鄒 陽，周求寬，劉明軍，唐志國，張 達(dá)

（1.國網(wǎng)江西省電力有限公司電力科學(xué)研究院，江西 南昌 330096；2.國網(wǎng)江西省電力有限公司，江西 南昌 330077；3.華北電力大學(xué) 新能源電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206）

0 引言

近年來，隨著國內(nèi)電網(wǎng)建設(shè)速度突飛猛進(jìn)，且新建變電站以氣體絕緣開關(guān)設(shè)備（GIS）站為主，GIS設(shè)備在電網(wǎng)的使用量越來越大。過去認(rèn)為GIS設(shè)備是免維護(hù)的，但國內(nèi)已經(jīng)發(fā)生了數(shù)起較為嚴(yán)重的GIS事故，上述觀點(diǎn)已經(jīng)不再被認(rèn)同。GIS設(shè)備內(nèi)部空間有限，絕緣裕度相對(duì)較小，因此一旦出現(xiàn)絕緣缺陷，可能造成嚴(yán)重的設(shè)備故障[1]，引起較大范圍的停電和長時(shí)間的檢修，造成大的經(jīng)濟(jì)損失以及惡劣的社會(huì)影響[2-3]。為了預(yù)防GIS設(shè)備絕緣故障，保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，有必要對(duì)運(yùn)行中的GIS設(shè)備進(jìn)行檢測。

目前，GIS設(shè)備內(nèi)部絕緣狀態(tài)的評(píng)價(jià)主要依據(jù)局部放電（PD）檢測結(jié)果[4]。電力設(shè)備的局部放電是一種快速的脈沖放電，放電會(huì)在設(shè)備的內(nèi)部及附近產(chǎn)生聲、光、電氣、機(jī)械等物理現(xiàn)象和化學(xué)變化，可以通過在電力設(shè)備周圍布置對(duì)應(yīng)的傳感器[5]，監(jiān)視其局部放電情況。超聲波局部放電檢測、特高頻局部放電檢測、SF6氣體分解產(chǎn)物檢測等已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于GIS設(shè)備的局部放電檢測。

GIS的局放診斷在防止電網(wǎng)故障和降低維護(hù)成本方面起著至關(guān)重要的作用，建立一個(gè)能夠檢測、識(shí)別和定位GIS中缺陷的診斷系統(tǒng)[6]具有重要意義。GIS中存在多種不同類型的絕緣缺陷，其中固體絕緣氣隙缺陷是在工頻電壓下誘發(fā)GIS故障的主要缺陷之一，因此有必要對(duì)氣隙缺陷進(jìn)行絕緣檢測。但目前大量針對(duì)GIS中局部放電機(jī)理[7]的研究僅限于表面電荷積累[8]對(duì)PD隨時(shí)間轉(zhuǎn)變的影響[9]，針對(duì)絕緣墊片的電氣特性、局放機(jī)理和電氣性能還缺乏深入研究。

本文檢測氣壓變化時(shí)墊片電極/環(huán)氧樹脂分層處的局部放電脈沖，通過模擬GIS絕緣墊片中的微分層長度，得到局放相位特征，進(jìn)一步研究PD隨壓力變化的特性，并討論負(fù)極性和正極性極PD產(chǎn)生速率的變化規(guī)律，最后基于測量結(jié)果提出PD產(chǎn)生的物理機(jī)制。

1 GIS絕緣墊片缺陷及試驗(yàn)方法

1.1 GIS絕緣墊片故障分析及人工模擬試驗(yàn)

如圖1所示，GIS絕緣墊片中的電極/環(huán)氧樹脂界面處的微小間隙分層可能是造成GIS絕緣故障的因素之一[4]。雖然墊片處環(huán)氧樹脂澆鑄技術(shù)的進(jìn)步可以消除制造過程中的分層現(xiàn)象，但是實(shí)際工況下GIS需要耐受機(jī)械應(yīng)力、熱應(yīng)力和電應(yīng)力的作用，當(dāng)這些應(yīng)力作用在GIS墊片上時(shí)，就會(huì)造成電極/環(huán)氧樹脂界面處的粘附力喪失并進(jìn)一步導(dǎo)致分層。分層后的電極/環(huán)氧樹脂界面會(huì)產(chǎn)生微放電痕跡，引起GIS墊片性能退化[5]，最終可能導(dǎo)致絕緣墊片的介電性能失效[6]。當(dāng)墊片出現(xiàn)微小間隙之后，場強(qiáng)將集中于間隙所在位置，從而引起間隙的局部放電，同時(shí)電壓極性不同，間隙局部放電的形成機(jī)理也可能不同，通過人工模擬墊片微小間隙缺陷的方法進(jìn)行試驗(yàn)研究。

