一种研究GIL中分解气体扩散特性的试验装置的制作方法

本实用新型涉及gil内sf6气体放电分解及其产物的扩散特性模拟技术，尤其涉及是一种研究gil中分解气体扩散特性的试验装置。

背景技术：

gil（气体绝缘金属封闭技术）一般采用sf6（六氟化硫）气体作为主绝缘介质，具有电压等级高、通流容量大，安装和维护方便等优点，已在国内外水电、核电站及跨江等特殊场合中得到大量使用。gil主要由盆式绝缘子、导体和壳体组成，在盆式绝缘子与金属电极和气体交界处为绝缘薄弱环节，当盆式绝缘子存在缺陷时，易发生局部放电导致绝缘件损坏及sf6分解，这会严重影响gil稳定运行。为解决这一问题，可采用气体分析法对gil进行绝缘诊断，从而在放电发展初期找出gil内存在的固体绝缘缺陷，并实施相应的维护措施。气体分析法主要内容是对sf6特征分解物浓度变化进行检测分析，但由于分解气体产量较少，在尺寸较大的gil腔体内很难迅速扩散均匀，这使腔体内各点的分解气体浓度存在差异，从而影响绝缘诊断结果。而gil的轴向尺寸远远大于径向尺寸，因此相较于径向扩散，轴向扩散特性对于分解气体浓度变化的影响更为明显。为研究扩散效应对分解气体浓度的影响，从而提高绝缘诊断的准确性，需要一套能够模拟gil盆式绝缘子放电缺陷和分解气体扩散特性的试验系统及其方法。

技术实现要素：

针对研究gil内分解气体扩散特性试验的要求，本实用新型提供了一种研究gil中分解气体扩散特性的试验系装置。该试验系统能够满足实际gil的电场分布及长管道结构特点，扩展能力强，功能多样，即可用于研究gil不同盆式绝缘子缺陷下的放电分解特性，还可用于研究不同分解气体的扩散特性。本实用新型可在实验室内模拟gil内存在的盆式绝缘子缺陷及相应的局部放电，并通过局部放电波形及不同位置上的分解气体浓度变化数据，实现对不同缺陷及放电强度下的分解气体扩散特性研究，为提高gil绝缘诊断的准确性和可靠性提供试验和理论研究基础。

一、试验装置

包括调压台、隔离变压器、试验变压器、保护电阻和分压器、检测阻抗、局放检测仪、放电分解气体扩散腔体和气相色谱仪；

其位置和连接关系是：

调压台、隔离变压器、试验变压器、保护电阻和分压器依次连接，检测阻抗串联接于分压器低压侧，局放检测仪与检测阻抗的输出端相连，分压器的输出端与放电分解气体扩散腔体相连，气相色谱仪通过软管与放电分解气体扩散腔体各分段采样检测口连接；

各功能部件外壳及接地点与底线或接地网相连。

本试验装置具有下列优点和积极效果：

①相较于现有的gil，本试验系统采用的试验腔体体积小，减少用气量，节约试验成本，且重量轻、结构紧凑，可在实验室内进行相关试验；

②本试验装置可模拟实际gil的长管道结构，可模拟出分解气体的扩散过程，其内部电场也与现有的gil相近，且采用实际盆式绝缘子作为缺陷模型，所得试验结果更符合实际情况；

③本试验装置多采用标准管道及密封法兰盘连接，可拓展性好，加工要求低，可在各教学、科研机构及设备制造厂商内完成制作和搭建；

④本试验装置还可以利用尾段腔体8-19进行分解特性研究，尾段腔体8-19具有体积小、结构与现有gil一致等特点，分解气体可快速扩散均匀，便于快速检测分解气体的浓度变化趋势；每次采样时，采气量较少，对于放电分解气体扩散腔体8内的扩散过程影响较小，可提高试验结果准确性；

