張亮,車(chē)斌,韓旭濤,李軍浩,熊俊,王斯斯

(1.西安交通大學(xué)電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 710049, 西安; 2.廣州供電局有限公司電力試驗(yàn)研究院, 510410, 廣州)

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負(fù)極性振蕩雷電沖擊電壓下SF尖板模型局部放電特性

張亮1,車(chē)斌1,韓旭濤1,李軍浩1,熊俊2,王斯斯2

(1.西安交通大學(xué)電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 710049, 西安; 2.廣州供電局有限公司電力試驗(yàn)研究院, 510410, 廣州)

為了深入研究尖板模型振蕩雷電沖擊電壓下局部放電特性,首先搭建了振蕩沖擊電壓發(fā)生器,產(chǎn)生符合IEC 60060-3標(biāo)準(zhǔn)的振蕩型雷電沖擊電壓,基于特高頻法和脈沖電流法,建立了沖擊電壓下局部放電測(cè)量系統(tǒng),進(jìn)而構(gòu)建了SF6尖板模型,對(duì)負(fù)極性振蕩雷電沖擊電壓下局部放電進(jìn)行了測(cè)量,對(duì)比了特高頻法和脈沖電流法測(cè)量局部放電的靈敏度,分析了放電時(shí)延、放電幅值、放電數(shù)目和放電相位隨外施電壓的變化規(guī)律。結(jié)果表明:特高頻法測(cè)量靈敏度更高,適合在氣體絕緣組合電器(GIS)現(xiàn)場(chǎng)沖擊耐壓試驗(yàn)中使用;局部放電集中在外施電壓各波峰附近;隨著外施電壓的升高,放電時(shí)延和放電起始相位急劇減小,放電結(jié)束相位則稍有增大;各周期放電幅值和數(shù)目隨波峰電壓的升高而線性增加。進(jìn)一步分析表明,在負(fù)極性振蕩雷電沖擊電壓下,局部放電的產(chǎn)生和發(fā)展可用金屬電極表面發(fā)射、負(fù)離子場(chǎng)致碰撞脫附和電暈穩(wěn)定化作用進(jìn)行很好的闡釋。研究成果有助于GIS現(xiàn)場(chǎng)沖擊耐壓試驗(yàn)中局部放電的檢測(cè)與分析。

氣體絕緣組合電器;局部放電;振蕩沖擊電壓;特高頻;SF6尖板間隙

氣體絕緣組合電器(GIS)在電力系統(tǒng)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用,是最重要的電力設(shè)備之一。作為GIS中絕緣介質(zhì)SF6具有良好的電氣性能、物理性能和化學(xué)性能,可一旦GIS中出現(xiàn)局部電場(chǎng)集中,其絕緣強(qiáng)度會(huì)顯著下降。為了保證電力系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行,GIS設(shè)備在出廠時(shí)進(jìn)行雷電沖擊耐壓試驗(yàn),在現(xiàn)場(chǎng)組裝完成后,一般進(jìn)行工頻耐壓試驗(yàn)并測(cè)量局部放電[1-4]。隨著電網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大和電壓等級(jí)的提高,在實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn),已通過(guò)交流耐壓試驗(yàn)的GIS設(shè)備在運(yùn)行中仍然出現(xiàn)絕緣故障,通過(guò)交流耐壓試驗(yàn)的GIS設(shè)備在進(jìn)行沖擊耐壓試驗(yàn)時(shí)也會(huì)發(fā)生閃絡(luò)?？梢?jiàn),工頻耐壓試驗(yàn)對(duì)GIS絕緣的考核還存在不足,有必要改良絕緣測(cè)試程序,采納更有效的診斷性檢驗(yàn)方法[1],因此現(xiàn)場(chǎng)沖擊耐壓試驗(yàn)的重要性越來(lái)越突出。