圖1 GIS內(nèi)部氣隙缺陷類型Fig.1 Gas defect types related to GIS spacers

采用如圖2所示的實(shí)驗(yàn)裝置模擬SF6氣體中電極/環(huán)氧樹脂界面處的分層缺陷。試驗(yàn)電極由高壓電極和接地電極組成。高壓電極直徑為60 mm，環(huán)氧樹脂絕緣保護(hù)套直徑為90 mm，護(hù)套相對(duì)介電常數(shù)為3.7。用真空潤滑脂將相對(duì)介電常數(shù)為6.0的氧化鋁填充型矩形環(huán)氧樹脂板（100 mm×100 mm×5 mm）固定在高壓電極上，以避免界面處產(chǎn)生空隙。模擬分層由插在環(huán)氧板和接地電極之間的一層介電薄膜構(gòu)成，每個(gè)介電薄膜厚度為25 μm且長度可調(diào)，試驗(yàn)時(shí)分層間隙長度調(diào)整為50 μm。電極裝置安裝在充滿SF6氣體的氣室中，為了調(diào)節(jié)分層過程中的SF6氣體壓力，分層間隙對(duì)儲(chǔ)罐保持打開的狀態(tài)。采用50 Ω電阻耦合局部放電脈沖，然后使用局部放電電流脈沖波形分析儀（PD-CPWA）對(duì)放電電流脈沖波形進(jìn)行分析[10]。

圖2 PD脈沖測量和分析實(shí)驗(yàn)裝置Fig.2 Experimental configuration for measurement and analysis of PD pulses

1.2 試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)步驟如圖3所示。試驗(yàn)前先在不同氣體壓力下測量PD起始電壓（PDIV）和對(duì)應(yīng)的PD起始場強(qiáng)（PDIE）。由于以往PD活動(dòng)累積的表面電荷會(huì)對(duì)PDIV和PDIE測量結(jié)果產(chǎn)生較大影響[8]，因此在PDIV測量時(shí)交流電壓應(yīng)按照0.1 kVrms/s的速率逐漸增加。然后開始采集每個(gè)氣壓值下的PD信號(hào)特征：在分層狀態(tài)下，由于表面充電發(fā)生在PD活動(dòng)的幾分鐘內(nèi)[9]，而實(shí)際分層中表面充電在低氣壓下就能發(fā)生，因此在每個(gè)氣壓值下給試品加壓時(shí)，需要一直加壓10 min直至發(fā)生穩(wěn)定的PD，此時(shí)再采集并分析每個(gè)氣壓值下的PD特性。調(diào)節(jié)加壓電壓使GIS墊片分層間隙中的電場處于實(shí)際工況下的場強(qiáng)范圍內(nèi)（2.5～5 kVrms/mm[4,11]），由于與環(huán)氧樹脂墊片相比，分層間隙長度非常小，因此GIS墊片處分層的預(yù)期場強(qiáng)范圍為15～30 kVrms/mm（2.5～5 kVrms/mm×6（環(huán)氧樹脂的相對(duì)介電常數(shù)））。試驗(yàn)時(shí)將施加的電壓設(shè)定為28 kVrms，從而保證GIS墊片間隙處的場強(qiáng)為24 kVrms/mm。

圖3 測量PD特性的實(shí)驗(yàn)步驟Fig.3 Experimental procedures for measuring PD characteristics

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 PD起始電壓特性

不同SF6氣體壓力條件下測得GIS墊片間隙中的PD起始電壓（PDIV）如圖4所示。由圖4可見，在不同氣壓下PDIV不同，氣壓越高，PDIV越大。將PDIE擬合到SF6氣體的理論擊穿場強(qiáng)[12]后發(fā)現(xiàn)臨界E/p值等于110 V/(Pa·m)，其中E是電場，p是氣體壓力，低壓條件下SF6氣體中的臨界E/p值為89 V/(Pa·m)[13]，本試驗(yàn)中得到的臨界E/p值較高，這可能是GIS墊片分層間隙的放電體積較小造成的。

