基于实体GIS设备试验的局部放电光学信号传播特性研究

韩旭涛，史天一，王昊天，周阳，陈欢，张轩瑞，李军浩，李兴旺，姚聪伟，孙帅

(1. 西安交通大学 电气工程学院，陕西 西安 710049；
2. 广东省电力装备可靠性企业重点实验室(广东电网有限责任公司电力科学研究院)，广东 广州 510080)

气体绝缘开关设备(gas insulated switchgear，GIS)具有高可靠、环境友好、结构紧凑的优点，被广泛应用于现代电力系统的建设中，起到通断、控制和保护等重要作用。我国的1 100 kV特高压变电站均采用GIS[1-3]。但是，在GIS的制造、运输、组装以及运行过程中，由于人为因素等不可避免地会产生绝缘缺陷。在高电压作用下，绝缘缺陷引发电场集中，从而发生局部放电。局部放电既是GIS绝缘失效的原因，也是其绝缘劣化的表征。所以，通过检测局部放电能够有效发现GIS内部的绝缘缺陷，从而避免严重设备故障的发生[4-6]。

局部放电发生时会向外辐射光信号，通过测量光学信号能够实现局部放电的检测。随着超敏光电测量技术和传感技术的发展，光测法在抗电磁干扰、灵敏度和光谱分析方面表现突出，在监测置信度和时效性方面具有不可替代性[7]。局部放电光测法由于检测灵敏度高、电磁免疫，且尤其适合于具有全封闭结构的GIS，已成为目前GIS局部放电检测中最有前景的方法之一。研究人员围绕局部放电光学传感器、绝缘缺陷激发的光学信号特性、光学信号和电学信号的关联关系等方面开展了相关研究，为GIS局部放电光测法的应用提供了基础[8-13]。然而，在实际应用过程中，相比于传统的局部放电特高频检测法，光信号会随着检测距离的增加或者由于设备内部部件的遮挡而发生严重衰减，因此研究局部放电的光学信号传播特性对于GIS局部放电光测法的现场应用具有重要的现实意义。针对于此，学者们采用数值仿真的方式，对GIS内部局部放电光学信号的传播特性进行了研究分析。西安交通大学韩旭涛等最早基于光学信号的粒子特性，采用COMSOL中的粒子追踪模块仿真研究了传播距离、设备结构、接收角度、GIS部件等因素对GIS内部局部放电光学信号传播特性的影响规律，为局部放电光测法的现场应用提供了支撑[14-16]。上海交通大学钱勇等人针对T型结构中GIS局部放电光学信号的传播特性进行了仿真研究，获得了特殊结构下的GIS局部放电光学信号传播规律[17]。李信哲等提出了基于单光子探测的局部放电多光谱诊断方法，利用单光子固态光电器件对放电进行同步测量，论证了多光谱局部放电光学诊断技术的优势[18]。华北电力大学吴诗优等人对于不同传感器布置方式下接收到的光学信号特性进行仿真，针对不同GIS结构提出了最优的光学传感器布置方式[19]。华北电力大学王赞等提出了一种采用内置式非本征法布里-珀罗干涉(extrinsic Fabry-Perot interferometric，EFPI)光纤传感器来检测GIS中局放超声信号的方法，具有较大的工程价值[20]。

当前研究人员围绕GIS内部局部放电光学信号的传播特性进行了仿真研究，但是针对实际GIS中光学信号的传播特性缺乏试验分析，导致现场局部放电光测法的应用缺少有力支撑。为此，本文在某实体GIS上设置导杆尖刺和悬浮电位2类放电位置随机性强的绝缘缺陷，基于研究团队前期研制的局部放电光-电融合传感器，对实际GIS中局部放电光学信号的传播特性进行研究，旨在为局部放电光测法的现场应用提供支撑。

1.1 光-电融合传感器结构

将荧光光纤和GIS内置特高频传感器相结合研制局部放电融合传感器，传感器结构如图1所示。荧光光纤嵌入内置传感器的上极板表面，通过特制的光纤密封接头从金属底板将光信号引出。

图1 荧光光纤-特高频融合传感器结构Fig.1 Structure of fluorescence fiber-ultrahigh frequency fusion sensor

塑料荧光光纤具有很好的柔韧性，为了增加荧光光纤的长度，提高传感器对光信号的灵敏度，将荧光光纤按照阿基米德螺旋线布置在内置特高频传感器的上极板表面，如图2所示，其中荧光光纤一半嵌入至上极板中。