不同類(lèi)型高壓試驗(yàn)激發(fā)缺陷放電的能力是不同的,因此通過(guò)工頻耐壓試驗(yàn)后,仍發(fā)生了沖擊閃絡(luò),表明雷電沖擊耐壓試驗(yàn)對(duì)檢測(cè)裝配錯(cuò)誤和電極損傷類(lèi)缺陷更為有效[1,5-6]。若在沖擊耐壓試驗(yàn)的同時(shí)測(cè)量局部放電,不僅能獲得設(shè)備的整體絕緣狀況,還能發(fā)現(xiàn)局部絕緣缺陷,從而可以對(duì)設(shè)備絕緣進(jìn)行全面的評(píng)價(jià)。近年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)沖擊電壓下SF6氣體中的放電現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了大量研究,在絕緣特性及放電機(jī)理研究方面取得了大量成果[7-9],但以絕緣診斷為目的的局部放電特性研究還較少,主要是利用脈沖電流法和光檢測(cè)方法在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行放電特性研究,不過(guò)還未直接服務(wù)于工程實(shí)際[10-13]。

高壓電極上存在尖端突出或附著自由金屬微粒均可引起局部電場(chǎng)集中,從而使絕緣強(qiáng)度顯著下降,這是導(dǎo)致絕緣失效的主要原因之一[1]。本文搭建了振蕩沖擊電壓發(fā)生裝置,構(gòu)建SF6尖板模型模擬GIS中高壓電極局部電場(chǎng)集中,基于特高頻法和脈沖電流法建立局部放電檢測(cè)系統(tǒng),研究了負(fù)極性振蕩雷電沖擊電壓下模型局部放電特性,成果有助于GIS現(xiàn)場(chǎng)沖擊耐壓試驗(yàn)中局部放電的檢測(cè)與分析。

1 試驗(yàn)平臺(tái)的搭建

IEC60060-3和GB/T 16927.3規(guī)定了4種電力設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)沖擊耐壓試驗(yàn)電壓波形,分別是雷電波(LI)、操作波(SI)、振蕩雷電波(OLI)和振蕩操作波(OSI),波形參數(shù)要求如表1所示[14-15]。

表1 沖擊電壓波形參數(shù)

注:T1為波前時(shí)間;T2為半峰時(shí)間;f為振蕩頻率。

由于雙指數(shù)沖擊電壓發(fā)生器設(shè)備龐大、不易移動(dòng)、安裝復(fù)雜,且現(xiàn)場(chǎng)調(diào)波困難,而振蕩型沖擊波具有產(chǎn)生效率高、接近設(shè)備實(shí)際作用波形的優(yōu)點(diǎn),因而更適合現(xiàn)場(chǎng)使用[2,10,16]。目前,業(yè)內(nèi)利用振蕩雷電沖擊電壓已多次成功開(kāi)展超高壓、特高壓GIS設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)沖擊耐壓試驗(yàn),推廣和普及該試驗(yàn)對(duì)降低設(shè)備事故率、提高設(shè)備運(yùn)行可靠性具有重要意義。本試驗(yàn)中振蕩沖擊電壓發(fā)生器原理如圖1所示。

圖1 振蕩沖擊電壓發(fā)生器原理圖

直流高壓發(fā)生裝置最高輸出負(fù)極性電壓為200 kV,主電容C1為0.1 μF,負(fù)載電容C2為1.05 nF,試品電容極小,電容分壓器高壓臂電容為465 pF,分壓比10 000∶1。通過(guò)選擇合適的電路元件參數(shù),可使發(fā)生器產(chǎn)生滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的振蕩雷電沖擊電壓。電路元件參數(shù)及波形參數(shù)如下:L=9.05 mH,Rf=0.25 kΩ,Rt=2 kΩ,T1=8.1 μs,T=94 μs,f=43.3 kHz。發(fā)生器輸出電壓波形如圖2所示。

圖2 振蕩雷電沖擊電壓波形

本文設(shè)計(jì)制作尖板模型模擬GIS中高壓電極局部電場(chǎng)集中,尖電極為端部打磨成錐形的Φ10 mm黃銅電極,錐度為1∶3,錐尖等效曲率半徑約為65 μm。板電極直徑為120 mm,試驗(yàn)時(shí)接地,尖板間距離為10 mm。尖板模型安置在有機(jī)玻璃容器內(nèi),并充以0.45 MPa的SF6氣體?；谔馗哳l法和脈沖電流法建立了測(cè)量局部放電測(cè)量系統(tǒng),見(jiàn)圖3。

圖3 局部放電測(cè)量系統(tǒng)

