CN113985228B - 一种超/特高压gis/gil绝缘子载流特性试验装置及方法 - Google Patents

一种超/特高压gis/gil绝缘子载流特性试验装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种超/特高压GIS/GIL绝缘子载流特性试验装置及方法，设置第一静导体、动导体和第二静导体，双插接结构，可同时进行不同触指结构配置方案下的微动磨损试验，两者保持独立，互不干扰。设置作动杆和作动器，可以根据本发明的触头磨损特性结果，能够驱动动导体做往复运动，实现对GIS/GIL实际运行过程中导杆发生伸缩时对触指的摩擦过程的模拟，通过设置第一热电偶、第二热电偶、电阻测量电路和温度传感器，能够获得不同摩擦频次、不同往复行程下，不同触指结构的接触电阻劣化特性，掌握绝缘子滑动触头载流特性规律，从而进一步优化触头结构，为触指选型、触指装配工艺提供数据支撑。

Description

一种超/特高压GIS/GIL绝缘子载流特性试验装置及方法
技术领域
本发明属于电力设备电接触领域，特别针对特高压GIS/GIL，具体是一种超/特高压GIS/GIL绝缘子载流特性试验装置及方法。
背景技术
GIS/GIL(气体绝缘金属封闭输电线路)作为特高压工程中的重要输电手段，受环境温度变化和电力系统调峰的影响，在运行中不可避免地发生热胀冷缩。GIL金属外壳的膨胀收缩量采用伸缩节进行补偿，导杆的膨胀收缩量采用插接式滑动触头结构进行补偿，金属外壳与导杆的相对位移差采用绝缘子来进行补偿。绝缘子作为GIS/GIL的关键部件，一端与金属外壳相连，一端与滑动触头电连接结构相接。插接式滑动触头在运行过程中发生动态、微量、往复的摩擦，容易导致触头出现机械磨损、化学腐蚀等情况。绝缘子附近滑动触头的载流特性至关重要，电连接滑动触头接触不良将会引发过热性故障，严重危害绝缘子的绝缘性能、机械性能，近年来，触头接触不良造成的事故在电力系统中时有发生，接触电阻的劣化是造成触指接触不良的根本原因。
目前GIL综合管廊工程绝缘子使用量大，电连接结构同时存在表带触头和弹簧触头等多种形式。目前，针对特高压GIL的型式试验尚无明确的细节要求，侧重于评估滑动触头在GIL预期寿命期内完成电连接功能的能力，尤其是滑动触头机械寿命对GIL整体可靠性的影响，而针对表带触指和弹簧触指两种电接触形式的劣化特性及影响因素并未展开深入分析，尤其是其表面磨损形貌、劣化机理研究甚少，因此，有必要设计一种超/特高压GIS/GIL绝缘子载流特性试验装置及方法，以对表带触指和弹簧触指两种电接触形式的劣化特性及影响因素进行分析。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种超/特高压GIS/GIL绝缘子载流特性试验装置及方法，本发明能够研究特高压GIS/GIL绝缘子电连接结构在微动摩擦(即表带触指和弹簧触指连接形式)下的载流特性、特高压GIS/GIL触头中典型触指的劣化特性，为特高压GIL滑动触头的安装方式、触指选型提供依据。
本发明采用的技术方案如下：
一种超/特高压GIS/GIL绝缘子载流特性试验装置，包括第一盆式绝缘子、作动器、作动杆、壳体以及设置于壳体内腔的第一静导体、动导体和第二静导体，第一盆式绝缘子安装于壳体的一端，第一静导体的一端与第一盆式绝缘子连接，第一静导体的另一端设有第一静导体母头，动导体的两端分别设有动导体公头和动导体母头，动导体公头插入第一静导体母头中，动导体公头和第一静导体母头之间设有触指；第二静导体上设有第二静导体公头，第二静导体公头插入动导体母头中，第二静导体公头和动导体母头之间设有触指；作动杆贯穿壳体的另一端且与壳体之间密封，作动杆的一端与动导体连接，作动杆的另一端与作动器连接；
第一盆式绝缘子位于壳体内侧的表面设有第一热电偶，触指的电接触面设有第二热电偶，触指上连接有用于测量其接触电阻的电阻测量电路，壳体内部设有测量壳体内部温度的温度传感器。
优选的，动导体公头和第二静导体公头的表面沿周向均开设有用于安装触指的安装槽。