图2 荧光光纤布置Fig.2 Layout diagram of fluorescent fiber

1.2 试验系统

GIS局部放电光学信号传播特性试验在110 kV实体GIS母线段开展，试验系统如图3所示。GIS母线段由3个气室组成，中间由2个具有通气孔的通气绝缘子分隔。每个气室上均有特高频传感器安装窗，可安装所研制的光-电融合传感器，从而实现局部放电光学信号的检测。

图3 GIS局部放电光学信号传播特性试验系统Fig.3 GIS partial discharge optical signal propagation characteristic test system

试验中，通过250 kV/250 kVA的工频试验变压器施加工频电压于110 kV电压等级GIS试验平台，采用电容分压器测量工频电压，分压比为1 003∶1。通过融合传感器检测放电产生的光信号。光信号通过光电转换模块转换为电信号，和分压器检测到的电压信号通过相同长度的同轴电缆连接到高速数字示波器。

1.3 缺陷布置

GIS内部常见的绝缘缺陷包含发生在气体中的绝缘缺陷和绝缘子上的缺陷，其中气体中的绝缘缺陷位置不确定，产生具有随机性，因此本文针对导杆金属尖刺缺陷和悬浮缺陷这2类发生在气体中的常见绝缘缺陷进行研究。

金属尖刺缺陷模型设置为通过螺栓紧固结构固定在导杆上的金属针电极，如图4(a)所示，针电极长20 mm，直径2 mm，曲率半径47 μm。利用环氧介质将金属丝与导杆隔离，金属丝和环氧介质通过绝缘胶带固定，环氧介质和导杆间通过螺栓紧固结构固定，形成悬浮电位缺陷，如图4(b)所示，金属丝最远处距离导杆20 mm，最近处距离导杆1 mm，直径0.8 mm，曲率半径0.4 mm。

图4 实体GIS中绝缘缺陷设置Fig.4 Schematic diagram of insulation defect setting in physical GIS

试验腔体为三相共体GIS，缺陷安装布置在距离传感器最近的导杆上。为了避免缺陷对光学信号传播的影响，传感器中心和导杆之间相距16.5 cm，缺陷与水平中央的距离为15 cm，如图5所示。

图5 缺陷所处的GIS导杆位置Fig.5 The position of GIS guide rod where the defect is located

基于搭建的试验平台研究传播距离对GIS光信号的影响，在GIS气室内不同位置分别布置相同的悬浮或尖刺缺陷进行试验，缺陷位置如图6所示，最远的缺陷布置在GIS气室的最左端，和融合传感器相距22.5 cm，最近的缺陷正对传感器。

图6 不同距离缺陷的位置Fig.6 Schematic diagram of the location of defects at different distances

此外，为探究传播路径受到绝缘子遮挡时的检测效果，将悬浮缺陷和融合传感器布置在GIS中的2个相邻气室，如图7所示，2个气室之间相隔的绝缘子上具有通气孔，称为通气绝缘子。通气绝缘子上的通气孔为光信号的传播提供了路径，在检测点1检测得到的结果即为图6位置1的检测结果。

图7 相邻气室下缺陷布置Fig.7 Schematic diagram of defect layout under adjacent air chambers

2.1 导杆尖刺试验结果

统计不同位置和不同电压下导杆尖刺局部放电幅值和放电数，如图8所示。

图8 尖刺缺陷下不同位置处检测到的放电数和放电幅值Fig.8 Discharge numbers and amplitudes detected at different positions under protrusion defects

尖刺缺陷下的试验结果表明，随着检测距离的增加，局部放电光信号的最大幅值有所减小，光信号发生了衰减，如图8(a)所示。同时，随着放电幅值的减小，某些放电信号衰减后小于光传感器的检测阈值，此时光信号不能够被传感器检测到，这使得同一电压下检测到的放电数明显减少，如图8(b)所示。

虽然随着检测距离的增加，不同位置检测得到的放电幅值和放电数都有所降低，但是3个位置下的局部放电起始电压相同，均为50 kV左右。随着外施电压的升高，3个位置处的局部放电相位分布(partial discharge phase distribution，PRPD)谱图检测结果也相似，如图9所示：起始电压下，在工频电压的正负半周均检测到放电信号；
随着外施电压的升高，正半周的放电多于负半周；
当电压进一步升高，在工频电压的正负半周处均检测到剧烈的放电信号，如图9所示。因此，在一定范围内，虽然局部放电产生的光信号随着检测距离的增加而发生了衰减，但是光测法对于缺陷的检测灵敏度不变，同时仍可通过放电谱图来对缺陷进行诊断。

