CN112710932B - 一种电-热联合作用下sf6及其替代气体全寿命周期绝缘性能试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电‑热联合作用下SF₆及其替代气体全寿命周期绝缘性能试验装置，包括主气室、副气室、气体供应系统、气体管路系统、局部放电检测系统、气体成分检测装置和加热系统。所述主气室、副气室经高压套管接入高压引线；所述主气室外壁对侧设置两个石英玻璃观察窗；所述主气室内部设置针‑板电极与分布式加热装置；所述主气室金属外壳经接地线连入局部放电检测系统；所述副气室内设置可替换电极；所述主气室、所述副气室、所述供气系统和气体成分检测装置通过所述气体管路系统实现连接。该装置的优点在于可以同时模拟气体绝缘装备中的放电与过热故障，实现SF₆及其替代气体全寿命周期绝缘性能的检测。

Description

一种电-热联合作用下SF6及其替代气体全寿命周期绝缘性能 试验装置

技术领域

本发明属于绝缘气体全寿命周期性能评估技术领域，具体为一种电-热联合作用下SF₆及其替代气体全寿命周期绝缘性能试验装置。

背景技术

气体绝缘介质是气体绝缘管道输电装备的关键组成部分，当前SF₆（六氟化硫）是应用最广泛的绝缘气体，中国电力工业SF₆年使用量超过6000吨。经历数十年运行，将有大量SF₆气体绝缘装备临近使用年限，目前对长期运行使用后的SF₆气体性能仍缺乏系统认识。同时，SF₆作为一种高GWP值（23900）的温室气体，严重威胁大气环境安全，已在《京都议定书》中被列为六种限制的使用的气体之一，有必要寻找能够可靠替代SF₆气体的环保型绝缘气体。因此，亟需全面掌握SF₆及潜在替代气体的全寿命周期绝缘性能，把握SF₆气体性能变化规律，并以此为参考比较替代气体相关参数，为环保型绝缘气体推广应用提供支撑。

目前国内外热点关注SF₆替代气体研究，涌现出压缩空气、SF₆混合气体以及C₄F₇N、C₅F₁₀O、C₆F₁₂O、c-C₄F₈、CF₃I、HFO等具有应用潜力的新型环保气体。在气体绝缘管道输电装备长期运行过程中，绝缘气体容易受到电、热、杂质等复杂因素的影响而逐渐发生分解，导致绝缘性能下降，严重影响电气装备的运行安全。各类SF₆潜在替代气体在设备长期运行过程中的绝缘稳定性是保证设备长期安全运行的重要基础，同时也是SF₆替代气体推广与应用的关键前提。在此背景下，通过实验研究各类SF₆潜在替代气体在长期工况与恶劣运行条件下的绝缘特性，系统掌握替代气体全寿命周期绝缘特性关键参数，对于筛选具有良好绝缘稳定性的绝缘气体、评估绝缘气体使用年限、制定绝缘气体质量监测与控制标准，保证电气装备的运行安全具有重要意义。

现有的实验装置仅针对绝缘气体故障分解或绝缘性能测试单一场景进行设计，局限于绝缘气体分解产物种类、分解特性方面的研究，少有关注故障状态下绝缘气体性能变化规律与长期演化过程，无法实现电-热联合作用下绝缘气体全寿命周期绝缘性能试验，因此极大制约了新型SF₆替代气体的研究与推广进程。

发明内容

本发明提出一种电-热联合作用下SF₆及其替代气体全寿命周期绝缘性能试验装置，该实验装置可以方便实现各种SF₆替代气体全寿命周期故障老化与绝缘性能试验。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种电-热联合作用下SF₆及其替代气体全寿命周期绝缘性能试验装置，包括主气室、副气室、气体供应系统、气体管路系统、局部放电检测系统、气体成分检测装置和加热系统；

所述主气室（1）通过交流气体绝缘套管（2）接入高压引线，所述高压引线末端连接针电极（3），所述针电极（3）尖端半径可在150-800μm范围内选取，所述主气室（1）底部设置高度可调的地电极（4），所述针电极（3）与地电极（4）构成针-板电极系统，所述主气室（1）内部设置分布式加热装置，所述加热装置通过高温电炉丝（5）加热，并由法兰外接电源与温控系统（6），所述主气室（1）外壁分别通过法兰设置可拆卸石英玻璃观察窗（7）和观察窗（8），所述主气室（1）底部设置与所述主气室（1）金属腔体配合紧密的环氧树脂基座（9），所述主气室（1）左侧通过法兰外接气压表（14），所述主气室（1）右侧通过法兰外接阀门（19），所述阀门（19）通过所述气体管路系统连通所述气体供应系统（25）、所述副气室（26）和所述气体成分检测装置（17），所述主气室（1）金属外壳经接地线连入局部放电检测系统（10）；所述主气室通过法兰设置气体防爆阀（28）；

