突出物缺陷下局部放电发展过程研究及特征信息提取

董玉林，李天昊

(国网湖南省电力有限公司长沙供电分公司，湖南 长沙 410015)

局部放电(partial discharge,PD)作为引起气体绝缘组合电器(gas insulation switchgear,GIS)绝缘劣化和绝缘事故的重要因素[1-2]。目前，对GIS内PD研究主要集中在信号去噪[3]和模式识别方面[4-5]，对其内PD严重程度的评估研究甚少。不同于固体绝缘介质，GIS内的SF6气体没有像固体绝缘介质一样的老化过程，所以GIS内PD发展过程与固体绝缘介质内PD发展过程也不同。为了掌握GIS的绝缘状况，必须研究GIS内PD发展过程的。

现在，国内外一些学者从PD的统计特征出发，对PD发展过程进行了一些研究，发现放电次数、放电幅值、放电相位等特征与PD严重程度紧密相关[6-10]。虽然放电次数和放电幅值特征在随着PD的发展表现出一定的单调性，但在对PD发展和严重程度进行诊断评估时，其只能作为一个参考特征，不能仅由单一特征或很少几个特征来准确诊断PD严重程度[11]。总之，在还没有对PD发展过程准确认知前，采用少量的放电特征参量来表征PD严重程度的准确性是不足的。为此，本文对GIS内部典型金属突出物缺陷下PD发展过程进行了试验研究，提取不同放电阶段特高频(ultra-high frequency，UHF)PD信号11个特征量，分析其随着PD发展的变化规律和机理。

1 局部放电实验平台及实验方法

1.1 实验平台

图1所示为实验接线原理图，T1为柱式调压器，T2为无局放工频试验变压器，C1/C2为工频分压器，R为保护电阻，示波器为TekDPO 7104示波器，其带宽为1GHz，最大采样率为20GS/s。实验采用的UHF传感器的带宽为340MHz-440MHz，中心频率为390MHz。根据GIS中金属突出物缺陷下放电特征，设计了针-板缺陷模型模拟GIS内金属突出物缺陷，针-板间距为5mm，置于充以0.4MPa的SF6气体的模拟GIS装置中。

图1 实验接线原理图Fig.1 Principle diagram of experimental connection

1.2 实验方法

模拟金属突出物缺陷下不同严重程度PD过程的试验方法有：恒定电压法和逐步升压法[12]。恒定电压法所需要的实验周期长，不太适用于本文规律性试验研究；逐步升压法采用较高的电压应力来加速缺陷的劣化，不但可以模拟绝缘缺陷下PD的发展过程，而且能在较短的时间内获得大量的实验数据。因此，本文采用逐步升压法来进行突出物缺陷下PD的发展过程试验研究。

GIS模拟装置耐压强度高，经测试在能使缺陷发生击穿的电压下，装置本身仍不会产生PD。实验中，首先缓慢升高试验电压，直至产生稳定PD信号，测得起始放电电压为9.4kV，设置示波器采样率为5GS/s，采集单次PD脉冲波形；然后，设置示波器采样率为50MS/s，设置每隔1s采集一个工频周期内PD信号，采集100个工频周期内的PD信号作为一个PD样本；然后每2h升高电压2.5kV，并采集该电压下的PD信号。实验发现，在26.3kV下缺陷处出现了强烈的电晕，当电压为27.6kV发生了击穿。为了保证示波器的安全性，实验中不采集27.6kV实验电压下的PD信号，而选择采集26.3kV下的PD信号作为绝缘缺陷击穿前的PD特征信号。图2所示为实验中所加的阶梯实验电压。

图2 阶梯实验电压Fig.2 Step test voltage

2 不同放电发展阶段放电谱图分析

本文共进行了5次模拟GIS内突出物缺陷下PD发展过程试验，5次试验结果基本一致，本文选择其中一次试验结果进行分析。图3所示为不同放电阶段下的UHF PD信号φ-u散点图和φ-n谱图。

图3 不同放电阶段φ-u散点图和φ-n谱图Fig.3 φ-u scatter diagram and φ-n spectrograms at different PD stages

在负半周峰值附近最先出现放电，放电区间分布在250°-310°，而正半周峰值附近能看到很少且微弱的放电脉冲，并主要分布在80°-110°区间，负半周的放电脉冲幅值明显大于正半周产生的放电脉冲幅值，如图3(a)所示。随着电压的升高，在电压为11.9kV时，负半周的放电脉冲幅值明显增加，且最大脉冲幅值达到了起始放电电压下的2倍左右，负半周总放电次数也是明显增加，在270°附近放电脉冲最为密集，放电脉冲相位分布区间扩展到230°-320°；而正半周放电现象仍不明显，如图3(b)所示。

