- 頭條X射線激勵能降低SF6直流針尖局部放電的起始電壓2021-02-20 作者：張強 張瀚馳 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語新能源電力系統國家重點實驗室（華北電力大學）的研究人員張強、張瀚馳、李成榕、馬國明，在2019年第24期《電工技術學報》上撰文（論文標題為“X射線激勵對SF6中直流針尖放電的影響”）指出，X射線能夠電離SF6氣體，在針尖缺陷附近產生光電離，為放電區域提供有效電子，從而降低放電統計時延，降低局部放電的起始電壓，實現局部放電特征的外部調控。 國外已有研究表明，X射線激勵能影響固體絕緣中微小氣隙缺陷局部放電的特性。為了研究X射線激勵對SF6氣體中針尖缺陷局部放電的影響，搭建了基于實體252kV GIS的局部放電試驗平臺，設計了GIS中常見的針尖放電模型，基于特高頻方法測量了X射線激勵下直流電壓針尖缺陷的放電特性。對該文設計的長15mm、曲率半徑為50μm的針尖缺陷，X射線能夠分別降低正、負極性下的針尖放電起始電壓約28.6%和15.6%；提高正、負極性放電脈沖重復率（正極性5.3～17.0倍，負極性80.4～166.7倍）；降低正極性放電的特高頻信號幅值約35.3%。其研究結果可以為直流GIS/GIL絕緣缺陷局部放電檢測提供一種手段。
局部放電（Partial Discharge，PD）是絕緣材料內部或表面局部區域的微小擊穿放電現象。持續的局部放電會導致缺陷區域的不斷破壞，整體絕緣能力逐漸下降，壽命縮短，更有可能在短時間內造成絕緣擊穿等嚴重事故。因此，局部放電被認為是造成絕緣失效的主要原因之一，也是絕緣劣化的重要宏觀表征。
經過數10年的研究，電氣設備局部放電的測量、診斷及定位方法取得了豐碩的成果。然而，現有局部放電檢測技術仍面臨三個難題。局部放電檢測靈敏度不足。在實驗室條件下，脈沖電流法檢測下限約1pC；而在現場條件下，脈沖電流法將面臨難以克服的電磁干擾問題，難以實現高靈敏度測量。
局部放電缺陷定位準確度不佳。由于局部放電信號檢測靈敏度較低，造成現場檢測信噪比小，且信號的多徑傳播還會造成信號的衰減、畸變和疊加，常常導致放電源定位困難，甚至無法定位。
難以診斷出放電時延較長的局部放電信號。受試驗條件和試驗時間的限制，在出廠試驗和交接試驗中試驗時間較短，一些缺陷的局部放電脈沖間隔較長，不能表現出明顯的放電統計特征，常常導致這些統計時延較長的脈沖被誤判為干擾。尤其是在直流電壓下，沒有交流電壓相位參考，難以準確區分長間隔放電脈沖和外界干擾，給直流局部放電測量帶來極大困難。
X射線是一種波長極短（0.01～10nm）的電磁波，具有較強的電離能力。在面臨復雜多變的局部放電檢測實際問題時，可以通過選擇特定能量的X射線對絕緣缺陷的局部放電進行激發，人為影響局部放電的發生和發展，降低局部放電的隨機性，從而為解決局部放電檢測難題提供一種思路。
目前，國內外學者對X射線激勵下固體絕緣中微小氣隙等局部放電現象開展了大量研究。1967年，G.Mole等首次將X射線用于33kV金屬封閉母線內部絕緣件放電定位，成功發現一起絕緣件因局部熔化產生氣泡缺陷的故障。
1988年，加拿大安大略水電局S.Rizzetto、J. M.Braun等首次指出，射線輻照能夠提高固體絕緣氣隙內部有效電子產率，從而在宏觀上減小放電統計時延，使得氣隙放電在較低電壓下變為易于觀察和區分的連續性放電。
2013年，ABB瑞士研究中心開發了一套X射線激勵GIS絕緣子中氣隙放電成套檢測裝置，有效地防止了具有氣隙缺陷的絕緣子進入GIS產品組裝線。ABB對超過20000個絕緣子進行了檢測，發現該系統可檢出最小尺寸為0.5mm的制造氣隙缺陷，且可以使得420kV絕緣子的氣隙放電起始電壓降低至120kV。
2015年，東芝公司、日本九州工業大學探索性地將X射線激勵氣隙放電技術用于環氧樹脂澆注干式互感器內缺陷定位，該技術通過使用窄射線束準直裝置精確控制照射面積和位置，該方法能夠克服鐵心、繞組等的影響，實現對環氧樹脂澆注缺陷進行精確檢測。
現有X射線激勵局部放電檢測技術主要用于固體絕緣生產缺陷的檢測，取得了很好的效果。原因是固體絕緣氣隙中的氣體通常是低氣壓空氣，分子個數少，X射線的電離作用能在初始放電階段提供足夠的有效電子，顯著地促進了氣隙局部放電的產生和發展。
而對于GIS/GIL內部其他類型典型缺陷，如高壓導體尖刺、懸浮導體或絕緣子沿面等類型的缺陷，正常運行條件下的高氣壓SF6氣體具有很強的電子吸附能力，是否會吸附X射線電離出的自由電子，削弱或抵消X射線的電離作用，導致缺陷局部放電不受外界影響，目前尚缺少相關研究。
新能源電力系統國家重點實驗室（華北電力大學）的研究人員張強、張瀚馳、李成榕、馬國明，在2019年第24期《電工技術學報》上撰文（論文標題為“X射線激勵對SF6中直流針尖放電的影響”），針對電氣設備局部放電檢測面臨的難題，探索了X射線激勵對運行條件下GIS/GIL中針尖缺陷放電激發的可行性，明確了X射線激勵對高氣壓SF6氣體中直流針尖局部放電特征的影響規律，為X射線激勵下SF6氣體環境中缺陷的局部放電高靈敏度檢測方法提供基礎。
1）對本文設計的長15mm、曲率半徑為50μm的針尖缺陷，X射線激勵能夠降低正、負極性直流局部放電起始電壓約28.6%和15.6%，即對正極性針尖放電起始電壓降低的程度更大。
2）對本文設計的長15mm、曲率半徑為50μm的針尖缺陷，X射線激勵能夠顯著提高正、負極性放電的脈沖重復率，提高正極性放電脈沖重復率5.3～17.0倍，提高負極性放電脈沖重復率80.4～166.7倍，并相應地降低正負極性針尖放電間隔時間。X射線激勵能夠改變針尖放電特高頻信號的幅值分布，降低正極性放電的特高頻信號幅值約35.3%，有明顯的“抑制”效果，對負極性放電影響較小。
3）X射線的光子能量高于SF6分子的電離能，通過光電效應和康普頓效應分步電離SF6分子，產生額外的自由電子，并克服SF6氣體對自由電子的吸附，產生有效電子參與局部放電，降低放電統計時延，影響放電的發生和發展過程。