优选地，所述主气室（1）采用不锈钢材质制成，通过交流126kV气体绝缘套管（2）接入高压引线，耐受气压需大于0.6MPa，气体容积为300-400L；

优选地，所述石英玻璃观察窗（7）和（8）由直径100-150mm的圆形石英玻璃制成，其厚度应与主气室耐压等级匹配，所述石英玻璃观察窗（7）和（8）通过法兰盖板和O型密封圈对侧安装于所述主气室（1）外壁，所述石英玻璃观察窗（7）和（8）的圆心正对所述针-板电极放电间隙；

优选地，所述局部放电检测系统（10）主要由局部放电检测电路、局部放电检测仪和大容量数据采集装置组成，局部放电检测灵敏度需小于5.0pC；

所述副气室（26）通过交流GIS套管（11）接入高压引线，所述高压引线末端连接可替换电极（12），所述副气室（26）底部设置高度可调的地电极（13），所述可替换电极（12）可与地电极（13）构成针-板电极、球-板电极或平行板电极，所述副气室（26）通过金属底座连接阀门（22），所述阀门（22）通过气路连通其他主要装置，所述副气室（26）通过金属底座上的开孔外接气压表（15）；

优选地，所述副气室（26）采用不锈钢材质制成，通过交流72.5kV GIS套管接入高压引线，所述副气室（26）耐受气压需大于0.5MPa，气体容积为5-10L，所述副气室（26）外壁通过法兰设置可拆卸石英玻璃观察窗（16），所述石英玻璃观察窗（16）由直径100-150mm的圆形石英玻璃制成；

优选地，所述针电极（3）与可替换电极（12）尺寸与气室尺寸适应匹配；所述针电极（3）应用于主气室，采用铜钨合金材质，尖端半径可在150-800μm范围内选取；所述可替换电极（12）应用于副气室，不同尺寸的针电极、球电极、平板电极、地电极均采用铝合金材质；

所述气体供应系统（25）包括多路气瓶和控制阀门，所述多路气瓶包含多种类型气瓶，需与专用控制阀门配合使用，所述气体供应系统（25）左侧气路末端设置阀门（31）用于实现外排废气和拓展所述气体供应系统的功能，所述气体供应系统（25）右侧气路末端设置阀门（27）外接真空泵（24）；

优选地，所述真空泵（24）真空度需小于0.5Pa；

优选地，所述加热系统包括加热电源、温控系统（6）与高温电炉丝（5），所述温控系统（6）通过多点布置热电偶获取所述主气室（1）整体的温度分布情况，所述高温电炉丝（5）选用铁铬铝合金材质，最高加热温度需大于600℃，加热电源采用220/380V电源为所述温控系统（6）和所述高温电炉丝（5）供电；

所述气体管路系统经阀门（19）与所述主气室（1）连接，经阀门（22）与所述副气室（26）连接，经阀门（23）与所述气体供应系统连接，经阀门（29）与气体成分检测装置（17）连接，所述气体管路系统在连通所述主气室（1）、所述副气室（26）及所述气体成分检测装置（17）的三个方向分别设置控制阀门（20）、（21）和（18），在阀门（29）与阀门（18）之间设置橡胶缓冲球（30）；

优选地，所述气体管路系统采用高压特氟龙直型管，高压特氟龙直型管内衬采用与常规气体SF₆、CO₂、N₂、CF₄以及新型环保绝缘气体HFO（C₃H₂F₄，1,3,3,3-四氟-1-丙烯）、C4（C₄F₇N，七氟异丁腈）、C5K（C₅F₁₀O，全氟戊酮）、C6K（C₆F₁₂O，全氟己酮）具有良好相容性的聚四氟乙烯材质；

优选地，气体成分检测装置（17）需保证能够实现SF₆、各类替代性气体主要成分与分解产物的定性与定量检测。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本装置可实现多种SF₆替代气体的全寿命周期绝缘性能监测、全面评估各类替代气体应用潜质；

2、本装置可同时模拟实际工况中可能出现的过热、放电、气体杂质故障，可用于评估不同因素对各类SF₆替代气体绝缘性能劣化的危害程度；

3、本装置在气体绝缘装备领域的相关研究中具有通用性，不仅可以支撑实验室研究，对开展工程研究、制定相关领域国家与国际标准同样具有重要意义。

附图说明

图1为本发明一种电-热联合作用下SF₆及其替代气体全寿命周期绝缘性能试验装置结构示意图。

图2为本发明可替换电极结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，显然，所描述的实施例仅是一部分实施例，而不是全部的实施例。

