1、GIS局部放電超聲波信號特征的試驗研究楊圓 李成榕 鄭書生華北電力大學摘要 GIS局部放電檢測是診斷GIS 絕緣故障的有效方法。本文利用超聲波法對GIS 中的各種典型局部放電進行了研究。建立了GIS 局部放電模擬測試系統,包括局部放電模擬系統、超聲波測量系統和常規局部放電測量系統。著重模擬研究了四種典型的局部放電信號,包括GIS 內金屬顆粒群、高電位接觸不良、地電位接觸不良、高壓尖刺。并在試驗基礎上統計、分析不同類型局部放電的超聲波信號和特高頻信號發生發展規律,得出信號統計譜圖。包括:N-譜圖和Umax-譜圖。試驗結果表明低頻超聲波傳感器可以監測到這四種局部放電信號,信號統計譜圖顯示不同模型的

2、超聲波信號表現出了不同特征,這些研究結果為實現局部放電的模式識別提供了試驗數據。關鍵詞 局部放電;GIS 超聲波;N-譜圖;Umax-譜圖1 引言封閉式組合電器(GIS是指將斷路器、隔離開關及接地開關、電壓互感器、電流互感器、避雷器、母線、引線套管或電纜終端盒等各元件的高壓帶電部位,封閉在充有SF6氣體的接地金屬外殼中1。GIS非常緊湊的結構使整個裝置的占地面積大為縮小,且運行時不受外界環境的影響,配置靈活、維護簡單、可靠性高,檢修周期長,已廣泛應用于高壓輸變電系統中。隨著電力系統向超高壓、高可靠性和緊湊性發展,GIS 已成為今后的主要方向23。盡管GIS具有很高的安全可靠性,但在實際運行中仍

3、不可避免的會有各種類型的故障發生。GIS內部由于制造時出現毛刺、安裝運輸時部件松動或接觸不良引起浮電位,運行中出現絕緣老化、內部有自由金屬顆粒等原因,有可能出現顯著的局部放電。長期的局部放電使絕緣的劣化損傷局部擴大,甚至可使整個絕緣擊穿或沿表面閃絡。這種故障可使運行中的設備出現故障出現停電,而且,GIS內部SF6氣體壓力很高,一旦發生事故,不僅對其本身,對其周邊設備也會造成損害,進而影響電力系統的安全和可靠運行,直接損失和間接損失相當嚴重。 2 GIS局部放電研究現狀在超聲學中,振動是形成超聲波的主要原因。在產生局部放電時,脈沖力將要施加到周圍材料上,通常這些材料是有彈性的,將要產生振動,生成

4、超聲波。將超聲波傳感器安裝在電力設備外殼上檢測局部放電產生聲信號的方法稱為超聲波檢測法。在GIS內部發生局部放電時,將會產生一個電荷的中和過程,相應的會有一個較陡的電流脈沖,電流脈沖的作用使得局部放電發生的局部區域瞬間受熱而膨脹,形成一種類似“爆炸”的效果,放電結束后原來因為受熱而膨脹的局部區域恢復到原來的體積。這種由于局部放電產生的一脹一縮的體積變化引起了介質的疏密瞬間變化,形成超聲波,從局部放電點以球面波的方式向四周傳播,并在金屬外殼上出現各種聲波,如縱波、橫波和表面波等。我們可以通過分析獲取的這些超聲波信號來分析局部放電特征4-8。GIS 絕緣早期故障的主要形式是局部放電, GIS 中各

5、種缺陷所導致的故障在運行中的分布情況如圖1-1所示9。局部放電既是絕緣劣化的征兆和表現形式,又是絕緣進一步劣化的原因,因此局部放電檢測能夠有效地發現GIS內部早期的 圖1-1 GIS中缺陷分布情況絕緣缺陷,避免其進一步發展。目前,有關這一領域的研究和應用受到日益重視。國外方面,西門子公司對GIS局部放電的超聲波檢測做過一定的研究,研究結果表明GIS 局部放電會在GIS內的SF6氣體中產生超聲波,并在金屬外殼上出現各種聲波,使用超聲波傳感器提取這些信號,可以利用這些信號分析GIS 局部放電。北京交通大學的李晨焱等人詳細比較了GIS 局部放電監測中超聲波法與特高頻法,指出特高頻法從靈敏度上高于超聲

