2024, Vol. 43
文章编号: 2096-3203(2024)03-0183-09 中图分类号: TM85
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2. 国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司，湖北 武汉 430074;
3. 武汉大学 动力与机械学院，湖北 武汉 430072;
4. 国网新疆电力有限公司昌吉供电公司，新疆 昌吉 831100;
5. 襄阳湖北工业大学产业研究院，湖北 襄阳 441100
 张国治(1990)，男，博士，副教授，研究方向为电气设备在线监测和状态评估等(E-mail：youzgz@163.com); |
杨帅(1990)，男，硕士，工程师，从事继电保护、基建新技术相关工作。
气体绝缘组合电器(gas insulated substation，GIS)具有占地面积少、安装灵活方便、绝缘性能好等优点，在电力系统中获得了广泛的应用[1-4]。国际大电网会议(CIGRE)工作组的统计结果表明，在GIS故障中，绝缘故障占比超过50%，由绝缘表面缺陷和内部缺陷造成的局部放电(partial discharge, PD)严重威胁到了GIS的安全运行，影响电力系统的安全稳定运行[5-8]。尽管国内外科研工作者针对PD绝缘缺陷检测技术进行了大量的理论和试验研究[9-10]，并且国内新投运的220 kV及以上GIS均安装有检测系统或者留有检测接口，但是运行效果不佳，GIS的PD在线监测系统出现了较多的误报和漏报情况[11]。针对该问题，国网公司组织相关技术专家对GIS设备进行解体与故障分析，认为间歇性放电是导致误报和漏报的原因，间歇性放电每次放电的时间间隔远远大于稳定放电时间间隔，导致现有的PD检测系统往往将间歇性放电脉冲信号误判为干扰信号而忽略[12]。
目前，国内外对GIS间歇性放电的研究还比较少，对间歇性放电的理解还不够透彻，对间歇性放电并没有明确的定义，其放电时间间隔也没有统一的标准。文献[13]设计GIS固体绝缘金属污秽放电缺陷模型，通过施加稍低于缺陷起始放电的试验电压，研究长间歇性放电情况下放电特高频(ultra high frequency, UHF)信号图谱特性和放电时间间隔的变化规律，试验发现绝缘子表面放电通道出现明显的增长，放电的间歇性进一步增强。文献[14]研究固体绝缘金属污秽放电缺陷UHF放电特性的稀疏特征，发现放电区间分散度很大、间隔跨度自数秒至数小时不等。文献[15]研究GIS绝缘子内部气隙缺陷的放电发展过程，在平稳劣化阶段气隙缺陷放电重复率下降，放电变得稀疏。
而在实际运行过程中，GIS的高压载流导杆会流过较大的负载电流并受到外界环境温度的影响，导致中心导杆温度升高[16-17]，GIS绝缘子不仅承受强电场的作用，还承受温度场的作用。已有文献表明，温度会对GIS放电特性造成一定的影响，随着温度升高，绝缘子表面金属异物缺陷的局部放电起始电压降低，放电量和放电频次增加[18]。文献[19]针对2种典型固体绝缘放电(沿面和气隙放电)在不同温度下的放电UHF特征进行分析，发现随着温度的升高，试验所选绝缘缺陷放电起始电压降低、放电频度增大、放电幅值均值降低、放电间隔减小。因此有必要开展不同温度下GIS内部固体绝缘缺陷间歇性放电特性试验研究。
基于此，文中根据GIS实际运行温度范围，搭建220 kV GIS电-热耦合间歇性放电模拟试验平台，采用脉冲电流法、UHF法、超声波法和气体特征组分检测法获取固体绝缘表面金属污秽缺陷和固体绝缘内部气隙缺陷(下文统称固体绝缘缺陷)间歇性放电特征数据，并调整试验温度探究GIS间歇性放电多源特征信号变化规律和温度之间的关系。
1 GIS电-热耦合间歇性放电模拟试验平台 1.1 不同温度下GIS间歇性放电模拟系统为实现不同温度下GIS间歇性放电的有效模拟及其放电多源特征信号变化规律的有效获取，文中搭建220 kV GIS电-热耦合间歇性放电模拟试验平台，如图 1所示。其中可动态调温加热带缠绕于GIS腔体外表面，通过无线测温的方式在线测量GIS腔体内部温度，通过调整加热带加热功率来保证试验过程中GIS内部温度的稳定性，GIS试验腔体采用有机玻璃密封。
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图 1 不同温度GIS间歇性放电多源检测试验平台 Fig. 1 GIS intermittent discharge multi-source detection test platform at different temperatures |