如图1所示，一种电-热联合作用下SF₆及其替代气体全寿命周期绝缘性能试验装置，包括主气室、副气室、气体供应系统、气体管路系统、局部放电检测系统、气体成分检测装置和加热系统。

主气室（1）通过交流126 kV气体绝缘套管（2）接入高压引线，气体绝缘套管可以增大主气室内部的气体容积，高压引线末端连接针电极（3），针电极（3）尖端半径可在150-800μm范围内选取，主气室（1）底部设置高度可调的地电极（4），针电极（3）与地电极（4）构成针-板电极系统，用于模拟设备内部放电故障，主气室（1）内部设置分布式加热装置，用于模拟设备故障引发的局部高温，加热装置通过高温电炉丝（5）加热，并由法兰外接电源与温控系统（6），主气室（1）外壁分别通过法兰设置可拆卸石英玻璃观察窗（7）和观察窗（8），观察窗可用于观察主气室内部情况，拆卸观察窗后可以更换主气室电极，主气室（1）底部设置与主气室（1）金属腔体配合紧密的环氧树脂基座（9），此基座起支撑与绝缘作用，主气室（1）左侧通过法兰外接气压表（14），主气室（1）右侧通过法兰外接阀门（19），阀门（19）通过气路体管路系统连通副气室（26）、气体供应系统（25）和气体成分检测装置（17），主气室（1）金属外壳经接地线连入局部放电检测系统（10），用于检测主气室内部放电量，主气室外壁设置气体防爆阀（28）。

主气室针电极（3）分别选用尖端曲率半径为150μm、500μm和800μm的铜钨合金材质针电极，以模拟不同放电强度。

主气室（1）采用不锈钢材质制成，耐受气压为0.6MPa，用于模拟实际运行工况气体压强，气体容积360L，用于提供充足的气体供后续实验使用。

石英玻璃观察窗（7）和（8）由直径150mm的圆形石英玻璃制成，其厚度应与主气室耐压等级匹配，石英玻璃观察窗（7）和（8）通过法兰盖板和O型密封圈对侧安装于主气室（1）外壁上，石英玻璃观察窗（7）和（8）的圆心与针-板电极放电间隙中心处于同一高度，便于观察实验现象。

脉冲电流法局部放电检测系统（10）主要由局部放电检测电路、脉冲电流法局部放电检测仪和大容量数据采集装置组成，局部放电检测灵敏度可达1.0pC。

副气室（26）通过交流72.5kV GIS套管（11）接入高压引线，GIS套管可以减少副气室内部气体容积以减少单次实验用气量，高压引线末端连接可替换电极（12），如图2所示，副气室（26）底部设置高度可调的地电极（13），可替换电极（12）可与地电极（13）构成针-板电极、球-板电极或平行板电极，使用时针-板电极、球-板电极或平行板电极可用于开展气隙击穿实验，平行板电极可用于开展柱式环氧树脂样件沿面闪络实验，副气室（26）通过金属底座连接阀门（22），阀门（22）通过气路连通其他主要装置，副气室（26）通过金属底座气路外接气压表（15）。

副气室（26）采用不锈钢材质制成，耐受气压为0.5MPa，用于模拟实际运行工况气体压强，气体容积为10L，用于控制单次实验用气量，便于利用主气室内老化后气体实现多项绝缘性能测试以及多次重复实验。

副气室（26）外壁通过法兰设置可拆卸石英玻璃观察窗（16），石英玻璃观察窗（16）由直径120mm的圆形石英玻璃制成。

气体供应系统（25）包括多路气瓶和控制阀门，多路气瓶包含多种类型气瓶，需与专用控制阀门配合使用，气体供应系统（25）左侧气路末端设置阀门（31），使用时可用于实现外排废气和拓展气体供应系统的功能，气体供应系统（25）右侧气路末端设置阀门（27）外接真空泵（24）。

使用时真空泵（24）采用涡旋干式真空泵，真空度可达0.5pa。

加热系统包括加热电源、温控系统（6）与高温电炉丝（5），高温电炉丝（5）选用铁铬铝合金材质，最高加热温度为900℃，加热电源采用380V电源为温控系统（6）和高温电炉丝（5）供电，温控系统（6）通过多点布置热电偶获取主气室（1）整体的温度分布情况。