⑤本试验装置在放电分解气体扩散腔体8处均匀布置有多个分段采样检测口8-23，可检测不同位置的分解气体浓度变化，便于直观分析分解气体扩散过程；

⑥本试验装置采用局放检测仪7和气相色谱仪9分别检测放电强度及分解物质组分，检测结果准确度高、稳定性好、灵敏度高，便于定量分析和扩散模型的建立。

总之，本实用新型可模拟gil内电场分布及分解气体扩散过程，检测灵敏度高，准确性好，适用于各教学及科研机构对gil设备绝缘诊断技术的应用研究。

附图说明

图1是本试验装置的结构示意图；

图2是放电分解气体扩散腔体的结构示意图；

图3是放电分解气体扩散腔体的a侧剖面图，

用于描述观察窗、采样检测口、密度继电器及扩展阀门空间布置方式。

图中：

1—调压台；

2—隔离变压器；

3—试验变压器；

4—保护电阻；

5—分压器；

6—检测阻抗；

7—局放检测仪；

8—放电分解气体扩散腔体；

8-1—均压屏蔽罩；8-2—高压电源连接盘；8-3—高电压套管；

8-4—高电压连接段导电杆；8-5—高电压连接段腔体密度继电器；

8-6—高电压连接段腔体密封端盖；8-7—高电压连接段腔体；

8-8—高电压连接段腔体支座；8-9—转接均压屏蔽罩；

8-10—密封式盆式绝缘子；8-11—前段长腔体；8-12—长腔体导电杆；

8-13—后段长腔体；8-14—长腔体观察窗；8-15—通气式盆式绝缘子；

8-16—导电杆端部屏蔽；8-17—尾段腔体支座；8-18—尾段腔体观察窗；

8-19—尾段腔体；8-20—尾段腔体密封端盖；

8-21—尾段腔体采样检测口；8-22—长腔体密度继电器；

8-23—分段采样检测口；8-24扩展阀门。

9—气相色谱仪。

具体实施方式

本实用新型可对实际gil内的电场分布、缺陷类型、局部放电现象、分解气体扩散过程进行模拟和检测。

以下结合附图和实施例详细说明：

一、试验装置

1、试验装置的总体结构

如图1，本试验装置包括调压台1、隔离变压器2、试验变压器3、保护电阻4和分压器5、检测阻抗6、局放检测仪7、放电分解气体扩散腔体8和气相色谱仪9；

其位置和连接关系是：

调压台1、隔离变压器2、试验变压器3、保护电阻4和分压器5依次连接，检测阻抗6串联接于分压器5低压侧，局放检测仪7与检测阻抗6的输出端相连，分压器5的输出端与放电分解气体扩散腔体8相连，气相色谱仪9通过软管与放电分解气体扩散腔体8各分段采样检测口8-23连接；

各功能部件外壳及接地点与底线或接地网相连。

2、试验装置的功能部件

1）调压台1

是一种调压部件，一般为油浸式自耦变压器结构，由输入端、绕组和输出端组成，用于调整系统输出电压的幅值，实现变压输出。

2）隔离变压器2

是一种保护部件，一般为油浸式等比变压器结构，由输入端、绕组和输出端组成，用于隔离电源对试验系统的电磁干扰，提高局放检测仪7的灵敏度和准确度。

3）试验变压器3

是一种升压部件，一般为定比油浸式变压器结构，由输入端、绕组和输出端组成，无局放，可对调压台1输出的电压进行升压，达到试验系统的电压输出要求。

4）保护电阻4

是一种保护部件，防止系统中放电分解气体扩散腔体8内样品击穿时，击穿电流对系统设备的破坏。

5）分压器5

是一种测量部件，由高压臂和低压臂组成，用于测量和现实试验变压器的输出电压。

6）检测阻抗6

是一种采样部件，一般通过分压器并联于放电分解气体扩散腔体8，可将放电分解气体扩散腔体8中的局部放电脉冲信号耦合到局放检测仪7中进行分析。

7）局放检测仪7

是一种检测分析部件，由输入通道、分析系统和人机交互界面组成，可对检测阻抗6传递的局部放电信号的分析统计，实现对放电分解气体扩散腔体8中的局部放电特性的表征和检测。

