CN106646162B - 一种高压开关柜电缆局部放电监测模拟系统 - Google Patents

一种高压开关柜电缆局部放电监测模拟系统 Download PDF

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Abstract

一种高压开关柜电缆局部放电监测模拟系统，构成中包括升压装置、放电室、气体吸收池、抽气泵、氮气源、光纤光谱仪、计算机和两个换向阀，第一换向阀的a口接抽气泵的进气口，b口接氮气源，c口依次经放电室和气体吸收池接第二换向阀的b口，第二换向阀的a口接抽气泵的出气口，c口接大气；所述升压装置的高压输出端接放电室内的放电装置；所述光纤光谱仪的发射端和接收端分别接气体吸收池两端的进光口和出光口，光纤光谱仪的监测信号输出端接计算机。本发明可进行多种高压开关柜电缆局部放电的模拟实验，适用于在实验室中进行多组分气体的产生与在线监测实验以及间接模拟并判断带电设备的运行状态，为局部放电监测方法的研究提供了技术支持。

Description

一种高压开关柜电缆局部放电监测模拟系统
技术领域
本发明涉及一种能够间接模拟并判断开关柜绝缘故障的实验装置，属于电力技术领域。
背景技术
从近几年的一份事故调查可以看出，绝缘故障占开关柜所有事故故障的36.3％，说明开关设备(主要是金属封闭开关设备)的绝缘事故明显突出，应引起高度重视。
10kV开关柜是配网的重要组成部分，绝缘故障是导致智能高压开关柜和其他电力设备发生电力故障或事故的主要原因之一，严重影响了电力系统的安全运行。电缆室放电是比较常见的现象，尤其是运行环境潮湿的高压开关柜，电缆头部的伞裙与其它部件相距过近甚至直接接触，极易发生放电现象。放电过程中会产生紫外光以及SO2、NOx、CO2、CO、O3等气体，而SO2、NOx与空气中的水分相结合所形成的腐蚀性物质以及O3的强氧化性都将加速电缆绝缘的老化，开关柜内电缆的这些绝缘缺陷最初都是以局部放电的形态表现出来，最终引起电缆燃烧甚至导致开关柜爆炸。因此对开关柜电缆的局部放电进行有效监测对于及时发现和掌握潜伏性的绝缘缺陷、预防绝缘事故的发生具有重要意义。
随着信息技术和智能系统的发展，数字化的局部放电监测系统在信号处理和模式识别等方面表现出了较为明显的优势。由于紫外检测技术具有不受高频信号干扰的影响、更高的灵敏度、非接触的优势，且不会受到人为因素和交通条件的约束，很多学者就开始以紫外光作为特征量对高压电晕放电进行研究。
在以上研究的基础上，有的学者提出采用FTUV(紫外傅里叶变换滤波)法对局部放电进行监测，该方法通过测量电力设备放电过程中绝缘材料破坏后产生的新生成物的浓度和成分来判断设备放电情况，既可以排除气体间的相互干扰，也可以通过傅里叶变换的方法排除噪声等对信号的干扰，因此能够更加准确地反演气体浓度，对设备内部故障类型的判别提供可靠依据，实现设备运行状态的在线监测。尽管国内许多学者对该方法做了大量研究工作，也取得了许多研究成果，但到目前为止，在实验室中还没有一种能够进行多组分气体的产生与实时在线监测以及间接模拟并进行判断的设备，使该方法的深入研究受到了极大的制约。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种高压开关柜电缆局部放电监测模拟系统，为FTUV局部放电监测方法的深入研究提供技术支持。
本发明所述问题是以下述技术方案解决的：
一种高压开关柜电缆局部放电监测模拟系统，构成中包括升压装置、放电室、气体吸收池、抽气泵、氮气源、光纤光谱仪、计算机和两个换向阀，第一换向阀的a口接抽气泵的进气口，b口接氮气源，c口依次经放电室和气体吸收池接第二换向阀的b口，第二换向阀的a口接抽气泵的出气口，c口接大气；所述升压装置的高压输出端接放电室内的放电装置；所述光纤光谱仪的发射端和接收端分别接气体吸收池两端的进光口和出光口，光纤光谱仪的监测信号输出端接计算机。
上述高压开关柜电缆局部放电监测模拟系统，所述放电装置包括高压铜柱、高压电极、放电体、接地极和接地铜柱，所述接地铜柱竖直安装在放电室内，接地铜柱的上端通过螺纹与接地极连接，下端从放电室的底板穿出并与地线连接；所述放电体放置在接地极上；所述高压铜柱竖直安装在放电体上方，高压铜柱的上端从放电室的顶板穿出并与升压装置的输出端连接，所述高压电极压在放电体上并通过螺纹与高压铜柱的下端连接。
