GIS绝缘子表面固定金属颗粒沿面局部放电发展的现象及特征

中国电机工程学报
第 31 卷
缘子的表面，在某些条件下被固定下来时，表面局 部电场将被集中，绝缘子表面的闪络电压将显著降 低；因此金属颗粒引起的 GIS 绝缘故障可以分为金 属颗粒引起的 SF6 气体介质击穿和金属颗粒附着在 绝缘子表面形成的绝缘子沿面放电而导致的闪络。 由于固体介质的沿面闪络电压远低于 SF6 气体的击 穿电压，因此绝缘子表面的固定金属颗粒更易引发 GIS 设备绝缘事故，危害更大。
套管
上安装孔 下安装孔
手孔
非气隔绝缘子 气压表 气隔绝缘子
试验腔 转接腔
3 970 996
500 500
1 175
500 500 340
500
295
2 970
尺寸单位：mm。
图 1 试验装置结构示意图 Fig. 1 Structure of the experimental device
试验装置整体呈 L 型结构，三相分体式设计， 包含 1 个高压套管、1 个非气隔绝缘子和 6 个气隔
1 试验平台
1.1 试验装置 本文作者建立了一套 220 kV GIS 设备沿面放
电缺陷发展的实验平台，主要包括试验装置、放电 模型、检测装置和数据采集装置 4 部分。采用了实 际的 252 kV ZF-16 型 GIS 腔体作为试验装置，结 构示意图如图 1 所示。
绝缘子，构成 8 个大小不等的气室，各气室内充以 0.4 MPa 的 SF6 气体，以保证试验条件与设备实际 运行情况相同[21]。试验腔经过单独设计，试验腔的
ABSTRACT: The surface partial discharge triggered by immobilized metal particles on gas insulated switchgear (GIS) insulators in terms of the discharge phenomena alongside its evaluation process was studied in this paper. With application of incremental voltages, long-term laboratory tests were conducted on a well-established 220 kV experimental platform to observe the entire evaluation process of surface partial discharge from its initiation, to gradual development and the eventual occurrence of surface flashover. Features of surface partial discharge phenomena at various evolutionary stages were recorded in the form of frequency curves, scatter diagrams, two-dimensional histograms, and grey-scale maps. It was shown by experiments that the phenomena of the surface partial discharge triggered by immobilized metal particles on GIS insulators indicates three developing stages from corona discharge domination, to coexistence of corona discharge and surface streamer discharge, and finally, surface streamer discharge domination.
by Immobilized Metal Particles on GIS Insulators
QI Bo1, LI Chengrong1, HAO Zhen1, GENG Bibo1, XU Dangguo2, LIU Shaoyu2, DENG Chun2
(1. Beijing Key Laboratory of High Voltage & EMC (North China Electric Power University), Changping District, Beijing 102206, China; 2. North China Electric Power Research Institute Co. Ltd., Xicheng District, Beijing 100045, China )
第1期
齐波等：GIS 绝缘子表面固定金属颗粒沿面局部放电发展的现象及特征
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测，检测频带为 40~80 kHz，采用并联测试回路[22-23]， 以保证试验过程中测量设备的安全，通过实际测 试，最小可检测的放电量为 4 pC。
2）特高频信号。 特高频(ultra high frequency，UHF)信号的检测采 用自制的特高频传感器，工作带宽 300~1 500 MHz， 增益 40 dB，噪声系数≤3 dB，检波输出的脉冲宽度 为 150 μs，由于特高频信号目前无法实现视在放电 量的标定，因此用检波信号的幅值来等效描述放 电量的大小，单位为 V[21]。 特高频传感器安装在试验腔上安装孔处，如 图 2 所示，采用嵌入式安装，既提高了特高频传感 器的灵敏度，又不会改变试验腔体内的电场分布。 通过实际测试，本文所采用特高频传感器的最小可 检测放电量≤3 pC。 3）超声波信号。 超声波信号的检测采用超声波传感器，工作带 宽 15~70 kHz，谐振频率 40 kHz，增益 40 dB。 超声波传感器通过有机硅脂耦合剂安装在试 验腔下安装孔处，如图 2 所示，耦合剂可以提高超 声波传感器的灵敏度。 4）光信号。 放电中产生的微弱光信号采用 R212 型光电倍 增管(photo multiplier tube，PMT)放大后进行检测，