6、波法, 可達0.5- 0.8pC, 超聲波法約小于2pC, 具有較高的可靠性, 可以進行放電故障的精確定位10。雖然GIS超聲傳感技術的研究已有二十多年的歷史,但始終沒有達到良好的使用程度,檢測靈敏度低和檢測效率低是其重要的缺點。國內外對GIS超聲波檢測技術的研究,尤其對局部放電的模式識別的研究還有待深入。3 本文主要工作組建了GIS局部放電模擬系統,模擬的故障包括:金屬顆粒群(水平絕緣子上、高電位接觸不良、低電位接觸不良和高壓尖刺。組建了GIS局部放電測試系統。采用超聲波方法和特高頻方法對GIS的局部放電進行監測,通過統計分析各種放電模型下采集到的局部放電信號數據,總結不同放電類型的信號特征

7、,得出各種不同形式局部放電的信號規律。其中,重點分析的局放信號特征包括:放電次數與放電相位譜圖(N-譜圖:每個工頻周期被平均分成100個相位段,統計各個相位段內的放電次數、超聲波信號幅值與放電量關系(Umax-譜圖:每個工頻周期被平均分成100個相位段,統計各個相位段內放電幅值的最大值。由于不同的局部放電源產生和輻射電磁信號的機理和傳播媒介不同,因此不同的局部放電源產生的信號就會有不同的特征表現,通過研究不同局部放電類型所具有的特征,就可能區分不同的放電源,以期達到局部放電檢測和模式識別的目的。(1 試驗模型的建立各種放電類型的試驗都是將試品放置在GIS模型中進行的,這就要求模型真實,操作方便

8、,并能夠準確地測量各種試驗結果。為此,本文設計了1:1比例的GIS實體模型,該實體模型結構圖如圖3-1,試驗電路圖如圖3-2 所示。圖3-1 GIS結構圖(單位:mm 圖3-2GIS試驗電路圖(2 超聲波檢測系統超聲檢測系統由超聲傳感器、前置放大器、示波器、GPIB卡、計算機組成,其布置情況如圖3-3所示。1 傳感器試驗中選用聲華科技公司研制的SR-15高頻諧振式傳感器,這種傳感器檢測頻帶比較寬,可以在寬頻帶范圍內研究局部放電超聲波信號。SR-15高頻諧振式傳感器靈敏度-頻率特性如圖3-3所示。產品主要技術參數為:共振頻率:150KHz,10dB帶寬:60 250KHz,靈敏度:>65

9、dB。2 前置放大器本檢測系統采用聲華公司研制的PAII 型寬帶前置放大器,頻率覆蓋了10kHz 圖3-3 SR-15型傳感器校準曲線2MHz,增益達到40dB,最大輸出范圍為14V (峰峰值。SR-15型超聲波探頭的頻率范圍是 50400 KHz,因而系統頻帶是50400 KHz。3 信號采集裝置如圖3-3所示,經前置放大器處理的信號被傳輸到示波器,并通過GPIB 接口傳輸到計算機中,以便于進一步分析處理。示波器采用YOKOGAWA的DL1540L型8位數字示波器。試驗時,單次采樣時間長度為一個工頻周期,即20ms;采樣率為5MS/s。利用常規局放信號用以標定模型的放電量;觸發器用以控制信號

10、采集起始時刻,使其與試驗電壓過零上升時刻保持一致,以便于觀察放電信號的發生相位。(3 模型設置與試驗方法根據大量現場實際運行的經驗,最經常出現的幾種缺陷是金屬尖刺放電、自由顆粒放電、接觸不良放電。本文所展開的試驗也是根據這幾種放電類型來設定的。1 地電位接觸不良地電位接觸不良是GIS內部懸浮放電的一種重要形式,它是由于GIS接地腔體的某些連接部分沒有可靠連接造成的,可能是起初安裝不完善或運行過程中逐漸發展造成的。試驗中該模型模擬情況如下:在實驗室的GIS垂直腔體內部盆式絕緣子上靠近接地金屬外殼處采用一個M14的螺母造成地電位接觸不良,螺母距GIS外壁約為0.5mm,然后在該腔體中充氣壓為0.4

11、MPa的SF6氣體,逐漸升高電壓,待產生明顯放電后,觸發各通道采集放電信號。加壓過程中,視在放電量約4500pC,模型如圖3-4所示。2 高壓導體上的金屬尖刺高壓導體尖刺是設備制造或現場安裝過程中產生的。這種放電是尖板放電類型, 屬于極不均勻電場,是典型的電暈放電。試圖3-4(左地電位接觸不良圖3-5(右高壓導體上的金屬尖刺驗中該模型模擬情況如下:在GIS垂直腔體內部高壓導體上,放置具有伸出尖端金屬絲環,以此模擬在施加高電壓的情況下,高壓導體尖刺引起局部放電的模型。高壓導體上的尖刺長約11cm,導體直徑0.64mm,距離GIS壁為5cm。然后在該腔體中充氣壓為0.4MPa的SF6氣體,逐漸升高

