（电气工程专业论文）gis内多绝缘缺陷产生混合局部放电信号的分离研究.pdf

s t u d y o ns e p a r a t i o no f m i x i n g p a r t i a l d i s c h a r g es i g n a l sp r o d u c e db ym u l t i p e l i ns u l a t i o nd e f e c t sm o d e li ng i s at h e s i ss u b m i t t e dt oc h o n g q i n gu n i v e r s i t y i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n tf o rt h e d e g r e eo fd o c t o ro fe n g i n e e r i n g b v l iw e i s u p e r v i s e db yp r o f t a n gj u m a j o r ：e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g c o l l e g eo f e l e c t r i c a le n g i n e e r i n gc h o n g q i n g u n i v e r s i t y , c h o n g q i n gc h i n a 一 一一一 o c t ，2 0 1 0 中文摘要 摘要 气体绝缘组合电器( g a si s o l a t e ds w i t c h g e a r ，简称g i s ) 以低故障率和长检修 周期保障现代电网的安全稳定运行。局部放电( p a r t i a ld i s c h a r g e ，简称p d ) 是g i s 内潜在绝缘缺陷故障的早期表现形式，外置超高频( u l t r a - h i g hf r e q u e n c y ，简称 u h f ) p d 信号辨识已经发展成为g i s 内绝缘缺陷故障辨识最直接最有效的手段。 g i s 内的特殊空间结构和复杂的电气元器件布局以及多态p d 随机性的产生机理可 能导致g i s 内多绝缘缺陷状态。本文摈弃g i s 内只有单一绝缘缺陷诱发p d 信号 的认知，首次从多绝缘缺陷研究g i s 内的绝缘缺陷故障。 多绝缘缺陷必然诱发u h f 混合p d 信号，直接通过混合p d 信号获取g i s 内 绝缘缺陷信息( 绝缘缺陷个数和类型) 是极具挑战的f j 沿性课题。盲源分离( b l i n d s o u r c es e p a r a t i o n ，简称b s s ) 理论以不直接关心源信号的信息特征及混合过程， 仅通过对检测混合信号分离就能获取源信号信息。这个间接获取源信号信息的“黑 匣子特点与通过外置u h f 混合p d 信号直接获取g i s 内绝缘缺陷信息具有相同 目的，因此，本文首次提出采用b s s 理论对g i s 内多绝缘缺陷诱发的外置u h f 混合p d 信号进行分离研究。 对受干扰p d 信号直接降噪，会因过度降噪或降噪不够以及降噪方法的选择 不当，达不到理想的降噪效果，以造成p d 信号波形不应有的畸变乃至特征信息丢 失。针对p d 信号直接降噪的这种盲目性，本文首次提出对p d 信号的受干扰程度 先进行定量评估后再决定降噪以及降噪深度选择的思想，并提出采用基于二阶统 计量的信噪比估计理论以及构建适合p d 信号的信噪比估计规则，对实测u h fp d 信号的受干扰程度进行定量评价。 在g i s 内多绝缘缺陷状态下，各类绝缘缺陷对应的物理源位置以及p d 信号 传播通道具有不确定性，难以用确定的数学模型描述g i s 内p d 信号的混合过程。 作为混合p d 信号分离的理论分析基础，提出采用简化的线性瞬时混合模型和线性 卷积混合模型分别定性描述g i s 内p d 信号的混合过程，并针对不同混合模型提出 对应的混合信号分离算法。在实验室g i s 模型内构造四类典型绝缘缺陷对应的物 理模型，实测四类u h f 单一p d 信号，两两组合，构造四组模拟混合p d 信号； 同样，在试验g i s 模型内构造四组对应的多绝缘缺陷，获取实测u h f 混合p d 信 号。分别对模拟和实测混合p d 信号进行分离和对比分析研究。 对线性瞬时混合模型，提出采用基于二阶统计量的盲辨识分离算法( s o b i ) 及其改进的权值调整分离算法( w a s o b i ) ，对模拟和实测混合p d 信号进行分离： 利用评价参数分别对混合p d 信号的分离效果进行定量评价，比较算法改进前后分 重庆大学博士学位论文 离性能优劣；同时，定量比较分离评价参数，以确定影响混合p d 信号分离的关键 因素：构成g i s 内多绝缘缺陷的绝缘缺陷类型、绝缘缺陷间相对距离及混合过程。 