CN111880060A - 一种sf6火花放电能量分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种SF6火花放电能量分析方法，所述方法包括以下步骤：将高压交流电源经过高压硅堆整流后获得所需直流电源；采用直流电源给充电电容充电，并使充电电容储存不同的电压等级的能量；储存不同的电压等级的能量充电电容分别对火花放电模拟罐体缺陷进行放电并产生火花；测量火花放电间隙火花瞬间的电压和电流以计算SF6火花放电能量。本发明方法可以对火花放电模拟罐体缺陷进行定量放电并产生规律的火花，以便在定量的条件下进行进行SF6火花放电的后续研究。
Description
技术领域
本发明涉及电力设备故障分析技术领域，特别是涉及一种SF6火花放电能量分析方法。
背景技术
气体绝缘组合电器(Gas Insulated Switchgear，简称GIS)是电力系统中重要的电气设备之一，其安全性和可靠性对于电力系统的稳定运行起到至关重要的作用。GIS中包括的重要组件为SF6气体绝缘电气设备，一旦SF6气体绝缘电气设备内发生放电性或过热性故障而导致设备停运维修，社会经济发展将受到重大损失。
SF6气体绝缘电气设备在生产、制造、运输和运行环节中，不可避免地会存在不同形式和程度的固有绝缘缺陷，在正常运行电压下，有些固有绝缘缺陷处的电场会急剧增强，随之可能产生不同程度的局部放电(PD)。一旦出现明显的PD，将大大加快缺陷周围绝缘(包括气体和固体)介质的劣化速度，而当气体介质绝缘性能劣化较为严重时，将会产生火花放电和电弧放电。一旦出现火花放电就标志着SF6气体绝缘电气设备内部绝缘状态已经下降到十分危险的地步。因此，为构建GIS设备绝缘状态在线监测和故障诊断方法体系需要对SF6气体绝缘设备进行火花放电故障分析。
在对SF6气体绝缘设备进行火花放电故障分析中，需要先获得SF6火花放电能量，然后才能在一定的SF6火花放电能量条件下进行SF6火花放电分解产物的定量检测。
因此，如何提供一种SF6火花放电能量分析方法是本领域技术人员目前需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种SF6火花放电能量分析方法，计算出SF6火花放电能量，并对放电气体分解产物进行分析，进而对火花放电故障的处理形成理论指导。
本法明的实施例提出一种SF6火花放电能量分析方法，包括以下步骤：
步骤1、将高压交流电源经过高压硅堆整流后获得所需直流电源；
步骤2、采用直流电源给充电电容充电，并使充电电容储存不同电压等级的能量；
步骤3、储存不同电压等级的能量的充电电容分别对火花放电模拟罐体缺陷进行放电并产生火花；
步骤4、测量火花放电间隙火花瞬间的电压和电流以计算SF6火花放电能量。
在本发明的优选实施例中，所述步骤4中采用高压探针测量并获取火花间隙两端瞬时电压波形，采用罗氏线圈测量并获取火花间隙的瞬时电流波形。高压探针没有延时地直接测量火花放电瞬间电极两端电压的变化值，且与实验室现有的示波器可测量范围进行有效匹配，优选为德国Testec HVP-40高压探针。罗氏线圈因为被测电路和测量线圈之间没有直接的电气连接，不消耗被测电路的能量，同时具有良好的电磁屏蔽特性、抗干扰能力强、宽频带和结构简单优点。
在本发明的优选实施例中，所述步骤4采用以下公式计算单次火花放电的能量E：
式中，E表示单次火花放电的能量，U(t)表示缺陷火花瞬间高压电极端所得电压，i(t)表示火花瞬间流经缺陷的电流，k表示罗氏线圈灵敏度、高压探针衰减倍数和衰减探头倍数的综合转化系数，Δt表示示波器采样时间间隔，Um表示火花放电某采样时刻示波器采得的电压值，im表示火花放电某采样时刻示波器采得的电流值，m表示采样点，n表示总采样点数。
在本发明的优选实施例中，所述步骤4中采用示波器对瞬时电压电流波形进行同步采样，通过观察电压电流波形的衰减情况可以判断单次火花放电时间长度。
在本发明的优选实施例中，所述充电电容为耐压脉冲型电容器。耐压脉冲型电容器具有绝缘电阻大、介质损耗小、漏电流小等特点。
在本发明的优选实施例中，还包括：
步骤5、获取不同能量下SF6火花放电气体分解产物并进行气体组分分析。
在本发明的优选实施例中，所述步骤5包括：
51、采用GC对样品组分进行分离；
52、将分离的各组分逐一送入到MS中进行定量检测；
53、依次对4.35min～6.80min时间段内出峰的CO2、SO2F2、SOF4、SOF2、H2S和SO2气体生成量进行检测。
本发明具有如下的优点：将高压交流电源经过高压硅堆整流后获得所需直流电源，再通过直流电源给充电电容定量充电，经过定量充电的充电电容可以对火花放电模拟罐体缺陷进行定量放电并产生规律的火花，这样即可实现在定量的条件下进行SF6火花放电的后续研究。
附图说明
本发明的附图说明如下：
图1为本发明实施例中的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
本发明的总体构思为：利用带有调压台的可控高压交流电源经过高压硅堆整流后获得所需直流电源；利用单刀双掷开关—高压继电器连接直流电源和充放电电容，采用自主研制的继电器控制电路控制单刀双掷开关—继电器的开合实现直流电源给电容充电，而后充电电容给火花放电模拟罐体缺陷进行放电并产生火花。调节调压台电压使充放电电容储存不同的电压等级的能量，获取不同能量下SF6火花放电气体分解产物，通过采集气体在气相色谱仪、气相色谱/质谱分析仪上进行气体组分分析。
以下本发明结合具体实施例进行描述。