优选的，动导体公头上开设有至少一条所述安装槽，第二静导体公头上开设有至少一条所述安装槽。
优选的，壳体另一端的侧面具有第一法兰，第一法兰上安装有第二盆式绝缘子，第二静导体与第二盆式绝缘子连接。
优选的，壳体的另一端的端部密封连接有封板，作动杆贯穿所述封板，作动杆与封板之间通过动密封连接。
优选的，壳体的侧面还设有用于安装端子板的法兰，端子板与该法兰密封连接，所述第一热电偶、第二热电偶、电阻测量电路的导线以及温度传感器均与所述端子板连接。
优选的，第一热电偶采用表面热电偶，第二热电偶采用T型热电偶，T型热电偶的设置形式为埋点式或缠绕式，所述触指采用表带触指和/或弹簧触指。
优选的，第一盆式绝缘子、作动杆、壳体、第一静导体、动导体和第二静导体均同轴设置，壳体内腔填充SF6气体。
本发明还提供了一种超/特高压GIS/GIL绝缘子载流特性试验方法，包括如下过程：
向本发明如上所述的超/特高压GIS/GIL绝缘子载流特性试验装置的壳体内填充SF6气体，待充填完成后，接入电源，对第一静导体、动导体和第二静导体加载电流；
待第一静导体、动导体和第二静导体上加载的电流达到预设值且壳体内部温度稳定后，启动作动器，作动器通过作动杆驱动动导体做往复运动，使触指发生磨损；
在动导体往复运动过程中，测量绝缘子表面的温度、触指的接触电阻、触指电接触面的温度以及壳体的温度；
待动导体往复运动预设次数后，将触指拆下，对触指的摩擦面进行理化试验分析。
优选的，向壳体内填充SF6气体时，先用SF6气体对壳体内腔进行清洗，清洗完成后，向壳体内填充SF6气体至预设压力；
对第一静导体、动导体和第二静导体加载电流时，逐级升高到预设电流；
动导体往复运动过程中的行程范围设置在±80mm内，摩擦速度可根据需求设定，一般为60次/小时；
触指的接触电阻通过四端电流压降法进行测量，测量电流一般选为300A；
对触指的摩擦面进行的理化试验分析包括SEM和EDS。
本发明具有如下有益效果：
本发明种超/特高压GIS/GIL绝缘子载流特性试验装置中，设置第一静导体、动导体和第二静导体，双插接结构，可同时进行不同触指结构配置方案下的微动磨损试验，两者保持独立，互不干扰。设置作动杆和作动器，可以根据本发明的触头磨损特性结果，能够驱动动导体做往复运动，实现对GIS/GIL实际运行过程中导杆发生伸缩时对触指的摩擦过程的模拟，通过设置第一热电偶、第二热电偶、电阻测量电路和温度传感器，能够获得不同摩擦频次、不同往复行程下，不同触指结构的接触电阻劣化特性，掌握绝缘子滑动触头载流特性规律，从而进一步优化触头结构，为触指选型、触指装配工艺提供数据支撑。
附图说明
图1为本发明绝缘子滑动触头载流特性试验平台的结构示意图；
图2为本发明绝缘子滑动触头载流特性试验装置内部结构视图；
图3为本发明实施例中插接结构处接触电阻随磨损次数变化规律示意图；
图4为本发明实施例中插接结构处温度随磨损次数变化规律示意图；
图5为本发明实施例中摩擦产生的碎屑颗粒SEM图；
图6为本发明实施例中摩擦产生的碎屑颗粒ZET粒径分析。
图中：1-1为第一盆式绝缘子，1-2为第二盆式绝缘子，2为壳体，3为连接件，4为第一静导体母头，5为表带触指，6为动导体公头，7为弹簧触指，8为动导体母头，9为接触电阻出线端子板，10为第二静导体公头，11为作动杆，12为温度测量出线端子板。
具体实施方式
下面结合附图和实施例来对本发明做进一步的说明。
参照图2，本发明超/特高压GIS/GIL绝缘子载流特性试验装置，包括第一盆式绝缘子1-1、作动器、作动杆11、壳体2以及设置于壳体2内腔的第一静导体、动导体和第二静导体，第一盆式绝缘子1-1安装于壳体2的一端，第一静导体的一端与第一盆式绝缘子1-1连接，第一静导体的另一端设有第一静导体母头4，动导体的两端分别设有动导体公头6和动导体母头8，动导体公头6插入第一静导体母头4中，动导体公头6和第一静导体母头4之间设有触指；第二静导体上设有第二静导体公头10，第二静导体公头10插入动导体母头8中，第二静导体公头10和动导体母头8之间设有触指；作动杆11贯穿壳体2的另一端且与壳体2之间密封，作动杆11的一端与动导体连接，作动杆11的另一端与作动器连接；第一盆式绝缘子1-1位于壳体2内侧的表面设有第一热电偶，触指的电接触面设有第二热电偶，触指上连接有用于测量其接触电阻的电阻测量电路，壳体2内部设有测量壳体2内部温度的温度传感器。