12、電壓,待產生明顯放電后,觸發各通道采集放電信號。加壓過程中,視在放電量約500pC,模型如圖3-5所示。3 高電位接觸不良高電位接觸不良會產生浮動電位體,是設備制造或現場安裝過程中高壓導體部分沒有可靠連接或運行過程中部件松動造成的。試驗中該模型模擬情況如下:在GIS水平腔體內部高壓導體上,以普通細棉線懸掛一個M14的螺母,螺母距導體大約0.5mm。然后在該腔體中充氣壓為0.4MPa的SF6氣體,逐漸升高電壓,待產生明顯放電后,觸發各通道采集放電信號。加壓過程中,視在放電量約430 pC。,模型如圖圖3-6 所示。 圖3-6(左高電位接觸不良圖3-7(右絕緣子上的固定顆粒群4 絕緣子上的金屬顆粒

13、群金屬顆粒群是現場最常見的故障類型,是設備制造或現場安裝過程中引入或運行過程中部件松動脫落造成的。試驗中該模型模擬情況如下:在GIS垂直腔體內部盆式絕緣子上高壓導體和腔體之間,散落放置12根4cm長、直徑0.86mm的金屬段,金屬顆粒距腔體內壁大約1cm。然后在該腔體中充氣壓為0.4MPa 的SF 6氣體,逐漸升高電壓,待產生明顯放電后,觸發各通道采集放電信號。模型如圖3-7所示。加壓過程中,估算視在放電量約360pC。設置好模型后,將手孔蓋板安裝好,保證密封效果;對GIS 腔體抽真空、充SF 6氣體,氣壓為0.4MPa。逐級升高試驗電壓,直到局放儀與超聲波同時檢測到局放信號;開始采集數據。4

14、 試驗結論(1 地電位接觸不良地電位接觸不良引起的局部放電信號統計譜圖如下:1-2020406080100120140T h e n u m b e r o f d i s c h a r g e sDischarge phase圖4-1 地電位接觸不良N-譜圖10.250.300.350.400.45D i s c h a r g e a m p l i t u d eD is charge phas e圖4-2 地電位接觸不良Umax-譜圖(2 高壓導體尖刺高壓導體尖刺引起的局部放電信號統計譜圖如下:60120180240300360010203040T h e n u m b e r o

15、 f d i s c h a r g e sD isc harge phas e圖4-3 高壓導體尖刺N-譜圖612400.020.030.040.050.060.07D s c h a r g e a m p t u d eD is ch arg e ph a s e圖4-4 高壓導體尖刺Umax-譜圖(3 高電位接觸不良高電位接觸不良引起的局部放電信號統計譜圖如下:6012018024030036005101520T h e n u m b e r o f d i s c h a r g e sD isc harge phas e圖4-5 高電位接觸不良N-譜圖60120180240300

16、3600.0150.0200.0250.0300.035D i s c h a r g e a m p l i t u d eD is charge phas e圖4-6 高電位接觸不良Umax-譜圖(4 金屬顆粒群金屬顆粒群引起的局部放電信號統計譜圖如下:1010203040506070T h e n u m b e r o f d i s c h a r g e sD isc harge phas e圖4-7 金屬顆粒群N-譜圖601201802403003600.0120.0140.0160.0180.020D i s c h a r g e a m p l i t u d eD isc

17、harge phase圖4-8 金屬顆粒群Umax-譜圖5 小結超聲波信號隨著超聲波探頭與放電點距離的增加迅速下降,當超聲波探頭與放電源的距離大于50cm時,已經采集不到放電信號。高壓尖刺放電是尖板放電類型,屬于極不均勻電場,是典型的電暈放電,其放電規律和其余三種信號的波形有很大區別,體現在放電主要只發生在工頻信號的負半周。由超聲波測量系統可以得出四種不同的局部放電模型的各自典型特征,結合N-譜圖和Umax-譜圖,可知四種放電存在較明顯的區別,從而可以分辨出放電類型,為局部放電的模式識別提供了試驗依據。參考文獻1 邱毓昌,GIS 裝置及其絕緣技術,北京:水利電力出版社,19942 SF6 封閉組合電器局部放電檢測系統研制報告,河南電力試驗研究所,20003 王昌長,李福棋,電力設備局部放電的在線監測,清華大學電機工程與應用,電子技術系,19964 張鳴超,王建生,邱毓昌,GIS中局部放電產生的特高頻電磁波及其測量,高電壓技術,1998年第2期5 苑舜 全封閉組合電器局部放電超聲傳播特性及監測問題的研究 中國電力 1997年第一期 7-116 李燕青,超聲波法檢測電力變壓器局部放電的研究, 博士論文, 保定, 華北電力大學, 2003 7 袁易全,局部放電超聲特性實驗研究