气体管路系统采用高压特氟龙直型管，高压特氟龙直型管内衬采用与常规气体SF₆、CO₂、N₂、CF₄以及新型环保绝缘气体HFO（C₃H₂F₄，1,3,3,3-四氟-1-丙烯）、C4（C₄F₇N，七氟异丁腈）、C5K（C₅F₁₀O，全氟戊酮）、C6K（C₆F₁₂O，全氟己酮）具有良好相容性的聚四氟乙烯材质，气体管路系统经阀门（19）与主气室（1）连接，经阀门（22）与副气室（26）连接，经阀门（23）与气体供应系统连接，经阀门（29）与气体成分检测装置（17）连接，气体管路系统在连通主气室（1）、副气室（26）及气体成分检测装置（17）的三个方向分别设置控制阀门（20）、（21）和（18），在阀门（29）与阀门（18）之间设置橡胶缓冲球（30）。

气体成分检测装置（17）需保证能够实现SF₆及各类替代性气体主要成分与分解产物的定性与定量检测，使用时选用气相色谱-质谱联用仪（17），其色谱柱采用Agilent GS-GasPro (30m × 0.32mm)、六通阀定量环进样（六通阀体积为250μL）、测量质荷比范围为30~500，保证能够实现SF₆、各类替代性气体主要成分与分解产物的定性与定量检测。

本实施例中提供一种利用本发明一种电-热联合作用下SF₆及其替代气体全寿命周期绝缘性能试验装置开展SF₆及其替代气体全寿命周期绝缘性能试验实验的具体流程：

（1）实验开始前首先利用真空泵对主气室、副气室抽真空，随后利用气体供应系统向主气室内充入适量氮气进行洗气，将上述抽真空、洗气处理重复2-3次以确保主气室、副气室内杂质气体含量符合实验要求，主、副气室完成洗气操作后，副气室保持真空状态待用，向主气室内充入一定压强的目标绝缘气体，上述洗气、充气过程中利用主气室、副气室外接的气压表监测主气室、副气室气压；

（2）实验时使用主气室内部的针-板电极系统模拟气体绝缘设备内部可能出现的电晕放电故障，高压电源高压侧出线与主气室高压套管接线端可靠连接，主气室、副气室以及其他金属装置外壳需可靠接地，检查所有接线可靠无误后，打开高压电源调节施加电压幅值，利用脉冲电流法局部放电检测系统实时监测主气室针-板电极的放电强度。调节局部放电量到目标值后，等待一段时间确保高压电源稳定运行，并且气隙无击穿风险。启动主气室加热系统电源，通过控温系统调节高温电炉丝的目标加热温度，用于模拟气体绝缘设备运行过程中可能出现的局部过热故障；

（3）实验中利用气体管路系统阀门配合，将主气室部分气体通入缓冲球，供气相色谱-质谱联用仪使用，以监测不同寿命阶段主气室气体组分变化情况。实验中可通过主气室外壁设置的两个石英玻璃观察窗观察主气室内部情况；

（4）副气室用于评估不同寿命阶段绝缘气体在各类电场（均匀电场、稍不均匀电场和极不均匀电场）下的绝缘性能。实验中通过气体管路系统阀门配合，将一定量的主气室内特定生命周期的绝缘气体充入到已完成洗气的真空副气室内，将副气室高压套管接线端与高压电源出线连接，随后开展气体绝缘性能测试。取决于主气室气体压强以及副气室绝缘性能测试所用压强，主气室内气体容量可支持副气室开展约80-150次气体绝缘性能测试。每次测试结束后，需首先对副气室洗气2-3次以排尽残留气体，然后可视实验需求更换可替换电极形式，如果更换电极则需继续洗气2-3次并抽真空，然后继续向副气室内部充入主气室绝缘气体并开展下一次气体绝缘性能测试。

以上所述实施例仅表示发明的实施方式，本发明的保护范围不仅局限于上述实施例，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明保护范围。

Claims (6)

1.一种电-热联合作用下SF₆及其替代气体全寿命周期绝缘性能试验装置，其特征在于：包括主气室、副气室、气体供应系统、气体管路系统、局部放电检测系统、气体成分检测装置和加热系统；

