CN1673762A - 气体绝缘组合电器局部放电模拟实验装置及实验方法 - Google Patents

Abstract

气体绝缘组合电器局部放电模拟实验装置及实验方法，其实验装置由感应调压器1、无晕实验变压器2、无局放保护电阻3、标准电容分压器4、GIS模拟实验装置5、内外超高频天线传感器6和7、微带线滤波放大器8、超高频智能多路开关9、宽频高速超大容量数字存储示波器10、微型计算机11构成。本发明提供的气体绝缘组合电器局部放电模拟实验装置及实验方法，可在实验室内模拟GIS内部各种单一缺陷和不同组合缺陷，获得反映各种绝缘缺陷的PD实验数据，实现对GIS内绝缘缺陷的PD模式识别。可广泛用于教学、科研院所和设备制造厂家，用于对GIS设备在线状态检测PD信号的理论分析和应用研究。

Description

气体绝缘组合电器局部放电模拟实验装置及实验方法

技术领域

本发明涉及气体绝缘组合电器局部放电实验，特别是涉及一种GIS的局部放电人工模拟实验装置及实验方法。

背景技术

GIS具有绝缘强度高、运行稳定、占地面积少和维护工作量小等优点，在大中城市城网建设和改造中得到愈来愈广泛的应用。但是从近十年的运行情况看，国内外的GIS在使用中都出现了许多问题，其中以绝缘故障为主。而绝缘故障主要由GIS内部存在的长期各种缺陷所产生的PD导致SF₆气体绝缘性能劣化而引起的。由于PD的检测受周围电磁干扰的影响严重，微弱的GIS局部放电脉冲信号有时几乎完全被干扰信号所淹没，再加上PD放电的模式多种多样，因此，检测和识别PD信号难度很大。目前国内外仅有少数研究单位开展了对GIS的PD超高频检测研究。如国内的清华大学、西安交通大学和重庆大学等单位，国外的英国、德国、日本等国家，但目前尚处于研究和应用的初步阶段。由于GIS中产生的PD信号等值频率高(脉冲陡度可达1～2ns，等效频率可高达1GHz以上)、信号微弱(主要通过传感器检测GIS连接法兰处的泄漏电磁波来实现超高频检测)、周围存在的电磁干扰大(实验室和现场存在着大量的窄带干扰、白噪声干扰和各种随机干扰)等特点，要达到对PD信号的定量和定位检测、去噪和模式识别是一个亟待解决的问题，因此，有效的办法和手段是在实验室建立能模拟真实GIS设备产生PD信号的模拟实验装置，进行有关理论基础和应用基础的研究。

发明内容

本发明的目的是提供的一种气体绝缘组合电器局部放电模拟实验装置及实验方法，利用该装置及实验方法可在实验室内模拟GIS设备内部各种单一和组合缺陷，获得反映各种绝缘缺陷的PD实验数据，实现对GIS内绝缘缺陷的PD模式识别。

本发明可以通过以下方式来加以实现：气体绝缘组合电器局部放电模拟实验装置及实验方法，其实验装置由感应调压器(1)、无晕实验变压器(2)、无局放保护电阻(3)、标准电容分压器(4)、GIS模拟实验装置(5)、内外超高频天线传感器(6)(7)、微带线滤波放大器(8)、超高频智能多路开关(9)、宽频高速超大容量数字存储示波器(10)、微型计算机(11)构成；其中：GIS模拟实验装置(5)的外形尺寸为国产220kV GIS实际尺寸的1/3，它由螺杆及螺母(12)、铜接线柱(13)、端盖(14)、有机玻璃壳体(15)、环氧树脂强化拉杆(16)、不锈钢圆柱内高压电极(17)、不锈钢外接地电极壳体(18)、内置圆盘超高频传感器出口(19)、人工缺陷模型放置口(20)、真空压力表及气体三通接头(21)、内置圆环超高频传感器出口(22)、内电极绝缘支撑板(23)、压紧弹簧(24)、内置圆环超高频传感器(25)、内置圆盘超高频传感器(26)组成；端盖(14)、有机玻璃壳体(15)和不锈钢外电极壳体(18)之间通过螺杆及螺母(12)和环氧树脂强化拉杆(16)连接，并形成一个圆柱状的腔体结构，腔体两端采用有机玻璃壳体便于放置缺陷样品和观察实验过程；外施实验电压通过铜接线柱(13)和压紧弹簧(24)加到内高压电极(17)，形成一个高电位的导体；内高压电极(17)通过绝缘支撑板(23)固定在有机玻璃壳体(15)和不锈钢外接地电极壳体(18)的腔体正中，形成传播超高频信号的同轴波导；SF₆气体通过气体三通接头(21)进入由端盖(14)、有机玻璃壳体(15)和不锈钢外接地电极壳体(18)形成的腔体，气压可达到0.5MP；内置圆盘超高频传感器(26)由信号电缆经过内置圆盘超高频传感器出口(19)与微带线滤波放大器(8)相连接，内置圆环超高频传感器(24)由信号电缆经过内置圆环超高频传感器出口(21)与微带线滤波放大器(8)相连接；人工缺陷模型放置口(20)为缺陷模型放入GIS模拟装置(5)内部的地方；GIS模拟装置的端盖(14)、有机玻璃壳体(15)和不锈钢外电极壳体(18)、螺杆及螺母(12)、环氧树脂强化拉杆(16)等部位的连接处均采用密封圈进行密封。