对线性卷积混合模型，针对实测混合p d 信号的长时非平稳特征，借助加窗 傅里叶变换将混合p d 信号转换为在短时条件下平稳的频域混合p d 信号，并采用 解相关算法进行分离；利用频域分离信号包络线间的相关性对分离信号进行准确 重构，再通过傅里叶反变换获得分离的时域单一p d 信号；采用模拟和实测混合 p d 信号分别进行分离和对比分析，研究实测混合信号的卷积混合模型构成特征以 及验证g i s 内单一p d 信号的卷积混合模型假设，为g i s 内多绝缘缺陷的深入研 究奠定理论基础。 关键词：气体绝缘组合电器，多绝缘缺陷，局部放电，盲源分离，混合模型 英文摘要 a b s t r a c t g a si s o l a t e ds w i t c h g e a r ( g i s ) w i t hl o wf a i l u r er a t ea n dl o n gi n s p e c t i o ns p a n s e r v e st h es a f ea n ds t a b l eo p e r a t i o no fm o d e mp o w e r 鲥d p a r t i a ld i s c h a r g e ( p d ) i sa c o m m o np r e c u r s o rt ot h e p o t e n t i a l i n s u l a t i o nd e f e c t si ng i sc y l i n d e ra n dt h e i d e n t i f i c a t i o no fe x t e r n a lu l t r a - h i g hf r e q u e n c y ( u h f ) p ds i g n a lh a sd e v e l o p e dt ob ea n m o s ti m m e d i a t ea n de f f e c t i v ea p p r o a c ht oi n s u l a t i o nd e f e c t si n s i d eg i s i ti sp o s s i b l e t h a tt h es p e c i a ls p a c ea r c h i t e c t u r ei ng i sa n dp dm e c h a n i s mt o g e t h e rr e s u l t si nt h e m u l t i p l e i n s u l a t i o nd e f e c t si ng i sc y l i n d e r t h i s p a p e rg e t s r i do ft h eu n s o u n d k n o w l e d g et h a tt h eo n l ys i n g l ei n s u l a t i o nd e f e c te x c i t e ss i n g l ep ds i g n a la n dc o n s i d e r s t h es t a t u so nm u l t i p l ei n s u l a t i o nd e f e c t si ng i s i ti ss u r et h a t m u l t i p l ei n s u l a t i o nd e f e c t si g n i t em i x i n gp ds i g n a l s d i r e c t l y t h r o u g ht h e s em i x i n gs i g n a l st oa c q u i r et h ei n f o r m a t i o no ni n s u l a t i o nd e f e c t si ng i si s e x t r e m e l yo fc h a l l e n g i n ga n df r o n t b l i n ds o u r c es e p a r a t i o n ( b s s ) t h e o r yd i s c o n s i d e r s t h ei n f o r m a t i o nf r o ms o u r c es i g n a l sa n dm i x i n gp r o c e s st oa c q u i r et h ek n o w l e d g eo f s o u r c es i g n a l s 、析mt h eh e l po fs e p a r a t i n gs e v e r a lm i x i n gs i g n a l s 。