CN108490326B - 低温条件下混合气体中绝缘子闪络电压检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种低温条件下混合气体中绝缘子闪络电压检测装置及方法，涉及高压电试验技术领域。该装置包括高压电源系统、SF6混合气体充放与回收装置、低温设定回路与保持装置和绝缘子闪络电压测量装置；SF6混合气体充放与回收装置、低温设定回路与保持装置和高压电源系统分别与对绝缘子闪络电压测量装置相连。该检测方法实现了测量不同电极间距、不同压强及不同气体混合比例下的绝缘子闪络电压。本发明提供的低温条件下混合气体中绝缘子闪络电压检测装置，保证了混合气体的纯度，降低了气体分层现象，精确控制了混合气体的混合比，提高资源利用和节约实验成本。同时，检测方法为混合气体替代SF6应用于高压气体绝缘电气设备中提供参考。
Description
技术领域
本发明涉及高压电试验技术领域，尤其涉及一种低温条件下混合气体中绝缘子闪络电压检测装置及方法。
背景技术
SF6气体因具有良好的绝缘及熄弧性能，被广泛应用于气体绝缘封闭开关设备(GIS)和气体绝缘金属封闭输电线路(GIL)等气体绝缘电力设备中。但是SF6具有较强的温室效应，SF6气体的全球变暖潜势(global warming potential，GWP)是二氧化碳的23900倍。在1997年签署的《京都议定书》中已将SF6气体确定为需要限制使用的温室气体之一。同时，SF6气体较高的液化温度限制了其在低温严寒地区的使用。随着电力系统的发展以及日益严重的环境保护问题，急需寻找传统SF6气体的替代气体以满足电力设备在环保及低温应用等方面的需求。长期以来，人们为寻找SF6气体的替代气体进行了大量研究，但尚未发现一种在绝缘性能方面可以完全替代SF6气体的气体，于是人们开始寻求使用SF6混合气体(如SF6/N2、SF6/CF4混合气体)作为绝缘介质，不仅可以降低绝缘气体的液化温度，而且可以减少SF6气体的使用量。而在GIL等高压气体绝缘电气设备中的运行经验表明，绝缘子的沿面闪络在设备绝缘故障中占有相当大的比例。近年来，气-固交界面发生的沿面异常闪络引起的设备损坏或系统大面积停电事故在国内外均有报道。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明提供一种低温条件下混合气体中绝缘子闪络电压检测装置及方法，实现对混合气体中绝缘子闪络的电压检测。
一方面，本发明提供一种低温条件下混合气体中绝缘子闪络电压检测装置，包括高压电源系统、SF6混合气体充放与回收装置、低温设定回路与保持装置和绝缘子闪络电压测量装置；
所述SF6混合气体充放与回收装置包括两个分别存放SF6气体和另一种气体的高压气瓶、混合气体储气罐、压缩机、过滤吸收装置和真空泵；所述两个高压气瓶分别与混合气体储气罐的两个进气口相连，混合气体储气罐通过气体连接管路分别连接压缩机和真空泵，真空泵连接过滤吸收装置；
所述低温设定回路与保持装置包括低温密室、压缩机、热交换器、储存器、冷凝器，膨胀阀和温度控制系统；所述低温设定回路与保持装置通过线路连接在SF6混合气体充放与回收装置和绝缘子闪络电压测量装置之间；所述压缩机、热交换器、冷凝器、膨胀阀和储存器串联构成回路；所述温度控制系统通过线路分别连接低温密室、热交换器和膨胀阀；所述热交换器通过线路与混合气体储气罐相连；
