CN110568326A - 一种电-热联合老化和气体分解试验装置及应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高电压绝缘检测领域，具体为一种电‑热联合老化和气体分解试验装置及应用方法，包括电压输入单元、电热联合试验/气体分解试验单元、进气单元，采气及检测单元。高压电源输入模块采用交流电压，施加电压于气体分解腔室内。进气单元为将气体充入试验腔体内，进行气体放电分解试验。电热联合试验/气体分解试验单元的腔体内部的装置分别有高压电极，地电极。采气和检测单元是分别利用球阀和四通阀门进行控制通入微水仪和气相色谱仪当中采集分解气体。本发明将固体有机绝缘材料置于气体环境当中，以期探究在局部高温、高场强下，气体的分解、材料电热联合老化等故障诊断，为解决实际工程问题而实现绝缘状态联合评估。

Description

一种电-热联合老化和气体分解试验装置及应用方法

技术领域

本发明涉及高电压绝缘检测领域，具体为一种电-热联合老化和气体分解试验装置及应用方法。

背景技术

SF₆是一种广泛应用于输电线路当中的绝缘气体，但是在实际运行工况下气体绝缘输电系统面临复杂的环境。当设备发生接触不良，磁饱和、过载、电阻损耗、介质损耗等缺陷或者过载故障时，会造成气体绝缘设备局部过热，使得在电流和电压的作用下将会发热，主要有电流效应和电压效应，短路，尖端放电等异常状况，进而会发生潜伏性故障。这些潜伏性故障会逐步转变为过热性故障，加之输电线路中电压形成的高场强作用，使绝缘系统同时承受高电压和热故障的作用，物理环境及其复杂，对于高压电力设备无疑造成严重的影响。进而出现潜伏性故障。

如果局部过热发生在气体绝缘设备中的固体绝缘材料附近，诸如盆式绝缘子或者支撑绝缘子处，导致绝缘子同时受到高电压和局部高温过热的双重作用。而高电压形成的强电场对于局部过热下绝缘材料的老化又有一定的促进作用，同时整个装置又处于密闭的气体环境，因此会使整个系统处于更加复杂的多物理场。因此发明一种气-固复合绝缘系统在电热联合老化作用下的分解装置，探究放电和局部过热对气固绝缘系统中，气体分解热特性的影响尤为重要。

因此研究出一种新的能够反映气体绝缘装备过热故障的理论和方法显得尤为重要。而目前这些问题仍然处于探索阶段。有发明针对涉及固体绝缘材料情况下的气体分解特性，但是针对电热联合作用下的气体分解，特别是针对气固绝缘系统中的分解特性还未见相关报道。

同时，由于电力装备的绝缘与放电是一个多物理场耦合的复杂问题，涉及电磁学，传热学，流体力学等多个交叉学科。因此，SF₆气体绝缘设备在实际工况运行下，具有较为复杂的物理环境。为掌握多物理场下气体的分解特性的影响变化规律，本发明针对气-固绝缘系统中，设计了电热联合作用下气体分解试验装置。此外，实际的气体绝缘设备中，不可避免会存在微量的水分，因此装置在使用时同时检测微水的含量，以探究微水对于整个气固绝缘系统中气体分解的影响。基于此背景，本发明针对电热联合作用下的多物理场作用，模拟实际工况下的多物理场对于气体分解的影响。

发明内容

本发明的目的之一是提供了一种电-热联合老化和气体分解试验装置,包括移动式机架34，移动式机架34配备有万向轮36，其特征在于：在移动式机架34内安装有放电分解试验腔体11，通过放电分解试验腔体11安装有电热老化装置，电热老化装置与采气及检测单元相连通并实施检测，电热老化装置采用高压电路输入，且附带温度加热和传导设备，绝缘材料试品7放置于电热老化装置上，并在放电分解试验腔体11内冲入气体绝缘介质进行检测。

