CN105699862B - 一种直流gis的pd模拟装置的控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种直流GIS的PD模拟装置的控制方法。该控制方法在进行PD模拟实验前首先通过控制气体放电室各个控制阀的开启和关闭利用SF₆气体对气体放电室进行清洗，进而向气体放电室内充入预设压强的SF₆气体。通过调整直流施压系统的输出电压，在不同的电压等级实现对直流GIS的PD模拟。本发明所公开的控制方法可按照实验步骤自动按照相应的控制指令控制各个部件动作，自动化程度高。

Description

一种直流GIS的PD模拟装置的控制方法

技术领域

本申请涉及气体绝缘开关设备的绝缘状态在线监测技术领域，更具体地说，涉及一种直流GIS的PD模拟装置的控制方法。

背景技术

SF6气体具有优良的绝缘和灭弧性能，作为绝缘介质可以提高绝缘强度，大大减小高压设备的尺寸，已广泛地应用于GIS中(Gas Insulated Switchgears，气体绝缘开关设备)中。然而，GIS在制造、运输、安装、检修和运行等过程中，内部不可避免地会出现各种绝缘缺陷，从而导致设备内部电场发生畸变，进而产生PD(Partial Discharge，局部放电)。当出现严重PD时，一方面，PD会加快对设备内部绝缘的进一步破坏，最终导致绝缘故障造成停电事故；另一方面，PD又是有效表征绝缘状况的特征量，通过对GIS的PD进行检测和模式识别，可以在很大程度上发现GIS内部存在的绝缘缺陷及类型。因此，检测PD对保证GIS安全可靠运行具有重要的现实意义，国内外同行长期致力于该方向的研究。

目前国内外针对GIS PD在线监测的研究主要集中在交流，尚未扩展至直流领域，然而随着现代特高压直流输电工程的迅速发展，直流GIS必将得到愈来愈广泛的应用，因此，开展直流电压下GIS的PD研究具有重大意义，为此本领域的技术人员公开的一种直流GIS的PD模拟装置，当前主要采用人工手段对该装置进行控制，其自动化程度较低。

发明内容

有鉴于此，本申请提供一种直流GIS的PD模拟装置的控制方法，以对直流GIS的PD模拟装置进行自动控制，提供该装置的自动化程度。

为了实现上述目的，现提出的方案如下：

一种直流GIS的PD模拟装置的控制方法，所述装置包括绝缘缺陷模型，盛放所述绝缘缺陷模型的气体放电室，向所述气体放电室两端提供连续可调的直流电压的直流施压系统，以及获取直流GIS的PD的脉冲电压信号和UHF信号的检测系统，

