CN110208368A - 一种高气压高电压的绝缘气体放电及分解实验设备 - Google Patents
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Abstract
本申请实施例公开了一种高气压高电压的绝缘气体放电及分解实验设备，包括：移动式机架和正负压罐体，正负压罐体顶部设置有法兰盖板，法兰盖板上设置有高压上电极组件；正负压罐体底部设置有底板，底板中间向下设置有下电极密封组件，下电极密封组件中心设置有下紫铜电极杆，下紫铜电极杆的上端连接有下电极；正负压罐体上设置有抽气口，移动式机架上设置有真空泵，真空泵通过真空管道连接抽气口，正负压罐体内部设置有加热管。本发明可在高气压、高电压及腔内温度可调的条件下，测试不同绝缘气体在不同温度场及电场下的热分解和电击穿分解情况，是一种优质的高气压高电压的绝缘气体放电及分解实验设备。
Description
技术领域
本申请涉及气体击穿放电设备技术领域，尤其涉及一种高气压高电压的绝缘气体放电及分解实验设备。
背景技术
气体绝缘设备，如气体绝缘开关GIS、气体绝缘输电管道GIL等，凭借其运行安全可靠、耐受电压等级高、设备体积小等优点，成为了高压输电系统中的重要组成部分。在实际使用过程中，以SF6等气体作为绝缘介质的气体绝缘设备为获得较高的耐压等级，内部气压往往需要达到4～5bar以上，相应的电压等级也达到100kV以上。受限于装配与制造工艺，设备内可能会出现接头处有效接触面积减小、接触不良等潜伏性缺陷，导致回路接触电阻过大，正常工作状态下气体绝缘设备中数千安培的工作电流通过这些潜伏性缺陷时，可能会产生局部过热性故障，使SF6气体发生分解。这些气态分解产物不仅会降低绝缘气体的纯度，而且会与混杂在设备内部的微量的氧气、水分等进一步反应，生成如SO2、HF、SOF2等杂质，其中SO2与HF等活性物质会腐蚀设备内部的金属构件，使设备的绝缘耐压等级下降，甚至发生事故。另外，当气体绝缘设备内发生击穿时，往往也会伴随有过热过程与SF6的分解现象。因此针对SF6及其混合气体在高气压下、不同温度场中的击穿放电特性与分解特性方面的研究，将会为气体绝缘设备的制造提供一定的参考。
除此之外，SF6气体因为存在温室效应潜能值较高、沸点较低等问题，面临限制使用。因此如CF3I、C-C4F8、全氟腈、氟代酮类气体，作为SF6的绝缘替代气体获得了广泛关注。目前，针对SF6的绝缘替代气体的研究才刚刚起步，尤其是接近实际运行气压和电压下的击穿与分解特性，以及高温下的分解特性方面的研究相对匮乏。
为了开展不同气体压力下的绝缘气体击穿放电和高温分解研究，国内外已经采用密闭罐体针对不同使用环境，展开各种特定情况下的气体放电实验研究。在现有技术中，为实现高电压等级，需要通过穿墙套管将高压电源经电极棒引入设备内；出于绝缘需要，绝缘套管的尺寸往往较大，不仅压缩了设备内部电极间隙可调距离，而且会增大设备体积，造成实验中的气体浪费和密封困难等问题。另外，现有气体击穿放电设备中往往没有设置加热装置，仅能在室温下进行实验，应用面较为狭窄，为此，本发明提出一种高气压高电压的绝缘气体放电及分解实验设备。
发明内容
本申请实施例提供了一种高气压高电压的绝缘气体放电及分解实验设备，使得在高气压、高电压及腔内温度可调的条件下，测试不同绝缘气体在不同温度场及电场下的热分解和电击穿分解情况。
有鉴于此，本申请提供了一种高气压高电压的绝缘气体放电及分解实验设备，包括：移动式机架和设置在所述移动式机架上的正负压罐体，所述正负压罐体顶部设置有可拆卸的法兰盖板，所述法兰盖板上设置有高压上电极组件；