t h ec h a r a c t e r i s t i co f b l a c kb o x i n d i r e c t l yf o rp dk n o w l e d g ei se x t r e m e l ys i m i l a rt ot h a to fo b t a i n i n gt h e i n f o r m a t i o n ( n u m b e ra n dt y p e ) o nm u l t i p l ei n s u l a t i o nd e f e c t si ng i sf r o me x t e r n a lu h f m i x i n gp ds i g n a l s t h e r e f o r e ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h eb s st h e o r yi n t or e s e a r c ho n m u l t i p l ei n s u l a t i o nd e f e c t si ng i sf o rt h ef i r s tt i m e d i r e c t l yd e n o i s i n gp ds i g n a lp r o b a b l ym a k e st h ee x p e c t e dd e n o i s i n ge f f e c t s u n s a t i s f y i n gd u et oo v e r - d e n o i s i n go ru n d e r - d e n o i s i n ga n di n a p p r o p r i a t ed e n o i s i n g m e t h o d ，a n de v e nc a u s e st h eu n e x p e c t e dd i s t o r t i o no fp dw a v e f o r ma n dt h el o s so fi t s c h a r a c t e r i s t i ci n f o r m a t i o n h e n c e ，t h i si d e ao nf i r s t l ye v a l u a t i n gt h ei n t e r f e r e n c ed e g r e e o fp ds i g n a li nt h eq u a n t i t a t i v ea n dt h e nd e n o i s i n gi ti sp r o p o s e di nt h i sp a p e ra n dt h e r u l ei sb u i l tf o rt h es i g n a l - t o n o i s er a t i o ( s n r ) e s t i m a t i o ns u i t a b l e f o rp ds i g n a lt o q u a n t i t a t i t i v e l ye v a l u a t et h ei n t e r f e r e n c ed e g r e eo na c t u a lp ds i 昏1 a lo nt h eb a s i so f2 一 o r d e rs t a t i s t i cs n re s t i m a t i o n t h e o r y d u et ou n c e r t a i np o s i t i o n so fi n s u l a t i o nd e f e c t su n d e rt h es t a t u so fm u l t i p l e i n s u l a t i o nd e f e c t si ng i s ，i ti sh a r dt ob u i l du pa l la c c u r a t em a t h e m a t i c a lm o d e lf o r m i x i n gp r o c e s so fp ds i g n a l si ng i sc y l i n d e r f o rt h e o r e t i c a la n a l y s i st ot h es e p a r a t i o n o fm i x i n gp ds i g n a l s ，t h es i m p l i