所述绝缘子闪络电压测量装置包括两个指形电极、混合气体密封气室、固体无感限流电阻、阻容分压器和数字高压表；两个指形电极通过导体连接杆分别固定在混合气体密封气室的上下端，与混合气体密封气室上端连接的指形电极接高电位为正电极，与混合气体密封气室下端连接的指形电极为负电极，调节好设定的指形电极间距，并与固体无感限流电阻、高压电源系统通过连接线路串联构成回路；所述混合气体密封气室放置在低温密室内，并通过气体管路连接低温设定回路与保持装置中的热交换器；混合气体密封气室的上端通过高压导体和盆式绝缘子连接高压电源系统的正输出端，混合气体密封气室的下端通过导体与高压电源系统的负输出端连接；所述阻容分压器的高压端连接至高压电源系统与低温密室的连接线路上，阻容分压器的低压端连接数字高压表，阻容分压器的接地端接地。
优选地，所述高压电源系统包括：电容、整流二极管、第二电阻、变压器、调压器和工频交流电源；所述工频交流电源连接调压器，调压器连接变压器的原线圈，变压器的副线圈一端连接第二电阻的一端，变压器的副线圈的另一端与电容一端连接后作为高压电源系统的负输出端，第二电阻另一端连接整流二极管正极，整流二极管负极与电容另一端连接后作为高压电源系统的正输出端。
优选地，所述另一种气体为具有一定绝缘强度且液化温度较低的气体，包括四氟化碳、氮气、二氧化碳、c-C4F8，CF3I。
优选地，所述两个指形结构电极，电极材料为黄铜，前端曲率半径为8mm，表面进行抛光处理；绝缘子试样通过绝缘托板和螺栓的固定与两个指形电极紧密贴合，保证实验的准确性；并通过绝缘螺栓调节两指形电极间距，实现测量不同放电间距下的绝缘子闪络电压。
优选地，所述两个高压储气瓶和混合气体储气罐的连接管路上均设有气体流量计和开关，用于控制气体进入储气罐的量，实现SF6气体与另一种气体任意比例的混合；所述混合气体储气罐与热交换器连接的管路上也设有气体流量计和开关；同时，混合气体储气罐上还设有保护装置，用于当储气罐中气体压力超过设定值时控制压缩机自动断开。
优选地，所述混合气体密封气室与压缩机相连接的管路上在靠近密封气室下端处设有压力表，用于监控进入密封气室的气体压力情况；所述混合气体密封气室的两侧壁上还分别设有一个石英玻璃视窗，方便观察绝缘子表面的闪络现象。
另一方面，本发明还提供采用上述低温条件下混合气体中绝缘子闪络电压检测装置进行低温条件下混合气体中绝缘子闪络电压检测的方法，包括以下步骤：
步骤1：调节混合气体密封气室内正电极与负电极之间的距离，从而改变绝缘子试样闪络的放电距离；
步骤2：利用气体充放及回收装置除去混合气体密封气室内残余的气体，然后将混合气体密封气室抽真空；
步骤3：在混合气体储气罐与热交换器连接的管路上的开关闭合状态下，按照所需混合气体的不同配比向混合气体储气罐内充气并静置适当时间；
步骤4：通过低温设定回路与保持装置调节绝缘子闪络电压检测所需低温的温度，待混合气体密封气室内温度稳定后，使其保持这一温度不变；
步骤5：将混合气体储气罐内的混合气体充入混合气体密封气室中，直至达到设定压强值；
步骤6：利用高压电源系统对混合气体密封气室中的绝缘子试样施加直流电压，并采用匀速缓慢升压方式进行升压；通过混合气体密封气室两侧的石英玻璃视窗观察绝缘子试样表面情况，当绝缘子试样沿面发生闪络时，停止加压，使线路中的电源开关断开；并通过数字高压表读取此时的绝缘子闪络电压；
步骤7：根据绝缘子固体表面具有一定的自恢复性这一特性，间隔五分钟，待绝缘子试样表面绝缘特性恢复，重复步骤6，测量5次混合气体封闭室内的绝缘子闪络电压值，并求平均值；
步骤8：增加混合气体密封气室正负电极间距，再重复步骤4-步骤7，得到不同电极间距下的绝缘子闪络电压值；
