CN102435919A - 一种用于测试sf6气体放电分解产物特性的试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于测试SF₆气体放电分解产物特性的试验系统装置，包括试验变压器、阻容分压器、气体放电装置、单反相机、放电量检测单元、取气回路和傅里叶红外光谱仪。能够模拟不同类型的放电故障，包括针板电晕放电，火花放电，颗粒放电和悬浮电位放电，利用响应快速、精度高的傅里叶红外光谱仪分析不同放电故障下气体分解产物组分及规律，结合单反相机记录的光信号和示波器记录的电信号，提取出反映放电故障的典型气体及特征量，为应用SF₆气体分解产物诊断设备运行状况这一技术奠定试验和理论基础。本发明具有操作简单、严密实用、拓展便宜、测量准确、获取信息量多的优点。

Description

一种用于测试SF6气体放电分解产物特性的试验装置

技术领域

本发明涉及气体绝缘全封闭式组合电器(GIS)故障诊断技术领域，涉及应用SF₆气体分解产物检测以分析诊断设备运行状况这一研究课题。

背景技术

气体绝缘全封闭式组合电器(Gas-insulated metal-enclosed switchgear，GIS)因其结构紧凑，占地面积小，可靠性高等特点在超高压和特高压电网中得到了广泛推广。据国际大电网会议(CIGRE)统计表明，GIS年故障率为0.01～0.02/站，约为常规设备故障率的10％。随着GIS的大规模使用，因内部绝缘材料和安装质量问题引起的故障和事故逐渐增多，作为电网系统最重要的电力设备之一，GIS一旦发生故障将会造成严重的后果，其直接危害变电站主设备受损，造成供电中断，带来大面积区域停电，影响正常的生活、生产甚至社会稳定。因此，提高GIS运行的可靠性对整个电网的安全可靠运行具有十分重要的意义。

GIS在工厂中制造、试验之后，是以运输单元的方式运往安装工地的。设备在运输、储存和安装中可能发生的问题有零部件松动、脱落，电极表面刮伤或安装错位引起的电极表面缺陷，导电微粒进入或工具遗忘在装置内等，这些隐患的存在和发展会造成设备内部发生火花放电、电晕、局部放电和过热等问题，导致绝缘气体SF₆发生分解及复杂的化学反应，生成多种由氟、硫和氧等组成的气体化合物，伴随产生的电信号和产物信号在反映故障的同时，也可用于诊断故障。

局部放电检测是对GIS进行故障诊断的重要手段之一。围绕GIS局部放电检测，国内外的研究者进行了大量的研究，提出了多种检测方法。这些方法可以分为四类：检测超高频(UHF)电磁波、放电电流或导体电压变动等电气信号的方法；检测超声(AE)或振动的方法；检测发光的方法；检测SF₆气体分解物的方法。目前，国内外关于UHF检测法和AE检测法的研究比较活跃，但这两种方法有一个共同的弱点，就是易于受到外界噪声的干扰。与UHF检测法和AE检测法相比，检测SF₆气体分解物的方法具有不受电磁噪声和振动干扰的优点，适合于现场使用；初步研究表明，不同放电类型可能导致SF₆分解过程与气体分解产物种类及含量不同，而且随着局部放电和过热的持续，SF₆分解气体的量也将逐渐累积，故该方法非常适合于GIS状态长期监测。

目前，大多数研究只是简单罗列SF₆气体分解物的种类，既没有研究反映故障的典型气体种类，也没有研究缺陷条件和典型气体浓度之间的关系，以及各种典型气体浓度之间的相互关系。此外，分解产物组分较多，含量微少不易测量，化学反应复杂，使得SF₆气体在放电作用下化学反应过程成为一个研究难题。

发明内容

本发明的目的是在实验室模拟多种故障放电，采用傅里叶红外光谱作为检测手段，研究各种放电类型下SF₆气体分解产物组分及含量规律，提取出反映放电故障的典型气体及特征量，为应用SF₆气体分解产物诊断设备运行状况这一课题奠定试验和理论基础。

本发明是通过以下技术方案来解决：

一种用于研究SF₆气体放电分解产物特性的试验装置，包括：带有过流保护的试验变压器、阻容分压器、气体放电装置，放电电极的放电发光情况，可用单反相机透过嵌在合页门上的石英玻璃进行记录，压力表监测气体放电装置内的气压大小，阻容分压器和放电量检测单元将信号通过同轴电缆传输到示波器，纯SF₆气体经聚四氟乙烯管由进气口充入气体放电装置，试验结束后的废气经出气口使用真空泵抽离，采样口用于采集试验气样，真空表监测气体池及聚四氟乙烯管道内的气压情况，傅里叶红外光谱仪扫描气体池内的试验气样，得到SF₆气体分解产物的吸光度光谱图。

