GIS绝缘垫片分层间隙中局部放电检测及形成机理研究

2020-12-07周求宽刘明军唐志国

绝缘材料 2020年8期

邹阳，周求宽，刘明军，唐志国，张达

（1.国网江西省电力有限公司电力科学研究院，江西南昌 330096；2.国网江西省电力有限公司，江西南昌 330077；3.华北电力大学新能源电力系统国家重点实验室，北京 102206）

0 引言

近年来，随着国内电网建设速度突飞猛进，且新建变电站以气体绝缘开关设备（GIS）站为主，GIS设备在电网的使用量越来越大。过去认为GIS设备是免维护的，但国内已经发生了数起较为严重的GIS事故，上述观点已经不再被认同。GIS设备内部空间有限，绝缘裕度相对较小，因此一旦出现绝缘缺陷，可能造成严重的设备故障[1]，引起较大范围的停电和长时间的检修，造成大的经济损失以及恶劣的社会影响[2-3]。为了预防GIS设备绝缘故障，保障电网安全稳定运行，有必要对运行中的GIS设备进行检测。

目前，GIS设备内部绝缘状态的评价主要依据局部放电（PD）检测结果[4]。电力设备的局部放电是一种快速的脉冲放电，放电会在设备的内部及附近产生声、光、电气、机械等物理现象和化学变化，可以通过在电力设备周围布置对应的传感器[5]，监视其局部放电情况。超声波局部放电检测、特高频局部放电检测、SF6气体分解产物检测等已经被广泛应用于GIS设备的局部放电检测。

GIS的局放诊断在防止电网故障和降低维护成本方面起着至关重要的作用，建立一个能够检测、识别和定位GIS中缺陷的诊断系统[6]具有重要意义。GIS中存在多种不同类型的绝缘缺陷，其中固体绝缘气隙缺陷是在工频电压下诱发GIS故障的主要缺陷之一，因此有必要对气隙缺陷进行绝缘检测。但目前大量针对GIS中局部放电机理[7]的研究仅限于表面电荷积累[8]对PD随时间转变的影响[9]，针对绝缘垫片的电气特性、局放机理和电气性能还缺乏深入研究。

本文检测气压变化时垫片电极/环氧树脂分层处的局部放电脉冲，通过模拟GIS绝缘垫片中的微分层长度，得到局放相位特征，进一步研究PD随压力变化的特性，并讨论负极性和正极性极PD产生速率的变化规律，最后基于测量结果提出PD产生的物理机制。

1 GIS绝缘垫片缺陷及试验方法

1.1 GIS绝缘垫片故障分析及人工模拟试验

如图1所示，GIS绝缘垫片中的电极/环氧树脂界面处的微小间隙分层可能是造成GIS绝缘故障的因素之一[4]。虽然垫片处环氧树脂浇铸技术的进步可以消除制造过程中的分层现象，但是实际工况下GIS需要耐受机械应力、热应力和电应力的作用，当这些应力作用在GIS垫片上时，就会造成电极/环氧树脂界面处的粘附力丧失并进一步导致分层。分层后的电极/环氧树脂界面会产生微放电痕迹，引起GIS垫片性能退化[5]，最终可能导致绝缘垫片的介电性能失效[6]。当垫片出现微小间隙之后，场强将集中于间隙所在位置，从而引起间隙的局部放电，同时电压极性不同，间隙局部放电的形成机理也可能不同，通过人工模拟垫片微小间隙缺陷的方法进行试验研究。

图1 GIS内部气隙缺陷类型Fig.1 Gas defect types related to GIS spacers

采用如图2所示的实验装置模拟SF6气体中电极/环氧树脂界面处的分层缺陷。试验电极由高压电极和接地电极组成。高压电极直径为60 mm，环氧树脂绝缘保护套直径为90 mm，护套相对介电常数为3.7。用真空润滑脂将相对介电常数为6.0的氧化铝填充型矩形环氧树脂板（100 mm×100 mm×5 mm）固定在高压电极上，以避免界面处产生空隙。模拟分层由插在环氧板和接地电极之间的一层介电薄膜构成，每个介电薄膜厚度为25 μm且长度可调，试验时分层间隙长度调整为50 μm。电极装置安装在充满SF6气体的气室中，为了调节分层过程中的SF6气体压力，分层间隙对储罐保持打开的状态。采用50 Ω电阻耦合局部放电脉冲，然后使用局部放电电流脉冲波形分析仪（PD-CPWA）对放电电流脉冲波形进行分析[10]。

图2 PD脉冲测量和分析实验装置Fig.2 Experimental configuration for measurement and analysis of PD pulses

