不同金屬微粒缺陷下GIS盆式絕緣子表面放電與電場(chǎng)特性研究

沙偉燕， 羅艷， 馬鵬歡， 亓亮

（國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司電力科學(xué)研究院，寧夏 銀川 750002）

0 引 言

氣體絕緣組合電器（gas insulated switchgear,GIS）因其絕緣性能優(yōu)良、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]，其中盆式絕緣子是在GIS中起著關(guān)鍵作用的固體絕緣體[4-5]。近年來(lái)，110 kV及以上等級(jí)GIS設(shè)備因內(nèi)部存在做工缺陷等問(wèn)題而引發(fā)的絕緣故障時(shí)有發(fā)生，其中由盆式絕緣子故障所引發(fā)的故障占35%，而由微粒和異物引發(fā)的絕緣子故障占盆式絕緣子總故障的71%[6]。因此，研究GIS盆式絕緣子的缺陷對(duì)減少其故障的發(fā)生具有重要意義。

金屬微粒作為絕緣子最為常見(jiàn)的微粒缺陷，受到研究者的廣泛關(guān)注[6-9]。文獻(xiàn)[6]以252 kV盆式絕緣子為研究對(duì)象，研究不同典型缺陷模型的電場(chǎng)分布情況，分析了不同缺陷對(duì)電場(chǎng)的畸變情況，發(fā)現(xiàn)單金屬顆粒缺陷附近的最大場(chǎng)強(qiáng)可達(dá)43.6 kV/mm，金屬顆粒群缺陷附近的最大場(chǎng)強(qiáng)可達(dá)86.5 kV/mm。文獻(xiàn)[7]研究發(fā)現(xiàn)了微金屬顆粒誘發(fā)沿面閃絡(luò)的現(xiàn)象，證明了金屬顆粒對(duì)于GIS盆式絕緣子絕緣性能的危害。文獻(xiàn)[8]通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，在其他條件相同的情況下，高壓導(dǎo)體上金屬異物所產(chǎn)生的畸變電場(chǎng)要比外殼側(cè)高2～9倍；當(dāng)異物在外殼內(nèi)表面時(shí)，電場(chǎng)畸變對(duì)金屬異物半徑的靈敏度更大；而金屬異物位于高壓導(dǎo)體表面時(shí)，電場(chǎng)畸變對(duì)于金屬異物半徑和高度的靈敏度相當(dāng)。文獻(xiàn)[9]研究表明，在GIS中加入屏蔽后，盆式絕緣子凹面和凸面電場(chǎng)強(qiáng)度有所降低，有金屬顆粒缺陷時(shí)，電場(chǎng)強(qiáng)度比無(wú)缺陷時(shí)更大。

此外，金屬微粒缺陷可能導(dǎo)致附近的電場(chǎng)畸變，畸變的電場(chǎng)可能成為局部放電或擊穿失效的主要原因。因此，對(duì)于盆式絕緣子表面放電特性的研究也至關(guān)重要[3,10-12]。文獻(xiàn)[3]研究了長(zhǎng)期交流應(yīng)力作用下GIS絕緣子表面亞毫米級(jí)金屬顆粒的局部放電特性，獲得了126 kV GIS絕緣子表面亞毫米級(jí)金屬顆粒在工作電壓下的局部放電特性。結(jié)果表明，在長(zhǎng)時(shí)間的交流應(yīng)力作用下，絕緣子表面的顆粒會(huì)逐漸趨于均勻分布，或跳躍粘附在中心導(dǎo)體上，或向中心導(dǎo)體和接地外殼附近的三結(jié)點(diǎn)移動(dòng)，此外，運(yùn)行工況下，亞毫米級(jí)金屬顆粒在絕緣子表面引起的局部放電較弱，一般小于1 pC。文獻(xiàn)[10]研究了鋁顆粒附著在GIS絕緣子表面不同位置時(shí)試樣的閃絡(luò)電壓，并采用有限元法計(jì)算了試樣的表面電場(chǎng)強(qiáng)度。結(jié)果表明，當(dāng)粒子附著在高電場(chǎng)區(qū)域時(shí)，閃絡(luò)電壓明顯降低，降低幅度達(dá)41.8%。

以上研究表明表面放電與電場(chǎng)特性均受到金屬微粒的影響，對(duì)認(rèn)識(shí)金屬微粒缺陷下GIS盆式絕緣子的表面放電與電場(chǎng)特性具有重要作用。但金屬微粒一般分為金屬球微粒和金屬絲微粒，少有文獻(xiàn)同時(shí)對(duì)比考慮金屬球與金屬絲微粒對(duì)GIS盆式絕緣子表面放電與電場(chǎng)特性的影響。基于此，本文基于表面放電試驗(yàn)與有限元電場(chǎng)仿真的方法，對(duì)金屬球/金屬絲微粒缺陷下GIS盆式絕緣子的表面放電與電場(chǎng)特性進(jìn)行研究。