近年来，国Baidu Nhomakorabea外对 GIS 设备中绝缘子表面固定 金属颗粒所引起的沿面放电进行了大量的研究工 作[11-20]，主要集中在放电缺陷的在线或离线检测、 放电模式识别、放电点定位、计算机仿真及绝缘结 构优化设计等方面，取得了一定的进展。然而，在 GIS 设备的状态评估中除需要确定放电的类型和放 电位置以外，还需要了解放电的严重程度。目前， 仅根据局部放电幅值大小很难确定 GIS 放电的严重 程度，GIS 局部放电严重程度的辨识与评估一直是 一个悬而未解的难题，是 GIS 内部状态评估亟待解 决的问题。本文通过研究绝缘子表面固定金属颗粒 沿面局部放电发展的现象，探索不同放电发展阶段 的放电图谱特征，从而为利用局部放电进行 GIS 设 备放电严重程度的评估提供依据。
GIS 绝缘子表面固定金属颗粒 沿面局部放电发展的现象及特征
齐波 1，李成榕 1，郝震 1，耿弼博 1，徐党国 2，刘少宇 2，邓春 2
（1．高电压与电磁兼容北京市重点实验室(华北电力大学)，北京市 昌平区 102206； 2．华北电力科学研究院有限责任公司，北京市 西城区 100045）
Evolution Phenomena and Features of Surface Partial Discharge Initiated
关键词：气体绝缘组合电器；局部放电；固定金属颗粒；绝 缘子；沿面放电
0 引言
气体绝缘组合电器(gas insulated switchgear，GIS) 因具有占地面积小、维护工作量少、绝缘性能优良、 可靠性高等优点而被广泛应用于高压输电领域。随 着电网电压等级和系统容量的不断增加，GIS 设备 的内部故障也随之增多[1]，因此寻找有效评估 GIS 内部状态的方法尤为重要。目前国际上主要通过检 测其内部的局部放电来评估其绝缘状态[2-3]，局部放 电不仅是 GIS 设备绝缘劣化的先兆和表现形式，而 且能够引起绝缘的进一步劣化，致使 GIS 的电气绝 缘性能降低，最终导致绝缘击穿或沿面闪络[4-8]。
1.2 放电模型 放电模型的确定以该模型下的放电特性为依
据。本文经过多次试验，确定绝缘子表面固定金 属颗粒沿面局部放电缺陷的放电模型为长度 5 cm、直径 0.8 mm、平行于电场方向固定放置的 单根电料铝丝，上端部位于绝缘子表面 3 cm 处。 该模型下的放电起始电压为 69.9 kV，起始放电量 为 4.8 pC，闪络电压为 101.6 kV。该模型的实物照 片如图 3 所示。
KEY WORDS: gas insulated switchgear (GIS); partial discharge; immobilized metal particles; insulator; surface discharge
摘要：为研究气体绝缘全封闭式组合电器(gas insulated switchgear，GIS)设备中绝缘子表面固定金属颗粒沿面局部 放电发展的现象及其特征，搭建了一套 220 kV GIS 设备沿 面放电缺陷发展实验平台，采用逐步升压法对绝缘子表面固
第 31 卷 第 1 期 2011 年 1 月 5 日
中国电机工程学报 Proceedings of the CSEE
Vol.31 No.1 Jan.5, 2011 ©2011 Chin.Soc.for Elec.Eng. 101
文章编号：0258-8013 (2011) 01-0101-08 中图分类号：TM 85 文献标志码：A 学科分类号：470·40
结构示意图如图 2 所示。装有 3 个石英玻璃观察窗、 2 个安装孔和 1 个手孔，分别用于试验过程中光信 号的观测、特高频传感器和超声波传感器的安装以
及放电模型的设置。本文的所有试验均在试验腔内
进行。
上安装孔
观察窗 1
下安装孔
观察窗 2
手孔
观察窗 3
图 2 试验腔体结构示意图 Fig. 2 Structure of the experimental chamber
基金项目：国家重点基础研究发展计划项目(973 项目)(2009CB724508)。
The National Basic Research Program of China (973 Program) (2009CB724508).
定金属颗粒的沿面局部放电进行长期试验，观察到了放电起 始、发展直至沿面闪络的现象。利用测量到的局部放电随时 间变化的趋势图、散点图、二维柱状图、灰度图，描述了沿 面局部放电发展的现象并获得了相应的图谱特征。试验结果 表明：GIS 设备绝缘子表面固定金属颗粒沿面局部放电发展 现象呈现出电晕放电、电晕放电和沿面流注放电共存、沿面 流注放电 3 个主要阶段。
图 3 试验前固定颗粒沿面放电模型实物图 Fig. 3 Pre-experimental image of surface discharge model
1.3 检测装置 在试验过程中，分别对常规脉冲电流信号、特
高频信号、超声波信号以及光信号进行实时检测与 纪录。
1）常规脉冲电流信号。 常 规 脉 冲 电 流 信 号 (conventional impulse current，CIC)采用 DST–4 型局部放电检测仪进行检
对 GIS 设备可靠性的统计[9-10]表明，GIS 绝缘 故障中绝缘子表面金属颗粒的沿面放电占有相当 大的比例，主要原因是 GIS 设备在生产、装配、运 输以及开关动作等过程中会不可避免地在设备内 部产生金属颗粒，这些金属颗粒的自由运动能够急 剧降低 SF6 气体的绝缘水平。金属颗粒如游离到绝
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测量光谱范围为 185~ 650 nm，响应时间 2.2 ns，平 均阳极电流 0.1 mA[24]。
光电倍增管安装在观察窗 2 的上端，如图 2 所 示，入射窗口与放电模型正对。PMT 的工作电压 选择为 920 V，此时对应的阴极光照灵敏度为 48.1 μA/lm，通过取样电阻将 PMT 的电流输出信号 转换为电压信号，然后经 50 Ω匹配电缆接入波形纪 录装置。光信号目前也无法实现视在放电量的标 定，因此用 PMT 检测到的光通量Φ 来等效描述放 电量的大小，单位为流明，符号为 lm。 1.4 数据采集装置