六氟化硫氛围针—板电极尖端放电演化特征分析

来源 :安徽理工大学学报·自然科学版 | 被引量 : 0次 | 上传用户:caoenjia
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  摘要:为研究SF6气体绝缘设备在尖端缺陷下局部放电演化特征,模拟GIS中可能出现的尖端缺陷。采用脉冲电流法测量了尖端放电脉冲序列,同时利用局部放电检测仪测得放电的PRPD谱图,分析了SF6气体中尖端放电的演化特征。为进一步确定GIS中尖端放电的发展过程及危险度,采用内外置特高频传感器采集到局部放电的特高频电磁波信号,获取了放电PRPD谱图,分析了尖端放电演化过程。结果表明,随外施电压增加,尖端放电的正半周幅值明显高于负半周,正、负半周的上升沿和下降沿放电量随外施电压增大而增大。当GIS内存在尖端缺陷时,在外施电压远低于GIS正常运行电压时就已经发生放电,且放电结果和实验室模型中结果一致。因此,可以考虑采用实验室模型来研究220kV GIS中尖端局部放电发展过程。
  关键词:SF6;尖端放电;脉冲电流法;特高频法;PRPD谱图
  中图分类号: TM561文献标志码:A文章编号:1672-1098(2017)04-0012-07
  Abstract:To investigate evolution characteristics of partial discharge caused by protrusion in SF6 gas insulated switchgear, a point discharge model was set up on the experiment platform, which was used to simulate the possible protrusion defects in GIS. The pulse sequence of protrusion discharge was measured with the pulse current method. At the same time, with the help of partial discharge detector, the PRPD spectrum diagrams were obtained. The evolution characteristics of point discharge in SF6 were analyzed. In order to identify the risk and developing process of point discharge in GIS, the inner and outer ultrahigh frequency (UHF) sensor were adopted to detect the UHF electromagnetic wave signal, and the PRPD spectra diagrams were also obtained. The results show that the positive half cycle amplitude of protrusion discharge was obviously higher than that of the negative half cycle with the increase of applied voltage. The discharge amplitude about rising and falling part of the positive and negative half cycle increased with the applied voltage increasing. When the protrusion defect exists in GIS, discharge would occur even if the applied voltage was far lower than the operating voltage. And the results were the same as that in laboratory. Accordingly, the experimental model in laboratory can be used to study the process of protrusion discharge in 220kV GIS.
  Key words:SF6; Protrusion discharge; Pulse current method; Ultra high frequency; PRPD spectra diagram
  SF6气体因其优越的绝缘性能和灭弧特性广泛应用于多种高压电力设备[1],在现代电力行业SF6气体灭弧的断路器得到了广泛的应用。SF6气体绝缘设备(Gas Insulated Switchgear,GIS)结构紧凑、运行可靠性高、维护周期长,与常规变電站相比,相同电压等级下GIS占地面积更小。随着GIS在电力系统的广泛应用,其电压等级越来越高,一旦GIS发生故障,会严重威胁电力系统的安全稳定运行,造成供电间断。因此,需要对GIS运行状况进行有效监测和评估。运行经验及故障分析表明,GIS在生产、安装过程中会不可避免地带来金属尖端、自由微粒等,这些缺陷会畸变GIS内部的电场,使GIS内某些部位电场强度增大,甚至超过SF6气体的耐电强度,导致局部放电的发生[2-4]。局部放电持续存在和发展会使GIS内部绝缘进一步劣化,导致设备发生更严重的故障。同时,局部放电也为诊断设备缺陷或故障提供了有用的检测信号,用于评估设备绝缘状态。因此,研究分析GIS内部缺陷导致的局部放电演化特征并评估局部放电的危险度十分必要。


