李建鵬 孟延輝 付煒平 張偉 李強 劉曉飛 李連眾 郝自為

摘 要：

為了提高罐式斷路器絕緣狀態(tài)監(jiān)測水平，保障設備可靠運行，提出了現(xiàn)場加裝內(nèi)置式特高頻局部放電傳感器實施方法。首先，通過加裝位置選擇、傳感器選型、密封結(jié)構(gòu)設計、電場仿真計算和安裝環(huán)境控制，實現(xiàn)內(nèi)置式特高頻局部放電傳感器的現(xiàn)場安裝；其次，通過密封試驗檢查加裝位置的密封性能；最后，利用真型測試檢驗傳感器的安裝效果。結(jié)果表明：加裝特高頻傳感器以后，罐式斷路器內(nèi)手孔表面和耦合電極的最大場強為12.45 kV/mm，屏蔽罩的最大場強為18.51 kV/mm，均小于設計許用值；密封結(jié)構(gòu)包扎5 h后定量檢漏SF6氣體體積分數(shù)為8 μL/L，小于標準要求值15 μL/L；傳感器靈敏度滿足檢測需要，且對外界干擾信號具有一定的抑制作用。運罐式斷路器在加裝內(nèi)置式特高頻局部放電傳感器以后，其絕緣性能、密封性能和檢測靈敏度均滿足設計要求。研究結(jié)果為解決特高頻局部放電現(xiàn)場檢測提供了一種較為實用高效的方法。

關鍵詞：

波譜分析；內(nèi)置式；罐式斷路器；局部放電；特高頻；密封結(jié)構(gòu)

中圖分類號：

TM935

文獻標識碼：A

DOI： 10.7535/hbgykj.2024yx03009

收稿日期：2023-05-06;修回日期：2024-04-18；責任編輯：王淑霞

基金項目：國家電網(wǎng)公司總部科技項目資助（5204GY23002）

第一作者簡介：

李建鵬（1985—），男，河北石家莊人，高級工程師，主要從事電力設備在線監(jiān)測與故障診斷方面的研究。

通信作者：

孟延輝高級工程師。E-mail：liyixuan0311@126.com

李建鵬，孟延輝，付煒平，等.

罐式斷路器加裝內(nèi)置式特高頻局部放電傳感器方法研究

［J］.河北工業(yè)科技，2024，41（3）：227-233.

LI Jianpeng， MENG Yanhui，F(xiàn)U Weiping，et al.

Research on the method of installing built-in UHF partial discharge sensors in tank circuit breakers

［J］. Hebei Journal of Industrial Science and Technology，2024，41（3）：227-233.

Research on the method of installing built-in UHF partial discharge sensors in tank circuit breakers

LI Jianpeng1， MENG Yanhui1， FU Weiping2， ZHANG Wei3， LI Qiang1， LIU Xiaofei1，? LI Lianzhong1， HAO Ziwei1

（1.State Grid Hebei Electric Power Company Limited Ultra-high Voltage Branch， Shijiazhuang， Hebei 050071， China；2.State Grid Hebei Electric Power Company Limited Hengshui Branch， Hengshui， Hebei 053000，China；3.Xian XD Switchgear Electric Company Limited， Xian，Shaanxi 710077， China）