在14.4kV电压下，正负半周内的放电脉冲幅值和放电次数都有增加，正半周放电脉冲幅值达到了10mV左右，但是正半周在各相位上的放电次数都较少，远小于负半周放电次数。另外，在该电压下，负半周φ-n谱图出现了向180°偏斜的现象，谱图呈近似直角三角形形状，而正半周的φ-n谱图没有明显的倾斜。

在16.9kV电压下，正负半周放电次数都有增加，但是正半周放电次数仍远小于负半周。负半周的放电脉冲幅值没有明显增加，而正半周放电脉冲幅值增加较明显，并且一些放电脉冲幅值已经超过了负半周，负半周的φ-n谱图继续向180°偏斜，且在临近200°附近开始出现放电脉冲。

当电压为19.4kV时，正负半周放电次数和放电脉冲幅值有微弱的增加，负半周φ-n谱图进一步向180°倾斜。在该放电阶段，最明显的特点就是正半周放电脉冲的φ-n谱图开始向0°偏斜，且图呈三角形形状。继续升高电压到21.9kV时，正负半周放电φ-u散点图的相似程度变高，都呈现出梯形形状，最大放电脉冲幅值基本相等，放电脉冲相位分布宽度基本相等，且正半周放电脉冲分布在5°-125°，而负半周放电脉冲分布在190°-310°。在该放电阶段正半周放电次数出现了陡增，正半周最大放电次数与负半周最大放电次数基本相等，φ-n谱图继续向0°偏斜。

当电压升高到24.4kV时，放电继续发展，在0°附近出现了放电，在0°-100°区间内放电脉冲幅值没有明显的增加，而在100°-125°区间内，放电脉冲幅值显著增加，最大放电脉冲幅值达到了53mV，但是在区间100°-125°内，放电次数较少，正半周放电最密集的区域仍在靠近0°附近，且最大放电次数出现在30°附近。正半周φ-n谱图的尖峰更加明显，负半周放电脉冲幅值没有明显增加，放电次数继续的增加，φ-n谱图中各相位处放电脉冲次数分布变得均匀。

当电压升高到26.3kV时，实验过程中听到了强烈的电晕声，放电发展到临近击穿阶段。在该阶段，如图3(h)所示，在整个工频周期都出现了放电脉冲，但是在155°-175°区间和320°-360°区间放电次数很少，远小于其他相位区间的放电次数。同时，正半周放电相位区间宽度明显大于负半周放电相位区间宽度，其中正半周放电脉冲主要分布区间为0°-155°，负半周放电脉冲主要分布区间为180°-300°；正半周放电次数也是明显大于负半周放电次数。另外，发现在5°-80°相位区间内，放电都达到了100次，也就是说每一个工频周期内在该区间内都出现了放电。在区间100°-125°放电脉冲幅值进一步增大，并且放电区间向两边发展，扩展到80°-140°区间范围，而正负半周其他放电相位区间放电脉冲幅值没有明显的增加。

3 放电特征变化规律

3.1 特征信息提取

(1)相邻放电脉冲幅值最大比值Δumax特征

随着PD的发展，正负半周放电脉冲幅值呈现不同变化趋势。通过对正负半周相邻放电脉冲幅值特征进行分析发现，在不同放电发展阶段，相邻放电脉冲幅值比值同样呈现一定的规律性，这些比值特征可以作为反映放电发展阶段的特征[13]。比值特征如式(1)和(2)所示。

(1)

(2)

(2)相邻放电时间间隔ΔT特征

在不同的放电发展阶段，正负半周放电脉冲的密集程度不同，即相邻放电脉冲的时间间隔有差异。为此，提取式(3)-(5)所示特征参量，作为描述PD发展指纹信息。

(3)

(4)

ΔTmax=max(Δt1,Δt2,…,ΔtN-1)

(5)

(3)等值累积放电量Qacc特征

PD越剧烈，单位时间内的放电量越大，对绝缘的危害越严重，因此，一定时间内的放电量可作为表征PD严重程度的特征。研究表明，UHF PD信号幅值与PD视在放电量存在二次积分关系[14]，因此，定义等值累积放电量Qacc为：

(6)

式中，N为一个工频周期内放电次数；ui表示第i个放电脉冲幅值。

(4)放电信号熵En特征

信息熵表示信息的复杂度，熵越大，信息越丰富，复杂度越高[15]。对一个工频周期内的放电脉冲序列而言，在不同放电阶段，放电幅值、放电次数和相位分布表现出的差异性可以用信号的复杂度来表征，为此，本文构造如式(7)所示熵值En特征。

(7)