  目前用于局部放电测量的方法有脉冲电流法[5-6]、超声波法[7-8]、特高频法[9-10]等。脉冲电流法是唯一具有国际标准(IEC60207)的局部放电检测方法。该方法最早由英国电气协会提出,通过在耦合电容侧的检测阻抗上测量脉冲电流,可以获得局部放电的视在放电量、放电相位等信息。脉冲电流法主要采集局部放电中较低频段的信号,可以有效避免无线电干扰,并能检测突变信号。但是在测量时需要通过电容的耦合将局部放电转换成电压信号,所以在测量过程中易受到电磁环境的影响。此外,由于测量频带窄、频率较低,提取的放电信息不够丰富。针对脉冲电流法的不足之处,文献[10]采用更高检测频带的测量阻抗(30MHz左右)测量了局部放电的脉冲电流信号,有效地分离了噪声和放电信号。之后还有学者采用极性鉴别方式对变压器局部放电信号和噪声进行了有效地分离[11]。   局部放电的特高频法最早由文献[12]提出,并首先应用于英国Torness及Hutton变电站的420kV GIS设备的局放检测,对不同缺陷类型的频谱特性进行了研究,并成功定位了局部放电来源。文献[13]和[14]对用于GIS局部放电检测的特高频传感器进行系统研究,分析了GIS内缺陷类型、位置、尺寸、脉冲形状等因素对特高频信号的影响,研究了特高频电磁波在GIS腔体内波导模式及其传播特性。此外,文献[15-18]在特高频传感器性能校验、典型缺陷UHF局放特性、模式識别及现场应用方面开展了广泛的研究。近年来,特高频法因抗干扰性好、灵敏度高、可实现放电源定位等优点,得到了国内外同行的普遍认可,在电力设备绝缘缺陷和故障诊断中引起了一定的重视。
  本文设计了SF6中尖端缺陷实验模型,采用脉冲电流法测量了尖端放电信号,分析了放电演化特征。采集特高频法测量了220kV GIS中心导体尖端缺陷放电信号,评估了尖端放电的危险度,对实际检测和现场故障诊断具有借鉴意义。

1实验室模型下实验方案


  1.1尖端放电模型的制备
  实验采用针-板电极来模拟尖端放电,如图1所示。设备中所加SF6压强为0.4MPa。针尖到板电极的距离为5mm,针尖为光滑无毛刺的针尖,板电极为光滑平整的铜板电极,直径为80mm。脉冲电流法可以检测局部放电过程中转移的电荷量,而且有统一的判定标准,所以实验室模型中采用脉冲电流法来检测局部放电。
  1.2脉冲电流法局部放电检测系统


  实验电路如图2所示。试验中采用交流试验变压器,其额定参数如下:额定容量为SN =10kVA,额定电压为UN=100kV,输出电流为IN=100mA,在额定电压下局放量q<5pC。交流变压器输出需要通过无局放低通滤波器滤除电源电流中的谐波,分压变比为1 000∶ 1。
  为了在示波器中显示实验中的电流,在示波器的电流通道中接入了50Ω的电阻。试验中采用的示波器为DPO5204B,频带宽度2.0GHz,采样频率最高可达10.0GS/s。同时,局部放电测量系统采用PDCheck系统,该测量系统具有采集局部放电PRPD图谱、单个脉冲波形、分析放电相位等多种功能。
  1.3实验具体实施步骤
  本实验测量SF6气体氛围中尖端缺陷模型在不同电压下的局部放电特性,包括采用示波器测量尖端缺陷模型的起始放电电压、局部放电脉冲序列,采用PD check局放检测仪测量PRPD谱图。实验具体流程如下:
  1) 采用阶梯升压法施加电压,在不同外施电压下,利用示波器采集并记录局部放电脉冲序列;
  2) 针对不同的外施电压,利用局放检测仪来采集局部放电的PRPD谱图。

2220kV GIS尖端放电实验方案


  2.1GIS试验模型


  在220kV GIS内建立尖端缺陷模型,如图3所示,尖端缺陷位于中心导体处。试验中采用特高频法检测尖端缺陷的局部放电信号。设置内置特高频传感器S1,外置特高频传感器S2、S3、S4,用于检测尖端局部放电产生的特高频电磁波信号。GIS腔体内充满0.5MPa的SF6气体。
  2.2220kV GIS尖端放电试验步骤
  在220kV GIS中心导体处设置尖端,模拟GIS实际运行中可能出现的尖端缺陷。试验具体步骤如下:
  1) 将内外置传感器同时接至局部放电检测仪的不同通道,根据PRPD谱图判断是否有局部放电产生;
  2) 若PRPD谱图显示某处发生局部放电,将内外置传感器接至示波器不同通道,测试局部放电的脉冲序列。

3实验结果


  3.1实验室模型SF6气体中尖端放电实验结果
  1)尖端放电的脉冲序列
  尖端放电是最常见的一种放电类型,本文通过实验,对尖端放电的形成和发展过程进行了研究。在不同的外加电压下,通过示波器获得了尖端放电的脉冲序列。通过脉冲序列分析,可以得到尖端放电从产生到击穿过程中的发展过程。图4为示波器检测到的不同外施电压下的放电波形。
  从图4可知,随着电压的增加,放电幅值和放电次数都在增加,并且正半周放电量幅值要明显大于负半周。如图4(a)所示,外施电压为14.5kV时,局部放电主要是在交流电压峰值,随着电压升高到18.0kV,局放脉冲序列特性发生变化,表现为峰值附近放电量小于峰值两侧放电量,且放电次数和脉冲电流幅值增加。
  2)尖端放电的PRPD谱图