气体绝缘组合电器局部放电模拟实验装置及实验方法，其实验方法包括：调节感应调压器(1)，缓慢升高实验电压，首先测量最大外施实验电压和起始PD电压，然后施加起始PD电压U_st的1.2～1.5倍电压，GIS模拟实验装置(5)会产生人工缺陷下的PD信号脉冲，PD脉冲会激发出超高频电磁波信号，并在具有波导特性的模拟实验装置中传播；内置和外置超高频传感器(6、7)接收到GIS模拟实验装置(5)中和泄漏到周围空间的超高频电磁波信号(包括横电波TE、横磁波TM和横电磁波TEM)，内置和外置超高频传感器(6、7)感应的电压信号经过微带线放大滤波器(8)的放大与滤波后，通过超高频智能多路开关(9)由高速数字存储示波器(10)采集信号波形，并送至计算机(11)储存，并进行PD信号的故障诊断和模式识别。

附图说明

图1为GIS的PD信号实验检测系统组成原理图。

图2为GIS模拟装置结构示意图，在图2中：a处为绝缘子表面污秽缺陷；b处为外电极毛刺缺陷；c处为内电极毛刺缺陷；d处为自由金属微粒缺陷。

图3为A--A剖面图，在图3中：(27)为堵头，(28)为针式缺陷模型放置处。

图4为B--B剖面图，在图4中：(29)为绝缘子缺陷模型放置处，(30)为绝缘子支撑板。

图5为Saber仿真的同轴传输线的分布参数等效电路图，在图5中：(31)为测试信号输入点，(32)为首端信号输出点，(33)为中间信号输出点，(34)为末端信号输出点。

图6为GIS的PD信号检测模拟装置的尺寸示意图，在图6中：(35)为球形屏蔽罩。

图7为GIS模拟装置法兰设计中的起晕预防措施。

图8为GIS模拟装置实验接线高压屏蔽示意图，在图7中：(36)为高压引线。

具体实施方式

气体绝缘组合电器局部放电模拟实验装置及实验方法，其PD信号的检测方法为：调节感应调压器(1)，缓慢升高实验电压，首先测量最大外施实验电压和起始PD电压，然后施加起始PD电压U_st的1.2～1.5倍电压，GIS模拟实验装置(5)会产生人工缺陷下的PD信号脉冲，PD脉冲会激发出超高频电磁波信号，并在具有波导特性的模拟实验装置中传播；内置和外置超高频传感器(6、7)接收到GIS模拟实验装置(5)中和泄漏到周围空间的超高频电磁波信号(包括横电波TE、横磁波TM和横电磁波TEM)，内置和外置超高频传感器(6、7)感应的电压信号经过微带线放大滤波器(8)的放大与滤波后，通过超高频智能多路开关(9)由高速数字存储示波器(10)采集信号波形，并送至计算机(11)储存，并进行PD信号的故障诊断和模式识别。具体的实验方法及实验步骤如下：

一、实验方法及实验步骤

造成GIS内发生PD的原因是多方面的，影响绝缘介质性能的缺陷主要有自由金属微粒、导体之间电气或者机械接触不良、固定微粒、盆式绝缘子缺陷、SF₆中混有微水等，本发明设计的模拟实验装置可模拟上述各种单一缺陷和不同组合缺陷。以下结合附图对本发明的模拟实验装置和实验方法做进一步描述。