上述高压开关柜电缆局部放电监测模拟系统，所述放电体包括四种，分别为气隙绝缘层、针刺绝缘层和开盲孔绝缘层，相应的高压电极分别为盘状高压电极、针状高压电极和柱状高压电极，所述盘状高压电极通过其下部的压盘与气隙绝缘层的上表面接触；所述针状高压电极下部的针尖刺入针刺绝缘层内；所述柱状高压电极的下端穿过开盲孔绝缘层的橡胶罩后插入开盲孔绝缘层上部的盲孔中。
上述高压开关柜电缆局部放电监测模拟系统，所述升压装置包括变压器和控制台，所述变压器的控制端接控制台，输出端与高压铜柱的上端连接。
上述高压开关柜电缆局部放电监测模拟系统，所述高压铜柱的上端和变压器的输出端均设有均压球。
上述高压开关柜电缆局部放电监测模拟系统，所述放电室、气体吸收池、抽气泵、氮气源和两个换向阀之间的连接管路均采用聚四氟乙烯绝缘管。
上述高压开关柜电缆局部放电监测模拟系统，所述高压铜柱分为两段，二者分别位于放电室顶板的上方和下方并通过螺纹连接，每段高压铜柱的外部均设有绝缘套管。
上述高压开关柜电缆局部放电监测模拟系统，所述放电室的出气口和进气口均设有节流阀。
上述高压开关柜电缆局部放电监测模拟系统，所述抽气泵的出气口设有过滤网。
上述高压开关柜电缆局部放电监测模拟系统，所述接地极上设有锁紧螺母。
本发明可进行多种高压开关柜电缆局部放电的模拟实验，而且结构简单、操作方便，适用于在实验室中进行多组分气体的产生与在线监测实验以及间接模拟并判断带电设备的运行状态，为FTUV局部放电监测方法的深入研究提供了技术支持。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为放电装置的结构示意图；
图3a-图3d分别为四种放电模型示意图；
图4为气体吸收池外部接口示意图；
图5为本发明在9.2kV电压下气体浓度变化曲线。
图中各标号分别表示为：1、氮气源，2、放电室，3、均压球，4、变压器，5、控制台，6、第一换向阀，7、抽气泵，8、过滤网，9、第二换向阀，10、气体吸收池，11、光纤，12、光纤光谱仪接收端，13、RS232通讯线，14、光纤光谱仪发射端，15、USB数据线，16、计算机，17、均压环，18、高压铜柱，19、绝缘套管，20、接线铜片，21a、气隙绝缘层，21b、针刺绝缘层，21c、开盲孔绝缘层，22、接地极，23、进气节流阀，24、锁紧螺母，25、出气节流阀，26a、盘状高压电极，26b、针状高压电极，26c、柱状高压电极，27、接地铜柱，28、铜粉，29、橡胶罩，30、出光口，31、进光口，32、进气口，33、出气口。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详述。
参看图1，本发明主要包括氮气源1、内设放电装置的放电室2、由变压器4和控制台5构成的升压装置、第一换向阀6、抽气泵7、过滤网8、第二换向阀9、气体吸收池10、光纤光谱仪和计算机16。其中，氮气源1、放电室2、第一换向阀6、抽气泵7、过滤网8、第二换向阀9和气体吸收池10通过聚四氟乙烯绝缘管连接在一起，升压装置与放电装置通过铜线连接，光纤光谱仪与气体吸收池10通过光纤11连接，光纤光谱仪与计算机16通过USB数据线15连接。
氮气源1用于对放电室2、气体吸收池10及相关管路进行吹扫，以避免其它气体组分的干扰，并稀释因放电产生的有毒气体。
升压装置用于控制电压的稳定提升，可由按钮控制，以电压梯度形式缓速升压；也可以自动升压，设置好电压等级后，在升压到设定电压等级80％时，升压速度会自动减慢，当达到设定电压等级90％时，升压速度进一步减慢。
参看图2，放电装置用于在实验室中模拟多种类型的高压开关柜电缆局部放电，该装置主要包括高压铜柱18、绝缘套管19、高压电极(图2中为柱状高压电极26c)、放电体(图2中为针刺绝缘层21b)接地极22和接地铜柱27，聚四氟乙烯绝缘套管19具有绝缘作用，避免实验人员直接接触高压铜柱18而发生危险。根据放电体和高压电极的不同，本装置可以模拟图3所示的四种放电模式，分别为气隙放电、针板放电、沿面放电、金属微粒放电(模拟沿面放电和金属微粒放电所用的放电体和高压电极是相同的，区别在于放电体表面有无铜粉28)，图2中给出的是针板放电模型。
抽气泵7用于抽取放电室2内因放电产生的气体，并将被测气体送入气体吸收池10。抽气泵7与过滤网8之间通过PTFE管连接。抽气泵7的输出流量通过改变电机转速进行调节。