f i e dl i n e a r & i n s t a n t a n e o u sm i x i n gm o d e la n dl i n e a r & c o n v o l u t i v em i x i n gm o d e la r ee m p l o y e d ，r e s p e c t i v e l y f u r t h e r m o r e ，d i f f e r e n tb s s i i i 重庆大学博士学位论文 a l g o r i t h m sa r ed e s c r i b e df o rd i f f e r e n tm o d e l s i ne x p e r i m e n t a lg i sm o d e l ，f o u rp h y s i c a l m o d e l sf o rt y p i c a li n s u l a t i o nd e f e c t sa r ec o n s t r u c t e df o ra c t u a lp ds o u r c es i g n a l s t w o o ft h e mf o rag r o u p ，4g r o u p so fs i m u l a t i n gm i x i n gp ds i g n a l sa r ed e s i g n e d s i m i l a r l y , 4 g r o u p so fm o d e l so fm u l t i p l ei n s u l a t i o nd e f e c t sa r ea r r a n g e di nt h i sg i sf o ra c t u a l m i x i n gu h fp ds i g n a l s b o t ho ft h e ma r ef o rt h es e p a r a t i o na n dc o m p a r a t i v ea n a l y s i s o fm i x i n gp d s i g n a l s 2 - o d e rs t a t i s t i cb l i n di d e n t i f i c a t i o n s e p a r a t i o na l g o r i t h m s o b ia n di t s w e i g h t s a d j u s t e da l g o r i t h mw a s o b if o rl i n e a r & i n s t a n t a n e o u sm i x i n gm o d e la r e e m p l o y e dt os e p a r a t et h e s em i x i n gp ds i g n a l si n c l u d i n gs i m u l a t i n ga n dr e a lo n e s t h e i r s e p a r a t i o ne f f e c t sa r eq u a n t i t a t i v e l ye v a l u a t e db ys e v e r a le v a l u a t i o np a r a m e t e r ss ot h a t t h ep e r f o r m a n c e sf o rs o b ia n dw a s o b ia r ec o m p a r e d o nt h eo t h e rh a n d ，c r i t i c a l i n f l u e n c ef a c t o r so ns e p a r a t i o ne f f e c ta r ed i s c u s s e d ，i n c l u d i n gt h et y p e so fi n s u l a t i o n d e f e c t s ，t h ed i s t a n c eb e t w e e n t w oi n s u l a t i o nd e f e c t sa n dt h em i x i n gp r o c e s si ng i s f o rl i n e a r & c o n v o l u t i v em i x i n gm o d e l ，a c t u a lm i x i n gp ds i g n a l sw i t l ll o n gt i m e a n dn o n - s t a t i o n a r yc h a r a c t e ra r ep a r t