12kV固体绝缘开关柜中绝缘气隙缺陷的放电特征

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摘要

广东工业大学自动化学院的研究人员聂一雄、徐卫东等，在2018年第12期《电工技术学报》上撰文，为获取12kV固体绝缘开关柜内部绝缘材料中气隙放电特征，搭建12kV固体绝缘开关柜内部绝缘材料气隙缺陷放电试验平台，测量气隙放电在不同电压幅值、不同气隙直径以及不同谐波频率下的局部放电信号。提取并分析气隙缺陷在不同电压幅值下局部放电三维特征图谱，比较不同频率下气隙缺陷放电在正、负半周期内的局部放电差异。

研究结果表明，固体绝缘开关柜内部绝缘材料在有气隙缺陷情况下，不同的电压幅值会影响放电量大小与放电次数；谐波频率越高，每周期的放电次数越多，但正、负半周的单次最大放电总量维持在一定的水平，不会出现较大的波动；绝缘介质的气隙直径越大，放电次数越少，每次放电的放电量越大，危害越严重。据此获得的不同试验条件下的三维图，可用于固体绝缘开关柜气隙缺陷放电的模式识别，也有助于对固体绝缘开关柜内部绝缘材料缺陷放电提供理论指导。

固体绝缘开关柜是将断路器、刀开关、母线、绝缘子等电气设备运到施工现场后组装成一个整体，而成为一个具备停送电功能的独立间隔[1]。与传统的气体绝缘开关柜相比，固体绝缘开关柜的占地面积大幅缩小，具有内部空间狭小、零件繁多、结构复杂、绝缘距离小的特点，且相较于变压器、气体绝缘开关设备（Gas Insulated Switchgear, GIS）等全封闭设备，由于国内各个厂家制造工艺不尽相同，固体绝缘开关柜内部的绝缘材料气隙缺陷容易引起局部放电（Partial Discharge, PD）。

固体绝缘开关柜主要由绝缘材料及导电材料组成，绝大多数绝缘材料在受到电、热、化学、机械等应力的影响下，绝缘性能会逐渐劣化，绝缘缺陷诱发局部放电[2]。局部放电的累积效应会引发设备绝缘故障，造成变电站供电中断事故。

2016年西安某110kV变电站内配电柜电缆出线由于绝缘缺陷而造成爆炸，给当地的工业生产、人民生活带来了巨大的损失。所以，有必要对由固体绝缘开关柜内部绝缘材料的气隙缺陷引起的局部放电进行研究。

国内外研究学者主要从绝缘老化放电监测和模式识别角度对固体绝缘开关柜绝缘失效进行试验和仿真分析。文献[3]通过试验与理论相结合方法，介绍了绝缘缺陷放电相关进展。文献[4,5]介绍了几种局部放电模式识别的方法。

文献[6-8]介绍了电缆局部放电检测，获取了电缆不同劣化程度的表征方法。文献[9]通过对不同缺陷样品气隙尺寸所造成的局部放电进行研究，得出了不同气隙对局部放电的影响程度。

文献[10]从电场角度详细研究了电缆内部气隙造成局部放电的原理，对研究固体绝缘内部气隙缺陷放电提供了思路。文献[11]介绍了固体绝缘气隙对局部放电造成的影响，但文中并没有详细给出不同电压幅值对应的放电严重程度并进行比较，需要进一步对其进行完善。

本文专门对固体绝缘开关柜内部绝缘材料气隙缺陷造成的局部放电进行研究，通过搭建试验电路和试验样品，利用局部放电检测仪和mtronix数据分析软件绘制了不同电压下的三维图，并考虑不同频率下对放电特性的影响，通过采集试验数据分析可以得出，固体绝缘开关柜绝缘材料内部气隙缺陷造成的局部放电会随着电压等级的不同而发生不同的程度的局部放电，非工频下的放电量大小与正负离子的放电存在正相关。

（a）固体绝缘开关柜内部结构

（b）外覆绝缘材料柜内简化模型

图1  固体绝缘开关柜

结论

1）搭建固体绝缘开关柜内部绝缘材料试验模型，得到了不同电压下n--q的三维图。对试验结果分析表明，固体绝缘开关柜内部绝缘材料气隙缺陷发生PD时PRPD图谱呈现出“倒三角”样式，随着施加的电压幅值不断增加，放电电荷量以及放电次数都有明显增加。

2）为模拟固体绝缘开关柜实际运行受到谐波源的干扰，分析总结了9组谐波下的局部放电特性，谐波频率与固体绝缘开关柜内部绝缘材料气隙缺陷放电的放电次数与放电量呈正相关趋势，在实际运用中应当重视谐波分量对电气设备的影响。

3）以制造工艺和正常运行极限条件为参考依据，引入不同直径的气隙样本做对比试验，试验数据表明气隙直径越大放电次数越少，越不容易被观测到。但由于气隙内壁累积电荷的增加会使放电量急剧增加，直径小的气隙放电次数虽然多，但放电量最大值却远远小于气隙直径大的放电最大值，直径越大的气隙缺陷危害性越大，更不易被发现。