作为本发明优选的实施方案，动导体公头6和第二静导体公头10的表面沿周向均开设有用于安装触指的安装槽，设置安装槽能够保证触指的可靠安装。
作为本发明优选的实施方案，动导体公头6上开设有至少一条所述安装槽，第二静导体公头10上开设有至少一条所述安装槽，设置一条以上的安装槽能够研究研究不同圈数下电连接结构载流特性规律。
作为本发明优选的实施方案，壳体2另一端的侧面具有第一法兰，第一法兰上安装有第二盆式绝缘子1-2，第二静导体与第二盆式绝缘子1-2连接。
作为本发明优选的实施方案，壳体2的另一端的端部密封连接有封板，作动杆11贯穿所述封板，作动杆11与封板之间通过动密封连接。
作为本发明优选的实施方案，壳体2的侧面还设有用于安装端子板的法兰，端子板与该法兰密封连接，所述第一热电偶、第二热电偶、电阻测量电路的导线以及温度传感器均与所述端子板连接。进一步的壳体2的侧壁在第一静导体母头4与第二静导体公头均设置有法兰，两处法兰处分别设置接触电阻出线端子板9和温度测量出线端子板12，这两处端子板用于连接不同的传感器。
作为本发明优选的实施方案，第一热电偶采用表面热电偶，第二热电偶采用T型热电偶，T型热电偶的设置形式为埋点式或缠绕式，所述触指采用表带触指和/或弹簧触指。
作为本发明优选的实施方案，第一盆式绝缘子1-1、作动杆11、壳体2、第一静导体、动导体和第二静导体均同轴设置，壳体2内腔填充SF6气体，SF6气体一般在实验之前充填即可。
本发明还提供了一种超/特高压GIS/GIL绝缘子载流特性试验方法，包括如下过程：
向本发明如上所述的超/特高压GIS/GIL绝缘子载流特性试验装置的壳体2内填充SF6气体，待充填完成后，接入电源，对第一静导体、动导体和第二静导体加载电流；
待第一静导体、动导体和第二静导体上加载的电流达到预设值且壳体2内部温度稳定后，启动作动器，作动器通过作动杆11驱动动导体做往复运动，使触指发生磨损；
在动导体往复运动过程中，测量绝缘子表面的温度、触指的接触电阻、触指电接触面的温度以及壳体2的温度；
待动导体往复运动预设次数后，将触指拆下，对触指的摩擦面进行理化试验分析。
作为本发明优选的实施方案，向壳体2内填充SF6气体时，先用SF6气体对壳体2内腔进行清洗，清洗完成后，向壳体2内填充SF6气体至预设压力；
对第一静导体、动导体和第二静导体加载电流时，逐级升高到预设电流；
动导体往复运动过程中的行程范围设置为±80mm，摩擦速度可根据需求设定，一般为60次/小时；
触指的接触电阻通过四端电流压降法进行测量，测量电流一般选为300A；
对触指的摩擦面进行的理化试验分析包括SEM和EDS。
实施例
在某管廊工程中，滑动触头的配置方式有两种：第一种方案将弹簧触指安装在盆式绝缘子两侧公头的卡槽内，公头插入到导杆端部的母头中，形成电连接结构，电连接结构外侧采用屏蔽罩对高场强区域进行屏蔽。第二种方案采用碟簧将表带触指压嵌在一侧导杆的母头内，另一侧导端部作为公头插入到母头内，形成电连接结构。为提高试验效率，本实施例的试验装置设计为双插接式结构，可同时对两种不同触指配置方案进行载流特性试验。
在本实施例的试验平台中，设置有交流电源、变压器、触头试验装置、保护电阻、作动机构、接触电阻测量装置及温度测试设备。绝缘子触头载流特性试验装置的载流系统分为三部分，即两段静导体(第一静导体、第二静导体)和一段动导体。静导体分别由方案一的公头和方案二的母头构成，动导体由方案一的母头和方案二的公头焊接而成。两段静导体通过金属连接件与盆式绝缘子连接固定，动导体与作动杆连接，通过壳体2上的动密封与外部的作动器连接。