所述高压上电极组件包括设置在所述法兰盖板上的密封绝缘柱和设置在所述密封绝缘柱内的上紫铜电极杆，所述上紫铜电极杆的上端连接高压电源，下端连接上电极；
所述正负压罐体底部设置有底板，所述底板中间向下设置有伸入到所述移动式机架内部的下电极密封组件，所述下电极密封组件为中空结构，且中心设置有下紫铜电极杆，所述下紫铜电极杆的上端连接有下电极；
所述正负压罐体上设置有抽气口，所述抽气口的一侧设置有充气气路分接口和取气气路分接口，所述正负压罐体内部下方设置有加热管；
所述移动式机架上设置有真空泵，所述真空泵通过真空管道连接所述抽气口。
可选地，所述抽气口的一侧还设置有用于测量腔体底部温度的温度探头，所述抽气口的另一侧设置有用于测量腔内正负气体压力的气压探头；
所述法兰盖板上设置有用于显示腔体内部温度及湿度的温湿度探头；
所述移动式机架上设置有操作控制面板，所述操作控制面板分别与所述加热管、所述真空泵、所述温度探头、所述温湿度探头和所述气压探头电连接。
可选地，所述下紫铜电极杆的下端设置有用于调节上下电极间距的升降转盘，所述升降转盘与所述下紫铜电极杆转动连接。
可选地，所述密封绝缘柱的材质为聚甲醛或尼龙材料，且其外表面设置有凹凸槽。
可选地，所述上电极和所述下电极的材质均为紫铜；
所述上电极为导电电极；
所述下电极为圆盘状接地电极；
所述上电极与所述下电极之间间距为0～100mm，且中心对准。
可选地，所述移动式机架内设置有用以显示上下极间距的数显标尺。
可选地，所述正负压罐体的前侧设置有第一石英玻璃观察窗，所述正负压罐体的右侧设置有可拆卸盖板；
所述可拆卸盖板正中心开设有第二石英玻璃观察窗。
可选地，所述正负压罐体的后侧设置有多个盲板预留口，多个所述盲板预留口呈上下分布。
可选地，所述充气气路分接口上设置有充气针阀；
所述取气气路分接口上设置有取气针阀。
可选地，所述真空泵为旋片式机械泵；
所述真空泵进气端依次装有排气过滤器、电阻真空计与真空单向阀；
所述抽气口上设置有高真空手动球阀。
从以上技术方案可以看出，本申请实施例具有以下优点：通过设置有加热管、真空泵和上下电极，能够在高气压、高电压、高温下，完成绝缘气体过热分解或者击穿分解。
附图说明
图1为本申请实施例中高气压高电压的绝缘气体放电及分解实验设备的外部结构示意图；
图2为本申请实施例中高气压高电压的绝缘气体放电及分解实验设备的正视图；
图3为本申请实施例中高气压高电压的绝缘气体放电及分解实验设备的左视图；
图4为本申请实施例中高气压高电压的绝缘气体放电及分解实验设备的内部结构示意图；
图5为SF6绝缘气体击穿电压曲线图；
图6为SF6绝缘气体平均击穿电压图；
图7为SF6主要分解产物含量随时间变化曲线图；
其中，附图标记为：
1-正负压罐体，2-移动式机架，3-操作控制面板，4-第一石英玻璃观察窗，5-可拆卸盖板，6-高真空手动球阀，7-第二石英玻璃观察窗，8-数显标尺，9-升降转盘，10-真空管道，11-法兰盖板，12-密封绝缘柱，13-上紫铜电极杆，14-温湿度探头，15-温度探头，16-充气针阀，17-取气针阀，18-四芯电极接口，19-盲板预留口，20-真空泵，21-排气过滤器，22-上电极，23-下电极，24-下电极密封组件，25-下紫铜电极杆，26-气压探头。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