圖4 SF6氣體中50 μm間隙下電極/環(huán)氧樹脂分層的PD初始特性Fig.4 PD inception characteristics of electrode/epoxy delamination with 50 μm gap in SF6gas

2.2 局部放電活動(dòng)的壓力特性

兩種不同極性的PD生成速率和平均放電電流的大小與氣體壓力的關(guān)系如圖5所示，其中PD生成速率表示為每秒脈沖數(shù)（pps）。從圖5(a)中可以看出，當(dāng)氣體壓力為0.06 MPa時(shí)，正、負(fù)極性的局部放電生成速率達(dá)到峰值；當(dāng)氣體壓力為0.25 MPa時(shí)，局部放電活動(dòng)停止；正極性PD的生成速率小于負(fù)極性PD的生成速率。從圖5(b)可以看出，隨著氣體壓力從0.02 MPa增加到0.25 MPa，平均PD電流值逐漸減小到零；與PD生成速率類似，正極性PD平均電流值和負(fù)極性PD平均電流值也存在差異，其差異隨著氣壓的升高而減小，這是因?yàn)檎?fù)極性PD的電子來源不同：當(dāng)電子來自接地電極時(shí)，PD脈沖是負(fù)極性的；由于在先前的負(fù)極性PD過程中環(huán)氧樹脂表面上已經(jīng)累積了負(fù)電荷，因此正極性PD的初始電子是從絕緣環(huán)氧樹脂處產(chǎn)生的，其放電電流更多的依賴于負(fù)極性PD。隨著氣壓的升高，環(huán)氧樹脂表面上累積的電子數(shù)量減少，正極性PD平均電流下降幅度將大于負(fù)極性PD，因此隨氣壓升高兩者的放電電流值差異減小。

圖5 PD生成速率和PD平均電流值與氣體壓力的關(guān)系Fig.5 Relationship between PD generation rate,average PD current and gas pressure

2.3 局部放電生成速率的相位特性

利用交流電壓相位（φ）與局部放電脈沖的相對(duì)數(shù)量（n）之間的關(guān)系[14]，分析局部放電活動(dòng)隨壓力變化的情況，結(jié)果如圖6所示，其中交流電壓相位每10°劃分一次，并記錄在每個(gè)相位間隔內(nèi)的局部放電脈沖數(shù)量，通過此相位間隔內(nèi)脈沖數(shù)占整個(gè)局部放電脈沖數(shù)的百分比進(jìn)行放電活動(dòng)水平的衡量。從圖6可以看出，在0.02 MPa和0.06 MPa的氣壓條件下，局部放電脈沖出現(xiàn)在外加電壓零點(diǎn)相位（0°和180°）附近；當(dāng)氣體壓力為0.10～0.20 MPa時(shí)，局部放電脈沖的相位特性向外加電壓峰值（90°和270°）附近移動(dòng)；在氣壓大于等于0.25 MPa時(shí)，PD活動(dòng)完全停止。

3 分析與討論

由試驗(yàn)結(jié)果可知，隨著分層間隙中SF6氣體壓力的增加，PD活動(dòng)發(fā)生了變化；此外負(fù)極性PD和正極性PD的PD生成速率也不同，下面從這兩個(gè)方面進(jìn)行分析。

3.1 PD活動(dòng)的壓力特性及機(jī)理

圖5中PD的壓力特性和圖6中相對(duì)PD脈沖數(shù)量特性的成因可歸因于兩點(diǎn)：一是SF6氣體電氣強(qiáng)度的壓力特性；二是當(dāng)電壓相位超過PD起始相位后，瞬時(shí)電場強(qiáng)度高于臨界電場強(qiáng)度。

圖6 不同SF6氣體壓力下的φ-n分布Fig.6 The φ-n distribution in SF6gas with different pressure

圖7 分層中氣體壓力下PD行為的轉(zhuǎn)變Fig.7 Transition of PD behavior with gas pressure in the delamination