特高頻傳感器帶寬為500～1 500 MHz,平均等效高度為10 mm,布置點(diǎn)距模型邊緣15 cm,傳感器輸出經(jīng)放大后在示波器中顯示,放大倍數(shù)為40倍。在脈沖電流法測(cè)量系統(tǒng)中,高頻電流傳感器帶寬為0.8～102 MHz,靈敏度為10 V·A-1,輸出經(jīng)過(guò)3.5 MHz高通濾波器后在示波器中顯示,以濾除位移電流對(duì)局部放電測(cè)量的影響。數(shù)字示波器型號(hào)為L(zhǎng)eCroy 204Xi-A,四通道測(cè)量時(shí),最大采樣率為5×109s-1,模擬帶寬2 GHz。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)時(shí),電壓逐步上升,當(dāng)10次施壓有4～6次出現(xiàn)局部放電,則認(rèn)為此電壓為局部放電起始電壓,試驗(yàn)測(cè)得局部放電起始電壓為-22.7 kV。兩次施壓之間間隔8 min,以保證每次施壓前SF6尖板間隙恢復(fù)到初始狀態(tài)。

2.1 特高頻法和脈沖電流法檢測(cè)靈敏度對(duì)比

典型放電時(shí)域波形如圖4所示,圖中特高頻結(jié)果為放大器放大后輸出電壓波形,脈沖電流結(jié)果為電流傳感器輸出電壓(u)波形。

圖4 放電時(shí)域波形

零時(shí)刻干擾為球隙觸發(fā)導(dǎo)通所致,其對(duì)脈沖電流法測(cè)量結(jié)果影響較大,加之位移電流的存在,最終局部放電脈沖疊加在低頻干擾信號(hào)上,不易識(shí)別和提取。對(duì)典型放電脈沖進(jìn)行對(duì)比分析,如圖5所示。

圖5 脈沖電流與特高頻對(duì)比

結(jié)合背景可得A、B兩處不同放電幅值下的信噪比,如表2所示。由圖5和表2可知,在特高頻法測(cè)量中,信噪比高且始終維持在較高水平,而在脈沖電流法測(cè)量中,信噪比隨放電幅值的減小而快速降低。

表2 不同放電幅值下的信噪比

對(duì)于振蕩沖擊電壓下局部放電的測(cè)量,特高頻法靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng),因此適合在GIS現(xiàn)場(chǎng)沖擊耐壓試驗(yàn)中使用。本文分析均基于特高頻法的測(cè)量結(jié)果,脈沖電流法測(cè)量結(jié)果僅作為對(duì)照。

2.2 局部放電時(shí)域波形

不同電壓下典型放電時(shí)域波形如圖6所示,圖中脈沖電流結(jié)果已經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波,零時(shí)刻干擾均已被去除。

(a)-22.7 kV

(b)-28 kV

(c)-44.3 kV圖6 不同外施電壓下放電時(shí)域波形

由圖6可知,局部放電總是發(fā)生在振蕩雷電沖擊電壓波峰附近(波峰、波谷均針對(duì)電壓幅值的大小而言,因此圖中電壓12 μs處為波峰,23 μs處為波谷),當(dāng)電壓為-22.7 kV時(shí)(圖6a),只在第1振蕩周期出現(xiàn)多次放電,隨著外施電壓的升高(圖6b、圖6c),第2、第3周期依次出現(xiàn)放電。第1波峰處放電多、幅值大,首次放電往往呈現(xiàn)大幅值,第2、第3波峰放電逐漸減少、幅值逐漸減小。進(jìn)一步觀察第1振蕩周期放電(見(jiàn)圖7)可知,首次放電后短時(shí)間內(nèi)無(wú)放電,這段時(shí)間約為1 μs,隨著電壓的上升,放電越來(lái)越密集,在10～12 μs內(nèi),放電密度達(dá)到最大,相鄰放電時(shí)間間隔約為0.1 μs。當(dāng)電壓經(jīng)過(guò)峰值開(kāi)始下降后,放電幅值逐漸減小,放電數(shù)目急劇減少。

圖7 第1周期局部放電(-44.3 kV)

2.3 局部放電時(shí)延

在沖擊電壓下,當(dāng)達(dá)到放電起始電壓時(shí),局部放電并不立刻出現(xiàn),而是經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后才出現(xiàn)局部放電,稱為局部放電時(shí)延[13,17]。將每一振蕩周期首次局部放電時(shí)刻記為ts,此時(shí)刻外施電壓記為U,一系列(U,ts)點(diǎn)即描述了局部放電的時(shí)延特性,50次試驗(yàn)所得前3振蕩周期首次局部放電(U,ts)特性如圖8所示。

