CN110308340A - 一种直流穿墙套管故障模拟装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直流穿墙套管故障模拟装置及方法，属于高压电力设备故障技术领域，其包括绝缘室以及对称密封连接在绝缘室两侧的左直流穿墙套管和右直流穿墙套管，绝缘室充满SF6气体绝缘且绝缘室上设置有取气口；左直流穿墙套管和右直流穿墙套管均包括套设有硅橡胶绝缘护套的套管体和设在套管体内的导电杆，导电杆上套设有胶浸纸电容芯子；左直流穿墙套管通过触头触指与右直流穿墙套管连接，触头表面设有若干表带。本发明可用于模拟套管触头触指接触面积不足导致的过热故障，进而通过各种测量手段研究直流套管过热故障的特点。

Description

一种直流穿墙套管故障模拟装置及方法

技术领域

本发明属于高压电力设备故障技术领域，具体涉及一种直流穿墙套管故障模拟装置及方法。

背景技术

直流穿墙套管是连接换流站阀厅内部和外部高电压大容量电气装备的唯一电气贯通设备，具有复杂度高、集成度高、可靠性要求高等技术特点。目前对于直流穿墙套管的故障模拟手段基本是采用计算机仿真建模的方式，计算机仿真建模的方式有较大的局限性，因此不能完全反映故障情况下设备各项技术指标的实际变化情况。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明提供一种用于模拟套管触头触指接触面积不足导致的过热故障，进而通过测其他量手段研究直流套管过热故障的特点和规律。

为实现上述目的，本发明提供一种直流穿墙套管故障模拟装置，其包括绝缘室以及对称密封连接在所述绝缘室两侧的左直流穿墙套管和右直流穿墙套管，所述绝缘室的内腔充满SF6气体绝缘且所述绝缘室上设置有取气口；所述左直流穿墙套管和所述右直流穿墙套管均包括套设有硅橡胶绝缘护套的套管体和设在所述套管体内的导电杆，所述导电杆上套设有胶浸纸电容芯子；所述套管体上设有末屏；所述左直流穿墙套管通过触头和触指与所述右直流穿墙套管连接，所述触头的表面设有若干表带。

如上所述的直流穿墙套管故障模拟装置，进一步地，所述导电杆上布置有针形电极。

如上所述的直流穿墙套管故障模拟装置，进一步地，所述胶浸纸电容芯子上布置有半导电材料或金属氧化物粉末。

如上所述的直流穿墙套管故障模拟装置，进一步地，所述触头和所述触指上均套接有均压罩，所述均压罩通过螺栓相互连接。

如上所述的直流穿墙套管故障模拟装置，进一步地，所述套管体的空气端干弧距离R_g和爬电距离R_p分别为：

所述套管体的空气端干弧距离R_g：

式中：α表示设计取值的裕度(单位：％)；E_g表示套伞裙在空气中的平均干闪场强(单位：kV/mm)。

所述套管体的爬电距离R_p为：

R_p＝100×β_p

式中：β_p表示爬电比距(单位：无量纲)。

如上所述的直流穿墙套管故障模拟装置，进一步地，所述胶浸纸电容芯子在所述套管体内的绝缘距离R_q为：

式中：α表示设计取值的裕度(单位：％)；E_q表示套管体SF6端放电平均场强(单位：kV/mm)。

如上所述的直流穿墙套管故障模拟装置，进一步地，所述胶浸纸电容芯子的最大温升Δθ为：

式中：r_n为芯子浸油部分最大外半径(m)；r₀为导管外半径(m)；λ为芯子绝缘层的导热系数；σ为芯子在油中的表面散热系数；p₁为单位长度的导杆发热量(W/m)，p₁＝I²R；p₂为套管单位长度的介质发热量(W/m)，p₂＝U²ωCtgδ/L。

如上所述的直流穿墙套管故障模拟装置，进一步地，所述左直流穿墙套管或所述右直流穿墙套管的热击穿电压U_j和热击穿场强E_j计算方法分别为：

热击穿电压U_j

式中：λ表示芯子绝缘层的导热系数(W/m²·℃)，α表示介质损耗的温度系数，f表示频率，ε_γ表示相对介电常数，tgδ₀表示电容芯子在周围环境温度下的介质损耗值(％)。