步骤9：增加混合气体密封气室内的气压值，再重复步骤6-步骤8，得到不同压强下的绝缘子闪络电压值；
步骤10：采用气体充放及回收装置抽出混合气体密封气室内的混合气体；
步骤11：改变混合气体密封气室内混合气体的混合比例，更换新的绝缘子试样，再重复步骤5-步骤9，得到不同气体混合比例条件下的绝缘子闪络电压值。
由上述技术方案可知，本发明的有益效果在于：本发明提供的一种低温条件下混合气体中绝缘子闪络电压检测装置及方法，混合气体储气罐可认为零泄漏，不同气体由不同的进气口进入，极大的保证了混合气体的纯度。SF6与另一气体的混合在混合气体储气罐中，可使混合气体快速充分混合，极大的降低气体分层现象。气体的混合通过气体流量计控制，混合方式方便高效，可十分精确的控制混合气体的混合比。SF6混合气体充放与回收装置可完成混合气体的回收循环利用，提高资源利用和节约实验成本，基本实现SF6向大气中的零排放。同时，测量不同比例混合气体中的绝缘子闪络电压，可以为混合气体替代SF6应用于高压气体绝缘电气设备中提供参考。测量不同压强混合气体中的绝缘子闪络电压，对研究混合气体中绝缘子闪络电压与气体压强的关系具有指导意义。测量低温环境下混合气体中绝缘子直流闪络电压，对严寒地区电力设备应用有一定的研究意义。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种低温条件下混合气体中绝缘子闪络电压检测装置的结构框图；
图2为本发明实施例提供的高压电源系统的连接结构图；
图3为本发明实施例提供的指型电极结构示意图；
图4为本发明实施例提供的低温条件下混合气体中绝缘子闪络电压检测方法的流程图。
图中：1、阻容分压器；2、高压导体；3、盆式绝缘子；4、低温密室；5、混合气体密封气室；6、绝缘子试样；7、石英玻璃视窗；8、导体连接杆；9、压缩机；10、膨胀阀；11、高压气瓶；12、整流二极管；13、变压器；14、调压器；15、工频交流电源；16、正输出端；17、负输出端；18、绝缘托板；19、指形电极；20、绝缘螺栓。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
一方面，本发明提供一种低温条件下混合气体中绝缘子闪络电压检测装置，如图1所示，包括高压电源系统、SF6混合气体充放与回收装置、低温设定回路与保持装置、绝缘子闪络电压测量装置。
高压电源系统如图2所示，包括：电容C、整流二极管12、第二电阻R2、变压器13、调压器14和工频交流电源15。工频交流电源15连接调压器14，调压器14连接变压器13的原线圈，变压器13的副线圈一端连接第二电阻R2一端，变压器13的副线圈的另一端与电容C一端连接后作为高压电源系统的负输出端17，第二电阻R2另一端连接整流二极管12正极，整流二极管12负极与电容C另一端连接后作为高压电源系统的正输出端16。
SF6混合气体充放与回收装置包括两个分别存放SF6气体和另一种气体的高压气瓶11、混合气体储气罐、压缩机9、过滤吸收装置和真空泵。另一种气体为具有一定绝缘强度且液化温度较低的气体，包括四氟化碳、氮气、二氧化碳、c-C4F8，CF3I。两个高压气瓶11分别与混合气体储气罐的两个进气口相连，混合气体储气罐通过气体连接管路分别连接压缩机9和真空泵，真空泵连接过滤吸收装置。气体充放与回收装置中的压缩机9用于将混合气体储气罐中的混合气体充入密封气室中，或者将密封气室中的混合气体回收至混合气体储气罐中；真空泵用于将密封气室或者储气罐进行抽真空。