i t i o n e di n t oas e r i e so fs h o r tt i m ea n ds t a t i o n a r y m i x i n gp ds i g n a l si nf r e q u e n c yd o m a i ns p a c eb yv i r t u eo fw i n d o w e df o u r i e rt r a n s f o r m c o r r e l a t i o nd e c o m p o s i t i o na l g o r i t h mi su s e dt os e p a r a t et h e s es u b s e t so fs t a t i n a r yp d s i g n a l s t a k i n ga d v a n t a g eo ft h ec o r r e l a t i o no fe n v e l o p e so ft h e s es e p a r a t e dp ds i g n a l s ， t h e ya r ea c c u r a t e l yr e c o n s t r u c t e da n dt h e na r et r a n s f o r m e di n t os i n g l ep ds i g n a l si n t i m ed o m a i ns p a c eb yi n v e r s ef o u r i e rt r a n s f o r m m i x i n gp ds i g n a l sf r o ms i m u l a t i v e m i x i n gp r o c e s sa n dg i sm o d e l a r ee m p l o y e dt od e m o s n s t r a t es e p a r a t i o ne x p e r i m e n ta n d c o m p a r a t i v ea n a l y s i s e sa r ed o n e t h ec h a r a c t e r i s t i co fl i n e a r & c o n v o l u t i v em i x i n g m o d e lf o ra c t u a lp ds i g n a l sa r es t u y e da n dt h e nt h eh y p o t h e s i so fc o n v o l u t i v em i x i n g p r o c e s so na c t u a lg i si n s i d ei sv a l i d t e d ，w h i c hp a v e saw a yt ot h ef u r t h e rr e s e a r c ho n m u l t i p l ei n s u l a t i o nd e f e c t si ng i s k e y w o r d s ：g a si s o l a t e ds w i t c h g e a r , m u l t i p l ei n s u l a t i o nd e f e c t s ，p a r t i a ld i s c h a r g e ，b l i n d s o u r c es e p a r a t i o n , m i x i n gm o d e l i v 1 4 本文研究的主要内容15 1 5 研究思路与方案及可行性分析1 6 2 p d 信号的检测与分析19 2 1g i s 试验研究平台介绍1 9 2 1 1g i s 模型试验装置1 9 2 1 2u h f 传感器及其p d 检测系统2 0 2 2 典型绝缘缺陷物理模型构建与p d 获取2 3 2 2 1 四类典型绝缘缺陷物理模型构建：。2 4 2 2 2 单一p d 信号的获取2 5 2 2 3g i s 模型内多绝缘缺陷布置方案及混合p d 信号的获取2 7 2 3p d 信号干扰评价参数信噪比的二阶估计3 2 2 3 1p d 信号干扰分析与处理现状3 2 2 3 2 基于二阶统计量的s n r 估计理论3 3 2 3 3 模拟p d 信号的s n r 估计。3 5 2 4p d 信号受干扰程度的二阶估计4 0 2 5 本章小结。4 2 3 p d 信号的混合仿真模型与分离原理4 3 3 1 混合p d 信号的数学模型4 3 3 1 1 线性瞬时混合与分离模型4 4 3 1 2 线性卷积混合与分离模型4 6 3 2 盲源分离理论的可分离性与分离判定准则4 8 v i l l 3 3 6 1 1 2 如 一 1 1 1 重庆大学博十学位论文 3 3 盲分离问题解的不确定性原理4 9 3 4 盲源分离的对比函数准则5 0 3 4 1 信息论准则。