CN110220993B - 一种判断气体绝缘电气设备故障的方法 - Google Patents

一种判断气体绝缘电气设备故障的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种判断C3F7CN/CO2混合气体绝缘电气设备故障是否涉及环氧树脂固体的方法，其包括以下步骤：(1)搭建两个试验模型，分别模拟环氧树脂材料参与和不参与C3F7CN/CO2混合气体绝缘设备故障的工况；(2)通过气相色谱‑质谱联用仪对两种试验模型下C3F7CN/CO2混合气体的分解气体产物进行检测；(3)比较上述两种试验模型下分解产物的种类及相对含量，以此判断混合气体绝缘设备中的故障是否影响环氧树脂材料。本发明所选用的分解产物性质稳定易于检测，提出的两种方法均可以快速、准确识别，可以为C3F7CN/CO2混合气体应用于气体绝缘设备提供支撑。

Description

一种判断气体绝缘电气设备故障的方法
技术领域
本发明属于高电压与绝缘技术领域，涉及一种判断气体绝缘电气设备故障的方法，特别涉及一种判断C3F7CN/CO2混合气体绝缘电气设备故障是否影响环氧树脂材料的气固绝缘系统放电故障的方法。本发明适用于所有的以C3F7CN/CO2混合气体作为气体绝缘介质的电气设备，其中包括气体绝缘变压器(GIT)、气体绝缘输电线路(GIL)、气体绝缘开关(GIS)等。
背景技术
气体绝缘电气设备在运行过程中长期受到电、热等应力作用，可能出现放电、过热等缺陷故障，影响电气设备的安全运行。目前，六氟化硫(SF6)是气体绝缘电气设备的主要绝缘气体介质，已有针对以SF6绝缘电气设备故障的成熟诊断方式和方法。虽然SF6气体绝缘具有绝缘性能优异，无毒无腐蚀等优点，但SF6气体因极强的温室效应而被限制使用。而近年来，研究发现七氟异丁腈/二氧化碳混合气体(C3F7CN/CO2)具有良好潜力替代SF6应用于气体绝缘设备，但针对此类气体绝缘电气设备中故障是否涉及到环氧树脂固体材料的判断方法仍是空白。
气体绝缘设备中采用了大量环氧树脂为材料的部件以固定、分割气室和支撑高压导杆。若设备出现放电故障涉及到环氧树脂材料，长期放电条件下将造成环氧树脂材料发生变化，进而造成其绝缘和机械等性能下降，影响气体绝缘设备安全可靠运行。因此气体绝缘电气设备的故障有绝缘气体的放电故障和气固绝缘系统放电故障之分。而对于不同的故障类型，其检修的策略不同。因此快速判断是绝缘气体放电故障还是气固绝缘系统放电故障，可快速选择合适的检修策略，有利于提高检修工作效率，缩短设备故障时间。
当前，气体绝缘电气设备传统的检测手段和方法(例如局部放电检测)由于本身的缺陷难以有效检测出设备内部缺陷。一般而言，在现场检测SF6气体绝缘电气故障的一种主要的方法是SF6气体分解产物带电检测。已有的SF6气体绝缘设备中故障是否影响环氧树脂材料的判断方法的原理是利用SF6气体在故障条件下的分解产物类型及不同分解产物的相对含量可以判断故障是否影响环氧树脂材料和故障的严重程度。而针对C3F7CN/CO2混合气体绝缘的电气设备故障判断方法目前未见报道。由于C3F7CN/CO2混合气体与SF6气体的物化特性、绝缘特性以及分解特性的不同，导致使用原有的方法无法判断C3F7CN/CO2混合气体绝缘设备的故障是否影响环氧树脂材料。本发明提出采用特征分解气体C3F8/CF4、CF4/CF3CN和C3F8/CF3CN含量比值的方法来判断设备中的故障是否影响环氧树脂材料，可有效缩短故障判定时间，提高设备检修效率。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种判断C3F7CN/CO2混合气体绝缘设备的故障是否影响环氧树脂材料的方法。具体技术方案如下。
一种判断混合气体绝缘电气设备故障的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)搭建两个试验平台，分别模拟C3F7CN/CO2混合气体绝缘设备中涉及和不影响环氧树脂材料的故障条件；
(2)通过气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)对上述两种试验模型下C3F7CN/CO2混合气体的分解气体产物进行检测；