式中，N为一个工频周期内放电次数；ui为第i个放电脉冲幅值。

3.2 放电特征变化规律

(1)放电脉冲最大幅值u

图4所示为100个工频周期正负半周最大放电脉冲幅值u的平均值变化曲线。随着PD的发展，负半周放电脉冲最大幅值u呈增长-饱和趋势，从11.9kV到16.9kV，放电脉冲最大幅值u有少量的增长，从16.9kV开始，放电脉冲最大幅值u基本达到了饱和。正半周放电脉冲最大幅值u在整个放电发展阶段呈指数增长趋势，从起始放电电压开始到19.4kV电压下，放电脉冲最大幅值u小于负半周放电脉冲最大幅值u，从19.4kV开始，正半周放电脉冲最大幅值u开始超过负半周放电脉冲最大幅值u，并急剧增加，到电压为26.3kV时，放电脉冲最大幅值u已经达到65mV。

图4 工频正负半周最大放电脉冲幅值Fig.4 Maximum amplitudes of PD pulses in power frequency positive and negative half cycle

(2)放电次数N

图5所示为不同放电发展阶段一个工频周期正负半周平均放电次数N的规律曲线。可以看出，正负半周放电脉冲次数呈增长趋势，但负半周放电脉冲次数增长速率相对较平缓，在PD初始阶段，正半周放电脉冲次数很少，增长速度也很慢，但是到了16.9kV后，正半周放电脉冲数几乎成倍增长，到邻近击穿阶段，正半周放电脉冲数急剧增加，开始超过负半周放电脉冲次数。

图5 工频正负半周放电脉冲次数

(3)相邻放电脉冲幅值最大比值Δumax

图6为100个工频周期正负半周相邻放电脉冲幅值最大比值Δumax的平均值变化曲线。可知，正负半周相邻放电脉冲幅值最大比值Δumax变化规律与放电脉冲最大幅值u变化规律相似。正半周相邻放电脉冲幅值最大比值Δumaxx的呈指数增长趋势，特别是在19.4kV之后，相邻放电脉冲最大比值Δumax急剧增长；负半周相邻放电脉冲最大比值Δumax呈增长-饱和趋势，但在整个放电发展阶段，总增量较小。不同的是，正半周相邻放电脉冲幅值最大比值Δumax在临近击穿前增幅比放电脉冲最大幅值u增幅更加陡峭，而负半周相邻两放电脉冲幅值最大比值Δumax在整个PD发展阶段增长较平缓。

图6 工频正负半周相邻放电脉冲幅值比值最大值Fig.6 Maximum value of adjacent PD pulse amplitude ratio between positive and negative half cycles of power frequency

(4)相邻放电脉冲时间间隔ΔT

图7所示100个工频周期正负半周相邻放电脉冲平均时间间隔变化曲线。正负半周放电脉冲时间间隔ΔT呈近似指数衰减，从PD初始阶段开始，正半周放电脉冲时间间隔ΔT大于负半周相邻放电脉冲时间间隔ΔT，随着PD发展，这种差距逐渐缩小，在邻近击穿阶段，正负半周相邻放电脉冲时间间隔ΔT基本相等。

图7 工频正负半周相邻放电脉冲时间间隔平均值Fig.7 Average time interval of adjacent PD pulses in power frequency positive and negative half cycle

(5)相邻放电脉冲最大时间间隔ΔTmax

工频周期内相邻放电脉冲最大值时间间隔ΔTmax也就是正负半周中相隔最近两次放电脉冲时间间隔，它一定程度上表征着正负半周相位分布区间变化趋势，图8所示为100个工频周期内相邻放电脉冲最大时间间隔ΔTmax变化曲线。随着PD的发展，工频周期内相邻放电脉冲时间间隔最大值ΔTmax逐渐减小，正负半周放电脉冲相位分布区间逐渐拉近。

图8 工频周期内相邻放电脉冲时间间隔最大值Fig.8 Maximum time interval of adjacent PD pulses in a power cycle

(6)等值累积放电量Qacc

图9所示为一个工频周期平均等值累积放电量Qacc变化曲线。从起始放电到临近击穿，等值累积放电量Qacc呈指数增长趋势，施加电压越高，PD越严重，等值累积放电量Qacc越大，如果绝缘劣化越严重，特别是在临近击穿阶段，其等值累积放电量Qacc会急剧增长。

图9 不同放电阶段等值累积放电量Fig.9 Equivalent cumulative discharges capacity in different PD stages

(7)放电信号熵En

图10所示为不同PD阶段放电脉冲信号熵特征En曲线，放电信号熵En特征呈指数增长趋势，PD越严重，熵En值越大，工频周期内放电信号越复杂，信息含量越丰富。

图10 不同放电阶段放电信号熵特征Fig.10 Entropy feature of discharges signals in different PD stages