所述的放电电极采用外螺纹形式，可以方便地更换，模拟不同类型的放电故障，包括针板电晕放电，火花放电，颗粒放电和悬浮电位放电等类型。

所述的合页门便于试验中更换电极及准确调整电极的位置，此外，可便于清洗腔体内部，保持试验环境的洁净。

所述的放电量检测单元设计为50Ω的检测阻抗，将放电产生的电流脉冲信号转化成电压脉冲信号，同时采用二极管双限幅电路对检测阻抗进行保护。

所述的气体池用于采集试验气样，首先使用真空泵将聚四氟乙烯管及气体池抽真空，然后调节阀门，充入定量气样此过程由真空表(-0.1MPa～0)进行监测。

本发明具有以下有益效果：

1)本发明的气体放电装置能模拟多种放电故障，包括针板电晕放电，火花放电，颗粒放电和悬浮电位放电等类型，操作简单，灵活方便。

2)本发明同步采集故障放电时的光信号和电信号，丰富了试验数据，结合气体产物试验结果，能更全面地分析放电状况。

3)本发明设计了严密的取气流程和取气方法，保证了气样检测结果的真实性和有效性。

4)本发明从测量模式、切趾函数、扫描次数、分辨率，扫描范围，光谱差减6个方面进行优化，有效地提高了试样光谱的信噪比。

附图说明

图1本发明的试验装置结构示意图；

图2本发明的放电电极结构示意图；

图3本发明的放电量检测单元；

图4本发明的针板电极放电时示波器显示波形(部分)；

图5试验气样的吸光度光谱图及分解产物标定(针板电晕放电)。

具体实施方式

下面结合附图进一步加以详细说明；

如附图1所示，一种用于测试SF₆气体放电分解产物特性的试验系统装置，包括：带有过流保护的试验变压器1、阻容分压器2、气体放电装置3，放电电极4的放电发光情况，可用单反相机6透过嵌在合页门7上的石英玻璃5进行记录，压力表8监测气体放电装置3内的气压大小，阻容分压器2和放电量检测单元9将信号通过同轴电缆19传输到示波器10，纯SF₆气体14经聚四氟乙烯管20由进气口11充入气体放电装置3，试验结束后的废气经出气口12使用真空泵15抽离，采样口13用于采集试验气样，真空表16监测气体池17及聚四氟乙烯管道20内的气压情况，傅里叶红外光谱仪18扫描气体池17内的试验气样。

附图2(a)为针板电极放电，1为针电极，2为平板电极，电极间为极不均匀场，该模型可用于模拟GIS电极表面毛刺或小突起引起的电晕放电，针电极曲率为0.5mm，针板电极间距0～15mm；图2(b)为悬浮电位放电，1、3为针状电极，2为聚四氟乙烯绝缘环，连接1、3部件，4为平板电极，该模型可用于模拟导体之间接触不良或螺丝松动引起的悬浮电位放电，悬浮电极可调节(0～10mm)；图2(c)为颗粒放电，1为平板电极，2为有机玻璃挡板，便于观察放电现象，3为平板电极，该模型可用于模拟残留在GIS腔内的金属导电颗粒引起的颗粒放电，，试验分单颗粒放电和多颗粒放电。图2(d)为三电极火花放电模型，可用于模拟隔离开关操作时的火花等，1、3两个电极为主电极，直径60mm，主电极顶部为球冠结构，曲率半径约80mm，主电极间距在4～16mm之间可调，2为触发电极，外接触发电路。

本发明的放电电极均采用采用外螺纹形式，可以方便地更换电极和调节电极间距。设计了四种不同的电极结构用于模拟不同类型的放电故障，包括针板电晕放电，火花放电，颗粒放电和悬浮电位放电，如附图2所示。相关的研究首先在一种放电下深入展开，采用放电量作为气体产物含量统一的表征方式，分析放电分解产物组分及含量变化规律，掌握主要气体分解产物的生成机理；其次，其次展开各种模拟放电故障研究，在上述试验规律和总结的基础上，有效地提取反映放电故障的典型气体及特征量。

本发明的合页门7设计出发点就是方便在试验中更换电极及准确调整电极的位置，合页门采用“O”密封圈进行密封。此外，可便于清洗腔体内部，保持试验环境的洁净。

本发明的气体放电装置3最高承受气压为0.6MPa，气压表的量程为0～0.6MPa。在本试验的条件下，可以考察气压、微水含量、电极材料、电晕电流强度、颗粒形状及数目、悬浮电位位置、吸附剂等不同因素对气体分解产物造成的影响，分析影响因素的作用机理和作用结果，并进一步推导气体分解产物生成的过程和机理。