1.2 试验步骤

试验步骤如图3所示。试验前先在不同气体压力下测量PD起始电压（PDIV）和对应的PD起始场强（PDIE）。由于以往PD活动累积的表面电荷会对PDIV和PDIE测量结果产生较大影响[8]，因此在PDIV测量时交流电压应按照0.1 kVrms/s的速率逐渐增加。然后开始采集每个气压值下的PD信号特征：在分层状态下，由于表面充电发生在PD活动的几分钟内[9]，而实际分层中表面充电在低气压下就能发生，因此在每个气压值下给试品加压时，需要一直加压10 min直至发生稳定的PD，此时再采集并分析每个气压值下的PD特性。调节加压电压使GIS垫片分层间隙中的电场处于实际工况下的场强范围内（2.5～5 kVrms/mm[4,11]），由于与环氧树脂垫片相比，分层间隙长度非常小，因此GIS垫片处分层的预期场强范围为15～30 kVrms/mm（2.5～5 kVrms/mm×6（环氧树脂的相对介电常数））。试验时将施加的电压设定为28 kVrms，从而保证GIS垫片间隙处的场强为24 kVrms/mm。

图3 测量PD特性的实验步骤Fig.3 Experimental procedures for measuring PD characteristics

2 试验结果

2.1 PD起始电压特性

不同SF6气体压力条件下测得GIS垫片间隙中的PD起始电压（PDIV）如图4所示。由图4可见，在不同气压下PDIV不同，气压越高，PDIV越大。将PDIE拟合到SF6气体的理论击穿场强[12]后发现临界E/p值等于110 V/(Pa·m)，其中E是电场，p是气体压力，低压条件下SF6气体中的临界E/p值为89 V/(Pa·m)[13]，本试验中得到的临界E/p值较高，这可能是GIS垫片分层间隙的放电体积较小造成的。

图4 SF6气体中50 μm间隙下电极/环氧树脂分层的PD初始特性Fig.4 PD inception characteristics of electrode/epoxy delamination with 50 μm gap in SF6gas

2.2 局部放电活动的压力特性

两种不同极性的PD生成速率和平均放电电流的大小与气体压力的关系如图5所示，其中PD生成速率表示为每秒脉冲数（pps）。从图5(a)中可以看出，当气体压力为0.06 MPa时，正、负极性的局部放电生成速率达到峰值；当气体压力为0.25 MPa时，局部放电活动停止；正极性PD的生成速率小于负极性PD的生成速率。从图5(b)可以看出，随着气体压力从0.02 MPa增加到0.25 MPa，平均PD电流值逐渐减小到零；与PD生成速率类似，正极性PD平均电流值和负极性PD平均电流值也存在差异，其差异随着气压的升高而减小，这是因为正负极性PD的电子来源不同：当电子来自接地电极时，PD脉冲是负极性的；由于在先前的负极性PD过程中环氧树脂表面上已经累积了负电荷，因此正极性PD的初始电子是从绝缘环氧树脂处产生的，其放电电流更多的依赖于负极性PD。随着气压的升高，环氧树脂表面上累积的电子数量减少，正极性PD平均电流下降幅度将大于负极性PD，因此随气压升高两者的放电电流值差异减小。

图5 PD生成速率和PD平均电流值与气体压力的关系Fig.5 Relationship between PD generation rate,average PD current and gas pressure

2.3 局部放电生成速率的相位特性

利用交流电压相位（φ）与局部放电脉冲的相对数量（n）之间的关系[14]，分析局部放电活动随压力变化的情况，结果如图6所示，其中交流电压相位每10°划分一次，并记录在每个相位间隔内的局部放电脉冲数量，通过此相位间隔内脉冲数占整个局部放电脉冲数的百分比进行放电活动水平的衡量。从图6可以看出，在0.02 MPa和0.06 MPa的气压条件下，局部放电脉冲出现在外加电压零点相位（0°和180°）附近；当气体压力为0.10～0.20 MPa时，局部放电脉冲的相位特性向外加电压峰值（90°和270°）附近移动；在气压大于等于0.25 MPa时，PD活动完全停止。

3 分析与讨论

由试验结果可知，随着分层间隙中SF6气体压力的增加，PD活动发生了变化；此外负极性PD和正极性PD的PD生成速率也不同，下面从这两个方面进行分析。

3.1 PD活动的压力特性及机理

图5中PD的压力特性和图6中相对PD脉冲数量特性的成因可归因于两点：一是SF6气体电气强度的压力特性；二是当电压相位超过PD起始相位后，瞬时电场强度高于临界电场强度。

图6 不同SF6气体压力下的φ-n分布Fig.6 The φ-n distribution in SF6gas with different pressure

图7 分层中气体压力下PD行为的转变Fig.7 Transition of PD behavior with gas pressure in the delamination