圖8 局部放電時(shí)延特性

由圖8可知,隨著外施電壓的升高,第1振蕩周期首次放電電壓稍有增大,第2、第3振蕩周期則增大明顯。為了比較方便,將第2、第3振蕩周期(U,ts)圖中時(shí)間分別減去T、2T(T為振蕩雷電沖擊電壓振蕩周期),所得結(jié)果如圖9所示。

圖9 前3振蕩周期局部放電時(shí)延特性的對(duì)比

由圖9可知,第1振蕩周期首次放電電壓明顯低于其他振蕩周期,這意味著在同樣的電壓下,第1振蕩周期放電最易發(fā)生。

2.4 放電幅值和數(shù)目

放電幅值和數(shù)目與相應(yīng)振蕩周期波峰處電壓(波峰電壓)息息相關(guān),因此對(duì)各振蕩周期分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì),研究放電幅值、數(shù)目與對(duì)應(yīng)波峰電壓之間的關(guān)系。取10次施壓的平均值,所得各周期最大放電信號(hào)幅值(umax)與波峰電壓之間的關(guān)系如圖10所示。

圖10 各周期放電幅值與波峰電壓的關(guān)系

隨著波峰電壓的升高,各周期放電幅值線性增大。在相同電壓下,第1周期放電幅值最大,第2周期放電幅值約為第1周期的60%,第3周期放電幅值則僅為第1周期的30%。各周期放電次數(shù)與波峰電壓之間的關(guān)系如圖11所示。

圖11 各周期放電次數(shù)與波峰電壓的關(guān)系

由圖11可知,各周期放電數(shù)目均隨波峰電壓的升高而線性增加,但曲線陡度各不相同,第1周期陡度約為第2周期的2倍、約為第3周期的4倍。綜合圖10和圖11可知,在相同電壓下,第1周期激發(fā)的放電幅值最大,激發(fā)的放電數(shù)目也最多,換言之,第1周期激發(fā)放電的能力最強(qiáng),以后各周期激發(fā)放電的能力呈遞降趨勢(shì)。

2.5 放電相位分布

基于振蕩型沖擊電壓振蕩的周期性,可引入相位的概念描述其局部放電特性。對(duì)時(shí)域波形中局部放電進(jìn)行提取,獲得放電的時(shí)刻和幅值,記為(t,a),若振蕩沖擊電壓振蕩周期為T(mén),則放電的相位為

θ=360t/T

(1)

當(dāng)外施電壓從-22.7kV變化到-44.3 kV時(shí),將每一電壓下3次典型放電數(shù)據(jù)疊加,得到不同電壓下放電相位分布如圖12所示,Umax為外施電壓最大值。

圖12 不同電壓下放電相位分布

由圖12可知,振蕩波形的3個(gè)波峰處均出現(xiàn)放電,但主要集中在第1波峰附近,這是因?yàn)榈?振蕩周期電壓幅值最高,且激發(fā)放電的能力最強(qiáng)。進(jìn)一步觀察第1、第2波峰放電相位分布,結(jié)果見(jiàn)圖13。放電起始、結(jié)束時(shí)刻相位及電壓變化如表3所示,表中第2波峰放電相位已歸算到0～360°。

表3 放電起始、結(jié)束相位及電壓

由圖13及表3可知,隨著外施電壓的升高,對(duì)于放電起始時(shí)刻,相位明顯減小,對(duì)應(yīng)電壓則稍有增大。其中第1波峰表現(xiàn)最為突出,當(dāng)電壓由-22.7 kV變化到-44.3 kV后,放電起始相位減小了50°,而起始電壓幅值增大了1.9 kV。對(duì)于放電結(jié)束時(shí)刻,放電相位稍有增大,對(duì)應(yīng)電壓則增大明顯,第1波峰放電結(jié)束時(shí)刻電壓由-21.8 kV變化到-40.8 kV,增加了87%,同樣的第2波峰增幅也達(dá)到55%。

