影響情況,0.3～1.5 GHz的UHF信號波長范圍為0.2～1 m,信號源與檢測天線間隔固定為1.2 m,即保證測量位置始終在遠區場,與電力設備實際局放測量類型匹配。

圖7為根據實測數據繪制的信號強度與相對角度關系,分析易知,測量傳感器所獲信號能量受相對角度影響較大,角度由0°向90°逐漸增大時,測量UHF電磁信號強度依次減弱且各頻率點信號強度衰減規律基本相同,即UHF信號由相對測量角度不同的衰減與其自身頻率無關。

圖7 不同頻率下UHF信號幅值與測量角度的關系Fig.7 The relationship of UHF signal amplitude and measuring angle at different frequencies

2.3 傳播路徑的影響

局放 UHF信號傳遞函數的確定對其定量校準極其重要。而影響傳遞函數的因素除前文所述放電源、傳播距離、測量角度以及2.4節將要研究的測量傳感器之外,還有信號經過各種路徑遇到的復雜折反射。發生局放的電氣設備或故障部位不同,其信號經過路徑結構、介質、阻擋物等將各不相同,會產生大量繁復的折反射,影響傳遞函數的確定。基于其復雜性,需通過一系列專門的仿真、試驗方能系統全面地進行研究。文中通過綜合查閱相關文獻研究成果來闡述傳播路徑的影響,并未直接進行研究。通常,發生在GIS內的局放,UHF信號通過T型、L型結構時分別出現10 dB,6.8 dB左右的衰減,通過盆式絕緣子有3.5 dB左右的衰減,同時信號衰減情況受GIS腔體尺寸影響。電力變壓器的構造更為復雜,測量傳感器不論采用外置式還是內置式,測量端信號都經過相當程度的折反射與繞射,外置傳感器還將受到衍射影響。因此,在建立UHF檢測校準體系時,應將信號的傳播路徑作為一個重要影響因素來確定傳遞函數,以保證校準的可靠有效。

2.4 傳感器特性的影響

測量傳感器性能直接決定所測信號的帶寬、強度和精度,是測量的最后一個環節,考慮電磁測量的特性,也是最關鍵的環節。參數特性不同的測量天線,其測量數據會不盡相同。文中選取微帶、單極子和雙錐3種較有代表性的天線作為檢測傳感器,通過試驗探究天線性能的影響情況。

試驗采取遠區場測量,保持測距為1.2 m,試驗過程中,發射信號維持5 V的強度,天線具體參數見表1,其增益比對情況見圖8。

表1 天線性能參數Table 1 The performance parameters of antenna

圖8 3種天線的實測增益對比Fig.8 The measured gain comparison of the three antennas

試驗結果見圖9。試驗表明,在天線帶寬內所測量信號穩定且強度高,頻帶外的信號衰減嚴重,離頻帶中心距離越遠的頻率點,其信號衰減程度越高。帶寬決定UHF信號檢測強度。另外,對比天線實測增益和所測信號幅值的變化規律,關聯圖8和圖9發現,測量端信號的幅值隨頻率的變化規律與天線的實測增益曲線相同。

圖9 不同頻率下天線測量結果Fig.9 The measuring results of antennas at different frequencies

3 結論

文中研究典型局放源的放電機理、UHF信號的傳播規律以及天線測量特性,得出以下結論。

(1) 結合4種典型實測局放UHF信號波形,分析了局放源對UHF檢測校準可靠性的影響。試驗驗證了三電容等效模型的適用范圍,提出使用兩電容等效模型分析電暈放電。

(2) 研究4種典型局放UHF信號能量與放電量的關聯關系,其UHF信號積累能量與視在放電量呈較好的二次函數關聯,可用于UHF信號定量分析,但其校準可靠性不一。其中,電暈、懸浮放電可靠性較高,氣隙、沿面放電則相對較差。

(3) 試驗研究了UHF檢測傳播特性與測量傳感器的影響。結果表明,UHF信號在近區場急速衰減,進入遠區場則基本趨于穩定,且不同頻率的UHF信號隨距離變化的衰減斜率存在差異,UHF信號自身頻率影響其隨距離的衰減程度,卻不影響其相對測量角度變化的衰減。

(4) 天線的帶寬限制UHF信號的有效測量頻率。有效帶寬內測量信號強度變化與天線的增益、駐波比匹配。因此,必須綜合考慮各種因素對UHF檢測校準的影響,確定更加準確合理的校準傳遞函數,提高校準可靠性。