Abstract：

In order to improve the insulation status monitoring level of tank circuit breakers and ensure the reliable operation of equipment， a method for installing built-in ultra-high frequency partial discharge sensors on site was proposed. Firstly， the on-site installation of the built-in ultra-high frequency partial discharge sensor was achieved through the selection of installation position， sensor selection， sealing structure design， electric field simulation calculation， and installation environment control. Secondly， the sealing performance of the installation position was checked through sealing tests. Finally， the installation effect of the sensor was verified through true type testing. The results show that after the installation of ultra-high frequency sensors， the maximum field strength of the inner hand hole surface and coupling electrode of the tank circuit breaker is 12.45 kV/mm， and the maximum field strength of the shielding cover is 18.51 kV/mm， both of which are lower than the design allowable values. Quantitative leak detection of SF6 gas volume fraction of eight after five hours of sealing structure wrapping 8 μL/L， less than the standard requirement value of 15 μL/L. The sensitivity of the sensor meets the detection needs and has a certain inhibitory effect on external interference signals. After installing a built-in ultra-high frequency partial discharge sensor， the insulation performance， sealing performance， and detection sensitivity of the tank type circuit breaker meet the design requirements. The research results provide a practical and efficient method for on-site detection of ultra-high frequency partial discharge.

Keywords：

spectral analysis; built in; tank type circuit breaker; partial discharge; ultra-high frequency; sealing structure

罐式斷路器在500 kV及以上電壓等級斷路器中占據(jù)重要地位，它可與電流互感器、母線、隔離開關、接地刀閘、避雷器等組成GIS，具有結(jié)構(gòu)重心低、抗震性能好、耐污穢能力強等優(yōu)點［1-4］。

國家電網(wǎng)公司相關統(tǒng)計及運維經(jīng)驗表明，絕緣缺陷是高壓斷路器的主要故障形式。絕緣擊穿之前通常會出現(xiàn)局部放電，局部放電水平可以表征內(nèi)部初期絕緣缺陷，是高壓斷路器絕緣狀態(tài)監(jiān)測的關鍵指標。高壓斷路器局部放電現(xiàn)場檢測方法中，由局部放電引起沖擊性振動形成的超聲波可以穿過斷路器金屬外殼被外部超聲傳感器接收，檢測范圍廣，但是衰減率高，適合人工進行周期性的局部放電檢測。局部放電脈沖電流激發(fā)的特高頻電磁波信號，雖然只能通過盆式絕緣子等非金屬部件，但在罐式斷路器同軸筒形結(jié)構(gòu)中傳播衰減小，具有較高的檢測靈敏度和檢測范圍，適合安裝監(jiān)測裝置進行局部放電的在線監(jiān)測。

為了滿足現(xiàn)場特高頻局部放電檢測需要，新生產(chǎn)的罐式斷路器會預留無金屬覆蓋的絕緣盆子澆注孔作為特高頻局部放電檢測口。但是斷路器早期絕緣缺陷產(chǎn)生的局部放電信號能量小，在經(jīng)過氣體、絕緣材料等介質(zhì)后衰減大，穿過絕緣盆子澆注孔后被外部特高頻傳感器接收到的信號通常會很弱。再加上檢測現(xiàn)場電磁干擾嚴重，導致外部局部放電檢測的靈敏度、準確度大大降低［5］，且此方法僅滿足特高頻帶電檢測，不適合進行在線監(jiān)測。

內(nèi)置式特高頻傳感器是在斷路器或GIS氣室內(nèi)壁上設置耦合電極，接收局部放電產(chǎn)生的特高頻電磁信號，通過同軸電纜傳送到氣室外部，相比外部檢測具有較高的傳感靈敏度和抗干擾性能。在內(nèi)置式特高頻局部放電檢測技術(shù)方面，國內(nèi)學者進行了大量研究，成果卓著。文獻［6］研究了圓盤形內(nèi)置式特高頻局部放電傳感器的影響因素，指出駐波比低、頻帶寬的傳感器檢測性能更高。文獻［7］分析了特高頻局部放電檢測方法遵循的試驗導則以及技術(shù)標準，指出了國內(nèi)現(xiàn)行標準的局限性。文獻［8］－文獻［10］研究了內(nèi)置式特高頻局部放電傳感器的優(yōu)化設計方法、檢測靈敏度及現(xiàn)場校驗技術(shù)。