由图4-10可知，在不同PD阶段，放电特征信号的变化规律不同，利用这11个特征的差异信息构建用于PD阶段划分和PD严重程度判别的特征集，可克服在进行PD阶段划分时，由于PD阶段划分的模糊性导致的单一特征不足以描述不同PD阶段特征的问题，为进行PD严重程度评估提供更加完整的数据信息。这些特征信息与PD发展过程紧密相连，因此，采用这些特征参量可以有效实现PD发展阶段的划分和严重程度的评估。

4 放电发展中特征参量变化机理分析

在PD发展过程中，由于电子发射、SF6电离以及附着效应等，会在针-板间隙产生大量的带电粒子，在电场作用下，正负粒子会向相反的方向迁移，加强或削弱针电极前方电场[16-20]。

在负半周，正空间电荷加强了针尖附近电场，导致更容易发生放电，正半周相邻放电脉冲时间间隔ΔT大于负半周。随着电压增加，针尖附近局部电场越强，外施电压对针尖附近复合电场的影响越来越大，电离越剧烈，单位时间进入电极的正电荷量越大，放电脉冲幅值u越大，放电次数越多，相邻放电脉冲时间间隔ΔT越小。当电压较高时，正空间电荷更容易被吸入针电极，撞击阴极表面，产生二次电子，中和针尖附近部分正离子，导致负半周放电脉冲幅值u随电压的增加逐渐达到饱和。当电压转入正半周时，针尖附近残余正空间电荷削弱针尖附近电场SF6电离弱，不容易发生放电，放电脉冲幅值u小，相邻放电时间间隔ΔT较大。随着电压升高，SF6电离加强，产生大量带电粒子，同时由于电压越高，外施电压建立的电场加速正离子向阴极迁移，使正空间电荷对针尖附近电场的削弱作用减弱，因此，电压越高时，放电脉冲幅值u越大，放电次数越多，相邻放电时间间隔ΔT逐渐减少。另外，随着电压升高，正半周放电越强烈，电离产生的正电荷越多，残留的正电荷也越多，当电压转入负半周时，由于正空间电荷加强针尖附近电场，在电压转入负半周很短时间内就能引发PD，也就是放电相位逐渐向180°附近移动。所以相邻放电脉冲最大时间间隔ΔTmax逐渐减小，同时电压越大，放电过程中电荷的总转移量越大，迁移速度越快，越杂乱无章，因此，放电信号熵En和等值放电量随着PD的发展逐渐增大。

正空间电荷导致正负半周放电次数N增长趋势呈现差异性。在正半周电压较低时，由于正空间电荷对电场的削弱作用，导致正半周不容易放电，外施正弦电压需要升高的更高电压下才能激发SF6电离，因此放电次数N小于负半周放电次数N。在临近击穿电压下，在正半周，外加电场加速正离子向阴极迁移，当正弦电压进入下降阶段，由于正空间电荷对电场削弱作用会一直减小，所以放电仍然容易发生，而负半周，由于正电荷进入电极和中和效应，正空间电荷对针尖局部电场的加强作用一直减弱，在正弦电压进入下降阶段，复合电场一直减小，放电不容易发生，所以，在临近击穿阶段，正半周放电次数N逐渐超过负半周放电次数N。

正半周发生强烈放电会在针尖附近产生大量的正离子，削弱针尖附近电场，当外施电压上升到临界电压值时，由于正空间电荷作用，使针尖附近复合电场减小，所以放电强度较小，即每次大幅值的放电之后出现的总是小幅值的放电脉冲，当外施电压越大，特别是电压到达峰值附近时，外施电压建立的局部场强越大，电离越剧烈，放电脉冲幅值越大，在负半周，每次剧烈放电后，正离子撞击阴极表面产生的二次电子和电离产生的大量电子，向阳极迁移，中和部分正空间电荷；同时部分电子附着在中性分子上，形成负离子，削弱正空间电荷对针尖附近局部场强的加强作用，因此再次放电时，放电脉冲幅值小，所以正负半周相邻放电脉冲幅值最大比值Δumax均呈现出增长-饱和趋势。

总之，由于正空间电荷累积效应和对初始电场的畸变作用，以及正负半周放电产生放电脉冲的带电粒子自身的本质差异，导致正负半周各放电特征出现了相关的差异性和规律性。这些特征信息与PD发展过程紧密相连，采用这些特征参量可以有效实现PD发展阶段的划分和严重程度的评估。

5 结论

(1)采用阶梯电压法对金属突出物缺陷下的PD过程进行了研究，构建了不同PD发展阶段φ-u散点图和φ-n谱图，发现：随着PD的发展，正负半周放电脉冲幅值、放电次数和放电相位区间分布呈现出一定差异性和规律性。

(2)从PD产生和发展的物理微观过程出发，分析了正空间电荷PD特征参量变化规律的影响机理，阐述了带电粒子的本质特性是导致的正负半周放电特征变化规律不同的原因，解释了特征参量与放电发展的关系。