所述移动式机架34上端附带有筒式安装架，筒式安装架用于安装聚甲醛绝缘套管1、温湿度传感器30、DN50预留口31和DN200盲法兰32。

所述电热老化装置包括高压电极2、地电极8、加热管3和温度传感器6，所述高压电机2安装于聚甲醛绝缘套管1上，所述地电极8安装于地电极支撑绝缘柱9上，高压电极2和地电极8之间设置加热管3和温度传感器6，加热管3和温度传感器6上的加热管的接线柱4和温度传感器的接线柱5与温控系统的数码显示面板22相连接。

所述移动式机架34内安装有显示高压电极2和地电极8之间高度的数字显示卡尺33，并通过设置于地电极支撑绝缘柱9上的调节旋钮23调节地电极与高压电极之前高度。

所述放电分解试验腔体11为密封腔体，其上通过导管连接有气体钢瓶15，并以控制试验气体的进气口球阀20为控制端。

所述采气及检测单元包括GC气相色谱仪12，微水仪13和真空泵14，采样管路中控制气相色谱仪的进出口球阀16，采样管路中控制微水仪的进出口球阀17和采样管路中控制真空泵的进出口球阀18为GC气相色谱仪12，微水仪13和真空泵14的分路控制球阀，设置于四通阀门21上，与所述放电分解试验腔体11的连接管路上设置总出气口针阀19。

所述高压电路输入采用高压交流电源24，高压交流电源24经调压器25、试验变压器26、电路的保护电阻27、电容分压器28以及输入电路的保护电阻29的连接电路处理，通过导线与安装于聚甲醛绝缘套管1上的高压电机2连接。

本发明的另一目的是提供一种基于一种电-热联合老化和气体分解试验装置的应用方法，其特征在于,具体步骤如下:

S1、检查试验电路，确保试验电路电容分压器28和高压交流电源24处于为未带电状态；

S2、采用无水乙醇将腔体内部进行清理；

S3、设置电热联合作用下的缺陷方式，即放置试品，使得绝试品同时受到高场强和局部高温的作用；

S4、洗气，将进气阀门20打开，放电试验腔体中充入气体后静置，将真空泵14打开，使腔体内处于真空的状态，循环若干次；

S5、充气，向放电试验腔体11的内部充入气体，静置，待腔体内的气流稳定之后，将加热器打开，设置不同的温度故障，分别检测不同温度故障下的气体分解组分及随时间的变化规律；

S6、气相色谱仪预热；

S7、在数码显示系统中设置故障温度；

S8、设置施加电压；

S9、采样及检测，将不同作用时间的腔体之中采集腔体中的气体进行检测并循环多次；

S10、试验后处理，即撤电压、放电、降压和洗气。

本发明的有益效果为：本发明模拟真实运行工况下气体绝缘高压电力设备的多物理场下气体的分解特性。涉及一种高电压绝缘领域下由于气体绝缘设备发生由于电、热、等潜伏性局部故障下发生的绝缘劣化，气体放电、分解等引发的过热性故障而导致击穿，绝缘失效等领域，旨在解决工程实际问题，为工程技术人员检测气体，排除故障提供理论依据。现有发明主要考虑气体过热性故障下的分解特性。本发明将固体有机绝缘材料置于气体环境当中，以期探究在局部高温、高场强下，气体的分解、材料电热联合老化等故障诊断，为解决实际工程问题而实现绝缘状态联合评估。具体优点为：

(1)可以开展多种气体的分解检测，并针对不同气体可能的分解产物具有可使用性，并留有安全裕度。

(2)可以便捷更换高压电极和地电极，并且下电极是可以便捷调节地电极的高度，采用特殊的结构工艺设计，为一种省力螺栓来调节高度，而又能保持腔体良好的气密性。

(3)可以设置不同绝缘材料，检测不同绝缘材料对气体分解组分的影响。

(4)本发明设计了气固绝缘系统中电热联合作用下的分解装置。其中气固绝缘的联合老化设计为采取特殊的结构设计方案，可以使高电压和局部过热同时作用于固体绝缘材料和气体上，以便研究高压的作用对于气体分解特性的影响变化规律