光纤光谱仪用于监测气体吸收池内气体吸光度的变化情况。光纤光谱仪发射端14采用的是XE02脉冲氙灯；光纤光谱仪接收端12为FX2000-EX光纤光谱仪；气体吸收池10为铝合金材质，内表面惰化处理，内径10mm，有效光程为100mm。
计算机16用于对光纤光谱仪接收端12采集到的数据进行分析和处理，计算出气体浓度。
本实施例中我们模拟沿面放电产生气体中的一种气体(臭氧)浓度的变化。
本发明的工作过程如下所述：
A.两个换向阀的各个接口全部接通，利用氮气源将放电室、气体吸收池及抽气泵内的气体吹扫干净，持续2-3min；
B.关闭第一换向阀6的b口和第二换向阀9的c口，启动抽气泵7同时利用升压装置给放电装置加压，使放电产生的具有一定浓度的臭氧气体进入气体吸收池内。
C.光纤光谱仪发射端发出的紫外光，紫外光经气体吸收池送入光纤光谱仪接收端；
D.光纤光谱仪接收端将采集的信号送入计算机。
E.进行FTUV(紫外傅里叶变换滤波法)，包括差分吸收光谱法和重复傅里叶变换法，得到气体浓度反演二次拟合方程。
F.采用上述二次拟合方程拟合气体浓度变化曲线，对放电室持续加压到9.2kV，每间隔30min采集一次数据。
差分吸收光谱法，最常用的方法是利用Beer-Lambert定律，在某一个温度T及压强P下，测量一束光通过长度为L的充满一定浓度的待测气体的吸收池前的背景光谱以及通过后的吸收光谱.吸收截面σ(λ，p，T)就可以由下面的公式得到：
Figure BDA0001183099300000051
其中，I(λ,p,T)是经气体吸收池后吸收光谱；I0(λ)为光源发射的初始光强；N(p,T)是气体的分子密度，单位为moel/cm3.其定义为
Figure BDA0001183099300000052
其中T0是常温(273.15k)；p0是常压(101325pa)；NL是在常温(273.15k)常压(101325pa)下由阿伏伽德罗常数NA比上摩尔体积Vmol给出的：
Figure BDA0001183099300000053
通过分析不同气体分子吸收光谱的快变部分来得到各组分气体浓度，可由(4)式决定：
Figure BDA0001183099300000061
其中I(λ)为通过一定长度的吸收池后的光强；Ciλ为在波长λ下的不同种类i气体的浓度；σi(λ)混合气体中的一种气体在波长为λ处得吸收截面；L为气体池的长度。
当被测气体在一定波段只有一种气体吸收时,气体浓度可由(5)式计算：
Figure BDA0001183099300000062
其中A'(λ)是气体某波长下的差分吸收光谱，σ'(λ)气体的差分吸收系数，L是测量区长度。
傅里叶变换法，傅里叶变换的基本思想是把信号分解成一系列不同频率正弦波的叠加,把信号从时域转化到频域从而体现其频率特征的过程。其变换公式为：
Figure BDA0001183099300000063
可以把傅里叶变换也成另外一种形式：
Figure BDA0001183099300000064
傅里叶变换法就是对(5)式两边进行数值滤波,然后进行傅里叶变换,最后求得浓度的一种方法。浓度C计算公式为：
Figure BDA0001183099300000065
其中，C是气体浓度；λ是气体吸收波长；RA'(λ)是滤波后气体某波长下的差分吸收光谱；Rσ'(λ)是滤波后气体的差分吸收系数；L是气体吸收池有效光程。
处理实验数据发现，在320-350nm内臭氧的吸收呈周期性变化的特征，峰峰间隔约为2nm，拟定300nm为一个周期，进行傅里叶变换和逆傅里叶变换，由于在此波段气体吸收较弱，然后再进行一次傅里叶变换。通过改变氮气流速来改变臭氧的浓度进行多组实验，得到不同浓度下的频率幅值，依此得出浓度与频率幅值的关系并进行二次拟合：y＝-4.003x2+775.9x-3.67×104，其中F为幅值，c为浓度，线性相关系数R为0.9936。依次得到9.2kV沿面放电电压下，气体浓度变化曲线，如图5所示。并根据放电情况下臭氧浓度的变化曲线判断各放电模型下的放电电压和击穿电压如表一所示。
表一 放电模型下放电电压和击穿电压
放电模型 放电电压(kV) 击穿电压(kV)
针板放电 4.0 9.6
气隙放电 4.5 14.2
沿面放电 4.7 10.4
金属微粒放电 4.1 13.1

