汪正江, 夏紅攀

(國網(wǎng)湖北省電力有限公司鄂州供電公司, 湖北 鄂州 436000)

0 引言

以SF6為絕緣介質(zhì)的氣體絕緣全封閉組合電器(gas insulated switchgear， GIS)因具備很高的可靠性和很小的占地面積等優(yōu)勢，使其在城市超高壓電網(wǎng)中被廣泛應用[1-3]。高場強下對GIS設備的絕緣性能有很高的要求，但GIS設備在制造、運輸、安裝以及運行調(diào)試過程中，在內(nèi)部形成的絕緣缺陷往往是引發(fā)GIS設備故障的主要原因，尤其在制造不良和安裝損壞擦劃時造成的金屬突出物缺陷現(xiàn)象最為普遍[4]。特高頻局部放電檢測法(ultra high frequency，UHF)具有與常規(guī)脈沖電流法無法比擬的靈敏度和抑制外部干擾能力，有利于測量真實的局部放電信號波形，以便進行放電故障識別和定位[5-6]，但視在放電量難以標定[7]，而對于檢測設備的局部放電而言，視在放電量卻是確定設備絕緣狀況的一項重要標準。

近年來，國內(nèi)外對本課題進行了大量分析和實驗研究，但是理論分析大多局限定性的研究。文獻[8]研究了特高頻能量和視在電荷的關(guān)系，試驗數(shù)據(jù)描繪成的譜圖上形成各個輪廓明顯的簇，不同類型放電的特高頻能量水平和視在電荷水平不同，特高頻信號和放電量之間有著對應關(guān)系。文獻[9]對局部放電波形與其激發(fā)UHF電磁波之間的關(guān)系進行仿真分析，指出局放脈沖電流變化率與電磁波電場強度近似呈線性關(guān)系。同時，文獻[10]用最小二乘法擬合特高頻信號能量與視在放電量之間關(guān)系的曲線，結(jié)果表明UHF信號的峰峰電壓與視在放電量有較高的線性關(guān)系，其放電累積能量與視在放電量存在二次曲線的關(guān)系，其中還用線性回歸驗證了擬合曲線和試驗數(shù)據(jù)點的緊密相關(guān)度，證實擬合曲線能很好地代表這兩個參量之間的關(guān)系。此外，從文獻[11] 中也可見兩種方法所得的檢測結(jié)果之間有著相同的變化趨勢:即較強放電活動的發(fā)生，不僅表現(xiàn)在視在放電量的變大，而且激發(fā)出更強的特高頻電磁信號；從特高頻信號的接收來分析，輻射出較強的特高頻信號，需要中和更多的正負電荷，同時產(chǎn)生很大的脈沖電流。文獻[12]研究發(fā)現(xiàn)同一類型缺陷在不同檢測頻段上UHF信號幅值與視在放電量之間存在較為明顯的對應關(guān)系，不同頻段間對應關(guān)系存在差異，可以近似采用一元線性多項式回歸模型對不同類型缺陷UHF信號幅值進行放電量標定。

然而，GIS內(nèi)部SF6氣體的壓強通常在0.3～0.5 MPa之間不等，目前對不同氣壓下UHF信號與放電量的關(guān)系卻鮮有研究。本文采用針板間隙模擬金屬突出物缺陷，對不同氣壓下特高頻局部放電的信號波形進行分析，將提取的信號能量與脈沖電流法測得的放電量進行相關(guān)分析，探索不同氣壓下局部放電UHF信號的定量問題。

1 局部放電檢測系統(tǒng)

1.1 局部放電檢測試驗裝置

為對采集到的特高頻信號與視在放電量進行對比分析，本文建立了基于特高頻和脈沖電流的局部放電聯(lián)合檢測系統(tǒng)[13-15]，實驗裝置如圖1，脈沖電流法回路采用并聯(lián)接線，選用針板間隙模擬金屬突出物缺陷。其中，電源為無暈試驗變壓器(YDTW-10/50)，保護電阻10 kΩ，無暈耦合電容為 2000 pF，檢測阻抗采用 RC 型，UHF傳感器采用外置微帶貼片天線，通過高頻同軸電纜分別將脈沖信號與特高頻信號傳輸?shù)绞静ㄆ鞯膬蓚€通道進行采集。所用數(shù)字存儲示波器為力科7000系列，帶寬1 GHz，最大采樣頻率20 GHz，存儲深度為 2×24 MB。實驗環(huán)境平均溫度17.1 ℃。