附图说明

图1是电热联合老化试验腔体外形示意图；

图2是缺陷设置示意图；

图3是电热老化装置中采气及检测单元示意图；

图4是高压输入连接示意图；

图中所示：聚甲醛绝缘套管1，高压电极2，加热管3，加热管的接线柱4，温度传感器的接线柱5，温度传感器6，绝缘材料试品7，地电极8，地电极支撑绝缘柱9，气体绝缘介质10，放电分解试验腔体11，GC气相色谱仪12，微水仪13、真空泵14，气体钢瓶15，采样管路中控制气相色谱仪的进出口球阀16，采样管路中控制微水仪的进出口球阀17，采样管路中控制真空泵的进出口球阀18，出气口针阀19，进气口球阀20，四通阀门21，数码显示面板22，调节旋钮23，高压交流电源24，调压器25，试验变压器26，保护电阻27，电容分压器28，保护电阻29、温湿度传感器30，DN50预留口31，DN200盲法兰32，数字显示卡尺33，移动式机架34，观察窗35，万向轮36。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体的实施例进一步的说明本发明的技术方案：

实施例1

如图1～4所示的一种电-热联合老化和气体分解试验装置，该装置包含四个四个单元，分别是：电压输入单元、电热联合试验/气体分解试验单元、进气单元，采气及检测单元，具体连接结构如下所述。

如图1所示，四个单元均以移动式机架34为安装基架，同时在移动式机架34上端设置有筒式安装架，其上设置有聚甲醛绝缘套管1、温湿度传感器30、DN50预留口31、DN200盲法兰32和观察窗36。聚甲醛绝缘套管1为电压输入单元安装套管，DN50预留口31为其他实验检测的扩张口，DN200盲法兰32为活动盖结构，用于放置材料等，观察窗36顾名思义为设备观察口。

电压输入单元如图4所示，采用高压交流电源24，高压交流电源24经调压器25、试验变压器26、电路的保护电阻27、电容分压器28以及输入电路的保护电阻29的连接电路处理，通过导线与安装于聚甲醛绝缘套管1上的高压电机2连接。

电热联合试验/气体分解试验单元如图1、图2和图3所示，安装于放电分解试验腔体11内。具体包括高压电极2、地电极8、加热管3和温度传感器6，所述高压电机2安装于聚甲醛绝缘套管1上，所述地电极8安装于地电极支撑绝缘柱9上，高压电极2和地电极8之间设置加热管3和温度传感器6，加热管3和温度传感器6上的加热管的接线柱4和温度传感器的接线柱5与温控系统的数码显示面板22相连接。同时移动式机架34内安装有显示高压电极2和地电极8之间高度的数字显示卡尺33，并通过设置于地电极支撑绝缘柱9上的调节旋钮23调节地电极与高压电极之前高度。绝缘材料试品7放置于地电极8，并通过加热管3包裹，在放电分解试验腔体11内冲入气体绝缘介质进行检测。

进气单元将SF₆或新型绝缘替代气体经过通过导管连接有气体钢瓶15，并以控制试验气体的进气口球阀20为控制端，充入至放电分解试验腔体11以进行气体放电分解试验。

采气及检测单元如图3所示，包括GC气相色谱仪12，微水仪13和真空泵14，采样管路中控制气相色谱仪的进出口球阀16，采样管路中控制微水仪的进出口球阀17和采样管路中控制真空泵的进出口球阀18为GC气相色谱仪12，微水仪13和真空泵14的分路控制球阀，设置于四通阀门21上，与所述放电分解试验腔体11的连接管路上设置总出气口针阀19。

具体操作步骤如下所述：

检查试验电路——确保试验电路电容分压器和电源处于为未带电状态。

清洗试验腔体——采用无水乙醇将腔体内部进行清理。

所用的气体放电分解装置有两个气体进出口。其中一个为进气口为20，用于向过设备中充入试验气体。另一个为出气口19，用于将过热故障设备处理之后的气体进行采集，处理，并做进一步的分析。其中，出气口针阀19出来经过一个不锈钢针阀来控制气体的进出。而针阀19之后为四通阀门，控制气体通入到气相色谱仪12，微水仪13中。其中气相色谱检测分析分解之后的气体种类和含量多少，微水仪主要用来检测腔体中微水的含量。而每次试验都要将真空泵14将气体管路中的尾气排净。