  在实验过程中,用局部放电检测仪测量了不同外施电压下试品局放的PRPD谱图,每个谱图中都包含着多次放电的数据信息,直观的反映出不同相位下的放电次数和放电密度。通过PRPD谱图,可以更好地反映出局部放电的特点。
  由图5可知,在较低电压(9.0kV)下,放电主要集中在负半周的峰值附近;当电压增加到14.5kV时,正极性外施电压下出现局部放电,且大于负放电量,主要集中交流电压正负半周的峰值附近,成“单驼峰”状,正、负半周分别关于和对称。整个放电过程中,正半周的放电幅值明显的高于负半周,其原因是当针尖具有正极性时,会在其头部形成流注。由于流注等离子体带有正电荷,又促使产生新的电子崩,使放电逐渐向负极推进。而当针尖是负极性时,容易产生电晕,如图5(a)所示。但之后负半周放电明显要弱于正半周,原因是负半周的电子崩会在针尖周围形成电子层,相当于增大了针尖的直径,放电不易发生。随着电压的增加,正负半周放电量与放电次数均呈现增加的趋势,如图5(b)、图5(c)所示,负半周要明显弱于正半周。当施加电压达到22.9kV时,正半周上升沿与下降沿处放电量加大,且大于处放电量,如图5(d)所示,这与上述放电波形分析呈现相同的规律,主要是由于空间电荷的影响。   3.2220kV GIS中尖端放电实验结果
  在220kV GIS腔体内设置尖端缺陷,采用特高频法测量了不同外施电压下尖端放电发展过程,用局部放电检测仪记录了尖端放电的PRPD谱图。
  图6所示为220kV GIS在不同外施电压下,尖端放电的PRPD谱图。当外施电压比较低时,尖端局部场强高将首先发生电晕放电,并出现在外施正弦电压的负半周,如图6(a)所示。这是由极不均匀电场的极性效应所导致的。随外施电压逐渐升高,外施电压的正半周也出现局部放电,且主要集中在外施电压的峰值处附近,如图6(b)所示。从图6可以看出,随着外施电压的升高,正极性的放电峰值逐渐超过负极性放電,如图6(c)、图6(d)所示,而外施电压过高,正半周放电由集中在峰值处转移至集中在正半周峰值处附近的上升沿和下降沿,如图6(e)、图6(f)所示,这可以用如图7所示的尖端放电模型来解释。当尖端具有正极性时,尖端局部场强很高,将首先在尖端处发展起来电子崩,电子崩中的电子迅速消失于正极性的尖端,正离子因质量大移动速度慢遗留在尖端附近,正离子大大加强了和负极板之间的电场,引起光电离,在正离子和阴极板之间发展起流注,由于流注头部集中大量的正离子,大大加强流注通道前方的电场,因此放电容易发展。而当尖端具有负极性时,放电仍然从曲率半径小的尖端开始,在尖端附近发展起电子崩,电子移动速度快将迅速离开尖端移向正极板,正离子移动速度慢而遗留在尖端附近,正空间电荷大大加强了尖端附近的电场,而削弱了和正极板之间的电场,因此尖端附近会产生强烈的电晕放电,但不易向正极板发展。当外施电压继续升高时,在电压上升沿处电场即可激发放电,随着正空间电荷的扩散,尖端处电场降低,因此电压峰值时放电反而减弱,随着正离子的进一步扩散,尖端处电场逐渐恢复,在下降沿处重新激发放电,使放电主要集中在正半周峰值处的上升沿和下降沿。
  对比图5和图6可以发现,实验室模型中的实验结果和220kV GIS中实验结果一致。因此,可以采用实验室模型来研究220kV GIS中尖端局部放电的发展过程。当220kV GIS中存在尖端缺陷时,在外施电压远远低于GIS正常工作电压时就发生放电,并且随外施电压逐渐升高,放电越来越强烈,这对于GIS的正常工作是极为不利的。因此,在GIS在投入运行时,应对GIS进行全方位的测试,一旦发现局部放电,应立即进行排查,准确定位出局部放电源的位置,并及时处理。

4结论


  1) 采用脉冲电流法测量了实验室尖端放电模型中放电脉冲序列和放电的PRPD谱图,随外施电压增加,正半周幅值明显高于负半周。外施电压继续增加,正半周的上升沿和下降沿放电量增大,高于正半周峰值处的放电,空间电荷起主要作用。
  2) 采用特高频法测量了220kV GIS中尖端放电的PRPD谱图,当GIS内存在尖端缺陷时,在外施电压远低于GIS正常运行电压时就已经发生放电,并随外施电压增加,放电逐渐加强,实验结果和采用脉冲电流法的实验室模型中结果一致。因此,可以采用实验室模型来研究220kV GIS中尖端局部放电的发展演化过程。
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  (责任编辑:李丽,编辑:丁寒)
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