试验平台根据IEC 60270和GB/T 7354建立耦合电容C3和检测阻抗Z串联的PD检测回路，C1和C2为分压电容，工频周期信号由C2通过同轴电缆线传输至泰克高性能数字示波器(Tektronix*MS044，四通道，带宽1.5 GHz，采样频率6.25 GS/s)，并利用标准脉冲发生器对检测回路进行脉冲放电量的标定试验。将UHF传感器置于有机玻璃法兰盘外表面，超声波传感器经耦合剂紧贴于GIS试验腔体金属外表面，试验缺陷地电极用金属铜线通过有机玻璃法兰盘连接到地线。试验腔体中充入0.5 MPa纯净的SF6气体，并利用GCMS-QP2020 NX气相色谱质谱联用仪(gas chromatography-mass spectrometry，GCMS)对试验后的SF6气体分解组分进行定性和定量分析。
试验用传感器性能参数如表 1所示。其中，UHF传感器为超宽带椭圆单极子天线[20]，超声波传感器型号为PX PXR15，超声波传感器采用40 dB前置放大器来提高信号的检测能力。
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表 1 试验用传感器性能参数 Table 1 Performance parameters of sensors for testing |
GIS内部的高压导体因电流而产生的温升范围为40~70 ℃[17, 21-22]，故文中选取26 ℃(室温)、40 ℃、50 ℃、60 ℃和70 ℃共5个不同温度进行试验，研究不同温度下GIS间歇性放电特性。加热带设定不同加热温度后GIS内部SF6气体的温度测量结果如表 2所示，可以看出，受热量扩散的影响，GIS内温度和加热带设定温度之间存在微弱差别。
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表 2 试验测温结果 Table 2 Test temperature measurement results |
不同温度下GIS间歇性放电模拟试验方法如图 2所示。首先利用加热带调节GIS试验腔体内部温度，待试验腔体内部温度稳定后，采用阶梯升压法，缓慢升压至试品产生稳定PD，记该电压为UPDIV，随后缓慢降低试验电压至放电完全消失，记该电压为UPDDV，选择试验电压Ui(UPDDV<Ui<UPDIV)；保持试验电压恒定不变，进行间歇性放电UHF、超声和脉冲电流信号的监测和分析，并在试验结束后利用GCMS对SF6气体分解组分进行分析；调节试验温度，获取不同温度下GIS间歇性放电多源特征信号的变化特性。
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图 2 不同温度下GIS间歇性放电特性试验方法 Fig. 2 Test method for intermittent discharge characteristics of GIS at different temperatures |
现场超特高压GIS出现了多起固体绝缘突发性击穿或闪络的故障，此类缺陷未能被已经安装的PD在线监测系统提前发现并预警，对设备造成了严重的损害。参照国网公司企标Q/GDW 11304.8—2015《电力设备带电检测仪器技术规范》第8部分标准，文中所研制的固体绝缘表面金属污秽缺陷和内部气隙缺陷如图 3所示。其中金属污秽缺陷是利用环氧树脂胶将多个尺寸约为1 mm×1 mm×0.5 mm的金属碎屑附着在环氧树脂圆柱体表面；内部气隙缺陷是利用环氧树脂胶将3层高1 mm、直径90 mm的环氧树脂板粘在一起，在中间一层环氧树脂板的中心开一个直径为3 mm的圆形通孔。
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图 3 固体绝缘缺陷模型 Fig. 3 Solid insulation defect models |
为探究试验缺陷间歇性放电过程中场强畸变区域以及场强畸变程度，通过COMSOL对缺陷模型进行电场仿真，其中固体绝缘表面金属污秽缺陷施加交流22 kV间歇性放电试验电压，气隙缺陷模型施加交流5.2 kV间歇性放电试验电压(试验电压等级的确定见下文)，仿真结果如图 4所示。
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图 4 电场仿真结果 Fig. 4 Simulation results of electric field |