图9 尖刺缺陷不同位置处的PRPD谱图Fig.9 PRPD spectrogram at different positions of protrusion defect

2.2 悬浮电位试验结果

悬浮缺陷下，不同位置的局部放电起始电压相近。随着检测距离的增加，光信号同样发生了衰减。随着检测距离的增加，放电幅值明显减小，检测到的最大放电幅值每增加1 cm衰减约2.2%，如图10(a)所示。但是，由于单次的放电幅值较大，即使信号的幅值随着距离发生了衰减，信号仍然能够被检测到，所以，随着检测距离的增加，测得的放电数相近，如图10(b)所示。

图10 悬浮缺陷不同位置处检测得到的放电数和放电幅值Fig.10 Discharge numbers and amplitudes detected at different positions under floating defects

当光信号在GIS内传播时，放电产生的光子一部分会直接传播到传感器而被传感器检测得到，一部分会在GIS外壳上或者其他部件上发生1次或多次漫反射后才最终到达传感器。随着检测距离的增加，经过漫反射到达传感器的光子数增加。直射到达的光信号强度和距离的平方成反比，发生衰减；
经过漫反射的光信号发生的衰减具有随机性，同一距离下检测到的光信号的衰减程度不同，并且这种不同随着距离的增加会更加明显。以上过程可能会导致放电谱图的变化。

不同检测距离检测得到的放电谱图如图11所示。悬浮缺陷下每次放电的强度相当，所以其PRPD谱图形状应该呈现“矩形”特征，如图11(a)所示。但当检测距离较远时，大多数光子在传播的过程中发生漫反射，由于漫反射的随机性，某些光子不能到达传感器，同一电压下的信号衰减程度可能不同，使得谱图的“矩形”特征不再明显，如图11(c)所示。所以，当检测距离较远时，虽然仍可以测得光信号，但是放电谱图发生变化，从而影响对放电类型的判断。

图11 悬浮缺陷下不同位置处的PRPD谱图Fig.11 PRPD spectrogram at different positions of floating defects

在相邻气室进行导杆尖刺缺陷的检测时，放电信号已无法被检测到，因此仅针对悬浮电位缺陷的检测结果进行讨论。

当在相邻气室进行检测时，局部放电起始电压为85 kV，与同一气室检测的结果相近。但此时放电产生的光信号不能直接到达传感器，信号必须经过多次漫反射才能到达检测传感器处，因此由于漫反射的随机性引起的放电幅值的衰减程度不一更加明显。放电的PRPD谱图未呈现“矩形”特征，如图12所示。

图12 在相邻气室检测悬浮缺陷得到的PRPD谱图Fig.12 PRPD spectrogram obtained from detecting floating defects under adjacent air chambers

此时测量得到的最大放电幅值明显降低，不超过0.2 V，不到同一气室正对缺陷情况下的10%。同时，随着外施电压升高，检测得到的最大放电幅值发生波动，最大值和最小值相差27%，如图13所示。

图13 在相邻气室检测悬浮缺陷得到的最大放电幅值Fig.13 The maximum discharge amplitude obtained from detecting floating defects in adjacent air chambers

本文在110 kV实体GIS开展了局部放电光学信号传播特性研究，试验观测了检测距离和通气绝缘子对光学信号传播特性的影响规律，主要得到如下结论：

a)在同一气室内部，随着传播距离的增加，GIS内部局部放电光学信号都会发生明显衰减。对于导杆尖刺缺陷，放电最大幅值和放电数都明显减小；
对于悬浮电位缺陷，由于本身放电幅值较大，放电数未发生变化，仅放电幅值有所减小。

b)在同一气室内部，虽然局部放电信号幅值明显衰减，但由于光测法的高灵敏性，随着检测距离的增加，导杆尖刺和悬浮电位缺陷检测到局部放电的起始电压未发生变化；
尖刺缺陷下的PRPD谱图由于本身的分布不均特点，随着距离增加形状特性变化不大；
悬浮缺陷的PRPD谱图随着距离的增加逐渐丢失其特有的“矩形”特征。

c)当光学信号透过带有通气孔的绝缘子传播时，光学信号明显衰减，悬浮缺陷下虽然依然能够检测到放电信号，但由于传播的随机性，PRPD放电谱图形状已不具有固定特点，且检测到的光学信号幅值波动较大。

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