(3)比较上述两种试验模型下特征分解产物的种类及相对含量，以此来判断C3F7CN/CO2混合气体绝缘设备中的故障是否影响环氧树脂材料。
比较上述两种模型下分解产物的种类及相对含量，可获得一种特征分解产物(全氟丁烷：C4F10)，以此判断C3F7CN/CO2混合气体绝缘设备中的故障是否影响环氧树脂材料。
此外为了故障诊断的可靠性，选取上述两种试验模型下混合气体的相同的气体分解产物，利用比值法，通过比较在两种试验模型下这些气体分解产物之间的相对含量的差异(范围)以及比值(范围)的变化趋势可以判断C3F7CN/CO2混合气体绝缘设备中的故障是否影响环氧树脂材料。
下面采用三比值法判断C3F7CN/CO2混合气体绝缘设备的故障是否影响环氧树脂材料。将共有的三种气体的三对比值以不同的编码表示，编码规则和故障类型识别方法见表2和表3。
表2 编码规则
Figure BDA0002118613930000021
Figure BDA0002118613930000031
注：
(1)三个比值的编码中，“0”均表示放电故障不影响环氧树脂，”1”都表示放电故障影响环氧树脂；
(2)在本发明的研究范围内，两种故障模型的C3F8/CF4气体分解产物比值在70H内保持平稳且均不会超过5；CF4/CF3CN的含量比值相差很大，在影响环氧树脂的故障时可能超过5，不影响环氧树脂时不会低于20，因此不会落入10～20区间内；两种故障模型下的C3F8/CF3CN含量比值可能在10～15范围内出现交叉，还认为故障影响环氧树脂时该比值可能随着故障时间的继续增加而减小，落入0～5区间内。故C3F8/CF4和CF4/CF3CN的编码中的“2”表示该比值不会落入对应的范围内，而C3F8/CF3CN的编码中的“2”表示两种故障模型下的该比值指标可能落入对应的数据范围，仅凭该比值指标无法判断故障类型，需要结合其余指标综合判断。
表3 故障类型识别方法
Figure BDA0002118613930000032
Figure BDA0002118613930000041
注：
(1)“*”表示数为0，1或2任意一个；“不可能”表示在本专利研究范围内不会出现；“待定：表示在本专利研究范围内，但不能使用该方法确定最终结果。
(2)故障识别方法的判断规则：
1、当三个指标均指向故障(不)影响环氧树脂时，可准确判断。(编码：000或111)。
2、当指标C3F8/CF3CN编码为0或1时，综合三个指标，若有2个指标指向故障(不)影响环氧树脂时，也可判断。(编码：001，010，011，100，101，110)
3、当指标C3F8/CF3CN编码为2时，其余2个指标若指向不同的故障类型，则结果待定；若其余2个指标若指向同一的故障类型，结果也可确定。(编码：002，012，102，112)
4、当C3F8/CF4、CF4/CF3CN两个指标的编码有一个出现“2”时，诊断结果为“不可能”。(编码：02*，12*，2**)。
本发明的有益效果
本发明提出了一种分别根据气体分解产物的种类和相对含量变化判断C3F7CN/CO2气体绝缘设备故障是否涉及到环氧树脂材料的判断方法，本发明所选用的分解产物性质稳定易于检测，提出的两种方法均可以快速、准确识别，可以为C3F7CN/CO2混合气体应用于气体绝缘设备提供支撑。
附图说明
图1为本发明不影响环氧树脂材料的故障模型。
图2为本发明影响环氧树脂材料的故障模型。
图3为本发明两种模型下产物比值随故障时间的变化趋势图。
具体实施方式
下面结合图表对本发明做进一步说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
两个试验模型分别如图1和图2所示。图1为不影响环氧树脂材料的故障模型1，故障主要发生在高压电极和悬浮电极之间，而环氧树脂材料仅起到隔离地电极和悬浮电极的作用，并不参与故障。模型的具体参数为：2个电极均为不锈钢材料，高压电极的锥形曲率半径为2mm，锥角为30°，锥尖长度50mm；悬浮电极为直径50mm、厚度15mm的圆板，边缘倒角为5mm。高压电极和悬浮电极之间的距离为1mm。图2为影响环氧树脂材料的故障模型2，高压电极与地电极之间放置一个环氧树脂圆形平板试样，故障电流中的表面电流从高压电极经由环氧树脂试样的上表面到达地电极，而较小的体电流经由环氧树脂体电阻到达地电极，故该模型中环氧树脂材料参与故障。模型的具体参数为：高压电极的直径为50mm，厚度为17mm，地电极的直径为200mm，厚度为50mm，两个电极的材料均为不锈钢，且边缘均设有5mm的倒角以防止产生电晕放电。两个试验模型中使用的固体绝缘材料为Al2O3掺杂的环氧树脂圆板，直径为120mm，厚度为2mm。