热击穿场强E_j：

其中，d为胶浸纸电容芯子厚度，即d＝(r_w-r_n)/2，r_w、r_n分别表示电容芯子外径和内径厚度。

如上所述的直流穿墙套管故障模拟装置，进一步地，所述胶浸纸电容芯子采用等裕度、不等台阶的设计方法。

一种直流穿墙套管故障模拟方法，利用权利要求1所述的直流穿墙套管故障模拟装置进行，包括过热故障模拟、导电杆放电故障模拟、胶浸纸电容芯子爬电故障模拟；

所述过热故障模拟通过改变所述触头和所述触指之间的插接长度或改变所述表带的安装位置或所述表带的材料，用于模拟过热故障；

所述导电杆放电故障模拟通过在导电杆上布置针形电极，用于模拟导电杆毛刺放电故障；

所述胶浸纸电容芯子爬电故障模拟通过在胶浸纸电容芯子上布置半导电材料或金属氧化物粉末，用于模拟胶浸纸电容芯子表面爬电故障。

本发明与现有技术相比，其有益效果在于：装置功能丰富，易于操作、安全可靠，能模拟过热故障、放电故障、爬电故障等电力系统常见故障，操作简单；能够最大程度的模拟直流穿墙套管实际故障情况，提高操作人员的实际操作经验；结合测量工具可进行科学研究，如气体组分变化规律等。

附图说明

图1为本发明实施例的直流穿墙套管故障模拟装置结构示意图图；

图2为图1中A区域的局部放大图；

图3为左直流穿墙套管的截面图；

图4为导电杆毛刺放电故障模拟实施例示意图；

图5为胶浸纸电容芯子爬电故障模拟实施例示意图。

其中：1、绝缘室；2、左直流穿墙套管；3、右直流穿墙套管；4、套管体；5、硅橡胶绝缘护套；6、胶浸纸电容芯子；7、导电杆；8、触指；9、触头；10、针形电极；11、取气口；12、表带；13、均压罩；14、螺栓；15、套管端部；16、末屏；17、半导电材料。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。

实施例：

参见图1至图3，一种直流穿墙套管故障模拟装置，其包括绝缘室1以及对称密封连接在绝缘室1两侧的左直流穿墙套管2和右直流穿墙套管3，绝缘室1的内腔充满SF6气体绝缘且绝缘室1上设置有取气口11；左直流穿墙套管2和右直流穿墙套管3均包括套设有硅橡胶绝缘护套5的套管体4和设在套管体4内的导电杆7，导电杆7上套设有胶浸纸电容芯子6；套管体上设有末屏16；左直流穿墙套管2通过触头9、触指8与右直流穿墙套管3连接，触头9表面设有若干表带12。

需要说明的是，本实施例左直流穿墙套管2和右直流穿墙套管3均选用±100kV的直流穿墙套管(以下简称直流穿墙套管)，直流穿墙套管的端部，在本实施例中以左直流穿墙套管2的端部为例，即套管端部15。

具体实施时，根据故障模拟的需求选择具体的故障模拟方法及测量手段，

过热故障温度测量，通过调节触头9和触指8之间的插接长度从而实现两者的接触面积的调节，用于模拟触头9触指8接触面积不足造成的过热故障，通过现有的测温技术探测测试点的温度进而探究其故障规律和温度变化特点。除此之外，通过改变表带12安装位置或表带12的材料，如铜或者铝，用于模拟过热故障，需要说明的是，在本装置中使用的表带12包括两条载流为1000A的表带12以及其他载流为2000A的表带12，改变表带12的安装位置或表带12的材料，可用于模拟触头9触指8接触面积不足造成的过热故障。

局部放电测量，从套管端部15或末屏16截取信号接入局部放电测试仪进行套管局部放电量，用于定位直流穿墙套管故障点。

介损测量，从套管端部15注入10kV电压，从末屏16取截取信号接入介损测试仪，用于测试设备绝缘性能是否良好。

回路电阻测量，在直流穿墙套管的两端部截取信号，接入回路电阻仪，用于测量套管回路电阻

气体组分测量，从直流穿墙套管的取气口11取SF6气体接入气体组分检测仪，可测量气体微水、二氧化硫、一氧化碳含量，用于进一步研究故障工况下SF6气体分解物含量随时间的变化规律、分解物的比值变化规律、产气速率变化规律。

本实施例中，导电杆7上布置有针形电极10，具体地，在导电杆7的光滑面上粘贴布置针形电极10，如图4所示，用于模拟导电杆7毛刺放电故障，然后采用局部放电测量和气体组分测量手段研究直流穿墙套管故障点和SF6气体分解物的组分变化规律。