1 表面放電試驗(yàn)方法與基于有限元的電場(chǎng)計(jì)算模型

1.1 表面放電試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)采用252 kV GIS盆式絕緣子實(shí)體模型進(jìn)行研究，如圖1所示。金屬缺陷分別為金屬球缺陷和金屬絲缺陷，其中金屬球缺陷為半球體，半徑為1.8 mm，金屬絲缺陷為長(zhǎng)方形，金屬絲截面長(zhǎng)度和寬度分別為10 mm和1 mm，可以控制兩種缺陷與絕緣子表面的接觸面積基本相同。

圖1 252 kV GIS盆式絕緣子實(shí)體模型Fig.1 252 kV GIS basin insulator solid model

表面放電試驗(yàn)布置示意圖如圖2所示，試驗(yàn)時(shí)，絕緣子布置在T型腔體內(nèi)，T型腔體尺寸按照現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行設(shè)置。

圖2 試驗(yàn)布置示意圖Fig.2 Schematic diagram of test layout

根據(jù)圖2所示的試驗(yàn)布置示意圖連接電路后按照以下步驟進(jìn)行試驗(yàn)：緩慢升壓，直至出現(xiàn)局部放電，記錄此時(shí)的電壓值、紫外圖譜和脈沖電壓波形；繼續(xù)緩慢升壓，仔細(xì)觀察各個(gè)設(shè)備上的數(shù)據(jù)變化，當(dāng)脈沖電壓波形出現(xiàn)較大變化時(shí)，停止加壓，記錄不同時(shí)刻紫外光子數(shù)和脈沖電壓幅值，其中脈沖電壓信號(hào)在地電位端采集。

紫外光子數(shù)由CoroCAM紫外成像儀采集，紫外成像儀通過(guò)三角支架固定于盆式絕緣子試驗(yàn)窗口處，保證可以有效采集放電紫外光子數(shù)。試驗(yàn)中調(diào)節(jié)“增益”和“閾值”到適當(dāng)?shù)闹担ＷC能夠看清紫外光源的具體位置。本試驗(yàn)中紫外增益設(shè)置為85%，積分增益設(shè)置為50%，閥值設(shè)置為20%。如果周?chē)蓴_太大，不能分辨紫外光源，就使用濾波器。

1.2 基于有限元的電場(chǎng)計(jì)算方法

本文研究不同金屬微粒缺陷下GIS盆式絕緣子的電場(chǎng)分布，運(yùn)行工況為50 Hz工頻電壓，對(duì)于220 kV電壓等級(jí)的GIS，選取準(zhǔn)靜電場(chǎng)計(jì)算模型。根據(jù)靜電場(chǎng)原理，不同金屬微粒缺陷下GIS盆式絕緣子的整體電位分布滿足式（1）所示泊松方程。當(dāng)電場(chǎng)中無(wú)自由移動(dòng)的空間電荷時(shí)，ρ（靜電場(chǎng)中任意一點(diǎn)的電荷密度）為零，拉普拉斯方程成立，如式（2）所示。

式（1）～（2）中：ε為介質(zhì)的介電常數(shù)；φ為電位；?2為拉普拉斯算子。求解不同金屬微粒缺陷下GIS盆式絕緣子的整體電場(chǎng)分布時(shí)，其變分問(wèn)題公式與計(jì)算域單元e頂點(diǎn)的點(diǎn)位表達(dá)式分別如式（3）和式（4）所示。

式（3）～（4）中，V表示體積；J表示計(jì)算域。

Fe(φe)對(duì)φe的導(dǎo)數(shù)為零，則可以得到式（5）。進(jìn)一步表示為矩陣的形式，即可得到式（6）。

式（6）中，[K]為剛度矩陣，通過(guò)求解器的迭代計(jì)算，最終可以求得金屬球與金屬絲微粒缺陷下GIS盆式絕緣子的整體電場(chǎng)分布。

1.3 252 kV GIS盆式絕緣子計(jì)算參數(shù)與缺陷設(shè)置

仿真計(jì)算中，以不同金屬微粒缺陷的GIS盆式絕緣子為研究對(duì)象，其中，導(dǎo)體外徑為100 mm，絕緣子外徑為450 mm，絕緣子高度落差為140 mm。所選盆式絕緣子的額定電壓為252 kV，由于110 kV及以上的電力系統(tǒng)一般采用中性點(diǎn)直接接地的方式，故對(duì)中心導(dǎo)體施加206 kV電壓（相對(duì)地峰值電壓），殼體、法蘭接地。有限元計(jì)算的材料物性參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 有限元計(jì)算的材料物性參數(shù)Tab.1 Material physical parameters for finite element method calculation