基于实验结果可将PD行为分为3个阶段，如图7所示，图中使用的相位是两种极性的局部放电脉冲开始出现时的起始相位角。阶段1表示低气压下的PD特性，其中PD生成速率随着SF6气体压力的增加而增加，并且PD脉冲出现在外施电压的零点相位附近；阶段2对应于气体压力0.06～0.25 MPa下的PD特性，其中PD生成速率随着气体压力的增加而减小，并且PD脉冲超过零交叉点；阶段3表示PD活动完全停止。由图7可知，在不加电压的情况下，将气压从0增加到0.4 MPa，PD生成速率随着气体压力的增加而增加，负极性PD的生成速率大于正极性PD的生成速率。随后施加交流电压10 min，将气压从0.4 MPa减小到0 MPa，PD生成速率变化趋势跟图5(a)一致。

图8展示了每个阶段的PD特性和形成机理。图8(a)是阶段1，由于分层间隙中的气体压力低，SF6气体的电气强度低，从而增加了局部放电电流幅值，此时通过间隙的局部放电可沿着环氧树脂表面发展，导致分层内部的电场降为零，如图5(b)所示。此时PD脉冲出现在施加电压的零点相位附近，如图6(a)所示。

在PD阶段2中，随着压力的增加，SF6气体的电气强度变得更高，PD电流值变小，如图5(b)所示，PD脉冲沿环氧树脂表面的延伸很短，此时单个局部放电并不影响其他位置的电场，PD脉冲可以出现在多个位置。多个位置发生PD可以提高PD生成速率，如图8(b)所示。影响PD生成速率和相位特性的主要因素是间隙内电场和PDIE的相位角范围，显然PDIE的相位角范围随着气体压力的升高而减小，但同时PD随气压升高而升高，导致电压相位范围变窄。较高的气体压力下PD活动如图6(c)、(d)、(e)所示，PD生成速率降低，如图8(c)所示。

在阶段3中，随着气体压力升高至0.25 MPa，PD活动停止，如图8(d)所示。这是因为PD起始电场高于分层间隙内施加的电场（24 kVrms/mm），电极/环氧分层的局部放电活动会受到分层间隙中SF6气体压力升高的限制。

固体绝缘内部气隙放电主要包含两个过程：流注在气隙内的传播过程及流注到达界面后的扩展过程。对气隙放电随机特性的解释主要基于两种理论：放电时延的随机性及放电面积的随机性。气隙内部放电特征受很多因素影响，如气隙内部气压变化、放电后气隙表面沉积的空间电荷、介质的表面状态以及放电后气体分解产物等。放电起始相位主要取决于放电时延大小及放电起始场强值达到的时刻。研究结果表明，随着外施电压的升高，表面电子发射和电离的概率增大，即产生自由电子的概率增大，另外电压升高引发放电所需的种子电子数目减少，等待自由电子所需的时间减少，因此放电时延减小；随着外施电压的升高，电场强度增加，气隙内的电场强度将更早达到起始放电场强，且前半周期产生的残余电荷在电压极性反转后亦对电场起到增强作用，所以最终表现为放电起始相位前移。局部放电导致气隙内部发生氧化反应产生电负性气体，如CO2、H2O等，电负性气体具有较强的捕获自由电子的能力，因此电压极性反转前最后一次放电产生的电荷将被大量消耗，致使电压极性反转后首次放电的时延增加，最终出现较大的放电幅值。

图8 增加分层间隙中的气体压力后的PD活动示意图Fig.8 Schematic illustration of PD activity with the increase of gas pressure in the delamination gap

当自由金属微粒靠近高压导体时，金属微粒表面的电场强度最大，因此当自由金属微粒发生运动时，危险系数较高。绝缘子表面污秽仅仅对绝缘子表面的电场产生较大的畸变效应，而对绝缘子内部基本不产生影响。针尖部位对电场的畸变最为严重，当尖刺位于筒壁上时，针尖处的场强约等于尖刺位于高压导体的1/3，因此当尖刺处于导体上时最有可能发生局放现象。金属尖刺、自由金属微粒、绝缘子表面污秽和内部气隙等缺陷引起GIS内部局部放电的机理是引起电场畸变的原因，使绝缘材料表面电场增加。因此，PD参数和相位特征可作为SF6气体分层缺陷的特征参数。

3.2 负极性PD和正极性PD产生差异的机理

自由移动的电子是PD产生的必要条件，但产生正、负极性PD脉冲的电子来源不同。在分层情况下，当电子来自接地电极时，PD脉冲是负极性的，因此一旦达到临界电场，由电子崩引发的PD生成速率非常高。而对于正极性PD，由于在先前的负极性PD过程中在表面上已经累积了负电荷，因此第一次电子崩的初始电子是从绝缘环氧树脂处产生的[9]，所以正极性PD产生的可能性会降低，所以正极性PD生成速率低于负极性PD（图5(a)）。