圖1 實驗裝置電路Fig.1 Circuit diagram of experimental apparatus

實驗采用圓筒密封容器模擬GIS同軸腔體結(jié)構(gòu)，腔體由有機玻璃做成，調(diào)節(jié)針板間隙距離為10 mm。此外裝置對高壓引線和電極均有防暈處理，避免設備本身可能產(chǎn)生的電暈影響實驗結(jié)果的可靠性。

1.2 脈沖電流法系統(tǒng)校準

校準接線如圖2所示，在不施加試驗電壓的情況下，將一輸出可調(diào)的校正脈沖發(fā)生器與試品并聯(lián)，在試品兩端注入已知放電量的脈沖信號，然后在示波器上測量檢測阻抗兩端電壓的幅值大小U。調(diào)節(jié)脈沖發(fā)生器輸出不同的放電量(500 pC，100 pC，50 pC，10 pC)，可以繪制檢測阻抗兩端電壓U(mV)與視在放電量q(pC)的關(guān)系。需要特別注意的是，當改變絕緣氣體壓強時，相當于試品Cx即試驗回路發(fā)生變化，需要重新校準，獲得確切的放電量水平。圖3以10 mm針板間隙充入一個大氣壓的SF6的情況為例，給出根據(jù)校準數(shù)據(jù)擬合得到的校準曲線。

圖2 脈沖電流法校準電路Fig.2 Calibration circuit of the pulse current method

圖3 脈沖電流法校準曲線(0.1 MPa)Fig.3 calibration curve ofpulse current method (0.1 MPa)

1.3 試驗數(shù)據(jù)分析方法

在局部放電起始電壓Ui和擊穿電壓Ub之間均勻設定3個電壓測量點U1,U2,U3，利用示波器的雙通道采集模式，對特高頻信號和脈沖電流信號同時采集。在每個測量電壓作用下局放穩(wěn)定后，設置示波器的采樣率2.5 GS/s，采集的數(shù)據(jù)長度10 μs，實時分別記錄同一時刻的UHF和脈沖電流信號波形及其100組數(shù)據(jù)，以保證實驗數(shù)據(jù)具有良好的統(tǒng)計性和可重復性。圖4為同時用UHF法和脈沖電流法測得的單次采樣數(shù)據(jù)波形，中上方是UHF信號波形，下方是脈沖電壓波形。

圖4 UHF信號和脈沖電流法信號波形Fig.4 waveform of UHF signal and pulse current signal

文獻[16]結(jié)合電磁場與電磁波理論、天線與輻射理論，對UHF信號與放電量關(guān)系的作理論推導，得出放電能量與視在放電量的平方呈正比例關(guān)系。為了試驗分析 UHF 信號與其視在放電量的聯(lián)系，需作以下數(shù)學處理：讀取每組脈沖電流信號幅值，根據(jù)校準函數(shù)算出視在放電量q；對UHF信號讀取其峰值，由式(1)計算其放電累積能量。

(1)

式中:Un表示UHF信號的第n個采樣點的電壓值;負載阻抗R=50 Ω;N為天線測得單次波形的點數(shù)，實驗中采樣頻率為2.5 GS/s，數(shù)據(jù)長度為10 μs，故N=2.5 GS/s×10 μs=25 000個，采樣時間時隔Δt為0.4 ns。引入相關(guān)系數(shù)r對數(shù)據(jù)進行回歸分析[17]，其中yi為第i個自變量xi對應的觀測值。

(2)