1、测量最大外施实验电压。在不放置人工缺陷模型情况下，接好实验线路，通过气体三通接头(20)向GIS模拟实验装置内注入一定压力的实验气体，调节感应调压器(1)，缓慢升高实验电压，仔细观察数字存储示波器(9)上有无信号，当出现微小放电脉冲信号时，记录下此时加在模拟实验装置上的外施电压(即为U_max)，该电压值为以后实验过程中最高的外施电压，即模拟实验电压不能超过该电压值，否则由实验装置本身产生的局部放电信号会与人工缺陷引起的PD信号所混淆，导致实验结果不准确，甚至无法识别是否是人工缺陷产生的PD信号。

2、测量起始PD电压。置入需要检测的人工缺陷模型，通过气体三通接头(20)往GIS实验装置内注入所需压力的实验气体，调节感应调压器(1)，缓慢升高实验电压，仔细观察数字存储示波器(9)上的波形，当出现放电脉冲时，记录下此时电压，记为U_st，该电压为实验的起始放电电压。

3、实验数据采集。对人工缺陷做实验时，施加起始PD电压U_st的1.2～1.5倍，就能观察到不同人工缺陷产生的PD信号，通过数字存储示波器(9)记录此时波形。根据实验数据的重复性和稳定性，考虑到放电具有一定的统计规律，可将实验数据按组编号记录。本装置对不同的人工缺陷实验数据以80～100个脉冲序列为1组进行记录比较恰当，共记录15组。

二、GIS模拟装置外形尺寸的设计

为了实现上述发明，使用Saber仿真设计了GIS的PD实验装置，采用电路模型构建电磁波传播的数学模型，通过数字计算和电磁仿真，揭示PD电流脉冲激发的电磁波在GIS同轴结构中的各种超高频电磁模波的传播、衰减、变形、时延、反射和折射及源信号的频谱在传播一定距离后的变化情况等，最后根据结果并结合220kV的GIS径向尺寸，并考虑在实验电压下装置不产生局部电晕，本模拟实验装置的尺寸为实际的1/3左右。

1、GIS内电磁波的传播特性

GIS中发生PD时，放电脉冲持续时间很短，约几个ns到几十ns，放电脉冲陡，其波形上升时间大约为1～2ns，这种陡脉冲信号的等值频率可高达1GHz，属于微波波段。因此，PD脉冲在GIS中不仅会激发横向电磁场波(TEM)，而且会建立各种成分的高次模波即横向电场波(TE)和横向磁场波(TM)。

GIS基本结构为同轴结构，其横截面不仅可视为一个同轴圆型，也可视为一个良好的同轴圆型波导。TEM波在GIS中传播时，可将GIS看作是一个同轴传输线结构，该同轴传输线可以用分布参数电路来等效，如图5所示，其分布参数的计算公式如下。

单位长度电容： $C_0=\frac{2\·\mathrm{\π}\·\mathrm{\ϵ}}{\ln \frac{b}{a}}F/m---\left(1\right)$

单位长度电感： $L_0=\frac{\mathrm{\μ}}{2\·\mathrm{\π}}\ln \frac{b}{a}H/m---\left(2\right)$

单位长度电阻： $R_0=\frac{R_m}{2\mathrm{\π}}\left(\frac{a+b}{a\·b}\right)\mathrm{\Ω}/m---\left(3\right)$

其中： $R_m=\frac{1}{\mathrm{\σ}\·{\mathrm{\δ}}_s}---\left(4\right)$

在式(1)、(2)(3)中a是内导体的半径；b是外壳的内半径；ε、μ分别是介质的介电常数和磁导率。式(4)中δs、σ分别是导体的透入深度和导电率。在本次仿真中，GIS同轴结构内导体、外壳为不锈钢，充以SF₆气体。

从理想状态看，任何频率的TEM波都能在GIS同轴结构导体中传播。但随着频率的提高，信号的衰减逐渐增大。

2、GIS内母线尺寸的设计

GIS模拟装置基本结构为长L₀的不锈钢外接地电极壳体(18)作外接地电极，在不锈钢圆柱内高压电极(17)上加实验电压，金属腔体与内导体间充一定压力的SF₆绝缘气体，并加人工模拟缺陷以产生PD信号。为了防止边缘效应，外导体两端设计为抛物面，同时内圆柱导体长于外接地极，外接地极两侧用长L₁的圆柱型有机玻璃壳体(15)密封，并从有机玻璃两端将高压导体引出，装置结构尺寸如附图6所示。