針對出廠時間早、無特高頻傳感器和檢測口的罐式斷路器尚無法進行特高頻局部放電檢測的問題，依據(jù)罐式斷路器的結(jié)構(gòu)特點、絕緣安全和密封要求，從加裝位置選擇、傳感器選型、密封結(jié)構(gòu)設計、電場仿真分析和安裝環(huán)境控制5個方面研究現(xiàn)場加裝內(nèi)置式特高頻傳感器的可行性，以提高罐式斷路器絕緣狀態(tài)監(jiān)測水平、保障設備可靠運行。

1 技術(shù)方案

1.1 加裝位置選擇

1.1.1 通用設計

500 kV及以上電壓等級的GIS斷路器兩側(cè)連接有電流互感器，電流互感器氣室內(nèi)部只有一次導體穿過，二次線圈布置在氣室外部，氣室內(nèi)結(jié)構(gòu)較為簡單，電場分布易于控制，所以通常選擇在電流互感器氣室手孔蓋板上安裝傳感器，通用布置方式如圖1所示。傳感器安裝以后對氣室內(nèi)部電場影響很小，此方案設計成熟，現(xiàn)場應用效果良好。

1.1.2 位置確定

罐式斷路器典型結(jié)構(gòu)如圖2所示，可供加裝特高頻傳感器的位置有上手孔蓋板、下手孔蓋板和兩側(cè)端蓋板。上手孔蓋板加裝傳感器后氣室存在進水、受潮隱患，對密封要求嚴苛。

兩側(cè)端蓋板拆卸難度較大，現(xiàn)場實施過程中滅弧室大面積暴露于空氣中，對防潮、防塵措施要求很高。參照GIS成熟應用的局部放電傳感器安裝位置，本文選擇在罐式斷路器下手孔蓋板上加裝特高頻傳感器。

文獻［11］研究了傳感器安裝手孔、結(jié)構(gòu)參數(shù)與傳感器性能參數(shù)間的影響關系，得到以下結(jié)論：傳感器的靈敏度與手孔直徑和耦合電極直徑有關系，當手孔直徑為耦合電極直徑2倍時，傳感器的靈敏度最高；手孔深度的增加能使平均靈敏度在一定程度上得到提高，但在具體頻點上可能會降低靈敏度。本文設計的手孔結(jié)構(gòu)，如圖3所示，其中手孔直徑D=240 mm，配合使用的商用傳感器電極直徑為160 mm、手孔深度H=80 mm、手孔蓋板直徑L=300 mm，靈敏度在理論上滿足現(xiàn)有研究要求。

1.2 傳感器選型

圓盤型特高頻傳感器是在手孔上設置一個軸對稱的耦合電極，主要由圓板電極、介質(zhì)板和同軸電纜組成，結(jié)構(gòu)簡單且容易實現(xiàn)良好的電場分布和氣密性控制，在現(xiàn)場得到了廣泛應用［12-13］。

文獻［14］開展了圓盤型特高頻傳感器性能的仿真與實測研究，指出斷路器特高頻局部放電檢測主要頻段在700 MHz附近，頻帶為300 MHz～1.5 GHz，接收圓盤直徑在150～190 mm時回波參數(shù)S11 曲線整體較小，傳感器性能最優(yōu)；電極厚度的增加會增強其機械強度，但導致諧振頻率對應的S11值降低，綜合考慮電極厚度在10 mm左右時，傳感器的整體性能較優(yōu)。本文選用的商用內(nèi)置式特高頻傳感器結(jié)構(gòu)如圖4所示，具體參數(shù)：電極圓盤直徑為160 mm、電極厚度為10 mm；環(huán)氧樹脂板介電常數(shù)為2.2、直徑為200 mm、介質(zhì)厚度為20 mm。在螺栓與耦合電極之間加設絕緣墊片，阻隔金屬螺栓對耦合電極的旁路作用，用金屬螺栓將耦合電極與環(huán)氧樹脂板固定在手孔蓋板上。