Claims (7)

1.一种高压开关柜电缆局部放电监测模拟系统，其特征是，所述监测模拟系统中包括升压装置、放电室（2）、气体吸收池（10）、抽气泵（7）、氮气源（1）、光纤光谱仪、计算机（16）和两个换向阀，第一换向阀（6）的a口接抽气泵（7）的进气口，b口接氮气源（1），c口依次经放电室（2）和气体吸收池（10）接第二换向阀（9）的b口，第二换向阀（9）的a口接抽气泵（7）的出气口，c口接大气；所述升压装置的高压输出端接放电室（2）内的放电装置；所述光纤光谱仪的发射端和接收端分别接气体吸收池（10）两端的进光口（31）和出光口（30），光纤光谱仪的监测信号输出端接计算机（16）；
所述放电装置包括高压铜柱（18）、高压电极、放电体、接地极（22）和接地铜柱（27），所述接地铜柱（27）竖直安装在放电室（2）内，接地铜柱（27）的上端通过螺纹与接地极（22）连接，下端从放电室（2）的底板穿出并与地线连接；所述放电体放置在接地极（22）上；所述高压铜柱（18）竖直安装在放电体上方，高压铜柱（18）的上端从放电室（2）的顶板穿出并与升压装置的输出端连接，所述高压电极压在放电体上并通过螺纹与高压铜柱（18）的下端连接；
所述放电室（2）、气体吸收池（10）、抽气泵（7）、氮气源（1）和两个换向阀之间的连接管路均采用聚四氟乙烯绝缘管；
所述放电体包括三种，分别为气隙绝缘层（21a）、针刺绝缘层（21b）和开盲孔绝缘层（21c），相应的高压电极分别为盘状高压电极（26a）、针状高压电极（26b）和柱状高压电极（26c），所述盘状高压电极（26a）通过其下部的压盘与气隙绝缘层（21a）的上表面接触；所述针状高压电极（26b）下部的针尖刺入针刺绝缘层（21b）内；所述柱状高压电极（26c）的下端穿过开盲孔绝缘层（21c）的橡胶罩（29）后插入开盲孔绝缘层（21c）上部的盲孔中；
电缆局部放电的监测操作按如下步骤进行：
两个换向阀的各个接口全部接通，利用氮气源将放电室、气体吸收池及抽气泵内的气体吹扫干净，持续2-3min；
关闭第一换向阀（6）的b口和第二换向阀（9）的c口，启动抽气泵（7）同时利用升压装置给放电装置加压，使放电产生的具有一定浓度的臭氧气体进入气体吸收池内；
光纤光谱仪发射端发出的紫外光，紫外光经气体吸收池送入光纤光谱仪接收端；
光纤光谱仪接收端将采集的信号送入计算机；
在320nm-350nm内，臭氧的吸收呈周期性变化的特征，峰峰间隔为2nm，拟定300 nm为一个周期，进行傅里叶变换和逆傅里叶变换，通过改变氮气流速来改变臭氧的浓度进行多组实验，得到不同浓度下的频率幅值，依此得出浓度与频率幅值的关系进行FTUV紫外傅里叶变换滤波，得到气体浓度反演二次拟合方程；
采用上述二次拟合方程拟合气体浓度变化曲线，对放电室持续加压到9.2kV，每间隔30min采集一次数据；
得到不同浓度下的频率幅值，依此得出浓度与频率幅值的关系并进行二次拟合：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
其中F为幅值，c为浓度，线性相关系数R为0.9936，依次得到9.2kV沿面放电电压下，气体浓度变化曲线。
2.根据权利要求1所述的高压开关柜电缆局部放电监测模拟系统，其特征是，所述升压装置包括变压器（4）和控制台（5），所述变压器（4）的控制端接控制台（5），输出端与高压铜柱（18）的上端连接。
3.根据权利要求2所述的高压开关柜电缆局部放电监测模拟系统，其特征是，所述高压铜柱（18）的上端和变压器（4）的输出端均设有均压球（3）。
4.根据权利要求3所述的高压开关柜电缆局部放电监测模拟系统，其特征是，所述高压铜柱（18）分为两段，二者分别位于放电室（2）顶板的上方和下方并通过螺纹连接，每段高压铜柱（18）的外部均设有绝缘套管（19）。
5.根据权利要求4所述的高压开关柜电缆局部放电监测模拟系统，其特征是，所述放电室（2）的出气口和进气口均设有节流阀。
6.根据权利要求5所述的高压开关柜电缆局部放电监测模拟系统，其特征是，所述抽气泵（7）的出气口设有过滤网（8）。
7.根据权利要求6所述的高压开关柜电缆局部放电监测模拟系统，其特征是，所述接地极（22）上设有锁紧螺母（24）。
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