同时，两个高压气瓶11和混合气体储气罐的连接管路上均设有气体流量计G1、G2以及开关K1、K2，用于控制气体进入储气罐的量，实现SF6气体与另一种气体任意比例的混合；混合气体储气罐上还设有作为保护装置的安全阀，用于当储气罐中气体压力超过设定值时控制压缩机自动断开。
低温设定回路与保持装置包括内径为350mm，高为300mm的低温密室4、压缩机9、热交换器、储存器、冷凝器，膨胀阀10和温度控制系统。低温设定回路与保持装置通过线路连接在SF6混合气体充放与回收装置和绝缘子闪络电压测量装置之间；压缩机9、热交换器、冷凝器、膨胀阀10和储存器串联构成回路；温度控制系统通过线路分别连接低温密室4、热交换器和膨胀阀10；热交换器通过线路与储气罐相连，连接的线路上设有气体流量计G3和开关K3。低温回路的低温密室4适用于将混合气体密封气室5与外界环境隔离，保持低温；压缩机9用于将气体压缩后为冷凝器使用；冷凝器将空气转化成液体存放在储存器中，液体再通过膨胀阀进入热交换器，热交换器通过蒸发吸热对混合气体降温。
绝缘子闪络电压测量装置包括两个指形电极19、混合气体密封气室5、固体无感限流电阻R、阻容分压器1和数字高压表。两个指形电极19的材料为黄铜，前端曲率半径为8mm，表面进行抛光处理；绝缘子试样6如图3所示，通过绝缘托板18和螺栓20的固定与两个指形电极19紧密贴合，保证实验的准确性；通过绝缘螺栓20调节两指形电极19的间距，实现测量不同放电间距下的绝缘子试样6的闪络电压。两个指形电极19通过导体连接杆8分别固定在混合气体密封气室5的上下端，与混合气体密封气室5上端连接的指形电极19接高电位为正电极，与混合气体密封气室5下端连接的指形电极19为负电极，调节好设定的电极间距，并与固体无感限流电阻R、高压电源系统通过连接线路串联构成回路；混合气体密封气室5放置在低温密室4内，并通过气体管路连接低温设定回路与保持装置中的热交换器；混合气体密封气室5的上端通过高压导体2和盆式绝缘子3连接高压电源系统的正输出端16，混合气体密封气室5的下端通过导体与高压电源系统的负输出端17连接；阻容分压器1的高压端连接至高压电源系统与低温密室4的连接线路上，阻容分压器1的低压端连接数字高压表，阻容分压器1的接地端接地。高压导体2起导电和连接的作用，盆式绝缘子3主要起绝缘和支撑的作用；固体无感限流电阻R起到对线路的限流保护作用；阻容分压器1和数字高压表起到测量绝缘子试样6闪络时的瞬态电压的作用。
同时，混合气体密封气室5与压缩机相连接的管路上在靠近密封气室下端处设有压力表，用于监控进入密封气室的气体压力情况；混合气体密封气室5的两侧壁上还分别设有一个石英玻璃视窗7，方便观察绝缘子试样6表面的闪络现象。
另一方面，本发明还提供采用上述低温条件下混合气体中绝缘子闪络电压检测装置进行低温条件下混合气体中绝缘子闪络电压检测的方法，如图4所示，包括以下步骤：
步骤1：调节混合气体密封气室5的正电极与负电极之间的距离，从而改变绝缘子试样6闪络的放电距离；
步骤2：利用气体充放及回收装置除去混合气体密封气室5内残余的气体，然后将混合气体密封气室5抽真空；
步骤3：在混合气体储气罐与热交换器连接的管路上的开关K3闭合状态下，按照所需混合气体的不同配比向混合气体储气罐内充气并静置适当时间；
步骤4：通过低温设定回路与保持装置调节绝缘子闪络电压检测所需的低温温度，待混合气体密封气室5内温度稳定后，使其保持这一温度不变；