从图 4(a)可以看出，金属污秽缺陷最大畸变场强为18.8 kV/mm，平均场强为1.1 kV/mm，远低于高压导体与金属污秽之间间隙的击穿场强。从图 4(b)中可以看出，气隙缺陷最大畸变场强为3.32 kV/mm，平均场强为0.436 kV/mm，同样远低于高压导体与环氧树脂气隙之间的击穿场强。2种缺陷在外施电压较低的情况下缺陷部位的场强畸变不足，均难以引发连续的强烈放电。
2 固体绝缘缺陷间歇性放电状态分析为保证试验结果的可靠性，在室温无缺陷条件下对GIS间歇性放电多源检测试验平台进行无PD测试，加压至60 kV并保持恒压，维持加压时间为30 min，期间未检测到PD信号，说明试验平台在60 kV及以下试验电压等级下不存在PD干扰信号。
2.1 固体绝缘缺陷间歇性放电模拟在室温条件下进行污秽缺陷间歇性放电试验，试验电压为23 kV时，采集该电压等级下50个工频周期脉冲电流信号进行放电图谱分析，分析结果如图 5(a)所示，污秽缺陷达到稳定放电状态，平均放电量约为24.3 pC。进一步保持试验环境不变，降低试验电压至22 kV，采集该状态间歇性放电情况下50个工频周期的放电脉冲电流信号并进行图谱分析，如图 5(b)所示，对应平均放电量约为15.2 pC，该状态下放电脉冲个数较少，放电较为稀疏，能有效模拟间歇性放电状态。
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图 5 金属污秽缺陷50工频周期脉冲图谱 Fig. 5 Pulse graph of metal contamination defect in 50 power frequency cycle |
在室温条件下进行气隙缺陷间歇性放电试验，试验电压升至5.5 kV时，采集该电压等级下50个工频周期脉冲电流信号进行放电图谱分析，分析结果如图 6(a)所示，内部气隙缺陷处于稳定放电状态，平均放电量约为54.8 pC。降低试验电压至5.2 kV，此时对应放电脉冲图谱如图 6(b)所示，放电时间间隔远大于稳定放电脉冲时间间隔，平均放电量约为43.5 pC，相较于固体绝缘内部气隙缺陷连续放电状态，其间歇性放电相位分布较为分散，放电较为稀疏，放电脉冲幅值波动较大，能有效模拟间歇性放电状态。
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图 6 气隙缺陷50工频周期脉冲图谱 Fig. 6 Pulse graph of air gap defect in 50 power frequency cycle |
在2.1节中确定的间歇性放电试验条件下开展固体绝缘表面金属污秽缺陷和固体绝缘内部气隙缺陷间歇性放电试验。试验中获取的间歇性放电UHF信号和超声波信号分别如图 7、图 8所示，试验缺陷在不同温度下均能有效检测到间歇性放电UHF信号。
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图 7 固体绝缘缺陷间歇性放电UHF时域图 Fig. 7 UHF time-domain diagram of intermittent discharge of solid insulation defects |
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图 8 固体绝缘缺陷间歇性放电超声波时域图 Fig. 8 Ultrasonic time-domain diagram of inter-mittent discharge of solid insulation defects |
由图 8可以看出，超声波法无法有效检测缺陷间歇性放电所产生的超声波信号。这是因为超声波信号在SF6中衰减大, 衰减系数为26 dB/m，是空气或油中衰减系数的近20倍，间歇性PD产生的超声波信号先通过SF6气体再通过金属外壳传达到超声波传感器[23]。试验中，超声波探头贴于试验腔体外壁，与声源距离约200 mm，而间歇性放电能量小，辐射的超声波信号较弱，导致外置超声波法很难检测固体绝缘缺陷间歇性放电所产生的超声信号。
进一步对试验缺陷间歇性放电UHF信号进行频谱分析，结果见图 9。从图 9(a)可知，背景噪声信号主要频点在0.9 GHz和1.8 GHz，这2个频率对应信号为通信干扰信号[24]。由图 9(b)和(c)可知，表面金属污秽缺陷间歇性放电UHF信号主要频带集中在0.9 GHz以上，内部气隙缺陷间歇性放电UHF信号主要频带集中在0.3~0.9 GHz，符合PD UHF信号0.3~3 GHz的频率范围。
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图 9 背景噪声信号和固体绝缘缺陷放电UHF信号频域图 Fig. 9 Frequency domain diagram of background noise signal and solid insulation defect discharge UHF signal |