5 0 3 4 2 高价累积量准则5 0 3 4 3 二阶统计量准则。51 3 5 混合p d 信号的分析与预处理( 白化) 5 2 3 5 1 混合p d 信号的空域相关分析5 2 3 5 2 混合p d 信号的预处理( 白化) 5 5 3 6 章小结。5 7 4 混合p d 信号的二阶统计量分离算法5 9 4 1 基于二阶统计量准则的分离算法及分离性能分析5 9 4 1 1 基于二阶统计量准则分离算法s o b i 原理5 9 4 1 2 二阶统计量准则分离算法的分离性能分析。6 0 4 2 改进的二阶统计量准则分离算法w a s o b i 6 3 4 3 分离评价参数。6 5 4 4 模拟混合p d 信号的分离与分析6 6 4 4 1 相对距离( d ) 对分离效果的影响分析6 6 4 4 2 混合矩阵( h ) 对分离效果的影响及统计分析8 0 4 5 本章小结8 6 5 混合p d 信号的卷积分离算法8 7 5 1 非平稳混合p d 信号的特性分析8 7 5 2 非平稳混合p d 信号的短时平稳划分策略8 9 5 3 分离信号“两个不确定性”问题的解决对策9 0 5 3 1 分离信号幅值不确定性的控制策略。9 1 5 3 2 分离信号顺序不确定性的应对措施包络线相关性判据9 2 5 3 3 频域分离单一p d 信号的重构实现9 2 5 4 卷积混合构造模拟混合p d 信号的分离与分析9 4 5 4 1 卷积混合构造模拟混合p d 信号9 4 5 4 2 模拟混合p d 信号的分离与分析9 6 5 5 本章小结9 9 6 实测混合p d 信号的分离与分析1 0 1 6 1 实测混合p d 信号的二阶统计量分离101 6 2 实测混合p d 信号的卷积分离1 0 5 6 3 两种分离算法效果比较1 0 9 v l l o l ll l ll 1 12 1 13 l l5 1 2 5 1 2 5 12 5 重庆大学博七学位论文 1 绪论 1 绪论 1 1g i s 在线监测现状 在现场安装后，经验收投运的气体绝缘组合电器( g a si n s u l a t e ds w i t c h g e a r ， 简称g i s ) ，如图1 所示，总的来说，运行可靠、维护少、检修周期长。然而，国 内外运行经验表明【l - 8 】，尽管g i s 设备运行的可靠性非常高，但因其内部不可避免 的缺陷仍会引发设备故障并逐步扩大，最终导致重大事故发生。运行电压等级越 高，则发生事故的概率越大，停电造成的损失和维修成本随之上升。局部放电 ( p a r t i a ld i s c h a r g e ，简称p d ) 是g i s 内绝缘故障的早期表现形式，是一个缓慢的绝 缘破坏过程，对运行中的g i s 而言是一种潜在隐患。因此，对运行c i s 内p d 的 检测及诊断，尤其是在线检测，对保证其健康运行具有重要的经济和社会意义。 图1 1 a b b 研制的户内g i s 系统 f i g 1 。li n d o o rg i ss y s t e mm a d ei na b b 对p d 的检测与分析是g i s 在线检测的重点项目，世界各国都不遗余力地开展 对p d 检测与分析的研究，特别是针对超高频( u l t r a - h i g hf r e q u e n c y ，简称u h f ) 法。英国、法国、日本和德国等发达国家对u h f 法进行了理论分析和试验研究。 英国s t r a t h c l y d e 大学开发了世界第一套u h f 检测系统与1 9 8 6 年安装在苏格兰的 t o m e s s 核电站。在上世纪9 0 年代，英国所有的新建g i s 装置都安装了u h f 检测系统。 英i 垂i s t r a t h c l y d e 大学分别采用内、外部耦合式传感器在不通电压等级和不同g i s 管 道尺寸上对p d 信号进行检测和分析研究，该校的j u d d 教授提出一种用于分析电磁 场的有限时域差分( f d t d ) 方法【9 1 0 1 ，他将电场e 和磁场h 在空间和时间上都取离散 重庆大学博七学位论文 表达形式，对任意位置的p d 信号( 即使是快速暂态量) 用数学变量表达，在整个结 构很复杂的电场模型下p d 信号的特性变化都很大，因此，该方法对p d 的检测和分 析很有效。瑞士z u r i c h 大学研制出一套包括宽、窄带的多通道、高灵敏度的g i s 内 p d 检测系统，其每个测量通道包括一个低噪声宽带传感器并附带高压暂态保护， 特别适合g i s 的长期运行监测，可实现对不同故障源的监测、定位和故障类型识别。 