(a)第1波峰

(b)第2波峰圖13 不同波峰放電相位分布

3 討 論

SF6氣體中局部放電的產(chǎn)生和發(fā)展由間隙電場(chǎng)分布和外施電壓決定,并帶有一定的隨機(jī)性。當(dāng)間隙電壓足夠高時(shí),尖端附近一定空間(臨界體積Vcr)內(nèi)電場(chǎng)大于臨界場(chǎng)強(qiáng)Ecr(Ecr/p=885 kV·cm-1·MPa-1),在負(fù)極性電壓下,金屬電極表面發(fā)射和負(fù)離子場(chǎng)致碰撞脫附為有效初始電子主要來(lái)源[13,17-18]。有效初始電子的出現(xiàn),將在臨界體積內(nèi)引發(fā)電子崩,形成第1流注放電,進(jìn)而出現(xiàn)空間光電離,使流注向前發(fā)展并充滿臨界體積。由于在遠(yuǎn)離針尖的空間,電場(chǎng)強(qiáng)度急劇下降,當(dāng)流注通道內(nèi)電壓降與背景電場(chǎng)電壓降相等時(shí),流注停止發(fā)展,自由電子進(jìn)入板電極形成脈沖電流[19-20]。

第1流注放電過(guò)后,尖端附近形成負(fù)空間電荷并削弱電場(chǎng),隨著負(fù)離子沿電場(chǎng)方向的遷移,空間電荷削弱電場(chǎng)的作用不斷減弱,流注放電得以重新開(kāi)始,殘余的空間電荷越多,新流注的產(chǎn)生就越困難,放電量也越小[21-22]。

3.1 放電時(shí)延

第1流注放電統(tǒng)計(jì)時(shí)延由尖端附近臨界體積內(nèi)有效初始電子的產(chǎn)生決定,在負(fù)極性電壓下,有效初始電子來(lái)源于金屬電極表面發(fā)射和負(fù)離子場(chǎng)致碰撞脫附,其中前者占主要部分[13,17]。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,金屬電極表面發(fā)射遵循Richardson-Schottky定律,有效初始電子產(chǎn)生率如下[17-18,23]

(2)

式中:e為電子電荷;φ為有效功函數(shù),1.3 eV;k為玻爾茲曼常數(shù),1.381×10-23J/K;T為氣體絕對(duì)溫度,293 K;A為有效發(fā)射面積,與間隙電壓有關(guān),當(dāng)間隙電壓為9 kV時(shí),A=0,當(dāng)間隙電壓為20～50 kV時(shí),估計(jì)A取值范圍為10-8～2.6×10-8m2(見(jiàn)圖15);P(E(t))表示自由電子轉(zhuǎn)化為有效初始電子的概率

(3)

式中:α(E(t))-η(E(t))和α(E(t))的計(jì)算通過(guò)擬合文獻(xiàn)[24]中數(shù)據(jù)獲得。

參數(shù)S可用熱電發(fā)射定律表示為[17]

(4)

式中:常數(shù)Cth=1.2×106A·m-2·K-2。

圖14 場(chǎng)致碰撞脫附積分區(qū)域示意圖

圖14中,積分內(nèi)邊界由尖電極表面決定,積分外邊界近似由場(chǎng)強(qiáng)降為Ecr的界面決定,見(jiàn)圖中l(wèi)cr,在邊界外區(qū)域則不會(huì)產(chǎn)生電子崩。積分區(qū)域近似由積分邊界和立體角Ω構(gòu)成的球形空間表示,Ansoft仿真得針尖附近場(chǎng)強(qiáng)分布如圖15所示(U=-50 kV),當(dāng)間隙電壓為-20～-50 kV時(shí),估算Ω變化范圍為2～6。

圖15 針尖電場(chǎng)分布(U=50 kV)

積分區(qū)域內(nèi)電子生成率計(jì)算如下[20]

(5)

式中:δ=δ(E(z,t))為軸向電場(chǎng)決定的場(chǎng)致碰撞脫附系數(shù),近似計(jì)算如下[20]

(6)

負(fù)離子平衡密度為

(7)

式中:p0=0.1 MPa;T0=300 K。

為了計(jì)算方便,將尖端附近軸向場(chǎng)強(qiáng)E(z,t)按棒板模型進(jìn)行近似計(jì)算,表達(dá)如下

(8)

對(duì)式(2)和式(5)進(jìn)行求和,得總有效初始電子生成率為

(9)

(10)