对于同轴结构圆柱电极，满足流注放电判据时，曲率半径较小电极的表面场强E_max为

$E_{\max }={(E/p)}_0[1+\frac{0.092}{\mathrm{pr}}]p---\left(5\right)$

式中(E/p)₀-单位气压下的临界击穿场强，即为88.5kV/mm MPa

r-内电极曲率半径；p-气压，MPa。

在不同气压下的击穿场强与气压关系可以认为是

              E_b＝E_0.1(10p)ⁿ                 (6)

式中n与电极表面状态和施加电压的种类有关，通常n＝0.75～0.8，当电极表面粗糙时n可低至0.65。

根据不同气压下的击穿场强与间隙距离，得到不均匀电场中的自持放电电压U₀＝E_maxd/f，f为电场不均匀系数。

在实验室中实验电压不会高于50kV，模拟装置内导体外直径设计为2a＝30mm，外导体内直径设计为2b＝125mm，由计算验证该尺寸不会产生电晕。

3、GIS模拟装置轴向长度设计

GIS金属腔体中发生PD时，放电脉冲持续时间很短，放电脉冲陡，在进行GIS模拟局部放电检测时，一个激发的PD脉冲产生的电磁场在装置内传播，由不同分布的传感器检测信号。通过对不同a、b尺寸及不同长度情况下的TEM波传输特性仿真，a、b的大小对TEM波传输基本没有影响，为了使模拟的局部放电信号(上升沿为1ns，下降沿时间为10ns)不发生混叠，影响信号的传感器接收，需要GIS模拟装置金属腔轴向有一定距离。

轴向长度不宜太长，否则加工难度很大，同时费用很高。故在考虑以上因素和结合实验的设计尺寸下，选择外接地电极长度为长度500mm，内圆柱电极长度为1500mm，两端圆柱型有机玻璃长度均为500mm。

4、GIS模拟装置厚度计算方法

本发明设计的GIS模拟装置存在充高气压SF₆气体和充压前抽真空清洗装置两种状态，所以在设计时既要考虑装置耐受内压又要考虑到装置耐受外压。因此必须进行厚度的校验。采用如下的压力容器厚度计算方法：

(a)承受内压筒式压力容器壁厚的计算公式

$S_i=\frac{P\·D}{2\left[\mathrm{\σ}\right]}+C---\left(7\right)$

上式中，S_i：容器的壁厚(mm)；P：设计压力(MPa)；D：中间面直径(mm)；C：为附加厚度；[σ]：使用材料许用应力式中许用应力[σ]的取值有以下规定：在常温下，取 中的较小值，且规定n_b＝4.0，n_s＝2.5(MPa)。

(b)承受外压筒式压力容器壁厚的计算公式

$S_0=D\sqrt[3]{\frac{P_{\mathrm{cr}}}{2.2\·E}}---\left(8\right)$

上式中，S₀：容器的壁厚(mm)；D：容器的中间面直径(mm)；P_cr：临界压力(N/m2)；E：使用材料的弹性模量(N/m2)，对于不锈钢E一般在172-200GPa之间。

由材料规格及性能参数，计算得到采用不锈钢无缝管，在承受内压时S_i≥2mm，在承受外压时S_o≥4.9mm。实际中，由于局部放电会使模拟装置中短时压力升高，以及SF6气体分解物具有一定的腐蚀性，可在上述的基础上适当加大外壳强度裕度，故S取10mm。同理，经过计算加上强度裕度后，有机玻璃的厚度S取20mm。

三、GIS模拟装置起晕预防方法

1、GIS模拟装置的法兰设计

GIS模拟装置存在着密封问题，在该模拟装置中使用节连接方式，接缝处的连接采用法兰连接，其连接方式如附图7所示：在密封连接处，边界为圆弧和边界为直角时的电场分布如附图7(a)、(b)所示。为了避免端面局部电场过于集中，外金属接地电极端面做成抛物面形，使电场与边界接近垂直，从而改善端部的电场分布，使在实验电压下不发生局部电晕。