8）放电分解气体扩散腔体8

（1）放电分解气体扩散腔体8的分体结构

如图2、3，放电分解气体扩散腔体8包括均压屏蔽罩8-1、高压电源连接盘8-2、高电压套管8-3、高电压连接段导电杆8-4、高电压连接段腔体密度继电器8-5、高电压连接段腔体密封端盖8-6、高电压连接段腔体8-7、高电压连接段腔体支座8-8、转接均压屏蔽罩8-9、密封式盆式绝缘子8-10、前段长腔体8-11、长腔体导电杆8-12、后段长腔体8-13、长腔体观察窗8-14、通气式盆式绝缘子8-15、导电杆端部屏蔽8-16、尾段腔体支座8-17、尾段腔体观察窗8-18、尾段腔体8-19、尾段腔体密封端盖8-20、尾段腔体采样检测口8-21、长腔体密度继电器8-22、分段采样检测口8-23和扩展阀门8-24；

其位置和连接关系是：

均压屏蔽罩8-1通过螺栓固定于高压电源连接盘8-2上方，并与分压器5的输出端进行电气连接；高压电源连接盘8-2连接于高电压套管8-3上端，高电压套管8-3下端通过密封法兰连接于高电压连接段腔体8-7上方；高电压连接段腔体密封端盖8-6、高电压连接段腔体8-7、密封式盆式绝缘子8-10、前段长腔体8-11、后段长腔体8-13、通气式盆式绝缘子8-15、尾段腔体8-19和尾段腔体密封端盖8-20依次通过密封法兰盘和螺栓连接组成密封试验腔体，并在高电压连接段腔体密封端盖8-6和后段长腔体8-13分别连接有高电压连接段腔体密度继电器8-5和长腔体密度继电器8-22；高电压连接段腔体8-7和尾段腔体8-19底部连接有高电压连接段腔体支座8-8和尾段腔体支座8-17；长腔体导电杆8-12横穿于高电压连接段腔体8-7、前段长腔体8-11、后段长腔体8-13和尾段腔体8-19之间，并通过密封式盆式绝缘子8-10和通气式盆式绝缘子8-15固定；长腔体导电杆8-12一端通过转接均压屏蔽罩8-9和高电压连接段导电杆8-4与高压电源连接盘8-2相连，另一端设置有导电杆端部屏蔽8-16；前段长腔体8-11、后段长腔体8-13和尾段腔体8-19上端分别以500mm为间距连接有尾段腔体采样检测口8-21及4个分段采样检测口8-23；通气式盆式绝缘子8-15附近的分段采样检测口8-23、长腔体密度继电器8-22和扩展阀门8-24的以同面异角的方式布置；长腔体观察窗8-14和尾段腔体观察窗8-18分别以水平对置方式连接于后段长腔体8-13和尾段腔体8-19靠近通气式盆式绝缘子8-15处。

（2）放电分解气体扩散腔体8的功能器件

a、均压屏蔽罩8-1

是一种均化电场部件，为一球台形铝合金壳体，用于均化高压电源连接盘8-2端部的电场畸变，减小系统的局部放电背景噪音，保证局放检测仪7的测试准确性和灵敏度。

b、高压电源连接盘8-2

是一种电气连接部件，为一铝合金金属板，用于连接试验变压器3，为放电分解气体扩散腔体8提供电源输入，建立电场。

c、高电压套管8-3

是一种绝缘部件，为一复合式充气绝缘子，对高压电源连接盘8-2端的高电压和放电分解气体扩散腔体8的外壳之间提供绝缘支撑。

d、高电压连接段导电杆8-4

是一种电气连接部件，为一表面光滑的铝合金管，可将高电压输入引入到高电压连接段腔体8-7内，并实现高压电源连接盘8-2与长腔体导电杆8-12间的电气连接。

e、高电压连接段腔体密度继电器8-5

是一种气压测量部件，用于实时检测高电压连接段腔体8-7内的sf6压力，并为高电压连接段腔体8-7提供sf6充气口。

f、高电压连接段腔体密封端盖8-6

是一种密封部件，为一铝合金圆形平板，用于对高电压连接段腔体8-7端部提供密封。

g、高电压连接段腔体8-7

是一种机械和电气连接部件，为一铝合金圆筒，可对放电分解气体扩散腔体8提供地电位和高气压sf6绝缘密封环境并实现高电压套管8-3与前段长腔体8-11间的连接和90°转向。