如图1和图2所示，两种插接结构中分别装配相应的弹簧触指和表带触指，可以根据不同的装配工艺，更换触头结构。另外，也可以在触头(公头、母头)上设计相应数量的安装槽，研究不同圈数下电连接结构载流特性规律。在表带触指和弹簧触指的电接触面安装T型热电偶，采用埋点和缠绕两种方式，用于测量接触界面的温升，同时，在绝缘子表面也贴有热电偶，用以测量绝缘子表面温升变化。连接多通道无纸记录仪可连续记录T型热电偶的温度变化。接触电阻的测量采用国际上通用的四端电流压降法，导线连接固定在触头附近，靠近触指一侧，同时做好绝缘措施，避免与其它结构发生短路。接触电阻测量仪的测量电流为DC 300A，测量精度0.1微欧。壳体2侧面的两处法兰处安装了端子板，用于壳体内部温度、接触电阻、接触压降信号的接线引出。作动器可以实现微米级的位移，其作动速度、行程均由程序控制，用户可以根据实际工况，模拟不同行程、不同速度下的微动摩擦行为。
导杆触头可以设计成倾斜一定的角度，来模拟运行时的倾角，从而研究不同倾斜角度下的插接结构载流特性变化。
本实施例的实验过程如下：
将触指按规定工艺安装完毕后，摩擦行程设定为±40mm，试验次数为30000次，摩擦速度为60次/小时。试验时，腔体内部充气压力为0.45MPa，环境温度为20℃。在试验平台装配完毕后，首先将罐体抽真空，再向罐体内注入纯度为99.999％的SF6气体，再将其抽真空，重复上述过程2次，完成气室清洗。打开电流源，逐级升高到3150A，待罐体内部温度稳定后，开始试验。试验过程中，每隔500次磨损试验，测量一次接触电阻和接触界面温度。接触电阻的测量采用国际上通用的四端电流压降法。测量电流约为直流300A，测量精度为0.1μΩ，试验前后接触电阻的测量应在同一位置状态下进行，并且在不同接触行程下测量。试验结束后可进行拆解，将触指取出，对摩擦面进行SEM、EDS等理化试验分析，为触指选型、触指装配工艺提供数据支撑。
综上，本发明的特高压GIS/GIL绝缘子载流特性试验装置通过电源发生装置及变压设备模拟特高压GIS/GIL运行的不同工况，通过接触电阻测量仪和温度测量无纸记录仪来测量接触电阻、触指温升，通过作动器模拟插接结构触头的微动往复摩擦。本发明设计双插接结构，可同时进行不同触指结构配置方案下的微动磨损试验，两者保持独立，互不干扰。可以根据本发明的触头磨损特性结果，获得不同摩擦频次、不同往复行程下，不同触指结构的接触电阻劣化特性，掌握绝缘子滑动触头载流特性规律，从而进一步优化触头结构，为触指选型、触指装配工艺提供数据支撑。
对两种典型触指(即表带触指和弹簧触指)进行试验，实验条件设置为运动行程±40mm，罐内充有0.4MPa的SF6，摩擦次数为15000次，获得各插接结构处接触电阻变化特性曲线。下图为在15000次磨损试验中，随着作动系统推进至40mm行程时，插接结构处的直流电阻随磨损次数的变化曲线。如图3所示，在磨损过程中，A触指接触电阻呈现先下降后上升，最后趋于平缓的趋势。在第4000次磨损时，接触电阻达到最低值，为2.7uΩ，随后上升至3.5uΩ左右，逐渐趋于稳定。经过不断磨损，接触电阻达到新的平衡范围。随着磨损次数的增加，B触指直流电阻值缓慢增长，增长幅度较小，推测B触指在磨损过程中，磨损劣化程度略有增加，但仍然较低，能够保持良好的电接触性能。通过综合对比，A触指直流电阻始终高于B触指直流电阻。经过5000次磨损后，两者变化趋势趋于一致。
在相同通流情况下，触指发热功率高于载流导体等其他部位，触指温度高于附近导体温度，各插接结构处高温点主要集中于触指附近，并逐渐向两侧递减。如图4所示，随着摩擦频次的增加，插接结构温升变化相对稳定，整体趋势略有上升。B型号触指温升高于A型号触指，但仍处于最大温升允许值内。
如图5和图6所示，将经过上万次往复摩擦后产生的碎屑颗粒进行SEM和ZET粒径分析。下图为部分碎屑颗粒的形貌成像。颗粒形状无定型，多呈现椭球、片状以及其他不规则状。大部分颗粒的尺寸处于微米、纳米级，呈灰黑色粉末。大部分颗粒的等效直径处于微米级以下，也有部分颗粒直径为几微米或者十几微米。

Claims (10)