2 特高頻信號與放電量關(guān)聯(lián)分析

2.1 同一電壓作用下UHF信號與放電量關(guān)系

描繪各個電壓下UHF信號的放電累積能量Es與視在放電量q的關(guān)系，并用最小二乘法進行曲線擬合，表1所示為計算所得的相關(guān)系數(shù)。以9 kV電壓下的放電為例，圖5是UHF信號累積能量與放電量平方的關(guān)系圖。從中可以看出上述參量之間始終保持比較高的線性度，放電分散性沒有隨電壓升高而變化，放電穩(wěn)定性始終保持不變，與理論推導結(jié)果一致，這為UHF信號放電量標定提供了基礎。

表1 UHF信號各參量的相關(guān)系數(shù)Tab.1 Correlation coefficient of UHF signal parameters

圖5 同一電壓下UHF信號累積能量與放電量的關(guān)系Fig.5 The relationship between the cumulative energy of UHF signal and discharge quantiy under the same voltage

2.2 恒定氣壓下不同電壓放電

圖6—圖8是各試驗電壓下的UHF放電能量與放電量的關(guān)系?？梢钥吹?，在同一氣壓下，隨著電壓的升高，UHF放電累積能量都有增大的趨勢，但其趨勢是一致的，不同電壓下的數(shù)據(jù)基本回歸到同一條直線上，其回歸直線的斜率不受電壓的影響。

圖6 不同電壓下UHF信號累積能量與放電量的關(guān)系(0.1 MPa)Fig.6 The relationship between the cumulative energy of UHF signal and discharge quantiy under different voltage (0.1 MPa)

圖7 不同電壓下UHF信號累積能量與放電量的關(guān)系(0.2 MPa)Fig.7 The relationship between the cumulative energy of UHF signal and discharge quantiy under different voltage (0.2 MPa)

圖8 不同電壓下UHF信號累積能量與放電量的關(guān)系(0.3 MPa)Fig.8 The relationship between the cumulative energy of UHF signal and discharge quantiy under different voltage (0.3 MPa)

2.3 不同氣壓下放電

由圖9可得，當改變氣壓時，UHF信號累積能量與放電量平方之間仍然保持線性關(guān)系，與之前不同的是，氣壓會影響UHF放電能量與放電量平方之間的擬合直線的斜率。即不同氣壓下的線性關(guān)系存在差異的，較高氣壓的回歸直線具有較大的斜率k，如圖10所示。

圖9 不同氣壓下UHF信號累積能量與放電量的關(guān)系Fig.9 Relationship between cumulative energy of UHF signal and discharge at different pressure

從單次放電的角度分析，相同的放電量所對應的UHF信號能量隨著氣壓的升高而增加。此外，放電量分布區(qū)域隨著氣壓的升高而急劇縮小，這是因為氣壓越大，自由帶電粒子運行的自由行程越小，帶電粒子碰撞過程中累積能量越少，進而削弱電暈放電的發(fā)展，故此放電量分布范圍較為狹窄。

因此，通過擬合得到回歸直線斜率k與氣壓的變化關(guān)系，然后根據(jù)式(3)就可實現(xiàn)根據(jù)特高頻信號推算出視在放電量：

(3)

圖10 回歸直線斜率隨氣壓的變化規(guī)律Fig.10 The variation law of the slope of regression line with air pressure

3 結(jié)論

本文通過大量的實驗數(shù)據(jù)分析，分別描繪了不同氣壓下針板間隙局部放電的UHF信號和視在放電量的關(guān)系譜圖，得到的研究結(jié)果如下：

(1) 針板間隙 UHF 局部放電信號的累積能量與視在放電量的平方保持線性函數(shù)統(tǒng)計關(guān)系，同一局部放電源在不同電壓下的實驗數(shù)據(jù)均可回歸至一條直線上，放電性質(zhì)不受電壓變化的影響。

(2) 當改變氣壓時，特高頻信號累積能量、視在放電量水平等也發(fā)生明顯變化，致使放電量分布區(qū)域隨氣壓升高而變窄。但不同氣壓條件下，UHF信號累積能量與放電量的平方始終線性相關(guān)，且高氣壓下線性斜率越大。

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