當(dāng)積分的值達(dá)到1時(shí),積分上限時(shí)間即為放電統(tǒng)計(jì)時(shí)延,即

(11)

式中:t0為電離系數(shù)大于附著系數(shù)(α>β)的時(shí)刻。

基于上述分析,聯(lián)合式(2)～式(11),利用MATLAB程序計(jì)算局部放電時(shí)延的結(jié)果如圖16所示。

(a)第1振蕩周期

(b)第2振蕩周期圖16 理論計(jì)算和實(shí)測(cè)局部放電時(shí)延

由圖16可知,放電時(shí)延曲線斜率很小,隨著外施電壓的升高,放電時(shí)延急劇減小。由于第1振蕩周期局部放電產(chǎn)生空間電荷,均勻了針尖電極附近電場(chǎng),阻礙了第2振蕩周期局部放電的發(fā)生。因此,圖16b中,理論計(jì)算時(shí)延小于實(shí)測(cè)值,且差值Δt隨外施電壓的升高而增大,當(dāng)外施電壓為-44.3 kV時(shí),Δt達(dá)到1.1 μs。

3.2 電暈穩(wěn)定化作用

空間電荷對(duì)放電的影響歸結(jié)為對(duì)尖電極附近電場(chǎng)的均勻化作用,即電暈穩(wěn)定化作用。圖17所示為尖端局部放電及空間電荷形成示意圖,圖18所示為有無(wú)空間電荷時(shí)尖端附近電場(chǎng)分布示意圖。

圖17 尖端局部放電及空間電荷形成示意圖

圖18 尖電極附近電場(chǎng)分布示意圖

圖19 第2大幅值放電(-44.3 kV)

第1流注放電結(jié)束后,負(fù)離子沿流注通道分布(見(jiàn)圖17中Ⅰ),一段時(shí)間內(nèi)(約0.2～1 μs)[22],負(fù)離子沿流注通道徑向擴(kuò)散(見(jiàn)圖17中Ⅱ),在此期間,尖端附近電場(chǎng)并未得到有效削弱,電暈穩(wěn)定化作用也未完全建立。此時(shí),一旦在臨界體積內(nèi)產(chǎn)生有效初始電子(電極表面二次發(fā)射或場(chǎng)致碰撞分離),放電仍表現(xiàn)為大幅值,如圖19所示,此情形僅在外施電壓較高(-44.3 kV)時(shí)出現(xiàn),出現(xiàn)概率也較低,約為1/3。

負(fù)離子徑向擴(kuò)散完成后,尖端附近電場(chǎng)被限制在臨界場(chǎng)強(qiáng)附近,遠(yuǎn)低于無(wú)空間電荷時(shí)的電場(chǎng)(見(jiàn)圖18),同時(shí)臨界體積也被限制在尖端附近更小的范圍,至此電暈穩(wěn)定化作用得以完全建立(圖17中Ⅲ)。

電暈穩(wěn)定化作用建立之后,空間電荷能在尖端附近保持約1 μs[21],而后隨著負(fù)離子的遷移而衰退,相應(yīng)的衰退時(shí)間tsc正比于流注電暈的長(zhǎng)度,反比于離子遷移速率[19],約1 ms后,負(fù)離子才能到達(dá)板電極。圖20所示為振蕩沖擊電壓下局部放電示意圖。由于無(wú)空間電荷的影響,第1流注放電幅值較大(圖20①),衰退時(shí)間tsc較長(zhǎng);隨著負(fù)離子向板電極的遷移及外施電壓的升高,針尖頭部電場(chǎng)重新達(dá)到E>Ecr,由于此時(shí)存在電暈穩(wěn)定化作用,新的放電幅值較小(圖20②);此后,隨著外施電壓的升高,放電幅值逐漸增大,衰退時(shí)間tsc逐漸減小(圖20③);最后,外施電壓到達(dá)峰值后下降,放電幅值逐漸減小,衰退時(shí)間tsc急劇增大(圖20④);當(dāng)外施電壓振蕩下降后重新上升(圖20⑤),第2振蕩周期放電開(kāi)始,且其首次放電電壓高于第1振蕩周期。

