带电检测缺陷模拟装置中沿面放电缺陷的设计

2016-09-05孙大陆汲胜昌何丹东

综合智慧能源 2016年7期

关键词：铝箔电信号环氧树脂

孙大陆,汲胜昌,何丹东

(1.新疆天成鲁源电气工程有限公司，乌鲁木齐　830011； 2.西安交通大学电气工程学院,西安　710049； 3.新疆电力公司,乌鲁木齐　830011)

带电检测缺陷模拟装置中沿面放电缺陷的设计

孙大陆1,汲胜昌2,何丹东3

(1.新疆天成鲁源电气工程有限公司，乌鲁木齐830011； 2.西安交通大学电气工程学院,西安710049； 3.新疆电力公司,乌鲁木齐830011)

为了满足带电检测研究、培训的需要，新疆电力公司研制了一套带电检测缺陷模拟装置。装置中设置了沿面放电缺陷等多种运行中经常出现的缺陷模型，通过有限元方法计算沿面放电缺陷在运行条件下的电场分布情况，探讨了缺陷配置参数对电场分布情况的影响，并建立了沿面放电缺陷小模型。研究发现，电压升至5 kV时，利用DMS超高频局放测量仪开始捕捉到模型内部的局部放电信号，电压升至9 kV时，试验模型起晕，出现明显的局部放电典型图谱，连续电压升至27 kV时连续击穿，确定了缺陷参数的大致范围。局部放电带电检测模拟装置用于研究和教学培训，取得了良好的效果。

带电检测；沿面放电；缺陷设计；局部放电

0　引言

近年来，变电设备带电检测技术得到广泛应用，新疆电力公司带电检测技术自应用以来取得了良好的效果，发现了数量众多的设备缺陷，大大减少了电网因设备故障导致的直接经济损失和社会影响[1]，但是，该技术使用过程中存在基层人员不能熟练使用检测设备、设备故障诊断技术水平亟待提高的问题。为提高公司整体带电检测技术水平，亟须开展带电检测技术的相关培训，为此，公司立项研制一套带电检测缺陷模拟装置。

本项目通过在ANSYS软件中建立仿真模型并在实验室中建立缺陷模型，模拟变电设备的沿面放电缺陷，从而对输变配电设备的实际沿面放电故障进行模拟和复现，确定不同缺陷类型下局部放电信号(脉冲电流信号、特高频信号)的典型特征[2-4]。

1　缺陷的仿真设计

为满足缺陷长期稳定存在、局部放电量稳定可调节以及缺陷辨识度高的要求，首先利用有限元法借助ANSYS软件对沿面放电缺陷类型下的电场分布进行仿真计算[5]。

采用了一个高30 mm、半径为5 mm的环氧树脂棒模拟绝缘介质，将一片宽10 mm、长15 mm的铝箔贴于高压端附近的环氧树脂棒侧面，模拟沿面电阻率降低的情况，如图1所示。为尽量简化计算，采用了省略空间绝大部分区域的模型搭建方案，只建缺陷模型的主体，即环氧树脂棒、高压电极、地电极及空间中的SF6气体[6-8]。

图1　沿面缺陷模型

如图2所示，建模时忽略了空间中其他区域，仅建立上、下极板之间的模型；同时，由于铝箔的厚度对计算影响不大，因此采取视铝箔为等位面的方法建模。为减少不必要的计算量，采用了细剖分区域，其余区域采取自由剖分的方法。与铝箔相接的环氧树脂棒侧表面均要求剖分至0.2 mm2/格，此时最终电场计算结果已收敛至稳定值，因此无增加剖分精度的必要。

由图3可看出，电压成功施加，上极板表面与铝箔上所有电位的自由度均被约束为9 kV，这也是试验时所施加的起晕电压；下极板表面电位自由度约束为0 V。加载完成后进行电场强度与电位强度的计算，电位自由度计算结果如图4所示，由于三维模型中结果云图难以通过整体图形式表现，因此采用了剖面图的形式表现结果。此时剖面为整体圆柱的直径剖面，其中右侧高压明显延伸至下方的区域即为铝箔区域。由电位结果可以观察到，铝箔下端前方电位梯度明显增大，此处电场强度也必然会大于其他区域。离铝箔越远，电位梯度越均匀，等位线几乎平行，而电场强度计算结果也证实了这一点。