1.一种超/特高压GIS/GIL绝缘子载流特性试验装置，其特征在于，包括第一盆式绝缘子(1-1)、作动器、作动杆(11)、壳体(2)以及设置于壳体(2)内腔的第一静导体、动导体和第二静导体，第一盆式绝缘子(1-1)安装于壳体(2)的一端，第一静导体的一端与第一盆式绝缘子(1-1)连接，第一静导体的另一端设有第一静导体母头(4)，动导体的两端分别设有动导体公头(6)和动导体母头(8)，动导体公头(6)插入第一静导体母头(4)中，动导体公头(6)和第一静导体母头(4)之间设有触指；第二静导体上设有第二静导体公头(10)，第二静导体公头(10)插入动导体母头(8)中，第二静导体公头(10)和动导体母头(8)之间设有触指；作动杆(11)贯穿壳体(2)的另一端且与壳体(2)之间密封，作动杆(11)的一端与动导体连接，作动杆(11)的另一端与作动器连接；
第一盆式绝缘子(1-1)位于壳体(2)内侧的表面设有第一热电偶，触指的电接触面设有第二热电偶，触指上连接有用于测量其接触电阻的电阻测量电路，壳体(2)内部设有测量壳体(2)内部温度的温度传感器。
2.根据权利要求1所述的一种超/特高压GIS/GIL绝缘子载流特性试验装置，其特征在于，动导体公头(6)和第二静导体公头(10)的表面沿周向均开设有用于安装触指的安装槽。
3.根据权利要求1所述的一种超/特高压GIS/GIL绝缘子载流特性试验装置，其特征在于，动导体公头(6)上开设有至少一条所述安装槽，第二静导体公头(10)上开设有至少一条所述安装槽。
4.根据权利要求1所述的一种超/特高压GIS/GIL绝缘子载流特性试验装置，其特征在于，壳体(2)另一端的侧面具有第一法兰，第一法兰上安装有第二盆式绝缘子(1-2)，第二静导体与第二盆式绝缘子(1-2)连接。
5.根据权利要求1所述的一种超/特高压GIS/GIL绝缘子载流特性试验装置，其特征在于，壳体(2)的另一端的端部密封连接有封板，作动杆(11)贯穿所述封板，作动杆(11)与封板之间通过动密封连接。
6.根据权利要求1所述的一种超/特高压GIS/GIL绝缘子载流特性试验装置，其特征在于，壳体(2)的侧面还设有用于安装端子板的法兰，端子板与该法兰密封连接，所述第一热电偶、第二热电偶、电阻测量电路的导线以及温度传感器均与所述端子板连接。
7.根据权利要求1所述的一种超/特高压GIS/GIL绝缘子载流特性试验装置，其特征在于，第一热电偶采用表面热电偶，第二热电偶采用T型热电偶，T型热电偶的设置形式为埋点式或缠绕式，所述触指采用表带触指和/或弹簧触指。
8.根据权利要求1所述的一种超/特高压GIS/GIL绝缘子载流特性试验装置，其特征在于，第一盆式绝缘子(1-1)、作动杆(11)、壳体(2)、第一静导体、动导体和第二静导体均同轴设置，壳体(2)内腔填充SF6气体。
9.一种超/特高压GIS/GIL绝缘子载流特性试验方法，其特征在于，包括如下过程：
向权利要求1-8任意一项所述的超/特高压GIS/GIL绝缘子载流特性试验装置的壳体(2)内填充SF6气体，待充填完成后，接入电源，对第一静导体、动导体和第二静导体加载电流；
待第一静导体、动导体和第二静导体上加载的电流达到预设值且壳体(2)内部温度稳定后，启动作动器，作动器通过作动杆(11)驱动动导体做往复运动，使触指发生磨损；
在动导体往复运动过程中，测量绝缘子表面的温度、触指的接触电阻、触指电接触面的温度以及壳体(2)的温度；
待动导体往复运动预设次数后，将触指拆下，对触指的摩擦面进行理化试验分析。
10.根据权利要求9所述的一种超/特高压GIS/GIL绝缘子载流特性试验方法，其特征在于，向壳体(2)内填充SF6气体时，先用SF6气体对壳体(2)内腔进行清洗，清洗完成后，向壳体(2)内填充SF6气体至预设压力；
对第一静导体、动导体和第二静导体加载电流时，逐级升高到预设电流；
动导体往复运动过程中的行程范围设置在±80mm内；
触指的接触电阻通过四端电流压降法进行测量；
对触指的摩擦面进行的理化试验分析包括SEM和EDS。
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