请参阅图1-4，本申请提供了一种高气压高电压的绝缘气体放电及分解实验设备，包括移动式机架2和设置在移动式机架2上的正负压罐体1，移动式机架2底部设置有带刹车的万向轮；正负压罐体1为304不锈钢制造而成的圆筒状立式结构，该罐体内外壁整体喷砂处理。正负压罐体1顶部设置有可拆卸的不锈钢法兰盖板11，法兰盖板11上设置有高压上电极组件，高压上电极组件用于连接高压电源并解决实验设备的绝缘问题；
高压上电极组件包括设置在法兰盖板11上的密封绝缘柱12和设置在密封绝缘柱12内的上紫铜电极杆13，具体地，密封绝缘柱12为100KV聚甲醛密封绝缘柱，上紫铜电极杆13的上端连接高压电源，下端连接上电极22，具体地，上紫铜电极杆13上端设有外螺纹孔，通过高压接线端子外接高压电缆，底端为内螺纹孔，用于接高压电极；可选地，高压电源可采用工频交流、直流或冲击电压发生器，通过高压探头接入数字示波器，用于测量回路中电压值。
正负压罐体1底部设置有底板，底板为焊接式底板，底板中间焊接有伸入到移动式机架2内部的下电极密封组件24，下电极密封组件24为中空结构，且中心设置有下紫铜电极杆25，下紫铜电极杆25的上端连接有下电极23；正负压罐体1上设置有抽气口，抽气口的一侧设置有分别用于充气和取气的充气气路分接口和取气气路分接口，正负压罐体1内部下方设置有加热管，功率为500W；移动式机架2上设置有真空泵20，真空泵20通过真空管道10连接抽气口，真空泵20可以加入一级分子泵以实现更高纯度的真空。
移动式机架2上设置有操作控制面板3，加热管经过四芯电极接口18与移动式机架2正面的操作控制面板3相连并控制；抽气口的一侧还设置有温度探头15，温度探头15用于测量腔体底部温度，即加热管附近温度，测量范围为0～500℃，分辨率为0.2级，通过移动式机架2正面的操作控制面板3显示测量结果；抽气口的另一侧设置有气压探头26，气压探头26用于测量腔内正负气体压力，测量范围为0Pa～1MPa，分辨率为0.2级，并通过移动式机架2正面操作控制面板3显示；法兰盖板11上设置有温湿度探头14，温湿度探头14在腔体顶部测量，测量范围为0～500℃与0～100％RH，分别率为0.2级，通过操作控制面板3直接显示腔体内部温度及湿度；真空泵20、加热管、温度探头15、温湿度探头14和气压探头26分别与操作控制面板3电连接，设置温湿度探头14和温度探头15，其分别位于实验腔内的上部与下部，可以准确测量腔内的实际温度，方便调整实验中的温度场。
下紫铜电极杆25的下端设置有升降转盘9，升降转盘9与下紫铜电极杆25转动连接，可以通过旋转升降转盘9进行上下电极的开距调节；密封绝缘柱12的材质为聚甲醛或尼龙材料，且其外表面设置有凹凸槽，增加表面放电的爬电距离，即增加绝缘距离，防止上电极22与腔体之间发生放电。上电极22和下电极23的材质均为紫铜；上电极22为导电电极，通过内螺纹孔与聚甲醛密封电极组件相连；下电极23为圆盘状接地电极，安装于下电极密封组件24上，根据实验的目的与需要，上下电极材料和形状可以进行更换，并不限定于一种。上电极22与下电极23之间间距为0～100mm，且中心对准。
移动式机架2内设置有数显标尺8，数显标尺8定位升降转盘9的位置，用以显示上下电极开距，数显标尺8测量范围为0～150mm，通过数显标尺8准确测量电极开距具体数值，避免了拆卸操作孔盖板，提高了实验效率。正负压罐体1的前侧设置有第一石英玻璃观察窗4，该观察窗采用法兰密封；正负压罐体1的右侧设置有可拆卸盖板5，用作操作孔；可拆卸盖板5正中心开设有第二石英玻璃观察窗7。正负压罐体1的后侧设置有两个盲板预留口19，两个盲板预留口19呈上下分布，便于日后添加测量工具使用。