h、高电压连接段腔体支座8-8

是一种机械支撑部件，为一铝合金支架，用于对高电压连接段腔体8-7提供机械支撑。

i、转接均压屏蔽罩8-9

是一种均化电场部件，为一球台形铝合金壳体，用于均化高电压连接段导电杆8-4和长腔体导电杆8-12端部的电场畸变，减小系统的局部放电背景噪音，保证局放检测仪7的测试准确性和灵敏度。

j、密封式盆式绝缘子8-10

是一种密封绝缘支撑部件，为一盆型环氧树脂绝缘子，用于对高电压连接段腔体8-7和长腔体导电杆8-12之间提供绝缘和机械支持，并为高电压连接段腔体8-7提供密封，使前段长腔体8-11、后段长腔体8-13和尾段腔体8-19形成独立的密封腔段，防止分解气体扩散到高电压连接段腔体8-7内影响其绝缘性能。

k、前段长腔体8-11

是一种密封和电气连接部件，为一铝合金圆筒，可为放电分解气体扩散腔体8提供地电位、高气压sf6绝缘密封环境和分解气体扩散空间，并实现高电压连接段腔体8-7与后段长腔体8-13间的电气和机械连接。

l、长腔体导电杆8-12

是一种电气连接部件，为一表面光滑的铝合金管，可将高电压输入引入到放电分解气体扩散腔体8腔体内部及通气式盆式绝缘子8-15端部，模拟实际gil中的电场分布。

m、后段长腔体8-13

是一种密封和电气连接部件，为一铝合金圆筒，可为放电分解气体扩散腔体8提供地电位、高气压sf6绝缘密封环境和分解气体扩散空间，并实现前段长腔体8-11与放电分解气体扩散腔体8间的电气和机械连接，从而实现分解气体扩散空间的拓展；为模拟不同长度的gil，该部件还可以继续进行叠加。

n、长腔体观察窗8-14

是一种光学观察部件，由铝合金连接法兰、20mm厚石英玻璃和玻璃固定法兰组成，可通过螺栓与后段长腔体8-13连接，用于实现肉眼及紫外光检测仪对通气式盆式绝缘子8-15表面的放电现象进行观察和监测；该观察窗可承受0.6mpa的压力。

o、通气式盆式绝缘子8-15

是一种绝缘支撑部件，为一盆型环氧树脂绝缘子，边缘打通有多个通气孔，用于前段长腔体8-11和后段长腔体8-13与长腔体导电杆8-12之间提供绝缘和机械支持；并为后段长腔体8-13与尾段腔体8-19提供气体流动通道，模拟支柱绝缘子对分解气体扩散的影响；在通气式盆式绝缘子8-15表面可布置绝缘缺陷，模拟实际gil中的不同局部放电形式。

p、导电杆端部屏蔽8-16

是一种均化电场部件，为一球台形铝合金壳体，长腔体导电杆8-12端部的电场畸变，减小系统的局部放电背景噪音，保证局放检测仪7的测试准确性和灵敏度。

q、尾段腔体支座8-17

是一种机械支撑部件，为一铝合金支架，用于对尾段腔体8-19提供机械支撑。

r、尾段腔体观察窗8-18

是一种光学观察部件，由铝合金连接法兰、20mm厚石英玻璃和玻璃固定法兰组成，可通过螺栓与尾段腔体8-19连接，用于实现肉眼及紫外光检测仪对通气式盆式绝缘子8-15表面的放电现象进行观察和监测；该观察窗可承受0.6mpa的压力，石英玻璃可透过局部放电产生的光子和紫外线。

s、尾段腔体8-19

是一种密封和电气连接部件，为一铝合金圆筒，可为放电分解气体扩散腔体8提供地电位、通气式盆式绝缘子8-15一端的高气压sf6绝缘密封环境和分解通过通气式盆式绝缘子8-15后的扩散空间。