日本东芝电气公司应用u h f 法对2 个3 0 0 k vg i s 的p d 进行过测量，研究发现可以通 过对比传感器u h f 信号的幅值进行放电源的定位。2 0 0 0 年，日本大阪大学的k a w a d a 于提出一种用于宽带电磁波( e m ) 动态频谱分析的小波方法i l n ，这种非接触式监测 故障征兆的方法是使用由高斯函数产生的g a b o r 函数实部作为母小波对电磁波信 号进行小波变换，经小波变换后的p d 信号能在干扰波( 如f m 广播信号) 背景下清晰 分辨，分析结论认为：q ( 放电水平) 很低时，电磁波的主要部分在1 2 0 - 一2 0 0 m h z 高频段；q 增加时，主要部分转换到2 0 8 0 m h z 低频段，且低频段的耐压值上升。 2 0 0 1 年，日本名古屋大学的t o s h i h i r oh o s h i n o 提出一种新的g i s 中由p d 引起的电磁 场监测技术相位门极控制法2 。，通过分析在s f 6 气体中的p d 信号和空气中的外 部噪声所引起电磁波之间的区别，再根据在空气和s f 6 气体中p d 与电压相位角间的 关系不同作为依据进行判断。2 0 0 2 年，日本k a w a d a 又提出一种新的用于监i 9 l t j p d 源 的u h f 无线电抗干扰系统，该系统根据不同频率提取的两个经傅立叶变换后的电 磁( e m ) 信号，通过其相位差来判断p d 程度，并计算从p d 源发射的电磁波方向， 其不需要安装天线而减少测量现场的操作时间3 1 。瑞士a b b 高电压技术公司在 5 5 0 k v g i s 试验装置中对u h f 法的适用性与灵敏度进行了深入的研究，并与常规的 脉冲电流法作了对比，尽管如此，在信号检测的准确度、灵敏度和抗干扰以及模 式识别等方面的研究深度还远远不能满足工程需求。挪威t r a n s i n o r a s 公司的s c h e i 最近研制出一种新的超声波绝缘分析器，主要是针对自由移动微粒、固定微粒和 突出物以及漂浮物引起的p d 进行监测、定位和模式识别l l 训。 我国对g i s 内u h fp d 的在线监测同样进行深入研究并已取得了初步成果 b s 1 1 6 - 1 s 。清华大学于1 9 9 5 - 1 9 9 7 年间相继研制和开发出基于u h f 法的便携式p d 检 测仪和3 3 0 k v g i s 内p d 在线检测系统，均采用g i s # b 部检测法，具有很强的实用性 并己投入使用，取得了良好的效果。西安交通大学的邱毓昌、王建生等人对放电 脉冲产生的电磁波在g i s 同轴腔体的传播进行了测量和理论分析，认为在s f 6 内p d 的频率大部分在1 g h z i 为，t e 波和t m 波为主要成分【1 9 1 。清华大学刘卫东 2 0 1 等人利 用外置传感器在多家( 3 i s 生产厂家和4 0 多个变电站进行实地测量，对g i s 设备内部 的金属颗粒进行针对性的研究，并粗略地进行视在放电量的标定工作。重庆大学 孙才新、唐炬等人研制了多种u h f 传感器并以成功开发出g i s 内p d 在线检测系统， 已在重庆地区多个g i s 站投入使用，对u h fp d 电信号进行有效监澳1 j 2 1 2 3 1 。 2 1 绪论 1 2g i s 内绝缘缺陷分析及p d 检测 1 2 1g i s 内部绝缘缺陷分析 绝缘缺陷类型： 从g i s 变电站长期运行及维护的经验表明，g i s 设备故障多数是由g i s 设备内部 的绝缘故障引起的【2 4 1 。来自河南电网调查，在l l o k v 电压等级以上的6 0 余座g i s 变 电站，1 9 9 6 年以来发生g i s 事故1 0 余起，其中连续发生3 起因放电现象造成g i s 事故， 其中一座新建1 1 0 k v g i s 变电站在投运7 个月后因支撑绝缘子闪络引发相对地短路， 造成三相支撑及盆式绝缘子、管母等多处烧损。根据c i g r e 2 3 1 0 工作组国际调查 报告的统计，在日本投运的g i s 中，1 9 8 5 年以前发生的5 6 2 次故障中绝缘故障占 6 0 ，1 9 8 5 年以后发生的2 4 7 次故障中绝缘故障占5 1 。总的来看，绝缘故障是g i s 故障中最频繁最常见的故障。为此，根据现场报道及相关文献，对g i s p q 部的绝缘 缺陷进行分析和总结。 对新安装的g i s 设备，交流耐压试验是交接试验中的必要环节【2 5 。2 9 】，其目的是 对g i s 设备做“老炼”处理，去除g i s 中金属毛刺等并将可能存在的碎屑吸收到低场 强区域。