本实施例中，胶浸纸电容芯子6上布置有半导电材料17或金属氧化物粉末(未示出)，具体地，如图5所示，在胶浸纸电容芯子6表面粘贴半导电材料17或涂抹金属氧化物粉末，如图5所示，用于模拟胶浸纸电容芯子6表面爬电故障，然后采用局部放电测量、介损测量和气体组分测量手段以研究直流穿墙套管故障点、绝缘性能和SF6气体分解物的组分变化规律。

本实施例中，触头9和触指8上均套接有均压罩13，均压罩13通过螺栓14连接。旋紧连接螺栓14可使得两均压罩13往相向方向运动，从而将触头9和触指8压紧，因此，通过旋入或旋出连接螺栓14可调节其压紧程度。通过旋入或旋出接螺栓14可模拟左、右直流穿墙套管3的接触情况，同时采用局部放电测试仪器从套管端部15或末屏16截取信号进行测量，或者通过气体组分检测仪从取气口11取SF6气体进行组分测量，用于研究不同放电程度的信号及气体组分变化规律。

进一步地，所述套管体4的空气端干弧距离R_g计算方法为：

式中：表示设计取值的裕度(单位：％)；表示套伞裙在空气中的平均干闪场强(单位：kV/mm)。本实施例中，直流穿墙套管的硅橡胶绝缘护套5采用复合套伞裙，根据统计，复合套伞裙在空气中的平均干闪场强为2.4～3kV/cm。如取20％裕度，则空气端干弧距离R_g需要大于165*1.2/2.5＝79.2cm。

进一步地，套管体4的爬电距离R_p为：

R_p＝100×β_p

式中：β_p表示爬电比距(单位：无量纲)。

本实施例中，直流穿墙套管要求爬电比距β_p≥43.3，爬电距离R_p为100*43.3＝4330mm，设计时选取空气端干弧距离R_g为115.2cm＝1152mm，爬电距离R_p为4558mm。

进一步地，胶浸纸电容芯子6在套管体4内的绝缘距离R_q为：

式中：α表示设计取值的裕度(单位：％)；E_q表示套管体SF6端放电平均场强(单位：kV/mm)。

本实施例中，套管SF6端放电平均场强为0.65kV/mm，取20％裕度，则绝缘距离R_q需要大于165*1.2/0.65＝304.6mm，设计时选取胶浸纸电容芯子6在套管体4内的绝缘距离R_q为550mm。

进一步地，胶浸纸电容芯子6的最大温升Δθ为：

式中：r_n为芯子浸油部分最大外半径(m)；r₀为导管外半径(m)；λ为芯子绝缘层的导热系数；σ为芯子在油中的表面散热系数；p₁为单位长度的导杆发热量(W/m)，p₁＝I²R；p₂为套管单位长度的介质发热量(W/m)，p₂＝U²ωCtgδ/L。

本实施例中，最大温升值应当不超过限值，本系统取值为25℃。

进一步地，左直流穿墙套管2或右直流穿墙套管3的热击穿电压U_j和热击穿场强E_j分别

为：

式中：λ表示芯子绝缘层的导热系数(W/m²·℃)，α表示介质损耗的温度系数，f表示频率，ε_γ表示相对介电常数，tgδ₀表示电容芯子在周围环境温度下的介质损耗值(％)。

热击穿场强E_j：

其中，d为胶浸纸电容芯子厚度，即d＝(r_w-r_n)/2，r_w、r_n分别表示电容芯子外径和内径厚度。

本实施例中，计算得到的热击穿场强E_j应当不超过限值，本系统取值为6.64kV/mm。

进一步地，胶浸纸电容芯子6采用等裕度、不等台阶的设计方法。本实施例中，胶浸纸电容芯子6的内径选取为60mm，胶浸纸电容芯子6的外径选取为132mm。设计时，每层绝缘厚度选取为3mm，电容屏数量为10层。通过调节伞梯差与尾梯差来控制台阶的长度，从而调节直流穿墙套管的径向场强(或称层间场强)与轴向场强(或称沿面场强)，使径向场强尽量均匀，同时控制轴向场强在需用轴向场强以下。经过调节以后的芯子电容尺寸如表1所示。

表1电容芯子尺寸

一种直流穿墙套管故障模拟方法，利用权利要求1的直流穿墙套管故障模拟装置进行，包括过热故障模拟、导电杆放电故障模拟、胶浸纸电容芯子爬电故障模拟；过热故障模拟通过改变触头和触指之间的插接长度或改变表带的安装位置或表带的材料，用于模拟过热故障；导电杆放电故障模拟通过在导电杆上布置针形电极，用于模拟导电杆毛刺放电故障；胶浸纸电容芯子爬电故障模拟通过在胶浸纸电容芯子上布置半导电材料或金属氧化物粉末，用于模拟胶浸纸电容芯子表面爬电故障。该方法易于操作，能模拟过热故障、放电故障、爬电故障等电力系统常见故障，操作过程简单。