1.3 密封結(jié)構(gòu)設計

密封結(jié)構(gòu)失效是影響斷路器密封性能的重要因素，主要有以下3種失效原因：1）密封結(jié)構(gòu)設計不當，密封件與密封槽尺寸不匹配，造成密封件壓縮量過大或過??；2）密封件的性能與密封介質(zhì)的相容性較差，不符合使用環(huán)境要求；3）密封件表面有瑕疵或使用期超期等密封件質(zhì)量問題。本研究重點從密封材料選擇和密封型式選擇2個方面進行密封結(jié)構(gòu)設計。

1.3.1 密封材料選擇

SF6充氣設備廣泛使用橡膠密封材料，由于不同橡膠材料的聚合物鏈間的孔隙和分子鏈對氣體的作用力不同，導致氣體的透氣系數(shù)在不同橡膠本體中具有差異性，工程應用中將透氣系數(shù)作為評價橡膠密封材料的重要指標［15-17］。斷路器常用的橡膠密封材料主要有丁腈橡膠、丙烯酸酯橡膠、氟橡膠、氟硅橡膠和三元乙丙橡膠。老化以前，丙烯酸酯橡膠和丁腈橡膠的透氣系數(shù)分別為1.08×10-18，1.14×10-18 m2/（s·Pa）。三元乙丙橡膠和氟橡膠透氣系數(shù)稍大，分別為3.56×10-18，3.62×10-18 m2/（s·Pa） 。氟硅橡膠的透氣系數(shù)最大，為16.11×10-18 m2/（s·Pa），比丁腈橡膠和丙烯酸酯橡膠的透氣系數(shù)要大一個數(shù)量級。

在斷路器實際運行環(huán)境中，密封材料的溫度、應力不斷變化，加之濕度、大氣壓力等綜合因素的影響，密封材料不可避免地發(fā)生老化。老化后，密封材料的分子鏈發(fā)生斷裂或者交聯(lián)、支鏈運動能力改變等，造成不同橡膠密封材料的透氣系數(shù)呈現(xiàn)不同的變化趨勢［18］。丁腈橡膠、氟橡膠、氟硅橡膠、三元乙丙橡膠和丙烯酸酯橡膠老化后透氣系數(shù)的變化有較大差異，其中丁腈橡膠、氟橡膠、氟硅橡膠和三元乙丙橡膠老化后透氣系數(shù)變小，而丙烯酸酯橡膠的透氣系數(shù)變大。

從耐老化能力方面考察，三元乙丙橡膠的耐熱、耐臭氧能力強于丁腈橡膠［19］。從透氣性方面考察，老化前三元乙丙橡膠的透氣性高于丁腈橡膠，但老化后其透氣性接近丁腈橡膠，因此，可以將其作為氣體密封的首選材料。

1.3.2 密封型式選擇

矩形槽O形密封圈是國內(nèi)高壓斷路器行業(yè)最早且普遍采用的密封型式，而T形槽O形密封圈是在引進國外技術(shù)的基礎上逐步推廣應用的氣體密封型式［20］，上述2種密封型式如圖5所示?？梢奜形橡膠圈直徑小于矩形槽的槽寬，T形槽上部約有1/3的槽寬大于O形密封圈直徑。

現(xiàn)場應用經(jīng)驗表明，矩形槽和T形槽均可滿足斷路器氣體密封要求，但矩形槽相比于T形槽，其應用范圍廣、裝配工藝簡單、加工成本低，因此本文選擇矩形槽O形密封圈密封型式，如圖6所示。設計的密封結(jié)構(gòu)，矩形槽槽深為8 mm，橡膠密封圈截面直徑為10 mm，計算壓縮量為20%，通過6顆M12×60螺栓連接手孔蓋板與罐體把口。