在将所述绝缘缺陷模型放入所述气体放电室之前，所述方法包括：

控制所述直流施压系统缓慢升高实验电压，确定所述模拟装置的固有起始放电电压；

在将所述绝缘缺陷模模型放入所述气体放电室之后，所述方法包括：

控制所述气体放电室按照第一预设操作指令动作，以利用SF₆气体对所述气体放电室进行清洗；

控制所述气体放电室按照第二预设操作指令动作，以向所述气体放电室填充均匀的SF₆；

控制所述直流施压系统缓慢升高实验电压，确定所述绝缘缺陷模型的起始放电电压和击穿电压；

确定所述固有起始放电电压和所述击穿电压中的最小电压，获取起始放电电压和所述最小电压之间若干个等电压等级的电压值；

调整所述直流施压系统依次输出大小为所述电压值的实验电压；

在所述电压值的实验电压下，控制所述检测系统采集PD的脉冲电压信号以及UHF信号。

优选的，所述控制所述气体放电室按照第一预设操作指令动作，以对所述气体放电室进行清洗，包括：

步骤A：开启所述气体放电室的真空泵球阀和真空泵，以将所述气体放电室抽为真空状态；

步骤B：关闭所述真空球阀和所述真空泵，开启所述气体放电室的进样球阀和SF₆气瓶阀门，向所述气体放电室充入SF₆；

步骤C：重复所述步骤A，直至所述气体放电室内的气体含量满足预设条件。

优选的，所述控制所述气体放电室按照第二预设操作指令动作，以向所述气体放电室填充均匀的SF₆，包括：

关闭所述真空球阀和所述真空泵，开启所述气体放电室的进样球阀和SF₆气瓶阀门，向所述气体放电室充入预设压强的SF₆。

优选的，所述控制所述检测系统采集PD的脉冲电压信号以及UHF信号之后，还包括：

调节所述直流施压系统的实验电压为零，对所述模拟装置的高压端进行放大操作。

经由上述技术方案可知，本申请公开了一种直流GIS的PD模拟装置的控制方法。该控制方法在进行PD模拟实验前首先通过控制气体放电室各个控制阀的开启和关闭利用SF₆气体对气体放电室进行清洗，进而向气体放电室内充入预设压强的SF₆气体。通过调整直流施压系统的输出电压，在不同的电压等级实现对直流GIS的PD模拟。本发明所公开的控制方法可按照实验步骤自动按照相应的控制指令控制各个部件动作，自动化程度高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1示出了本发明一种直流GIS的PD模拟装置的电路原理框图；

图2示出了本发明公开的一种直流GIS的PD模拟装置的气体放电室的结构示意图；

图3示出了本发明公开的一种直流GIS的PD模拟装置的气体放电室的俯视图；

图4示出了本发明公开的四种典型绝缘缺陷模型的结构示意图；

图5示出了一种脉冲电流法校准电路的电路图；

图6示出了本发明一种UHF法校准电路的电路图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

直流GIS的PD模拟装置及实验方法，本发明主要包括以下几个内容：(1)搭建直流GIS PD模拟平台；(2)在不同绝缘缺陷模型下开展PD实验。具体步骤如下：

(1)搭建直流GIS PD模拟平

参见图1示出了本发明一种直流GIS的PD模拟装置的电路原理框图。

在本实施例中，该直流GID的PD模拟装置主要由直流施压系统、气体放电室、检测系统和四种不同的绝缘缺陷模型构成。

其中，直流施压系统由调压控制台1、实验变压器2、保护电阻3、电容分压器4、高压整流硅堆5、滤波电容6、电阻分压器7以及隔离电阻8构成。直流施压系统的输出端通过导线与气体放电室9相连，能够向气体放电室两端提供0～50kV连续可调的直流电压。

该直流施压系统的具体电路连接方式为：

调压控制台1与实验变压器2的一次侧接线端相连。实验变压器2的二次侧的第一接线端、保护电阻2、高压整流硅堆5以及气体放电室9的顶部接线端依次相连，气体放电室的底部接线端与实验变压器2的二次侧的第二接线端相连。

保护电阻2和高压整流硅堆5的公共端与电容分压器4的第一接线端相连，所述电容分压器4的第二接线端与所述实验变压器2二次侧的第二接线端连。

所述高压整流硅堆5和所述隔离电阻8和公共端与所述滤波电容6的第一接线端相连，所述滤波电容6的第二接线端与所述实验变压器2的二次侧的第二接线端相连。

所述滤波电容6和所述隔离电阻8的公共端与所述电阻分压器7的第一接线端相连，所述电阻分压器7的第二接线端与所述实验变压器2的二次侧的第二接线端相连。

在本实施例中，直流施压系统利用高压硅堆进行整流，再利用一个滤波电容起平波作用，可以提供一个纹波因数满足国家标准的kV级直流实验电压，能够准确模拟直流GID的实际工作电压。

另外本发明公开一种气体放电室的结构示意图。参见图2和图3，图2示出了本发明公开的一种直流GIS的PD模拟装置的气体放电室的结构示意图，图3示出了本发明公开的一种直流GIS的PD模拟装置的气体放电室的俯视图。