图2　ANSYS简化模型

图3　加载效果

图4　铝箔边缘电位计算结果

图5为电场强度计算结果局部放大图，由图5可见，电场强度最大值均出现在铝箔附近，此时电场分布为弱垂直分量情况，影响击穿场强的主要是切向分量。使用ANSYS自带的路径计算功能进行自动点积后，可计算出此时电场切向分量的分布情况：在铝箔下端处电场切向分量差值最大值已超过4.0 kV/mm，可以发生沿面电晕。

图5　铝箔边缘电场强度计算结果

图6为截面取在铝箔中心时的电场分布情况，可以看出，此时电场强度主要分布在铝箔下端，与铝箔边缘有一定差距。而此时电场切向分量差值与铝箔边缘处类似，仍为4.5 kV/mm左右，大于沿面击穿场强4.0 kV/mm,表明此处仍满足起晕条件。铝箔下端任意一点处切向分量差值都可以满足起晕条件；同时，由于计算切向分量采用的路径需要使用图形用户界面(GUI)进行操作，而三维界面拾取点时难免会有误差，因此沿面切向分量的最大值可能大于此处的值。

图6　铝箔中心电场强度计算结果

由以上仿真结果可知，这种缺陷布置可以导致沿面起晕，且起晕位置在铝箔下端。虽然强场区域不大，但由于沿面起晕后环氧树脂表面绝缘性能被破坏，因此沿面电晕会逐步向前发展，最终发展为贯穿性的沿面闪络。后续试验结果也证明了这一点，初次试验在9 kV时起晕，随后试验起晕电压降低至8 kV，而仿真分析表明此时电场强度略大于沿面击穿场强4.0 kV/mm，也符合9 kV为起晕电压的结果。

2　实体缺陷模型的构建

为了给缺陷模拟装置提供更准确的沿面放电缺陷参数，在实验室中模拟了典型的沿面放电缺陷。试验模型构造如下：试品由2块厚3 mm、直径分别为40 mm和50 mm的环氧树脂板黏合而成，铜皮直径约为30 mm，因此放电通道长度约为13 mm；高压电极为半径为 4 mm 的圆柱状铜电极，放置在环氧介质圆心位置；环氧树脂片固定在平板铝电极上且良好接地，具体如图7所示[9-10]。

图7　沿面放电模型

试验中采用逐步升压法升高外加电压，获取沿面放电缺陷的局部放电信号谱图，每次加压持续10 min，待放电稳定后再缓慢升高外加电压。电压升至5 kV时，DMS超高频局部放电测量仪开始捕捉到模型内部的局部放电信号；电压升至9 kV时，试验模型起晕，出现明显的局部放电典型图谱；电压升至27 kV时连续击穿。图8给出了外加电压自低到高的过程中，超高频测量设备所得到的放电信号图谱。

图8　沿面放电超高频测试图谱

当电压上升到9 kV时，超高频局部放电测量仪捕捉到微弱的放电信号，由图8a可以看出，此时放电信号出现在一、三象限的正中间，即45°以及225°相位处，其中第一象限的脉冲信号强度明显强于第三象限，即绝缘介质中沿面放电在正、负半周呈现明显的不对称特征。这是由于在放电间隙的两边，只有一边是绝缘介质，而另一边是金属导体，因此脉冲放电所产生的电荷只能在介质的一侧积累，相比两边都是介质的内部放电，积累的电荷自然减少，不容易在外加电压绝对值下降的相位上产生放电。此外，由于试验中放电电极接高压，相位位于第三象限时，高压电极电压波形处于负半周，相比于正半周，负极性时容易发射电子，并且正离子碰撞阴极时还会产生二次电子，降低了电极周围的起始放电电压，因而负半周的放电电荷量小于正半周。

随着电压的增高，脉冲开始在更宽的相域上出现，直至几乎在整个一、三象限都出现放电脉冲。表面局部放电示意图如图9所示，当放电间隙两侧电压升高至击穿电压后，放电间隙发生击穿，同时放电产生的放电电荷迅速在介质一侧积累，使Cc两端产生一个方向电压-ΔU，放电暂时停止。随着外加电压的上升，间隙两端很快又达到击穿电压，发生放电。这是由于电压升高后需要经过更多次的放电后，介质上才能累积足够高的电荷，以建立足够高的内部电压-nΔU(n为放电次数)，这时放电间隙上的电压Ur小于击穿电压，放电停止。因此，随着电压的升高，放电脉冲在越来越宽的相域上出现，并且最终出现在几乎整个一、三象限上。如前面所介绍，电压上升阶段的放电量依然大于电压下降阶段的放电量，当外加电压过峰值后开始下降，而介质上积累的电荷并不会减少，即使此时间隙中依旧可以产生放电脉冲，间隙两端的电压也迅速下降到击穿电压以下，因此在第二象限与第四象限几乎不产生放电脉冲。