圖20 振蕩沖擊電壓下局部放電示意圖

4 結(jié) 論

本文根據(jù)IEC60060-3標(biāo)準(zhǔn),搭建了振蕩沖擊電壓試驗(yàn)臺(tái),基于特高頻法和脈沖電流法建立了沖擊電壓下局部放電檢測(cè)系統(tǒng),對(duì)SF6極不均勻間隙局部放電特性進(jìn)行了研究,所得結(jié)論如下。

(1)測(cè)量振蕩沖擊電壓下的局部放電,特高頻法靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng),適合在GIS現(xiàn)場(chǎng)沖擊耐壓試驗(yàn)中使用。

(2)在振蕩沖擊電壓下,尖板模型局部放電集中在外施電壓各波峰附近,第1振蕩周期首次放電電壓最低、激發(fā)放電的能力最強(qiáng),以后各周期激發(fā)放電的能力呈遞減趨勢(shì)。

(3)在負(fù)極性振蕩雷電沖擊電壓下,可用金屬電極表面發(fā)射、負(fù)離子場(chǎng)致碰撞脫附和電暈穩(wěn)定化作用很好地闡釋尖板模型局部放電的產(chǎn)生和發(fā)展。

[1] SCHICHLER U, KOLTUNOWICZ W, ENDO F, et al. Risk assessment on defects in GIS based on PD diagnostics [J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2013, 20(6): 2165-2172.

[2] 李軍浩, 車(chē)斌, 林敏, 等. 振蕩型雷電沖擊電壓下SF6氣體中懸浮電位缺陷的局部放電特性研究 [J]. 絕緣材料, 2014, 47(4): 62-65. LI Junhao, CHE Bin, LIN Min, et al. Partial discharge characteristics of floating potential defect in SF6gas under oscillating lighting impulse voltage [J]. Insulating Materials, 2014, 47(4): 62-65.

[3] LIANG J, ZHANG L, LI J, et al. Study on oscillating switching impulse voltage generation for power transformer onsite test [J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2014, 29(5): 2223-2230.

[4] LI J, ZHANG L, LIANG J, et al. Partial discharge characteristics over SF6/epoxy interfaces under impulse voltage [J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2013, 20(6): 2158-2164.

[5] HALLER R, HAUSCHILD W, MOSCH W. High-voltage field testing of GIS from a physical view-point [C]∥Proceedings of Second International Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials. Piscataway, NJ, USA: IEEE, 1988: 746-749.

[6] CIGRE Working Group 33/23.12. Insulation coordination of GIS: return of experience, on site tests and diagnostic techniques [J]. Electra, 1998, 176(2): 67-95.

[7] UETA G, KANEKO S, OKABE S. Evaluation of breakdown characteristics of gas insulated switchgears for non-standard lightning impulse waveforms-breakdown characteristics under non-uniform electric field [J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2008, 15(5): 1430-1438.

[8] NIEMEYER L. A generalized approach to partial discharge modeling [J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 1995, 2(4): 510-528.

[9] TSUBOI T, UETA G, OKABE S, et al. K-factor value of SF6gas gap under non-homogeneous electric field for UHV-class gas-insulated switchgear [J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2014, 21(3): 988-994.

[10]ZHAO X, YAO X, GUO Z, et al. Characteristics and development mechanisms of partial discharge in SF6gas under impulse voltages [J]. IEEE Transactions on Plasma Science, 2011, 39(2): 668-674.

[11]趙學(xué)風(fēng), 孫振權(quán), 姚秀, 等. 振蕩沖擊電壓下局部放電檢測(cè)系統(tǒng)研究 [J]. 儀器儀表學(xué)報(bào), 2010, 31(1): 188-193. ZHAO Xuefeng, SUN Zhenquan, YAO Xiu, et al. Study on partial discharge detection system under oscillatory impulse voltage [J]. Chinese Journal of Scientific Instrument, 2010, 31(1): 188-193.

[12]趙學(xué)風(fēng), 孫振權(quán), 姚秀, 等. 沖擊電壓下局部放電測(cè)量用高頻電流傳感器 [J]. 高電壓技術(shù), 2009(11): 2704-2708. ZHAO Xuefeng, SUN Zhenquan, YAO Xiu, et al. High-frequency current transducer for measurement of PD under impulse voltage [J]. High Voltage Engineering, 2009(11): 2704-2708.

[13]REN M, DONG M, XIAO Z, et al. Partial discharge pulses at artificial protrusions in SF6under negative IEC60060-3 standard impulses [J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2014, 21(1): 273-283.