1.4 電場仿真分析

罐式斷路器氣室內(nèi)部安裝有觸頭、導體、屏蔽罩、絕緣件、電容器等部件，結(jié)構(gòu)復雜且電場控制要求嚴格。加裝特高頻傳感器以后，在保證傳感器靈敏度的同時，不引起氣室內(nèi)部電場發(fā)生畸變。為此，利用Maxwell軟件開展傳感器加裝前后內(nèi)部主要部件電場強度的仿真分析，以確保罐式斷路器的絕緣性。

1.4.1 電場數(shù)值計算模型

罐式斷路器氣室內(nèi)各部件的電場分布，可以按照準靜電場問題來進行求解，準靜電場基本控制方程如式（1）—式（3）所示。

2·D=ρ，（1）

2·E=0，（2）

D=εE，（3）

式中：D為電位移矢量；ρ為體電荷密度；E為電場強度；ε為電介質(zhì)的介電常數(shù)。

式（4）為微分形式的Poisson方程。

2φ=－ρ/ε，（4）

式中，φ為求解區(qū)域的電位。

當ρ=0時，式（4）轉(zhuǎn)變?yōu)長aplace方程，如式（5）所示。

2φ=0。（5）

罐式斷路器的框架結(jié)構(gòu)左右對稱，滿足第2類齊次邊界條件，如式（6）所示

。

εφnΓ2=0，（6）

式中：φn表示電位的法向?qū)?shù)；Γ2表示第2類齊次邊界條件。

罐式斷路器準靜電場的計算涉及4種材料，4種材料的相對介電常數(shù)取值如表1所示。

1.4.2 仿真工況

參照以往模型設計經(jīng)驗及工程實際，利用Maxwell 3D靜電場模塊，對500 kV某型號罐式斷路器加裝內(nèi)置式特高頻傳感器前后的手孔蓋板、耦合電極、靜側(cè)屏蔽罩（簡稱靜屏蔽）、動側(cè)屏蔽罩（簡稱動屏蔽）的電場強度進行仿真并計算。

加裝傳感器前的幾何模型見圖7，模型的計算區(qū)域是原模型大小。圖8為加裝傳感器后的簡化幾何模型，根據(jù)罐體形狀和邊界條件左右對稱的特點，在滿足工程需要的情況下，對計算區(qū)域進行簡化。

在計算模型中施加電壓激勵源，電壓值取額定雷電沖擊耐受電壓，關鍵部位電壓控制參數(shù)按表2選取。

1.4.3 結(jié)果分析

圖9為加裝局部放電傳感器后的電場仿真圖，電場強度對比如表3所示。由表3可知，罐式斷路器加裝內(nèi)置式特高頻傳感器后，手孔蓋板、耦合電極、靜側(cè)屏蔽罩、動側(cè)屏蔽罩的電場強度未發(fā)生明顯畸變，均小于設計許用值，對設備絕緣強度未造成影響。

2 安裝環(huán)境控制

2.1 全密封移動車間

罐式斷路器氣室內(nèi)部絕緣凈距小，在特高頻傳感器加裝過程中，若外界環(huán)境中的水分、粉塵等進入氣室，會極大降低設備的絕緣強度。為有效控制環(huán)境條件、保證工程質(zhì)量，研制了現(xiàn)場全封閉移動車間，如圖10所示。移動車間整體采用軟質(zhì)包裹鋁合金框架結(jié)構(gòu)，外圍鋪設防雨布、遮陽布達到防雨、防潮功能。車間內(nèi)配備照明、空調(diào)、除塵、除濕等設備，為加裝過程提供近似于工廠車間的全密封安裝環(huán)境，實現(xiàn)工程質(zhì)量可控和施工環(huán)境舒適的目的。

2.2 控制效果

移動車間完成整體密封后，通過技術(shù)手段對車間內(nèi)的溫度、濕度、空氣潔凈度進行控制，使用溫、濕度計、粉塵儀等檢測移動車間內(nèi)的環(huán)境指標是否滿足罐式斷路器開蓋要求，環(huán)境控制指標如表4所示。