2、PD信号检测系统的电极屏蔽设计

进行GIS的PD检测实验中，高压引线及电极屏蔽都应该是无晕的，高压实验中对高电位及地电位上的尖端部位都要采用适当的屏蔽和均压措施，避免在这些部位上产生放电。

为了减小表面场强，就必须增大表面曲率半径，增大极间或对地的距离，注意电极的表面平整和光滑。高压电极可采用球形或双环形的屏蔽罩(35)，引线须采用大直径的金属管。高压引线(36)用光滑的铝管效果好，但重量大又不可弯曲，适用不便。由于本模拟实验所加电压不超过50kV，因此采用直径30mm的蛇皮管做高压引线即可满足要求。引线与装置的连接处用直径为60mm的金属球均压，具体实施方式如附图8所示。

本发明提供的气体绝缘组合电器局部放电模拟实验装置及实验方法，可在实验室内模拟GIS内部各种单一和组合缺陷，并由高速数字存储示波器采集信号波形并送至计算机储存处理进行PD故障的诊断和识别。该发明可广泛用于教学、科研院所和设备制造厂家，用于对GIS设备在线状态检测PD信号的理论分析和应用研究。

Claims (2)

1、一种气体绝缘组合电器局部放电模拟实验装置及实验方法；其实验装置由感应调压器(1)、无晕实验变压器(2)、无局放保护电阻(3)、标准电容分压器(4)、GIS模拟实验装置(5)、内外超高频天线传感器(6)(7)、微带线滤波放大器(8)、超高频智能多路开关(9)、宽频高速超大容量数字存储示波器(10)、微型计算机(11)构成；其中：GIS模拟实验装置(5)的外形尺寸为国产220kVGIS实际尺寸的1/3，它由螺杆及螺母(12)、铜接线柱(13)、端盖(14)、有机玻璃壳体(15)、环氧树脂强化拉杆(16)、不锈钢圆柱内高压电极(17)、不锈钢外接地电极壳体(18)、内置圆盘超高频传感器出口(19)、人工缺陷模型放置口(20)、真空压力表及气体三通接头(21)、内置圆环超高频传感器出口(22)、内电极绝缘支撑板(23)、压紧弹簧(24)、内置圆环超高频传感器(25)、内置圆盘超高频传感器(26)组成；端盖(14)、有机玻璃壳体(15)和不锈钢外电极壳体(18)之间通过螺杆及螺母(12)和环氧树脂强化拉杆(16)连接，并形成一个圆柱状的腔体结构，腔体两端采用有机玻璃壳体便于放置缺陷样品和观察实验过程；外施实验电压通过铜接线柱(13)和压紧弹簧(24)加到内高压电极(17)，形成一个高电位的导体；内高压电极(17)通过绝缘支撑板(23)固定在有机玻璃壳体(15)和不锈钢外接地电极壳体(18)的腔体正中，形成传播超高频信号的同轴波导；SF₆气体通过气体三通接头(21)进入由端盖(14)、有机玻璃壳体(15)和不锈钢外接地电极壳体(18)形成的腔体，气压可达到0.5MP；内置圆盘超高频传感器(26)由信号电缆经过内置圆盘超高频传感器出口(19)与微带线滤波放大器(8)相连接，内置圆环超高频传感器(24)由信号电缆经过内置圆环超高频传感器出口(21)与微带线滤波放大器(8)相连接；人工缺陷模型放置口(20)为缺陷模型放入GIS模拟装置(5)内部的地方；GIS模拟装置的端盖(14)、有机玻璃壳体(15)和不锈钢外电极壳体(18)、螺杆及螺母(12)、环氧树脂强化拉杆(16)等部位的连接处均采用密封圈进行密封。

2、根据权利要求1所述的气体绝缘组合电器局部放电模拟实验装置及实验方法，其特征在于，所述的实验方法包括：调节感应调压器(1)，缓慢升高实验电压，首先测量最大外施实验电压和起始PD电压，然后施加起始PD电压U_st的1.2～1.5倍电压，GIS模拟实验装置(5)会产生人工缺陷下的PD信号脉冲，PD脉冲会激发出超高频电磁波信号，并在具有波导特性的模拟实验装置中传播；内置和外置超高频传感器(6、7)接收到GIS模拟实验装置(5)中和泄漏到周围空间的超高频电磁波信号(包括横电波TE、横磁波TM和横电磁波TEM)，内置和外置超高频传感器(6、7)感应的电压信号经过微带线放大滤波器(8)的放大与滤波后，通过超高频智能多路开关(9)由高速数字存储示波器(10)采集信号波形，并送至计算机(11)储存，并进行PD信号的故障诊断和模式识别。

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