步骤5：将混合气体储气罐内的混合气体充入混合气体密封气室5中，直至达到设定压强值；
步骤6：利用高压电源系统对混合气体密封气室5中的绝缘子试样6施加直流电压，并采用匀速缓慢升压方式进行升压；通过混合气体密封气室5两侧的石英玻璃视窗7观察绝缘子试样6的表面情况，当绝缘子试样6沿面发生闪络时，停止加压，使线路中的电源开关断开；并通过数字高压表读取此时的绝缘子试样6的闪络电压；
步骤7：根据绝缘子固体表面具有一定的自恢复性这一特性，间隔五分钟，待绝缘子试样6表面绝缘特性恢复，重复步骤6，测量5次混合气体封闭室5内的绝缘子试样6的闪络电压值，并求平均值；
步骤8：增加混合气体密封气室5正负电极间距，再重复步骤4-步骤7，得到不同电极间距下的绝缘子试样6的闪络电压值；
本实施例中，混合气体密封气室5正负电极间距依次从3mm增加到7mm，步长为2mm。
步骤9：增加混合气体密封气室5内气压值，再重复步骤6-步骤8，得到不同压强下的绝缘子试样6的闪络电压值；
本实施例中，调节混合气体密封气室5内气体压强依次从0.1M Pa增加到0.4M Pa，步长为0.1M Pa。
步骤10：采用气体充放及回收装置抽出混合气体密封气室5内的混合气体；
步骤11：改变混合气体密封气室5内混合气体的混合比例，更换新的绝缘子试样6，再重复步骤5-步骤9，得到不同气体混合比例条件下的绝缘子闪络电压值。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。
Claims (6)
1.一种低温条件下混合气体中绝缘子闪络电压检测装置，其特征在于：包括高压电源系统、SF6混合气体充放与回收装置、低温设定回路与保持装置和绝缘子闪络电压测量装置；
所述SF6混合气体充放与回收装置包括两个分别存放SF6气体和另一种气体的高压气瓶、混合气体储气罐、压缩机、过滤吸收装置和真空泵；所述两个高压气瓶分别与混合气体储气罐的两个进气口相连，混合气体储气罐通过气体连接管路分别连接压缩机和真空泵，真空泵连接过滤吸收装置；
所述低温设定回路与保持装置包括低温密室、压缩机、热交换器、储存器、冷凝器，膨胀阀和温度控制系统；所述低温设定回路与保持装置通过线路连接在SF6混合气体充放与回收装置和绝缘子闪络电压测量装置之间；所述压缩机、热交换器、冷凝器、膨胀阀和储存器串联构成回路；所述温度控制系统通过线路分别连接低温密室、热交换器和膨胀阀；所述热交换器通过线路与混合气体储气罐相连；
所述绝缘子闪络电压测量装置包括两个指形电极、混合气体密封气室、固体无感限流电阻、阻容分压器和数字高压表；两个指形电极通过导体连接杆分别固定在混合气体密封气室的上下端，与混合气体密封气室上端连接的指形电极接高电位为正电极，与混合气体密封气室下端连接的指形电极为负电极，调节好设定的指形电极间距，并与固体无感限流电阻、高压电源系统通过连接线路串联构成回路；所述混合气体密封气室放置在低温密室内，并通过气体管路连接低温设定回路与保持装置中的热交换器；混合气体密封气室的上端通过高压导体和盆式绝缘子连接高压电源系统的正输出端，混合气体密封气室的下端通过导体与高压电源系统的负输出端连接；所述阻容分压器的高压端连接至高压电源系统与低温密室的连接线路上，阻容分压器的低压端连接数字高压表，阻容分压器的接地端接地；
采用所述低温条件下混合气体中绝缘子闪络电压检测装置进行低温条件下混合气体中绝缘子闪络电压检测的方法，包括以下步骤：
步骤1：调节混合气体密封气室内正电极与负电极之间的距离，从而改变绝缘子试样闪络的放电距离；