3 真型測試分析

3.1 測試過程

特高頻局部放電傳感器的現(xiàn)場加裝效果如圖11所示。充氣至額定壓力0.6 MPa后，用紅外氣體檢漏儀對密封部位進行定性檢漏，未發(fā)現(xiàn)氣體泄漏點。對密封部位進行包扎，5 h后進行定量檢漏，包扎腔內(nèi)SF6氣體濃度（體積分數(shù)，下同）為8 μL/L，小于標準要求值15 μL/L，表明密封結(jié)構(gòu)的密封能力滿足要求。

為了驗證罐式斷路器的絕緣性能和傳感器的有效性，對一相罐式斷路器進行了耐壓試驗和局部放電測試，測試方案如下：升壓試驗前，使用MPD600型噪聲傳感器（陜西同基電力提供）采集外界特高頻信號；將電壓緩慢升至740 kV保持1 min，然后降壓至382 kV持續(xù)10 min；采用正常加壓和移動電話通訊2種方式進行對比驗證，并記錄特高頻信號幅值。測試數(shù)據(jù)如表5所示。

3.2 結(jié)果與分析

1）740 kV交流電壓通過保持1 min，表明特高頻傳感器的加裝未影響罐式斷路器的絕緣強度。

2）當加壓到740 kV時（耐壓試驗），套管頂部接線端子引起空氣電暈放電產(chǎn)生特高頻信號，經(jīng)過套管和空氣傳播，被內(nèi)置式特高頻傳感器和噪聲傳感器檢測到，特高頻信號幅值分別為－33 dBm和－43 dBm，表明內(nèi)置式特高頻傳感器的靈敏度滿足要求。

3）內(nèi)置式特高頻傳感器在降壓至382 kV時，測得的信號幅值為－71 dBm，噪聲傳感器測得的信號幅值為－70 dBm。對比未加壓狀態(tài)下背景噪聲，特高頻傳感器實測信號幅值為－76 dBm，噪聲傳感器實測信號幅值為－71 dBm，可以判斷在該電壓下無特高頻局部放電信號。

4）使用移動電話模擬外界干擾測試中，內(nèi)置式特高頻傳感器測得的信號幅值為－50 dBm，噪聲傳感器測得的信號幅值為－46 dBm，表明內(nèi)置式特高頻傳感器對干擾信號有一定屏蔽作用，抗干擾性能強。

4 結(jié) 語

針對在運且無法進行特高頻局部放電檢測的罐式斷路器，提出了現(xiàn)場加裝內(nèi)置式特高頻傳感器的實施方法，實現(xiàn)了對未預留檢測口的在罐式斷路器的特高頻檢測，得到以下結(jié)論。

1）罐式斷路器加裝內(nèi)置式特高頻傳感器以后，手孔蓋板和耦合電極的最大場強為12.45 kV/mm，屏蔽罩的最大場強為18.51 kV/mm，關鍵部件的電場分布未發(fā)生明顯畸變，設備絕緣強度滿足設計許用值。

2）罐式斷路器內(nèi)密封結(jié)構(gòu)包扎5 h后定量檢漏SF6氣體濃度為8 μL/L，小于標準要求值15 μL/L，密封能力符合標準要求，罐式斷路器整體密封性能未受影響。

3）傳感器靈敏度滿足檢測需要，通過與噪聲傳感器比較，內(nèi)置式特高頻傳感器對外界干擾信號具有一定的抑制作用。

該方法尚有不足之處。首先，電場數(shù)值計算模型中未充分考慮絕緣材料的細微特征，介電常數(shù)取值較為主觀，可能會降低模型的泛化能力。其次，高海拔、嚴寒等因素對于密封結(jié)構(gòu)的影響考慮不充分。今后研究中，將持續(xù)優(yōu)化電場計算模型，重點考慮極端工況，切實提高實施方法的工程實用性。

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