充气气路分接口上设置有充气针阀16；取气气路分接口上设置有取气针阀17，充气针阀16和取气针阀17分别通过快插与外部气路相连，分别用于充气与取气，方便在实验过程中快速获取气体样本。真空泵20为旋片式机械泵，抽气速率为4L/s；真空泵20进气端依次装有排气过滤器21、电阻真空计与真空单向阀，排气过滤器21为GL-3型，用于过滤烟雾及消音，电阻真空计为ZDR-I型，用于精准测量负压，真空单向阀为KF25型，防止真空泵20发生返油；抽气口上设置有高真空手动球阀6，罐内极限真空度10-1Pa。
在一种高气压高电压的绝缘气体放电及分解实验设备中进行SF6及其替代气体中的击穿放电和高温分解实验，包括以下步骤：
步骤1，安装上下电极，旋转升降转盘9调节下电极23位置，通过数显标尺8确定上下电极开距；调节完毕后将可拆卸盖板5封好。
步骤2，依次打开真空泵20与高真空手动球阀6，排空腔内原有气体，根据电阻真空计示数观测腔内气压变化。
步骤3，当观察到腔内气压为零且稳定后，依次关闭高真空手动球阀6与真空泵20；打开充气针阀16，通入实验气体至所需实验气压并保持稳定后，关闭充气针阀16。
步骤4，打开加热管开关并设置所需加热温度，观察腔内上部的温湿度探头14与下部的温度探头15示数，观察二者均达到设置温度并保持稳定。
步骤5，调整高压电源的电压幅值为0～100kV，进行不同温度场下的击穿实验，从加压开始直至击穿，利用示波器观测电压和电流变化。
步骤6，完成击穿实验后，撤去高压电源，打开取气针阀17，利用气体采样袋收集腔内气体，分析气体组分。
进一步的，气瓶内的气体是SF6及其绝缘替代气体。
实施例1，采用纯度为99.997％的SF6绝缘气体，通过正负压罐体1，进行工频交流及负直流电压下的击穿实验。实验前需先使用SF6气体进行洗气；实验时针板间距为5mm，针尖的曲率半径为1mm，电场不均匀度约为8.23。工频交流击穿实验中先匀速将电压升至预计击穿电压的70％，然后每级比前一级增加起始电压的5～10％，直至间隙发生击穿，每次击穿后间隔600s以保证消除前次击穿所带来的影响，共进行50次测试；负极性直流击穿实验中电压上升率为10kV/min，每次击穿后间隔也为600s，共进行50次测试。
实验结果如图5-6所示，其中交流击穿电压取电压最大值，直流击穿电压取电压绝对值。从图中可以看出，在工频交流以及负直流电压下，SF6绝缘气体的击穿电压随着击穿次数的增加，击穿电压基本上能保持稳定，并不会随着击穿次数的增加而变化。
实施例2：采用纯度为99.997％的SF6绝缘气体，通过正负压罐体1，进行高温、高气压、高电压下气体分解测试。使用N2气对实验罐进行洗气后持续抽真空30min，保证罐内没有杂质气体；充入SF6气体到气压为0.4MPa，同时打开加热管使罐内温度维持在80℃；再缓慢充入SF6气体直至气压稳定在0.5MPa、罐内温度稳定在80℃。充气完成后施加20kV工频交流电压，每隔10小时撤去施加电压，使用30mL气体采样袋从取气口收集气体样本，共取样3次；采样完成后立即恢复施加电压，并保证每次采样时间不超过2min。
使用气相色谱仪对采样得到的气体进行成分分析，判定分解产物主要为SOF4、SO2F2和SO2气体，主要分解产物含量随时间的变化曲线如图7所示。从图7中可以看出，三种主要分解产物随着施加电压时间的增加，单位体积浓度都有增大的趋势，其中SOF4气体最先达到饱和，SO2F2气体则一直呈线性增长，CO2气体的含量在加压20小时后突然增长。