步骤2：利用气体充放及回收装置除去混合气体密封气室内残余的气体，然后将混合气体密封气室抽真空；
步骤3：在混合气体储气罐与热交换器连接的管路上的开关闭合状态下，按照所需混合气体的不同配比向混合气体储气罐内充气并静置适当时间；
步骤4：通过低温设定回路与保持装置调节绝缘子闪络电压检测所需低温的温度，待混合气体密封气室内温度稳定后，使其保持这一温度不变；
步骤5：将混合气体储气罐内的混合气体充入混合气体密封气室中，直至达到设定压强值；
步骤6：利用高压电源系统对混合气体密封气室中的绝缘子试样施加直流电压，并采用匀速缓慢升压方式进行升压；通过混合气体密封气室两侧的石英玻璃视窗观察绝缘子试样表面情况，当绝缘子试样沿面发生闪络时，停止加压，使线路中的电源开关断开；并通过数字高压表读取此时的绝缘子闪络电压；
步骤7：根据绝缘子固体表面具有一定的自恢复性这一特性，间隔五分钟，待绝缘子试样表面绝缘特性恢复，重复步骤6，测量5次混合气体封闭室内的绝缘子闪络电压值，并求平均值；
步骤8：增加混合气体密封气室正负电极间距，再重复步骤4-步骤7，得到不同电极间距下的绝缘子闪络电压值；
步骤9：增加混合气体密封气室内的气压值，再重复步骤6-步骤8，得到不同压强下的绝缘子闪络电压值；
步骤10：采用气体充放及回收装置抽出混合气体密封气室内的混合气体；
步骤11：改变混合气体密封气室内混合气体的混合比例，更换新的绝缘子试样，再重复步骤5-步骤9，得到不同气体混合比例条件下的绝缘子闪络电压值。
2.根据权利要求1所述的低温条件下混合气体中绝缘子闪络电压检测装置，其特征在于：所述高压电源系统包括：电容、整流二极管、第二电阻、变压器、调压器和工频交流电源；所述工频交流电源连接调压器，调压器连接变压器的原线圈，变压器的副线圈一端连接第二电阻一端，变压器的副线圈的另一端与电容一端连接后作为高压电源系统的负输出端，第二电阻另一端连接整流二极管正极，整流二极管负极与电容另一端连接后作为高压电源系统的正输出端。
3.根据权利要求1所述的低温条件下混合气体中绝缘子闪络电压检测装置，其特征在于：所述另一种气体为具有一定绝缘强度且液化温度较低的气体，包括四氟化碳、氮气、二氧化碳、c-C4F8，CF3I。
4.根据权利要求1所述的低温条件下混合气体中绝缘子闪络电压检测装置，其特征在于：所述两个指形结构电极，电极材料为黄铜，前端曲率半径为8mm，表面进行抛光处理；绝缘子试样通过绝缘托板和螺栓的固定与两个指形电极紧密贴合，保证实验的准确性；并通过绝缘螺栓调节两指形电极间距，实现测量不同放电间距下的绝缘子闪络电压。
5.根据权利要求1所述的低温条件下混合气体中绝缘子闪络电压检测装置，其特征在于：所述两个高压储气瓶和混合气体储气罐的连接管路上均设有气体流量计和开关，用于控制气体进入储气罐的量，实现SF6气体与另一种气体任意比例的混合；所述混合气体储气罐与热交换器连接的管路上也设有气体流量计和开关；同时，混合气体储气罐上还设有作为保护装置的安全阀，用于当储气罐中气体压力超过设定值时控制压缩机自动断开。
6.根据权利要求1所述的低温条件下混合气体中绝缘子闪络电压检测装置，其特征在于：所述混合气体密封气室与压缩机相连接的管路上在靠近密封气室下端处设有压力表，用于监控进入密封气室的气体压力情况；所述混合气体密封气室的两侧壁上还分别设有一个石英玻璃视窗，方便观察绝缘子表面的闪络现象。
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