该气体放电室主要由不锈钢缸体14、椭圆形顶盖15、高压套管16、高压导杆17、法兰18、螺钉19、真空压力表球阀20、真空压力表21、真空泵球阀22、真空泵23、进样球阀24和进样口25、支撑脚26、接地导杆27、绝缘缺陷28、采样球阀29、采样口30、支撑绝缘子31及石英玻璃观察窗32构成。所述不锈钢缸体14最低可承受5个大气压且保证密封性，不锈钢缸体底端连接3～4个支撑脚26，其顶端封口为可拆卸的椭圆形顶盖15，在顶盖中心处设置一个孔径为20mm的通孔，所述高压导杆17、法兰18与聚四氟乙烯高压套管16一次性封装成型从顶盖的通孔深入到缸体内部，并固定在所述的支撑绝缘子31中心处。在不锈钢缸体底端中心处设置一个孔径为15mm的通孔，所述的接地导杆27与法兰18一次性封装成型穿过该通孔并固定在所述的支撑绝缘子31中心处。缸体内部的接地导杆末端和高压导杆末端均采用螺纹结构与所述的绝缘缺陷电极28连接。在不锈钢缸体的四侧壁中心处分别对称设置两个孔径为15mm的通孔和两个直径为80mm、厚度为15mm石英玻璃观察窗32，两个通孔分别连接两根不锈钢管，其中一根不锈钢管上连接真空压力表球阀20、进气球阀24、真空泵球阀22，另一根不锈钢管上连接采样球阀29；石英玻璃装观察窗32在对接法兰之间，使用“O”形橡胶垫密封并用10根螺杆直径为15mm的螺钉19压紧固定。

可选的，在本实施例中还公开了四种典型绝缘缺陷模型，参见图4示出了本发明公开的四种典型绝缘缺陷模型的结构示意图。

所述的四种典型绝缘缺陷模型包括金属突出物缺陷模型(图4(a))、自由金属微粒缺陷模型(图4(b))、绝缘子金属污染缺陷模型(图4(c))以及绝缘子气隙缺陷模型(图4(d))。所述的金属突出物模型使用针-板电极来模拟，其中针电极直径为4mm、长度为30mm，针尖部分的长度为5mm，尖端曲率半径为0.3mm，板电极直径为120mm、厚度为10mm。所述的自由金属微粒模型使用球-碗电极以及放置于半球形碗电极底部的铜屑来模拟，其中球电极直径为30mm，碗电极外径为120mm、厚度均为2mm，铜屑大小为10～100μm。所述的绝缘子金属污染模型使用板-板电极以及夹在板-板电极之间的表面粘有铜屑的圆柱形环氧树脂来模拟，其中板电极直径为120mm、厚度为10mm，圆柱形环氧树脂直径为60mm、高度为21mm，粘有铜屑的区域长18mm、宽2mm，铜屑直径约为10～100μm。所述的绝缘子气隙模型使用板-板电极以及夹在板-板电极之间的圆柱形环氧树脂和环形环氧树脂片(与高压板电极相连)来模拟，其中板电极直径为120mm、厚度为10mm，圆柱形环氧树脂直径为60mm、高度为20mm，环形环氧树脂片厚度为1mm、外环直径为60mm、内环直径为50mm。

所述的检测系统包括脉冲电流检测系统和UHF检测系统两部分。其中脉冲电流检测系统，主要包括耦合电容11、检测阻抗12、和数字存储示波器13；UHF检测系统的连接电路如图6所示，主要由UHF传感器10和数字存储示波器13构成，能够检测出PD的UHF脉冲幅值、重复率和相位等信息。

(2)在不同绝缘缺陷模型下开展PD实验

①按照图1所示实验电路原理图连接各个实验装置，保证所有实验设备良好接地。打开所述不锈钢缸体14的椭圆形顶盖15，用乙醇清洗缸体内壁和人工缺陷模型28后把顶盖装好，保证缸体的密闭性。