基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果可將PD行為分為3個(gè)階段，如圖7所示，圖中使用的相位是兩種極性的局部放電脈沖開始出現(xiàn)時(shí)的起始相位角。階段1表示低氣壓下的PD特性，其中PD生成速率隨著SF6氣體壓力的增加而增加，并且PD脈沖出現(xiàn)在外施電壓的零點(diǎn)相位附近；階段2對(duì)應(yīng)于氣體壓力0.06～0.25 MPa下的PD特性，其中PD生成速率隨著氣體壓力的增加而減小，并且PD脈沖超過零交叉點(diǎn)；階段3表示PD活動(dòng)完全停止。由圖7可知，在不加電壓的情況下，將氣壓從0增加到0.4 MPa，PD生成速率隨著氣體壓力的增加而增加，負(fù)極性PD的生成速率大于正極性PD的生成速率。隨后施加交流電壓10 min，將氣壓從0.4 MPa減小到0 MPa，PD生成速率變化趨勢(shì)跟圖5(a)一致。

圖8展示了每個(gè)階段的PD特性和形成機(jī)理。圖8(a)是階段1，由于分層間隙中的氣體壓力低，SF6氣體的電氣強(qiáng)度低，從而增加了局部放電電流幅值，此時(shí)通過間隙的局部放電可沿著環(huán)氧樹脂表面發(fā)展，導(dǎo)致分層內(nèi)部的電場降為零，如圖5(b)所示。此時(shí)PD脈沖出現(xiàn)在施加電壓的零點(diǎn)相位附近，如圖6(a)所示。

在PD階段2中，隨著壓力的增加，SF6氣體的電氣強(qiáng)度變得更高，PD電流值變小，如圖5(b)所示，PD脈沖沿環(huán)氧樹脂表面的延伸很短，此時(shí)單個(gè)局部放電并不影響其他位置的電場，PD脈沖可以出現(xiàn)在多個(gè)位置。多個(gè)位置發(fā)生PD可以提高PD生成速率，如圖8(b)所示。影響PD生成速率和相位特性的主要因素是間隙內(nèi)電場和PDIE的相位角范圍，顯然PDIE的相位角范圍隨著氣體壓力的升高而減小，但同時(shí)PD隨氣壓升高而升高，導(dǎo)致電壓相位范圍變窄。較高的氣體壓力下PD活動(dòng)如圖6(c)、(d)、(e)所示，PD生成速率降低，如圖8(c)所示。

在階段3中，隨著氣體壓力升高至0.25 MPa，PD活動(dòng)停止，如圖8(d)所示。這是因?yàn)镻D起始電場高于分層間隙內(nèi)施加的電場（24 kVrms/mm），電極/環(huán)氧分層的局部放電活動(dòng)會(huì)受到分層間隙中SF6氣體壓力升高的限制。

固體絕緣內(nèi)部氣隙放電主要包含兩個(gè)過程：流注在氣隙內(nèi)的傳播過程及流注到達(dá)界面后的擴(kuò)展過程。對(duì)氣隙放電隨機(jī)特性的解釋主要基于兩種理論：放電時(shí)延的隨機(jī)性及放電面積的隨機(jī)性。氣隙內(nèi)部放電特征受很多因素影響，如氣隙內(nèi)部氣壓變化、放電后氣隙表面沉積的空間電荷、介質(zhì)的表面狀態(tài)以及放電后氣體分解產(chǎn)物等。放電起始相位主要取決于放電時(shí)延大小及放電起始場強(qiáng)值達(dá)到的時(shí)刻。研究結(jié)果表明，隨著外施電壓的升高，表面電子發(fā)射和電離的概率增大，即產(chǎn)生自由電子的概率增大，另外電壓升高引發(fā)放電所需的種子電子數(shù)目減少，等待自由電子所需的時(shí)間減少，因此放電時(shí)延減??；隨著外施電壓的升高，電場強(qiáng)度增加，氣隙內(nèi)的電場強(qiáng)度將更早達(dá)到起始放電場強(qiáng)，且前半周期產(chǎn)生的殘余電荷在電壓極性反轉(zhuǎn)后亦對(duì)電場起到增強(qiáng)作用，所以最終表現(xiàn)為放電起始相位前移。局部放電導(dǎo)致氣隙內(nèi)部發(fā)生氧化反應(yīng)產(chǎn)生電負(fù)性氣體，如CO2、H2O等，電負(fù)性氣體具有較強(qiáng)的捕獲自由電子的能力，因此電壓極性反轉(zhuǎn)前最后一次放電產(chǎn)生的電荷將被大量消耗，致使電壓極性反轉(zhuǎn)后首次放電的時(shí)延增加，最終出現(xiàn)較大的放電幅值。