對(duì)于介電參數(shù)變化的模型，如果采用三維計(jì)算，計(jì)算量較大，因此本研究簡(jiǎn)化為二維模型。將簡(jiǎn)化的模型所計(jì)算的電場(chǎng)最大值、電場(chǎng)平均值與三維模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行誤差分析，發(fā)現(xiàn)誤差均小于5.5%，表明將三維模型簡(jiǎn)化為二維模型可以在保證計(jì)算精度的基礎(chǔ)上，大幅減少計(jì)算量。此外，同試驗(yàn)中采用的金屬微粒一致，模擬的金屬球缺陷和金屬絲缺陷如圖3所示。

圖3 不同金屬微粒缺陷模擬Fig.3 Simulation of different metal particle defects

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 金屬微粒缺陷下GIS盆式絕緣子的表面放電特性

圖4為高壓側(cè)金屬絲、高壓側(cè)金屬球以及低壓側(cè)金屬球缺陷下GIS盆式絕緣子表面放電的紫外光子數(shù)。從圖4可以看出，對(duì)于不同的缺陷類(lèi)型，在開(kāi)始階段，例如20 kV時(shí)，均沒(méi)有出現(xiàn)紫外光子，隨著電壓的升高，紫外光子數(shù)逐漸增加。對(duì)于不同類(lèi)型的金屬微粒缺陷，放電紫外光子數(shù)隨電壓的升高趨勢(shì)相似，但幅值有所不同。金屬絲缺陷下盆式絕緣子表面放電更加嚴(yán)重，在120 kV下表面紫外光子數(shù)達(dá)到215個(gè)。在相同的缺陷下，隨著電壓的升高，紫外光子數(shù)也逐漸增加，但是低壓側(cè)存在金屬球缺陷時(shí)比高壓側(cè)存在金屬球缺陷時(shí)的放電更加劇烈，以120 kV電壓為例，低壓側(cè)和高壓側(cè)金屬球缺陷下的表面紫外光子數(shù)分別為189個(gè)和168個(gè)。

圖4 紫外成像試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 UV imaging test results

圖5為高壓側(cè)金屬絲、高壓側(cè)金屬球以及低壓側(cè)金屬球缺陷下GIS盆式絕緣子表面放電的脈沖電壓幅值。

圖5 脈沖電壓試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Pulse voltage test results

從圖5可以看出，不同缺陷下GIS盆式絕緣子脈沖電壓的整體變化趨勢(shì)與紫外成像結(jié)果一致，但是也存在差異，主要區(qū)別為低壓側(cè)金屬球缺陷下GIS盆式絕緣子的表面放電脈沖更為強(qiáng)烈（最大值為236 mV），甚至大于高壓側(cè)金屬絲缺陷（最大值為218 mV），其主要原因是脈沖電壓測(cè)量裝置位置接近低壓側(cè)，低壓側(cè)放電的脈沖信號(hào)更易于被完全捕捉。

2.2 金屬微粒缺陷下GIS盆式絕緣子的表面電場(chǎng)特性

為了進(jìn)一步分析不同金屬微粒缺陷下GIS盆式絕緣子表面放電特性的區(qū)別，基于前文所述不同金屬微粒缺陷下GIS盆式絕緣子的電場(chǎng)計(jì)算方法，計(jì)算得到了無(wú)缺陷、金屬絲缺陷和金屬球缺陷下的表面電場(chǎng)分布，其中金屬球分別設(shè)置在高壓側(cè)和低壓側(cè)兩個(gè)位置。

無(wú)缺陷時(shí)，GIS絕緣子表面電勢(shì)與電場(chǎng)分布如圖6所示。從圖6可以看出，電勢(shì)分布從高壓側(cè)向低壓側(cè)逐漸減小，在絕緣子附近出現(xiàn)波浪形的畸變；電場(chǎng)較大的部分分布在絕緣子沿面以及絕緣子與中心導(dǎo)體和接地外殼的相交處，電場(chǎng)最大值為3.13 kV/mm。電場(chǎng)的畸變與表面放電較為相關(guān)，因此下文將重點(diǎn)考慮表面電場(chǎng)特性。

圖6 無(wú)缺陷時(shí)電場(chǎng)與電勢(shì)分布Fig.6 Electric field and potential distribution without defects

當(dāng)存在金屬絲和金屬球缺陷時(shí)，GIS盆式絕緣子的表面電場(chǎng)分布如圖7所示，從圖7可以看出，金屬絲和金屬球的存在均大幅增大了GIS盆式絕緣子表面的電場(chǎng)值，且電場(chǎng)最大值位于缺陷兩端。