本发明有益效果在于：装置功能丰富，易于操作、安全可靠，能模拟过热故障、放电故障、爬电故障等电力系统常见故障，操作简单；能够最大程度的模拟直流穿墙套管实际故障情况，提高操作人员的实际操作经验；结合测量工具可进行科学研究，如气体组分变化规律等。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”、“顶”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发明和简化描述，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发明的限制。

上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种直流穿墙套管故障模拟装置，其特征在于，包括绝缘室以及对称密封连接在所述绝缘室两侧的左直流穿墙套管和右直流穿墙套管，所述绝缘室的内腔充满SF6气体绝缘且所述绝缘室上设置有取气口；所述左直流穿墙套管和所述右直流穿墙套管均包括套设有硅橡胶绝缘护套的套管体和设在所述套管体内的导电杆，所述导电杆上套设有胶浸纸电容芯子；所述套管体上设有末屏；所述左直流穿墙套管通过触头和触指与所述右直流穿墙套管连接，所述触头的表面设有若干表带。

2.根据权利要求1所述的直流穿墙套管故障模拟装置，其特征在于，所述导电杆上布置有针形电极。

3.根据权利要求1所述的直流穿墙套管故障模拟装置，其特征在于，所述胶浸纸电容芯子上布置有半导电材料或金属氧化物粉末。

4.根据权利要求1所述的直流穿墙套管故障模拟装置，其特征在于，所述触头和所述触指上均套接有均压罩，所述均压罩通过螺栓相互连接。

5.根据权利要求1所述的直流穿墙套管故障模拟装置，其特征在于，所述套管体的空气端干弧距离R_g和爬电距离R_p分别为：

所述套管体的空气端干弧距离R_g：

式中：α表示设计取值的裕度(单位：％)；E_g表示套伞裙在空气中的平均干闪场强(单位：kV/mm)。

所述套管体的爬电距离R_p为：

R_p＝100×β_p

式中：β_p表示爬电比距(单位：无量纲)。

6.根据权利要求1所述的直流穿墙套管故障模拟装置，其特征在于，所述胶浸纸电容芯子在所述套管体内的绝缘距离R_q为：

式中：α表示设计取值的裕度(单位：％)；E_q表示套管体SF6端放电平均场强(单位：kV/mm)。

7.根据权利要求1所述的直流穿墙套管故障模拟装置，其特征在于，所述胶浸纸电容芯子的最大温升Δθ为：

式中：r_n为芯子浸油部分最大外半径(m)；r₀为导管外半径(m)；λ为芯子绝缘层的导热系数；σ为芯子在油中的表面散热系数；p₁为单位长度的导杆发热量(W/m)，p₁＝I²R；p₂为套管单位长度的介质发热量(W/m)，p₂＝U²ωCtgδ/L。

8.根据权利要求1所述的直流穿墙套管故障模拟装置，其特征在于，所述左直流穿墙套管或所述右直流穿墙套管的热击穿电压U_j和热击穿场强E_j计算方法分别为：

热击穿电压U_j

式中：λ表示芯子绝缘层的导热系数(W/m²·℃)，α表示介质损耗的温度系数，f表示频率，ε_γ表示相对介电常数，tgδ₀表示电容芯子在周围环境温度下的介质损耗值(％)。

热击穿场强E_j：

其中，d为胶浸纸电容芯子厚度，即d＝(r_w-r_n)/2，r_w、r_n分别表示电容芯子外径和内径厚度。

9.根据权利要求1所述的直流穿墙套管故障模拟装置，其特征在于，所述胶浸纸电容芯子采用等裕度、不等台阶的设计方法。

10.一种直流穿墙套管故障模拟方法，其特征在于，利用权利要求1所述的直流穿墙套管故障模拟装置进行，包括过热故障模拟、导电杆放电故障模拟、胶浸纸电容芯子爬电故障模拟；

所述过热故障模拟通过改变所述触头和所述触指之间的插接长度或改变所述表带的安装位置或所述表带的材料，用于模拟过热故障；

所述导电杆放电故障模拟通过在导电杆上布置针形电极，用于模拟导电杆毛刺放电故障；

所述胶浸纸电容芯子爬电故障模拟通过在胶浸纸电容芯子上布置半导电材料或金属氧化物粉末，用于模拟胶浸纸电容芯子表面爬电故障。