本发明的放电量检测单元设计为50Ω的检测阻抗，同时采用二极管双限幅电路对检测阻抗进行保护，如附图3所示。放电量检测单元的功能就是将放电产生的电流脉冲信号转化成电压脉冲信号，如附图4所示，故放电量为：

$Q=\∫\frac{U}{R}\mathrm{dt}$

式中：

U——检测电阻两端电压瞬时值；

R——检测阻抗阻值。

本发明的气体池17用于采集试验气样，为保证所采气样的可靠性和有效性，设计了由不锈钢真空阀13、真空压力表16、气体池17、聚四氟乙烯管路20、真空泵15等组成的取样回路。聚四氟乙烯管路具有耐化学腐蚀、耐高温特点，不会与气样中腐蚀性气体发生反应；不锈钢真空阀可调节管路中气流流速，使气样匀速充入气体池；为防止取样过程中取样口的阀门操作不慎，打开过快导致气体池充入超量气样，取样时，将此阀控制在合适的打开状态，可保证气体池的安全；真空压力表的测量范围0～0.1MPa，用于监测取样回路和气体池中的气压，可保证气体池每次准确充入定值气压；真空泵用于充气前对取样回路抽真空，其极限真空度可达0.002个大气压，试验验证了整个气路密封性良好。

本发明的取样流程进行了严密的设计，1)取样前先断电，在取样口阀门13关闭，气体池17阀门均打开时，用真空泵15将取样回路及气体池抽真空，并保持10min；2)将气体池一侧阀门关闭，使其与真空泵隔离，此时缓速打开取样口阀门，将气样匀速通入气体池；3)密切注视真空压力表的数值变化，充入100kPa时，迅速关紧取样口阀门，然后关闭气体池阀；4)重新对气体放电装置加压，红外扫描试验气样。

本发明的傅里叶红外光谱仪进行了细致的参数优化，要想获得一张比较理想红外光谱图，必须根据试验目的，样品特性和光谱图效果等要求，通过大量检测试验，设置合理测试参数。参数优化的目的就是为了提高光谱图的信噪比，信噪比SNR(signal-to-noise ratio)是信号与和噪声的比值。进行红外光谱扫描时，应尽可能地提高信噪比。影响信噪比的参数有：测量时间t、分辨率Δv、红外光通量E、干涉仪动镜扫描速度和切趾函数等。其表达式如下所示：

SNR∝t^1/2ΔvE

式中：

t——测量时间/min；

Δv——分辨率/cm^-1；

E——红外光通量。

本发明从测量模式、切趾函数、扫描次数、分辨率，扫描范围，光谱差减6个方面进行优化。经过多组试验气样的分析比较，切趾函数选为Happ-Genzel切趾函数，分辨率为0.5cm^-1，扫描次数为20次，扫描范围为400～4000cm^-1。经过参数的优化，所得试验气样吸光度光谱图有比较好的扫描效果，如附图5所示。

Claims (4)

1.一种用于测试SF₆气体放电分解产物特性的试验装置，包括：带有过流保护的试验变压器(1)、阻容分压器(2)、气体放电装置(3)，其特征在于，放电电极(4)在气体放电装置(3)内部，单反相机(6)布置在合页门(7)外侧，合页门(7)上嵌石英玻璃(5)，压力表(8)与放电装置(3)连接，阻容分压器(2)和放电量检测单元(9)通过同轴电缆(19)连接到示波器(10)，纯SF6气体(14)经聚四氟乙烯管(20)、进气口(11)与放电装置(3)连接，出气口(12)与真空泵(15)连接，样气通过采样口(13)、真空表(16)、监测气体池(17)与傅里叶红外光谱仪(18)连接。

2.根据权利要求1所述的测试SF₆气体放电分解产物特性的试验装置，其特征在于：所述的放电电极(4)采用外螺纹形式。

3.根据权利要求1所述的测试SF₆气体放电分解产物特性的试验装置，其特征在于：所述的放电量检测单元(9)设计为50Ω的检测阻抗，将放电产生的电流脉冲信号转化成电压脉冲信号，同时采用二极管双限幅电路对检测阻抗进行保护。

4.根据权利要求1所述的测试SF₆气体放电分解产物特性的试验装置，其特征在于：所述的气体池(17)用于采集试验气样，首先使用真空泵(15)将聚四氟乙烯管(20)及气体池抽真空，然后调节阀门，充入定量气样此过程由真空表(16)(-0.1MPa～0)进行监测。

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