所述主气室（1）通过交流气体绝缘套管（2）接入高压引线，所述高压引线末端连接针电极（3），所述主气室（1）底部设置高度可调的地电极（4），所述针电极（3）与地电极（4）构成针-板电极系统，所述主气室（1）内部设置分布式加热装置，所述加热装置通过高温电炉丝（5）加热，并由法兰外接电源与温控系统（6），所述主气室（1）外壁分别通过法兰设置可拆卸石英玻璃观察窗（7）和观察窗（8），所述主气室（1）底部设置与所述主气室（1）金属腔体配合紧密的环氧树脂基座（9），所述主气室（1）左侧通过法兰外接气压表（14），所述主气室（1）通过法兰外接阀门（19），所述阀门（19）通过所述气体管路系统连通所述气体供应系统（25）、所述副气室（26）和所述气体成分检测装置（17），所述主气室（1）金属外壳经接地线连入局部放电检测系统（10），所述主气室通过法兰设置气体防爆阀（28），所述主气室（1）采用不锈钢材质制成，耐受气压大于0.6MPa，气体容积300-400L；

所述副气室（26）通过交流GIS套管（11）接入高压引线，所述高压引线末端连接可替换电极（12），所述副气室（26）底部设置高度可调的地电极（13），所述可替换电极（12）可与地电极（13）构成针-板电极、球-板电极或平行板电极，所述副气室（26）通过金属底座开孔由法兰连接阀门（22），所述阀门（22）通过所述气体管路系统连通其他装置，所述副气室（26）通过金属底座上的法兰外接气压表（15），所述副气室（26）外壁通过法兰设置可拆卸石英玻璃观察窗（16），所述副气室（26）采用不锈钢材质制成，耐受气压大于0.5MPa，气体容积为5-10L；

所述气体供应系统（25）右侧气路末端设置阀门（27）外接真空泵（24），所述真空泵（24）真空度小于0.5pa，所述局部放电检测系统（10）的局部放电检测灵敏度小于5.0pC；

所述气体管路系统采用高压特氟龙直型管，所述高压特氟龙直型管的内衬采用与常规气体SF₆、CO₂、N₂、CF₄以及新型环保绝缘气体HFO（C₃H₂F₄，1,3,3,3-四氟-1-丙烯）、C4（C₄F₇N，七氟异丁腈）、C5K（C₅F₁₀O，全氟戊酮）、C6K（C₆F₁₂O，全氟己酮）具有良好相容性的聚四氟乙烯材质；

所述加热系统包括加热电源、温控系统（6）与高温电炉丝（5），所述高温电炉丝（5）选用铁铬铝合金材质，最高加热温度需大于600℃；所述加热电源采用220/380V电源为所述温控系统（6）和所述高温电炉丝（5）供电，所述温控系统（6）通过多点布置热电偶获取所述主气室（1）整体的温度分布情况。

2.根据权利要求1所述的一种电-热联合作用下SF₆及其替代气体全寿命周期绝缘性能试验装置，其特征在于，所述石英玻璃观察窗（7）和（8）由直径100-150mm的圆形石英玻璃制成，其厚度应与主气室耐压等级匹配，所述石英玻璃观察窗（7）和（8）通过法兰盖板和O型密封圈对侧安装于所述主气室（1）外壁上，所述石英玻璃观察窗（7）和（8）正对所述针-板电极放电间隙。

3.根据权利要求1所述的一种电-热联合作用下SF₆及其替代气体全寿命周期绝缘性能试验装置，其特征在于，所述针电极（3）与可替换电极（12）尺寸与气室尺寸适应匹配；所述针电极（3）应用于主气室，采用铜钨合金材质，尖端半径可在150-800μm范围内选取；所述可替换电极（12）应用于副气室，针电极、球电极、平板电极、地电极采用铝合金材质。

4.根据权利要求1所述的一种电-热联合作用下SF₆及其替代气体全寿命周期绝缘性能试验装置，其特征在于，所述气体供应系统（25）包括多路气瓶和控制阀门，所述多路气瓶包含多种类型气瓶，需与专用控制阀门配合使用，所述气体供应系统（25）左侧气路末端设置阀门（31）用于实现外排废气和拓展所述气体供应系统的功能。

5.根据权利要求1所述的一种电-热联合作用下SF₆及其替代气体全寿命周期绝缘性能试验装置，其特征在于，所述气体管路系统经阀门（19）与所述主气室（1）连接，经阀门（22）与所述副气室（26）连接，经阀门（23）与所述气体供应系统（25）连接，经阀门（29）与气体成分检测装置（17）连接，所述气体管路系统在连通所述主气室（1）、所述副气室（26）及所述气体成分检测装置（17）的三个方向分别设置控制阀门（20）、（21）和（18），在阀门（29）与阀门（18）之间设置橡胶缓冲球（30）。

6.根据权利要求1所述的一种电-热联合作用下SF₆及其替代气体全寿命周期绝缘性能试验装置，其特征在于，所述气体成分检测装置（17）需保证能够实现SF₆、各类替代性气体主要成分与分解产物的定性与定量检测。

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