试验前利用加热带对腔体外部进行预加热，待温度分布稳定后开始试验，通过GIS间歇性放电模拟方法获取不同温度下间歇性放电试验电压，每次试验重复测量5次间歇性放电试验电压并取平均值，试验结果如图 10所示。
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图 10 间歇性放电试验电压随温度变化规律 Fig. 10 Intermittent discharge test voltage variation with temperature |
可以看出，金属污秽缺陷和气隙缺陷间歇性放电试验电压均与温度的升高呈明显负相关。随着温度的上升，金属污秽缺陷间歇性放电试验电压呈线性下降趋势，温度从26 ℃升至70 ℃，试验电压从22 kV下降至18.8 kV，下降了约14.5%。气隙缺陷在温度降低的起始阶段，间歇性放电电压出现大幅降低，温度从26 ℃升至70 ℃，试验电压从5.2 kV下降至2.6 kV，下降了约50%。
温度升高，SF6气体和固体绝缘内部气隙中粒子的能量增加，更容易发生碰撞电离，产生PD。此外，绝缘子周围温度较高区域内的气体密度降低，电气绝缘强度下降，更容易引发PD。因此，随着温度升高，试验缺陷的PD起始电压降低。
3.2 不同温度下固体绝缘缺陷放电信号幅值变化分析由于超声波法无法检测到固体绝缘间歇性放电辐射超声波信号，试验过程中每隔8 h同步采集放电量信息和UHF信号幅值信息，共采集48 h放电量信息，对每次采集的放电量信息和UHF信号随机取10组放电信号进行放电量和UHF幅值均值计算，统计结果如图 11和图 12所示。
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图 11 不同温度下平均放电量随时间变化规律 Fig. 11 The variation of average discharge value with time at different temperatures |
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图 12 不同温度下平均UHF信号幅值随时间变化规律 Fig. 12 The variation of average UHF signal amplitude with time at different temperatures |
由图 11(a)可知，固体绝缘表面金属污秽缺陷间歇性放电状态下平均放电量与温度的升高呈正相关。随着温度的升高，在间歇性放电初始时刻，平均放电量由最低29 pC最高增加到49.1 pC，70 ℃下平均放电量最高达到65.2 pC。由图 11(b)可知，固体绝缘内部气隙缺陷在间歇性放电初始时刻的平均放电量随着温度升高而显著增加，由最低117.3 pC最高增加到179 pC，60 ℃下平均放电量最高达到205 pC，且在温度影响下，其平均放电量长时间保持在一个较高值，70 ℃下平均放电量在32 h、40 h明显低于50 ℃、60 ℃下的平均放电量。
图 12中，在整个试验阶段，气隙缺陷UHF信号幅值与温度的升高呈正相关，随着放电时间的增加，气隙缺陷平均放电量先升后降。在放电24 h内，气隙缺陷UHF信号幅值与温度的升高呈正相关，随着放电时间的增加，60 ℃下UHF信号幅值有较为明显的变大趋势且高于其他温度下UHF信号幅值。
固体绝缘表面污秽缺陷和内部气隙缺陷在不同温度下间歇性放电信号幅值呈现上述变化的原因主要为：随着试验温度的升高，SF6气体粒子的能量增加，缺陷放电量会增大；温度升高使得间歇性放电试验电压降低，在较低的试验电压激励下放电量会减少，温度升高对其间歇性放电的促进作用强于抑制作用，导致放电量呈现增大趋势；长时间放电会对环氧树脂材料造成绝缘劣化损伤，导致气隙缺陷间歇性放电信号幅值会在某个时刻发生较大变化。
3.3 不同温度下固体绝缘缺陷放电间歇性采用脉冲电流法统计的试验缺陷平均放电时间间隔如图 13所示。
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图 13 不同温度下平均放电时间间隔随时间变化规律 Fig. 13 The variation of average discharge time interval with time at different temperatures |