现场经验表明，交流耐压试验并不能彻底发现并消除g i s 设备中的某些微 小缺陷，如固体绝缘材料内部的微小缺陷、导体接触不良等。在正常运行电压下， 这些微小缺陷短时间内一般不会发生绝缘击穿，但在长期运行中g i s 内的绝缘强度 会进一步劣化，为g i s 内部绝缘缺陷的产生和发展创造了前提条件。 g i s 设备是将电器元件相互直接联接在一起而密封在充满s f 6 绝缘气体的特殊 腔体空间内而构成的复杂系统，运行中的绝缘劣化往往发生在不同的g i s 部位，特 别是操作机构及支撑绝缘子。根据统计【l j ，不同部位绝缘故障率的平均分布如图1 2 所示，诱发绝缘故障的缺陷类型也各不相同，其比例分布如图1 3 所示。 图1 2 绝缘故障部位分布 f i g 1 2d e f e c tl o c a t i o nd i s t r i b u t i o n 3 图1 3 绝缘缺陷类型分布 f i g 1 3d e f e c tt y p ed i s t r i b u t i o n 重庆大学博士学位论文 图1 2 表明，g i s 内部的绝缘故障主要集中分布在操作机构、支撑绝缘子、互感 器等部位。对于断路器、接地开关和隔离开关操作机构而言，操作过程中产生的 快速暂态过电压( v f t o ) 使得g i s 内部产生p d 甚至s f 6 绝缘介质被击穿、支撑绝缘 子表面发生沿面放电或闪络；对于互感器、避雷器和套管的故障，多数原因是这 些元器件对g i s 内隔离开关( d s ) 操作时引起的v f t o 的耐受能力差引起的；对于 支撑绝缘子，长期的运行使得绝缘子的能力下降以及制造质量( 气泡或裂纹) 和 安装遗留下的污迹、尘埃等都会引起绝缘子部位的绝缘故障；对于其他不明组成 部分，主要来i 刍g i s 内导体间接触不良、金属微粒以及s f 6 气体中的微水导致产生。 对于g i s 内部的绝缘缺陷类型，图1 3 细分为8 类，各种绝缘缺陷类型所诱发的 绝缘故障在g i s 事故中的比率各不相同，主要集中在金属微粒和导体间的接触不 良，但绝缘子缺陷、金属突出物以及绝缘配合等的诱因也不能忽视。从现场运行 和维护经验总结【3 0 l ，g i s 内部的典型绝缘缺陷可以划分为4 大类：金属微粒； 绝缘子气隙；金属突出物；绝缘子污染物，其位置和结构示意图如图1 4 所示。 图1 4g i s 内部绝缘缺陷类型示意图 f i g 1 4s k e t c ho fi n s u l a t i o nf a u l t si ng i s 1 ) 金属微粒缺陷( 简称p 类) ：这些微粒可能是由于g i s 安装施工时人为带 入而交流耐压前清理不净、操作机构多次操作后产生的金属碎屑以及紧固件的切 削碎屑和电极表面的毛刺等各种原因形成的。尽管对g i s 进行现场“老炼”处理， 其目的是清除g i s 内部可能存在的导电微粒或非导电微粒，但仍不能彻底地清除 g i s 内部的微粒，特别是g i s 在长期运行中操作机构自己产生的微粒是必然存在 的。金属微粒的形状各异，它们能够在外电场作用下感应电荷以获得足够的电场 能量，并在电场力的作用下发生跳动或位移。金属微粒的移动能力既取决于微粒 本身的材料和形状，又取决外电场的强度和微粒所在的空间位置等因素。当因金 属微粒在g i s 内部空间无规则移动而破坏了g i s 内的局部绝缘强度，从而产生因 4 1 绪论 金属微粒所致的p d 现象，甚至引起严重的g i s 绝缘故障。 2 ) 绝缘子气隙缺陷( 简称g 类) ：气隙缺陷主要包括绝缘子在生产过程中残 存在绝缘子内部的气隙以及绝缘子与高压导体交界面之间接触不充分而形成的气 隙。气隙空间通常很小，多数是由于在制造过程和g i s 安装过程中产生。由于环 氧树脂和金属电极具有不同的热膨胀系数，在绝缘子生产固化过程中的不均匀收 缩使得绝缘子内部产生空隙或层离，从而形成绝缘予气隙缺陷；在g i s 装配过程 中，导体的机械运动摩擦产生划痕以及绝缘子安装接触面与导体接触面的不光滑 等因素使得接触面间的不充分而形成气隙。由于气隙的大小、形状不同以及气体 放电本身的特点，使得绝缘子气隙放电机理特别复杂j ，大体可以归纳以下几种 可能：( 1 ) 气隙贯穿的气体放电；( 2 ) 沿气隙上下底面的沿面放电；( 3 ) 沿气隙壁的表 面放电；( 4 ) 多个气隙形成错综复杂的气体放电。 3 ) 金属突出物缺陷( 简称n 类) ：金属突出物缺陷是主要是高压导体上的毛 刺、焊疤或尖角等形成的。在稳态交流电压下，在金属突出物周围附近形成局部 高场强区。当电场强度达到气体的击穿场强时在该处发生电晕放电。它是极不均匀 电场所特有的一种自持放电形式。产生电晕后，如果该点处的局部电场强度继续 升高或电晕周围的介质绝缘强度减弱，则金属突出物