②按照第一操作指令打开所述的真空泵球阀22，启动真空泵23，对不锈钢缸体抽真空后依次关闭真空泵球阀和真空泵。然后依次打开所述的SF6气瓶阀门和进样球阀29，向缸体内充入0.2～0.3MPa的纯净SF6气体后依次关闭SF6气瓶阀门和进气球阀。按所述的操作步骤，先抽真空，再充入SF6气体清洗，如此重复多次冲洗不锈钢缸体，保证缸体内水分和氧气的含量分别小于500ppm和2000ppm后再次抽真空。

③按照第二操作指令打开所述的SF6气瓶阀门和进气球阀，向不锈钢缸体内充入0.3～0.5MPa的纯净SF6气体，然后依次关闭SF6气瓶阀门和进气球阀，稳定数小时，使SF6气体扩散均匀。

④往不锈钢缸体内安装人工绝缘缺陷之前，调节所述的调压控制台1缓慢升高实验电压，检测装置固有起始放电电压Ug。给气体放电室9加压做完实验后，需缓慢调节调压控制台将实验电压降为0，关闭实验电源，然后使用接地棒对所有设备的高压端进行有效放电之后才可以进入实验区域，下文不再复述。

⑤将不锈钢缸体抽真空，打开所述的进气球阀使空气进入缸体，保证缸体内外压强一致，关闭进气球阀。打开不锈钢缸体的椭圆形顶盖，在所述的高压导杆17和接地导杆27之间安装好缺陷模型后把顶盖装好，保证缸体的密闭性。重复步骤②～③，调节所述的调压控制台缓慢升高实验电压，检测缺陷模型的起始放电电压Ust和击穿电压Ub。

⑥在Ust和min(Ug，Ub)之间平均取5个电压等级U1、U2、U3、U4、U5(即Ust、U1、U2、U3、U4、U5、min(Ug，Ub)相邻电压之间的差值相等)，重复步骤②～③，调节所述的调压控制台缓慢升高实验电压至U1、U2、U3、U4、U5，在每个电压等级下分别连续进行8个小时的PD实验，每隔2个小时采集一次UHF PD信号，每次连续采集1分钟。

⑦利用脉冲电流法检测PD量

本检测方法采用如图5所示的并联法测量回路来测量PD脉冲电流信号。参见图5示出了一种脉冲电流法校准电路的电路图。首先对所述的气体放电室9中不同绝缘缺陷模型28产生的PD分别进行定量标定：根据IEC 60270标准可知，脉冲电流法测得的脉冲电压幅值U与视在放电量Q成线性关系，将局部放电校准仪33与气体放电室并联，在绝缘缺陷电极两端产生放电量已知的脉冲信号，通过所述的数字存储示波器13可测得检测阻抗12两端的脉冲电压峰值，从而可以得到脉冲电压峰值与视在放电量之间的线性关系。在实施连续PD实验过程中，利用数字存储示波器测量检测阻抗两端的脉冲电压峰值U，根据定量标定得到的脉冲电压峰值与视在放电量之间的线性关系，可计算出实际的PD视在放电量Q。

⑧利用UHF法检测PD信号

参见图6示出了本发明一种UHF法校准电路的电路图。利用所述的数字存储示波器13采集UHF信号，每次连续采集1分钟，可以得到PD的UHF脉冲幅值、重复率和相位等信息。先对所述的气体放电室9中不同绝缘缺陷模型28产生的UHF PD信号进行校正：首先，通过实验室实验确定发射的UHF信号人工脉冲的参数(上升时间、半峰值时间、脉冲幅值等)。然后，调节所述的调压控制台1向气体放电室两端加压，使内部的绝缘缺陷发生PD，在石英观察窗31处用UHF法检测该缺陷PD激发的UHF信号A(用脉冲能量或幅值表示)。再然后，利用信号发生器34向气体放电室两端注入幅值可调的UHF信号人工脉冲，在石英观察窗处检测此时的UHF信号B。最后，利用信号发生器调节注入脉冲的相关参数，使UHF信号B与A的偏差在±10％以内，认为此时注入的UHF人工脉冲信号即为PD的等效源信号。