试验中所使用的气体检测仪器为安捷伦5875/7890A气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)，色谱柱的型号为安捷伦GS-GasPro，内径0.32mm，长度60m，使用气体进样器手动进样，每次进样200μL，采用分流进样模式，分流比为50:1，载气为纯度高于99.999％的氦气He，载气的流速为1.55ml/min，进样口和接口的温度分别设置为120℃和200℃，质谱采用全扫描检测，质荷比的范围为30～500。气体的检测结果可利用GC-MS检测系统中的数据记录与处理软件根据质谱数据库(NIST.11)检测比对得到。
不影响环氧树脂材料的模型故障下得到的C3F7CN/CO2混合气体的主要分解产物为四氟化碳(CF4)、六氟乙烷(C2F6)、全氟丙烷(C3F8)和三氟乙腈(CF3CN)，影响环氧树脂材料的模型故障下得到的主要分解产物为四氟化碳(CF4)、六氟丙烯(C3F6)、全氟丙烷(C3F8)、三氟已腈(CF3CN)和全氟丁烷(C4F10)。由于环氧树脂材料中的主要组成元素为C、H和O，故选取C4F10作为特性分解产物来判断C3F7CN/CO2混合气体绝缘设备的故障是否影响环氧树脂材料。
表1 不同故障类型下C3F7CN/CO2混合气体分解产物
Figure BDA0002118613930000061
此外，为了增加故障诊断的可靠性，还选取上述两种模型在故障条件下相同的气体分解产物CF4、C3F8和CF3CN，通过比较C3F8/CF4、CF4/CF3CN和C3F8/CF3CN的含量比值以及它们随故障时间的变化趋势也可判断C3F7CN/CO2混合气体绝缘设备的故障是否影响环氧树脂材。结果如图3所示。
由图3可以看出两种故障模型下C3F8/CF4的大小基本不随故障时间的变化而变化，但两者的大小差异明显，影响环氧树脂材料时C3F8/CF4的变化范围在2.3～3.6之间，均大于1，而不影响环氧树脂材料时C3F8/CF4的变化范围在0.5～0.72之间，均小于1。CF4/CF3CN在影响环氧树脂材料时，随着故障时间的增加，其比值下降，而在不影响环氧树脂材料时，随着故障时间的增大，CF4/CF3CN出现了先减小后增大的趋势。两种条件下的CF4/CF3CN的比值大小也有差异，涉及固体材料时CF4/CF3CN的比值小于5，而不涉及固体材料时CF4/CF3CN的比值大于22。C3F8/CF3CN在两种故障条件下的比值大小差异不大，难以仅根据此比值判断故障是否影响环氧树脂材料。
图3为两种模型下产物比值随故障时间的变化趋势图，其中故障模型1不影响环氧树脂，故障模型2影响环氧树脂。
下面采用三比值法判断C3F7CN/CO2混合气体绝缘设备的故障是否影响环氧树脂材料。将共有的三种气体的三对比值以不同的编码表示，编码规则和故障类型识别方法见表2和3。
表2 编码规则
Figure BDA0002118613930000062
Figure BDA0002118613930000071
注：
(1)三个比值的编码中，“0”均表示放电故障不影响环氧树脂，”1”都表示放电故障影响环氧树脂；
(2)在本发明的研究范围内，两种故障模型的C3F8/CF4气体分解产物比值在70H内保持平稳且均不会超过5；CF4/CF3CN的含量比值相差很大，在影响环氧树脂的故障时可能超过5，不影响环氧树脂时不会低于20，因此不会落入10～20区间内；两种故障模型下的C3F8/CF3CN含量比值可能在10～15范围内出现交叉，还认为故障影响环氧树脂时该比值可能随着故障时间的继续增加而减小，落入0～5区间内。故C3F8/CF4和CF4/CF3CN的编码中的“2”表示该比值不会落入对应的范围内，而C3F8/CF3CN的编码中的“2”表示两种故障模型下的该比值指标可能落入对应的数据范围，仅凭该比值指标无法判断故障类型，需要结合其余指标综合判断。
表3 故障类型识别方法
Figure BDA0002118613930000072