设置电热联合作用下的缺陷方式——将高压电极和地电极调节至合适的高度，以环氧树脂绝缘件作为试品，将其放置地电极上面。将定制的环形加热管放置于固体绝缘件周围，使之与电极保持5mm的距离。同时加热管放置于腔体的三根柱子上，用以固定加热管的位置。同时，将定制的圆柱形温度传感器放置于加热管之上，使加热管侧壁紧贴加热管。设置的高压电极尖端与固体绝缘件相接触，使电压产生的高场强作用于绝缘件表面，以使绝缘件同时受到高场强和局部高温的作用。待缺陷设置好之后，将腔体的法兰盖子闭合，并使用电动扳手将法兰拧紧，保障腔体的密封性。

洗气——将进气阀门20打开，放电试验腔体中充入1atm的气体，静置20分钟，将真空泵14打开，使腔体内处于真空的状态。本发明所使用的真空泵为大容量旋片真空FXD-16，4L/s，此过程连续循环三次，以排除其他气体杂质对分解的影响。(1)利用高精度真空泵将SF₆真空放电装置抽真空，所用真空泵的精度较高，可达10Pa以下。(2)向过热故障设备内充入0.1MPa(1atm)的高纯SF₆气体进行洗气，然后静置12个小时，待气体在罐体内部均匀之后。再次抽真空，使罐体内的气压达到30Pa以下。此过程连续持续3次，以达到去除罐体的杂质目的。

充气——向罐体的内部充入0.4MPa(4atm)的高纯SF₆气体，以模拟实际GIS中的气压。静置12小时，待罐体内的气流稳定之后，将加热器打开，设置不同的温度故障，分别检测不同温度故障下的气体分解组分及随时间的变化规律。分别于每小时采集一下气体式样的气体，并做分析。设置温度的时候，设置过热故障的起始温度为200℃，同时间隔20℃。逐渐使过热故障温度上升。在不同温度下进行检测，并记录分解组分的含量，描绘出变化的曲线规律。其中，气相色谱仪使用时需要使用99.999％的高纯氦气。

气相色谱仪的准备工作——提前打开气相色谱仪的开关，使其预热2小时，后进行试验。

设置故障温度——将加热管开关打开，在数码显示系统中设置一定的温度，使其处于连续加热状态，而设计的温度控制系统可以使整个加热管表面的温度处于恒温。初次试验时将加热管温度设置为300℃。则加热管表面温度则可以保持在300±2℃。

设置施加电压——待加热30min之后，使腔体中的气体处于基本稳定状态。将交流电源打开，使其产生交流电压，经过试验变压器升压经过一个保护电阻27，使产生的高电压作用于腔体中的高压导杆，从而针尖处产生高场强的作用直接作用于固体绝缘件和气体中。到此，固体和气体介质同时受高场强和局部过热的双重作用。每隔1h时间进行采样。

采样及检测——将不同作用时间的腔体之中采集腔体中的气体进行检测。试验时，首先打开球阀18和真空泵14，将管路中的气体排空，抽真空5min之后将管路上的球阀18关闭。同时打开针阀19，方便腔体中的气体采集。同时打开球阀16和17。其中球阀17控制微水仪的回路，球阀16控制气相色谱仪的回路。采样时分别使腔室内的气体通入微水仪和气相色谱仪当中，以便进行微水含量的测量和检测分解气体的产物种类和含量。采集完试样在气相色谱仪中检测。之后启动管路中的气体用小型真空泵，以排空管中上一次分解之后留存的气体，同时为下一次的试验做准备。