圖7 金屬絲和金屬球缺陷下的沿面電場(chǎng)分布Fig.7 Surface electric field distributions under metal wire and metal ball defects

為了進(jìn)一步分析金屬絲和金屬球缺陷對(duì)GIS盆式絕緣子表面電場(chǎng)影響的差別，統(tǒng)計(jì)了不同金屬缺陷下金屬缺陷側(cè)絕緣子的沿面電場(chǎng)分布，結(jié)果如圖8所示。從圖8可以看出，金屬微粒缺陷下，電場(chǎng)的最大值增大較為明顯，金屬絲缺陷和金屬球缺陷位置的電場(chǎng)最大值分別為5.16 kV/mm和4.86 kV/mm，相應(yīng)位置無(wú)缺陷時(shí)的電場(chǎng)值分別為1.13 kV/mm和1.26 kV/mm，分別增大了4.57倍和3.86倍，說(shuō)明存在金屬微粒缺陷時(shí)，絕緣子表面電場(chǎng)畸變程度較大。

圖8 不同金屬顆粒對(duì)表面電場(chǎng)特性的影響Fig.8 Effects of different metal particles on surface electric field characteristics

此外統(tǒng)計(jì)了金屬缺陷在不同位置時(shí)絕緣子的沿面電場(chǎng)分布，結(jié)果如圖9所示。從圖9可以看出，金屬球缺陷位于高壓側(cè)和低壓側(cè)時(shí)的電場(chǎng)最大值分別為4.86 kV/mm和5.77 kV/mm，相應(yīng)位置無(wú)缺陷時(shí)的電場(chǎng)值分別為1.26 kV/mm和1.21 kV/mm，分別增大了3.86倍和4.77倍。

圖9 缺陷位置對(duì)表面電場(chǎng)特性的影響Fig.9 Effect of defect location on surface electric field characteristics

2.3 討論

從圖8仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，位于相同位置時(shí)金屬絲缺陷下最大的表面電場(chǎng)比金屬球缺陷下最大的表面電場(chǎng)大0.3 kV/mm，由圖4紫外光子試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算得到相同位置的金屬絲缺陷（高壓側(cè)）平均光子數(shù)比金屬球缺陷多19.8個(gè)，對(duì)應(yīng)的平均脈沖電壓幅值增大11.17 mV，說(shuō)明本文的仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果變化趨勢(shì)一致。

對(duì)比金屬球在不同位置時(shí)的仿真與試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，金屬球缺陷位于低壓側(cè)時(shí)的表面最大電場(chǎng)強(qiáng)度比位于高壓側(cè)時(shí)大0.91 kV/mm，同時(shí)光子數(shù)增加12.3個(gè)，平均脈沖電壓幅值增大21.17 mV。由此可知，GIS盆式絕緣子表面存在金屬微粒缺陷時(shí)，表面的放電強(qiáng)度與電場(chǎng)畸變程度呈正相關(guān)，且電場(chǎng)畸變程度與平均脈沖幅值的相關(guān)性較大。

3 結(jié) 論

基于試驗(yàn)與仿真的方法對(duì)不同金屬微粒缺陷下GIS盆式絕緣子的表面放電與電場(chǎng)特性進(jìn)行了研究，主要得到以下結(jié)論：

（1）金屬絲缺陷下的盆式絕緣子表面放電更加嚴(yán)重，以120 kV電壓為例，金屬絲和高壓側(cè)金屬球缺陷下的表面紫外光子數(shù)分別為215個(gè)和168個(gè)。對(duì)于不同位置的缺陷，低壓側(cè)存在金屬球缺陷時(shí)的放電比高壓側(cè)存在金屬球缺陷時(shí)更加劇烈。

（2）脈沖電壓的測(cè)試結(jié)果整體趨勢(shì)與紫外成像結(jié)果一致，但也存在差異，主要區(qū)別為低壓側(cè)金屬球缺陷下GIS盆式絕緣子的表面放電脈沖更為強(qiáng)烈（最大值為236 mV），甚至大于高壓側(cè)金屬絲缺陷下的放電脈沖（最大值為218 mV）。

（3）紫外光子數(shù)和脈沖電壓幅值試驗(yàn)結(jié)果與電場(chǎng)仿真計(jì)算結(jié)果變化趨勢(shì)一致，二者可相互印證。相同位置的金屬絲缺陷最大表面電場(chǎng)比金屬球缺陷最大表面電場(chǎng)大0.3 kV/mm，兩者比無(wú)缺陷時(shí)相應(yīng)位置的電場(chǎng)值分別增大了4.57倍和3.86倍。