在已搭建的SF6火花放电模拟试验平台上，进行12.5kV，14.5kV，16.5kV，18.5kV和20.5kV五个电压等级下的SF6火花放电分解实验。在每个电压等级下，通过Pearson101罗氏线圈和Testec HVP-40高压探针以及Wave Pro 7100力科示波器，分别采集了10组瞬时电压和电流波形。其中，采样率为500MHz，采样点时间间隔为2×10-9s。根据Testec HVP-40高压探针衰减倍数为750，力科示波器衰减倍数为100，Pearson101罗氏线圈灵敏度为0.01V/A，可得功率P和能量E之间的转换系数为0.0075。
每次火花放电过程电压和电流的变化均随时间的增长而震荡衰减，并且在时间上同步。采用式(4.1.6.1)对计算单次火花放电的能量进行计算：
式中，E表示单次火花放电的能量，U(t)表示缺陷火花瞬间高压电极端所得电压，i(t)表示火花瞬间流经缺陷的电流，k表示罗氏线圈灵敏度、高压探针衰减倍数和衰减探头倍数的综合转化系数，Δt表示示波器采样时间间隔，Um表示火花放电某采样时刻示波器采得的电压值，im表示火花放电某采样时刻示波器采得的电流值，m表示采样点，n表示总采样点数。
实验中将钨针电极和不锈钢板电极放置在放电分解气室中，火花间隙为1.0mm，气室中充以0.4MPa的SF6新气。环境温度为20.3℃，湿度为39％。在此环境条件下，火花放电起始电压为11kV。实验中采集了13kV、15kV、17kV、19kV以及21kV这五个电压梯度下的火花放电瞬时电压电流波形，每个电压梯度下采集10组波形。通过LeCory WP7100高速数字示波器对瞬时电压电流波形进行同步采样，采样频率为500MHz，通过观察电压电流波形的衰减情况可以判断单次火花放电时间长度大约为2μs。
表1五个电压梯度下单次火花放电能量、平均值及标准差
对单次火花放电能量和电压关系进行拟合，得到的结果为：A＝0.00181，n＝1.9915，拟合优度R2＝0.995。因此，火花放电能量与电压近似呈2次幂函数关系。长期的火花放电过程中，火花放电总放电能量Etot与单次火花放电能量关系为
Etot＝Emean×Ntot (2)
其中，Ntot代表一组电压梯度下的火花放电总次数，Emean为能量均值。由于高压继电器严格受循环时间继电器的控制，设单次火花放电周期为T秒，总放电时间为Ttot小时，则
采用质谱分析法(MS)对SF6火花放电气体分解产物进行定量检测，GC/MS采用与GC相同的色谱柱，即CP Sil 5CB毛细柱，对SF6火花放电分解后的混合样品气体进行分离，然后将分离得到的单一样品组分逐一进入MS，由MS根据出峰面积或峰高对样品物质进行定量测定。
选取以下8种气体作为GC/MS气体分析对象，分别为：CF4、C2F6、CO2、SO2F2、SOF4、SOF2、H2S和SO2，并通过调试GC/MS检测参数，形成一套能够对上述8种分解产物定性检测的GC/MS方法。
对SF6火花放电分解组分的详细检测过程如下：进样完毕后由GC对样品组分进行分离，然后所分离的单一组分逐一进入到MS中，由MS对分离后的分解组分进行定量检测。8种特征气体的出峰顺序如下：CF4及C2F6于时间段3.8min～4.20min内出现；待4.20min～4.35min时间段内SF6出峰完毕后，重新打开灯丝和检测器，依次对4.35min～6.80min时间段内出峰的CO2、SO2F2、SOF4、SOF2、H2S和SO2等气体进行检测。这样则可以研究各种气体生成量与火花放电次数以及火花放电能量之间的关系。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种SF6火花放电能量分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、将高压交流电源经过高压硅堆整流后获得所需直流电源；
步骤2、采用直流电源给充电电容充电，并使充电电容储存不同电压等级的能量；
步骤3、储存不同电压等级的能量的充电电容分别对火花放电模拟罐体缺陷进行放电并产生火花；
步骤4、测量火花放电间隙火花瞬间的电压和电流以计算SF6火花放电能量。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤4中采用高压探针测量并获取火花间隙两端瞬时电压波形，采用罗氏线圈测量并获取火花间隙的瞬时电流波形。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤4采用以下公式计算单次火花放电的能量E：
式中，E表示单次火花放电的能量，U(t)表示缺陷火花瞬间高压电极端所得电压，i(t)表示火花瞬间流经缺陷的电流，k表示罗氏线圈灵敏度、高压探针衰减倍数和衰减探头倍数的综合转化系数，Δt表示示波器采样时间间隔，Um表示火花放电某采样时刻示波器采得的电压值，im表示火花放电某采样时刻示波器采得的电流值，m表示采样点，n表示总采样点数。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤4中采用示波器对瞬时电压电流波形进行同步采样，通过观察电压电流波形的衰减情况判断单次火花放电时间长度。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述充电电容为耐压脉冲型电容器。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
步骤5、获取不同能量下SF6火花放电气体分解产物并进行气体组分分析。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤5包括：
51、采用GC对样品组分进行分离；
52、将分离的各组分逐一送入到MS中进行定量检测；
53、依次对4.35min～6.80min时间段内出峰的CO2、SO2F2、SOF4、SOF2、H2S和SO2气体生成量进行检测。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20201103 |