以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分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申请各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种高气压高电压的绝缘气体放电及分解实验设备，其特征在于，包括：移动式机架和设置在所述移动式机架上的正负压罐体，所述正负压罐体顶部设置有可拆卸的法兰盖板，所述法兰盖板上设置有高压上电极组件；
所述高压上电极组件包括设置在所述法兰盖板上的密封绝缘柱和设置在所述密封绝缘柱内的上紫铜电极杆，所述上紫铜电极杆的上端连接高压电源，下端连接上电极；
所述正负压罐体底部设置有底板，所述底板中间向下设置有伸入到所述移动式机架内部的下电极密封组件，所述下电极密封组件为中空结构，且中心设置有下紫铜电极杆，所述下紫铜电极杆的上端连接有下电极；
所述正负压罐体上设置有抽气口，所述抽气口的一侧设置有充气气路分接口和取气气路分接口，所述正负压罐体内部下方设置有加热管；
所述移动式机架上设置有真空泵，所述真空泵通过真空管道连接所述抽气口。
2.根据权利要求1所述的高气压高电压的绝缘气体放电及分解实验设备，其特征在于，所述抽气口的一侧还设置有用于测量腔体底部温度的温度探头，所述抽气口的另一侧设置有用于测量腔内正负气体压力的气压探头；
所述法兰盖板上设置有用于显示腔体内部温度及湿度的温湿度探头；
所述移动式机架上设置有操作控制面板，所述操作控制面板分别与所述加热管、所述真空泵、所述温度探头、所述温湿度探头和所述气压探头电连接。
3.根据权利要求1所述的高气压高电压的绝缘气体放电及分解实验设备，其特征在于，所述下紫铜电极杆的下端设置有用于调节上下电极间距的升降转盘，所述升降转盘与所述下紫铜电极杆转动连接。
4.根据权利要求1所述的高气压高电压的绝缘气体放电及分解实验设备，其特征在于，所述密封绝缘柱的材质为聚甲醛或尼龙材料，且其外表面设置有凹凸槽。
5.根据权利要求1所述的高气压高电压的绝缘气体放电及分解实验设备，其特征在于，所述上电极和所述下电极的材质均为紫铜；
所述上电极为导电电极；
所述下电极为圆盘状接地电极；
所述上电极与所述下电极之间间距为0～100mm，且中心对准。
6.根据权利要求3所述的高气压高电压的绝缘气体放电及分解实验设备，其特征在于，所述移动式机架内设置有用以显示上下极间距的数显标尺。
7.根据权利要求1所述的高气压高电压的绝缘气体放电及分解实验设备，其特征在于，所述正负压罐体的前侧设置有第一石英玻璃观察窗，所述正负压罐体的右侧设置有可拆卸盖板；
所述可拆卸盖板正中心开设有第二石英玻璃观察窗。
8.根据权利要求1所述的高气压高电压的绝缘气体放电及分解实验设备，其特征在于，所述正负压罐体的后侧设置有多个盲板预留口，多个所述盲板预留口呈上下分布。
9.根据权利要求1所述的高气压高电压的绝缘气体放电及分解实验设备，其特征在于，所述充气气路分接口上设置有充气针阀；
所述取气气路分接口上设置有取气针阀。
10.根据权利要求1所述的高气压高电压的绝缘气体放电及分解实验设备，其特征在于，所述真空泵为旋片式机械泵；
所述真空泵进气端依次装有排气过滤器、电阻真空计与真空单向阀；
所述抽气口上设置有高真空手动球阀。
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