[14]IEC. 60060-3 High-voltage test techniques: part 3 definitions and requirements for on-site testing [S]. Geneva, Switzerland: IEC, 2006.

[15]中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局/中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì). GB/T 16927.3 高電壓試驗(yàn)技術(shù): 第3部分 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的定義及要求 [S]. 北京: 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2010.

[16]中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局/中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì). GB 7674額定電壓72.5 kV及以上氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備 [S]. 北京: 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2008.

[17]NIEMEYER L. A generalized approach to partial discharge modeling [J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 1995, 2(4): 510-528.

[18]鐘力生, 李盛濤, 徐傳驤, 等. 工程電解質(zhì)物理與介電現(xiàn)象 [M]. 西安: 西安交通大學(xué)出版社, 2013: 135-137.

[19]SEEGER M, BUJOTZEK M, NIEMEYER L. Formative time lag and breakdown in SF6at small protrusions [C]∥Proceedings of 17th International Conference on Gas Discharges and Their Applications. Piscataway, NJ, USA: IEEE, 2008: 317-320.

[20]SEEGER M, NIEMEYER L, BUJOTZEK M. Partial discharges and breakdown at protrusions in uniform background fields in SF6[J]. Journal of Physics: D Applied Physics, 2008, 41(18): 185-204.

[21]HINTERHOLZER T, BOECK W. Breakdown in SF6influenced by corona-stabilization [C]∥Proceedings of Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena. Piscataway, NJ, USA: IEEE, 2000: 413-416.

[22]HINTERHOLZER T, BOECK W. Space-charge-stabilization in SF6[C]∥Proceedings of Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena. Piscataway, NJ, USA: IEEE, 2001: 392-396.

[23]李軍浩, 司文榮, 姚秀, 等. 氣隙局部放電的計(jì)算機(jī)模擬 [C]∥2008全國(guó)博士生學(xué)術(shù)論壇: 電氣工程. 成都: 西南交通大學(xué)出版社, 2008: 1284-1289.

[24]CHRISTOPHOROU L G, OLTHOFF J K. Electron interactions with SF6[J]. Journal of Physical and Chemical Reference Data, 2000, 29(3): 267-330.

(編輯 杜秀杰)

Partial Discharge on SF6Needle-Plane Defect under Negative Oscillating Lighting Impulse Voltage

ZHANG Liang1,CHE Bin1,HAN Xutao1,LI Junhao1,XIONG Jun2,WANG Sisi2

(1. State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China; 2. Research Institute of Guangzhou Power Supply Bureau, Guangzhou 510410, China)

Aiming at partial discharge (PD) characteristics on needle-plane defect under oscillating lighting impulse voltage, an oscillating impulse voltage generator was constructed, and the oscillating lighting impulse waveform was obtained, which meets the requirement of IEC 60060-3 standard. The partial discharge detecting system was built based on UHF detection and pulse current detection. A needle-plane defect model was designed and its partial discharge under negative oscillating impulse voltage was measured. The measurement sensitivity of UHF detection was compared with that of pulse current detection. The relations of the applied voltage with statistical time lag, PD amplitude, PD time and PD phase distribution were analyzed. The results show that UHF detection with higher measurement sensitivity is suitable for on-site impulse voltage withstand test; PD appears around each wave peak of the applied voltage; with the increasing applied voltage, statistical time lags and starting phase decrease rapidly, while the ending phase increases slightly; with the increasing peak voltage in a period. PD amplitude and PD time in each oscillating period both increase linearly. Further analysis indicates that the occurrence and development of PD under negative oscillating lighting impulse voltage can be well explained by electron emission from metal surface, field detachment from negative ions, and corona stabilization effect. This approach is valuable for PD measurement and analysis in on-site impulse voltage withstand test for GIS.

gas insulated switchgear; partial discharge; oscillating impulse voltage; ultra high frequency; SF6needle-plane gap

2015-09-06。 作者簡(jiǎn)介:張亮(1988—),男,博士生;李軍浩(通信作者),男,副教授。 基金項(xiàng)目:國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(2011AA05A121);國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51207124)。

時(shí)間:2015-12-30

10.7652/xjtuxb201604017

TM855

A

0253-987X(2016)04-0108-09

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20151230.1817.010.html