圖8 增加分層間隙中的氣體壓力后的PD活動(dòng)示意圖Fig.8 Schematic illustration of PD activity with the increase of gas pressure in the delamination gap

當(dāng)自由金屬微粒靠近高壓導(dǎo)體時(shí)，金屬微粒表面的電場強(qiáng)度最大，因此當(dāng)自由金屬微粒發(fā)生運(yùn)動(dòng)時(shí)，危險(xiǎn)系數(shù)較高。絕緣子表面污穢僅僅對(duì)絕緣子表面的電場產(chǎn)生較大的畸變效應(yīng)，而對(duì)絕緣子內(nèi)部基本不產(chǎn)生影響。針尖部位對(duì)電場的畸變最為嚴(yán)重，當(dāng)尖刺位于筒壁上時(shí)，針尖處的場強(qiáng)約等于尖刺位于高壓導(dǎo)體的1/3，因此當(dāng)尖刺處于導(dǎo)體上時(shí)最有可能發(fā)生局放現(xiàn)象。金屬尖刺、自由金屬微粒、絕緣子表面污穢和內(nèi)部氣隙等缺陷引起GIS內(nèi)部局部放電的機(jī)理是引起電場畸變的原因，使絕緣材料表面電場增加。因此，PD參數(shù)和相位特征可作為SF6氣體分層缺陷的特征參數(shù)。

3.2 負(fù)極性PD和正極性PD產(chǎn)生差異的機(jī)理

自由移動(dòng)的電子是PD產(chǎn)生的必要條件，但產(chǎn)生正、負(fù)極性PD脈沖的電子來源不同。在分層情況下，當(dāng)電子來自接地電極時(shí)，PD脈沖是負(fù)極性的，因此一旦達(dá)到臨界電場，由電子崩引發(fā)的PD生成速率非常高。而對(duì)于正極性PD，由于在先前的負(fù)極性PD過程中在表面上已經(jīng)累積了負(fù)電荷，因此第一次電子崩的初始電子是從絕緣環(huán)氧樹脂處產(chǎn)生的[9]，所以正極性PD產(chǎn)生的可能性會(huì)降低，所以正極性PD生成速率低于負(fù)極性PD（圖5(a)）。

4 結(jié)論

利用分層間隙長度為50 μm的絕緣墊片模型模擬GIS絕緣墊片中的微分層長度，測量分析了氣壓變化時(shí)GIS絕緣墊片的電極/環(huán)氧樹脂分層產(chǎn)生的局部放電脈沖，研究了SF6氣體中電極/環(huán)氧樹脂分層的PD行為，并使用φ-n分布以及PD參數(shù)的壓力特性討論P(yáng)D行為的放電機(jī)理，得到如下主要結(jié)論：

（1）SF6氣壓為0.02 MPa時(shí)，局部放電脈沖出現(xiàn)在外加電壓的零交叉點(diǎn)附近，局部放電通過間隙沿環(huán)氧樹脂表面?zhèn)鞑ァｋS著氣壓的增加，放電劇烈程度增加，放電脈沖在環(huán)氧樹脂表面的延伸很短，并向外加電壓的過零點(diǎn)擴(kuò)展，進(jìn)而在分層間隙的多個(gè)位置產(chǎn)生局部放電。

（2）SF6氣壓為0.25 MPa時(shí)，PD活動(dòng)停止，說明由于外加電場的作用，氣體壓力的升高將限制PD的活動(dòng)。

（3）平均PD電流值隨著氣壓的升高而降低，這是由于氣壓升高導(dǎo)致SF6氣體的電氣強(qiáng)度增加，沿環(huán)氧樹脂表面的PD延伸相對(duì)減少。

（4）不同SF6氣體壓力下，由于產(chǎn)生初始電子崩的機(jī)理不同，正極性的PD生成速率低于負(fù)極性的PD生成速率。