Figure BDA0002118613930000081
注：
(1)“*”表示数为0，1或2任意一个；“不可能”表示在本专利研究范围内不会出现；“待定：表示在本专利研究范围内，但不能使用该方法确定最终结果。
(2)故障识别方法的判断规则：
1)、当三个指标均指向故障(不)影响环氧树脂时，可准确判断。(编码：000或111)。
2)、当指标C3F8/CF3CN编码为0或1时，综合三个指标，若有2个指标指向故障(不)影响环氧树脂时，也可判断。(编码：001，010，011，100，101，110)
3)、当指标C3F8/CF3CN编码为2时，其余2个指标若指向不同的故障类型，则结果待定；若其余2个指标若指向同一的故障类型，结果也可确定。(编码：002，012，102，112)
4)、当C3F8/CF4、CF4/CF3CN两个指标的编码有一个出现“2”时，诊断结果为“不可能”。(编码：02*，12*，2**)
由图3可以看出两种故障模型下C3F8/CF4的大小基本不随故障时间的变化而变化，但两者的大小差异明显，影响环氧树脂材料时C3F8/CF4的变化范围在2.3～3.6之间，均大于1，而不影响环氧树脂材料时C3F8/CF4的变化范围在0.5～0.72之间，均小于1。CF4/CF3CN在影响环氧树脂材料时，随着故障时间的增加，其比值下降，而在不影响环氧树脂材料时，随着故障时间的增大，CF4/CF3CN出现了先减小后增大的趋势。两种条件下的CF4/CF3CN的比值大小也有差异，涉及固体材料时CF4/CF3CN的比值小于5，而不涉及固体材料时CF4/CF3CN的比值大于22。C3F8/CF3CN在两种故障条件下的比值大小差异不大，难以仅根据此比值判断故障是否影响环氧树脂材料。

Claims (1)

1.一种判断混合气体绝缘电气设备故障的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)搭建两个试验模型，分别模拟环氧树脂材料参与和不参与C3F7CN/CO2混合气体绝缘设备故障的工况；
(2)通过气相色谱-质谱联用仪对两种试验模型下C3F7CN/CO2混合气体的分解气体产物进行检测；
(3)比较上述两种试验模型下分解产物的种类及相对含量，以此判断混合气体绝缘设备中的故障是否影响环氧树脂材料；
所述混合气体绝缘电气设备是C3F7CN/CO2混合气体绝缘电气设备；
不影响环氧树脂材料的故障模型1，故障主要发生在高压电极和悬浮电极之间，而环氧树脂材料仅起到隔离地电极和悬浮电极的作用，并不参与故障；具体参数为：模型自上而下为高压电极、悬浮电极、环氧树脂材料和地电极，2个电极均为不锈钢材料，高压电极的锥形曲率半径为2mm，锥角为30°，锥尖长度50mm；悬浮电极为直径50mm、厚度15mm的圆板，边缘倒角为5mm；高压电极和悬浮电极之间的距离为1mm；环氧树脂材料的故障模型2，高压电极与地电极之间放置一个环氧树脂圆形平板试样，故障电流中的表面电流从高压电极经由环氧树脂试样的上表面到达地电极，而较小的体电流经由环氧树脂体电阻到达地电极，故该模型中环氧树脂材料参与故障，具体参数为：高压电极的直径为50mm，厚度为17mm，地电极的直径为200mm，厚度为50mm，两个电极的材料均为不锈钢，且边缘均设有5mm的倒角以防止产生电晕放电；两个试验模型中使用的固体绝缘材料为Al2O3掺杂的环氧树脂圆板，直径为120mm，厚度为2mm；
试验中所使用的气体检测仪器为安捷伦5875/7890A气相色谱-质谱联用仪，色谱柱的型号为安捷伦GS-GasPro，内径0.32mm，长度60m，使用气体进样器手动进样，每次进样200μL，采用分流进样模式，分流比为50:1，载气为纯度高于99.999％的氦气He，载气的流速为1.55ml/min，进样口和接口的温度分别设置为120℃和200℃，质谱采用全扫描检测，质荷比的范围为30～500；
分解产物为CF4、C2F6、C3F8、CF3CN、C4F10；
采用三比值法比较C3F8/CF4,CF4/CF3CN和C3F8/CF3CN的含量比值及他们随故障时间的变化趋势可判断故障是否影响环氧树脂材料。
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