污秽缺陷平均放电时间间隔在间歇性放电初始时间段随着温度的升高而减少，在不同温度下平均放电时间间隔整体上都呈现逐渐变大的趋势且放电十分稀疏。固体绝缘内部气隙缺陷间歇性放电在26 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃下放电时间间隔会增大然后会出现减小的趋势，在26 ℃、40 ℃和50 ℃下，放电时间间隔分别从6.7 s、6.6 s和3.7 s变化为23 ms、20 ms和10 ms，放电时间间隔由秒级转变为毫秒级，放电脉冲信号由间歇性放电演变成连续放电，而在60 ℃和70 ℃下，固体绝缘内部气隙缺陷并未出现连续放电的情况，在试验过程中仍保持间歇性放电状态。
固体绝缘表面污秽缺陷和内部气隙缺陷在不同温度下间歇性放电时间间隔呈上述变化的原因主要为：在同一个工频半周期内，前次放电产生的表面电荷对后续放电起抑制作用，放电时间间隔会增大；另一方面，在工频极性反转时，绝缘子表面电荷产生的电场与外施电场叠加会增强电场，放电时间间隔会减小。综上，由于温度升高，绝缘子表面电荷消散加快，但间歇性放电时间间隔为秒级，表面电荷会对其产生抑制作用，也会产生促进作用。表面污秽缺陷平均放电时间间隔在26 ℃、40 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃下随着放电时间的延长会逐渐增大，在放电初始时刻平均放电时间间隔与温度的升高呈负相关。内部气隙缺陷放电时间间隔在26 ℃、40 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃下随着温度的增加会出现先增大减小的趋势，且在26 ℃、40 ℃和50 ℃下，放电时间间隔由秒级转变为毫秒级。
3.4 化学检测分析纯净SF6气体在长时间放电试验之后会分解出SO2F2、SOF2、SO2和H2S等主要分解产物[25]。开展固体绝缘缺陷间歇性放电试验后，利用GCMS对试验后SF6气体组分进行检测，检测结果如图 14所示。可以看出，不同温度下48 h固体绝缘缺陷间歇性放电后检测结果中的SO2F2、SOF2、SO2和H2S特征气体的浓度精度为10-3 μL/L级别，实验室GCMS对SF6分解产物的有效测量精度为1 μL/L，这说明试验缺陷间歇性放电没有导致SF6气体有效分解，同时也说明试验缺陷在间歇性试验中放电并不剧烈。
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图 14 SF6分解产物浓度 Fig. 14 Concentration of SF6 decomposition products |
(1) 文中所研制的固体绝缘表面金属污秽缺陷和内部气隙缺陷在外施电压较低的情况下缺陷部位的场强畸变不足，试验过程中均能有效模拟间歇性放电状态；
(2) UHF法和脉冲电流法均能有效检测到固体绝缘缺陷在不同温度下的间歇性放电信号，安装在GIS金属外壳上的超声波传感器不能有效检测到放电信号，特征气体组分化学检测法很难对间歇性放电进行有效检测，检测的特征气体组分的浓度精度为10-3 μL/L级别；
(3) 温度对试验缺陷放电脉冲电流信号和UHF信号有一定的影响，间歇性放电平均放电量和UHF信号幅值与温度的升高呈正相关，起始放电电压与温度的升高呈负相关，金属污秽缺陷放电间歇性在不同温度下随放电时间的增加会增强，而气隙缺陷放电时间间隔则在不同温度下会出现增大然后减小的趋势，在26 ℃、40 ℃和50 ℃下，放电时间间隔随着放电时间的增加分别从6.7 s、6.6 s和3.7 s变化为23 ms、20 ms和10 ms，放电时间间隔由秒级发展为毫秒级，由间歇性放电演变成稳定放电。
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2. Wuhan Nari Limited Liability Company of State Grid Electric Power Research Institute, Wuhan 430074, China;
3. School of Power and Mechanical Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072, China;
4. Project Management Center of State Grid Changji Power Supply Company, Changji 831100, China;
5. Xiangyang Industrial Institute of Hubei University of Technology, Xiangyang 441100, China