本发明提出一种多阶高斯函数作为注入脉冲的标准波形，以多阶高斯函数的上升时间、下降时间、高斯阶数为调节参数，其函数表达式如下：

式中，ai表示波峰的高度，bi表示波峰所在位置的横坐标x的值，ci反映了波峰的陡度。

本发明采用上述技术方案后，主要有以下效果：

1、本发明中的实验平台能模拟直流GIS的PD情况，弥补了现有实验平台只能模拟交流GIS的PD情况的不足，是直流GIS故障诊断研究的基础。

2、本发明中的直流施压系统利用高压硅堆进行整流，再使用一个滤波电容起平波作用，可以提供一个纹波因数满足国家标准的kV级直流实验高压，能够准确模拟直流GIS的实际工作电压。

3、本发明研制了四种典型的绝缘缺陷模型，涵盖了实际直流GIS中常见的金属突出物、自由金属微粒、绝缘子表面污染、绝缘子气隙四种绝缘缺陷，模拟合理且准确。

4、本发明中的实验平台采用螺纹结构连接气体放电室内的导电杆和绝缘缺陷模型电极，能够调节高压电极与地电极之间的距离，便于研究UHF PD信号与放电强度之间的关系。

5、本发明使用UHF法检测PD信号，并提出一种多阶高斯函数作为注入脉冲的标准波形，可以检测PD的脉冲幅值、重复率和相位等信息，检测灵敏度高、抗干扰能力强、检测直接、可实现在线监测和故障定位。

6、本发明中的实验平台结构简单、成本低，实验过程和检测手段简单、易掌握。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (2)

1.一种直流GIS的PD模拟装置的控制方法，所述装置包括绝缘缺陷模型，盛放所述绝缘缺陷模型的气体放电室，向所述气体放电室两端提供连续可调的直流电压的直流施压系统，以及获取直流GIS的PD的脉冲电压信号和UHF信号的检测系统，其特征在于，

在将所述绝缘缺陷模型放入所述气体放电室之前，所述方法包括：

控制所述直流施压系统缓慢升高实验电压，确定所述模拟装置的固有起始放电电压；

在将所述绝缘缺陷模模型放入所述气体放电室之后，所述方法包括：

控制所述气体放电室按照第一预设操作指令动作，以利用SF₆气体对所述气体放电室进行清洗；

控制所述气体放电室按照第二预设操作指令动作，以向所述气体放电室填充均匀的SF₆；

控制所述直流施压系统缓慢升高实验电压，确定所述绝缘缺陷模型的起始放电电压和击穿电压；

确定所述固有起始放电电压和所述击穿电压中的最小电压，获取起始放电电压和所述最小电压之间若干个等电压等级的电压值；

调整所述直流施压系统依次输出大小为所述电压值的实验电压；

在所述电压值的实验电压下，控制所述检测系统采集PD的脉冲电压信号以及UHF信号；其中，所述控制所述气体放电室按照第一预设操作指令动作，以对所述气体放电室进行清洗，包括：

步骤A：开启所述气体放电室的真空泵球阀和真空泵，以将所述气体放电室抽为真空状态；

步骤B：关闭所述真空泵球阀和所述真空泵，开启所述气体放电室的进样球阀和SF₆气瓶阀门，向所述气体放电室充入SF₆；

步骤C：重复所述步骤A，直至所述气体放电室内的气体含量满足预设条件；

所述控制所述气体放电室按照第二预设操作指令动作，以向所述气体放电室填充均匀的SF₆，包括：

关闭所述真空泵球阀和所述真空泵，开启所述气体放电室的进样球阀和SF₆气瓶阀门，向所述气体放电室充入预设压强的SF₆。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制所述检测系统采集PD的脉冲电压信号以及UHF信号之后，还包括：

调节所述直流施压系统的实验电压为零，对所述模拟装置的高压端进行放大操作。