图9　表面局部放电示意

3　缺陷模拟装置的制造

ANSYS的计算机仿真结果和实验室的模型，已经基本验证了沿面放电缺陷的基本设计思路。项目定制了一套可旋转的SF6全封闭式组合电器(GIS)局部放电带电检测系统(如图10所示)，可模拟110 kV GIS沿面放电及其他常见缺陷，如尖端放电、金属颗粒放电、气隙放电等[11-13]，并能控制这些放电的起始电压、熄灭电压和放电强度；同时，以电脉冲电流法、超高频法、超声波等局部放电带电检测方式进行相关检测。该装置主要适用于GIS局放带电检测的试验研究、仪器考核与教学培训[14-18]。

4　结束语

利用有限元方法仿真计算沿面放电缺陷在运行条件下的电场分布情况，详细探讨了缺陷配置参数对电场分布情况的影响。建立了沿面放电缺陷小模型，确定了模型由2块厚3 mm、直径分别为40 mm和50 mm的环氧树脂板黏合而成，铜皮直径约为30 mm，放电通道长度约为13 mm。可以很好地进行变电设备带电检测故障模拟技术在实验室内的研究工作，并利用实验室的缺陷模型为实际缺陷布置方式的确定打下理论基础。

[1]CORNICK K J. Research into the acoustic detection and location of partial discharges in gas insulated substations[C]//IEEE Colloquium on Partial Discharges in Gas Insulated Substations.London：IET，1994: 14-24.

[2]HAMPTON B. UHF diagnostics for gas insulated substations[C]// Eleventh International Symposium on High Voltage Engineering.London：IET，1999: 6-16.

[3]HAMPTON B F. Diagnostics for gas insulated substations[C]// The 2nd International Conference on Advances in Power System Control, Operation and Management.Hong Kong：Hong Kong Institution of Engineers，1993: 17-23.

[4]OKABE S, OHNO T, KOBAYASHI T, et al. Study on decomposition gas for diagnostics of gas-insulated transformers[J]. Electrical engineering in Japan, 2000, 130 (1): 48-58.

[5]乔伟，冯允平.GIS局部放电检测与识别[J].高压电器，1999，35(5)：37-41.

[6]MUTO H, YOSHIMURA M, NISHIDA C, et al. Simulation of propagation characteristics of higher order mode electromagnetic waves in GIS[J].IEEE transactions on dielectrics and electrical insulation，2006，13(4)：855-861.

[7]PEARSON J S, FARISH O, HAMPTON B F, et al. Partial discharge diagnostics for gas insulated substations[J].IEEE transactions on dielectrics and electrical insulation, 1995, 2(5):893-905.

[8]成永红，谢小军，陈玉，等.气体绝缘系统中典型缺陷的超宽频带放电信号的分形分析[J].中国电机工程学报，2004，24(8)：99-103.

[9]黎明, 黄维枢.SF6气体及SF6气体绝缘变电站的运行[M].北京：水利水电出版社,1993.

[10]SCHICHLER U,WURSTER M.High voltage testing of GIS:application of frequency tuned resonant test sets and return of experience from on-site tests[C]// 2006 IEEE 8th International Conference on Properties & Applications of Dielectric Materials.Bali：IEEE，2006: 297-300.

[11]冯昌远.GIS的运行经验和现场试验[J].高压电器,2000，36(1):49-53.

[12]李文书.封闭式组合电器(GIS)在线监测系统的设计与研制[D].北京：清华大学,2005.

[13]许高峰.全封闭组合电器局部放电信号内置传感检测和分形特征提取的研究[D].重庆:重庆大学,2003.

[14]严璋.电气绝缘在线检测技术[M].北京:水利电力出版社,1995.

[15]金立军,裴根林,郑祥恭，等.全封闭组合电器(GIS)绝缘特性的在线监测[J].电力设备,2003,4(6):18-20.

[16]张小勇,贾申利,王建生，等.基于超高频法GIS局部放电监测技术的研究[J].高压电器,2005,41(3):179-185.

[17]李忠,陈杰华,胡迪军，等.外部传感器GIS局部放电超高频检测的研究[J].高电压技术,2003,29(6):35-37.

[18]唐炬,刘明军,彭文雄，等.GIS局部放电外置超高频检测系统[J].高压电器,2005,41(1):6-9.

(本文责编：刘芳)

2015-12-21；

2016-06-23

TM 862.1