下一步试验——将上面一步骤中的试验过程分别在试验开始每隔1h进行采样一次。整个试验共进行10小时的电热联合老化作用，采集气体和检测10次。

试验后处理——试验完毕之后，将装置进行处理。将电压撤去，用放电杆将电容器，高压绝缘子等处放电。将腔体中的气体排出，并用打开真空泵使罐体内的气压降至10Pa以下。后再次通入空气，将腔体洗气。随后使罐子处于常压状态

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (8)

1.一种电-热联合老化和气体分解试验装置,包括移动式机架，移动式机架配备有万向轮，其特征在于：在移动式机架内安装有放电分解试验腔体，通过放电分解试验腔体安装有电热老化装置，电热老化装置与采气及检测单元相连通并实施检测，电热老化装置采用高压电路输入，且附带温度加热和传导设备，绝缘材料试品放置于电热老化装置上，并在放电分解试验腔体内冲入气体绝缘介质进行检测。

2.根据权利要求1所述的一种电-热联合老化和气体分解试验装置，其特征在于：所述移动式机架上端附带有筒式安装架，筒式安装架用于安装聚甲醛绝缘套管、温湿度传感器、DN50预留口、DN200盲法兰和观察窗。

3.根据权利要求1所述的一种电-热联合老化和气体分解试验装置，其特征在于：所述电热老化装置包括高压电极、地电极、加热管和温度传感器，所述高压电机安装于聚甲醛绝缘套管上，所述地电极安装于地电极支撑绝缘柱上，高压电极和地电极之间设置加热管和温度传感器，加热管和温度传感器上的加热管的接线柱和温度传感器的接线柱与温控系统的数码显示面板相连接。

4.根据权利要求1所述的一种电-热联合老化和气体分解试验装置，其特征在于：所述移动式机架内安装有显示高压电极和地电极之间高度的数字显示卡尺，并通过设置于地电极支撑绝缘柱上的调节旋钮调节地电极与高压电极之前高度。

5.根据权利要求1所述的一种电-热联合老化和气体分解试验装置，其特征在于：所述放电分解试验腔体为密封腔体，其上通过导管连接有气体钢瓶，并以控制试验气体的进气口球阀为控制端。

6.根据权利要求1所述的一种电-热联合老化和气体分解试验装置，其特征在于：所述采气及检测单元包括GC气相色谱仪，微水仪和真空泵，采样管路中控制气相色谱仪的进出口球阀，采样管路中控制微水仪的进出口球阀和采样管路中控制真空泵的进出口球阀为GC气相色谱仪，微水仪和真空泵的分路控制球阀，设置于四通阀门上，与所述放电分解试验腔体的连接管路上设置总出气口针阀。

7.根据权利要求1所述的一种电-热联合老化和气体分解试验装置，其特征在于：所述高压电路输入采用高压交流电源，高压交流电源经调压器、试验变压器、电路的保护电阻、电容分压器以及输入电路的保护电阻的连接电路处理，通过导线与安装于聚甲醛绝缘套管上的高压电机连接。

8.一种基于一种电-热联合老化和气体分解试验装置的应用方法，其特征在于,具体步骤如下:

S1、检查试验电路，确保试验电路电容分压器和高压交流电源处于为未带电状态；

S2、采用无水乙醇将腔体内部进行清理；

S3、设置电热联合作用下的缺陷方式，即放置试品，使得绝试品同时受到高场强和局部高温的作用；

S4、洗气，将进气阀门打开，放电试验腔体中充入气体后静置，将真空泵打开，使腔体内处于真空的状态，循环若干次；

S5、充气，向放电试验腔体的内部充入气体，静置，待腔体内的气流稳定之后，将加热器打开，设置不同的温度故障，分别检测不同温度故障下的气体分解组分及随时间的变化规律；

S6、气相色谱仪预热；

S7、在数码显示系统中设置故障温度；

S8、设置施加电压；

S9、采样及检测，将不同作用时间的腔体之中采集腔体中的气体进行检测并循环多次；

S10、试验后处理，即撤电压、放电、降压和洗气。