t、尾段腔体密封端盖8-20

是一种密封部件，为一铝合金圆形圆板，用于对尾段腔体8-19端部提供密封。

u、尾段腔体采样检测口8-21

是一种采样部件，由密封阀门和软管接口组成，可实现对尾段腔体8-19内的气体进行采样，并通过导气软管连接到气相色谱仪9进行组分分析。

v、长腔体密度继电器8-22

是一种气压测量部件，用于实时检测前段长腔体8-11、后段长腔体8-13及通过通气式盆式绝缘子8-15连接的尾段腔体8-19内的sf6压力，并为高电压连接段腔体8-7提供sf6充气口。

w、分段采样检测口8-23

是一种采样部件，由密封阀门和软管接口组成，以500mm为间距等距连接于前段长腔体8-11和后段长腔体8-13内上方，可实现对前段长腔体8-11和后段长腔体8-13内不同位置出的气体进行采样，并通过导气软管连接到气相色谱仪9进行组分分析。

x、扩展阀门8-24

是一种拓展部件，由密封阀门和软管接口组成，软管接口可进行替换，用于实现对放电分解气体扩散腔体8的功能拓展，并为其他设备（如标准气体气瓶）的连接提供备用接口。

（3）放电分解气体扩散腔体8的工作机理

将放电分解气体扩散腔体8各功能部件连接好后，向各段密封腔体冲入一定气压sf6绝缘气体，气体压力可通过高电压连接段腔体密度继电器8-5和长腔体密度继电器8-22进行检测和调整；当将放电分解气体扩散腔体8外壳接地并通过高压电源连接盘8-2与试验变压器3连接后，可将高电压通过高电压连接段导电杆8-4和长腔体导电杆8-12导入到前段长腔体8-11、后段长腔体8-13和尾段腔体8-19内，并在通气式盆式绝缘子8-15上建立强电场；通气式盆式绝缘子8-15上布置的绝缘缺陷会引起局部放电，局部放电可使sf6气体分解；分解气体会在前段长腔体8-11、后段长腔体8-13和尾段腔体8-19形成的密封空间内扩散；通过尾段腔体采样检测口8-21和分段采样检测口8-23对将放电分解气体扩散腔体8内各点的取样结果进行组分分析，可知腔体内sf6分解气体的生成及扩散特性及通气式盆式绝缘子8-15对扩散的影响；在局部放电过程中，放电现象可通过长腔体观察窗8-14和尾段腔体观察窗8-18进行观察。

9）气相色谱仪9

是一种气体组分分析部件，可对尾段腔体采样检测口8-21和分段采样检测口8-23采集的气体成分和含量进行检测分析。

3、装置的工作机理

系统输入到放电分解气体扩散腔体8的高电压通过调压台1、隔离变压器2、试验变压器3和分压器5进行测量、调整和放大；不同电压下，放电分解气体扩散腔体8内的局部放电强度通过检测阻抗6和局放检测仪7进行定量分析；放电一段时间后，分解气体可在放电分解气体扩散腔体8内进行扩散，不同位置处的分解气体可从尾段腔体采样检测口8-21和分段采样检测口8-23进行采样并通过气相色谱仪9进行定性和定量分析，根据不同位置处分解气体的含量可知分解气体的扩散程度；根据系统测试结果，可对电压与放电量、放电量与分解气体生成速率及时间与分解气体扩散程度间的量化关系进行测定，并对不同分解气体的扩散特性及通气式盆式绝缘子8-15对扩散的影响进行分析研究。

二、试验方法

本方法包括下列步骤：

①缺陷设置：根据试验需求，在通气式盆式绝缘子8-15上设置缺陷模型，模拟不同固体绝缘缺陷类型下的局部放电现象，为扩散特性研究提供分解气体；

②真空处理：缺陷设置完成后将放电分解气体扩散腔体8各部分连接，保证高电压连接段腔体密封端盖8-6和尾段腔体密封端盖8-20安装紧密；此时关闭分段采样检测口8-23和扩展阀门8-24，打开高电压连接段腔体密度继电器8-5和长腔体密度继电器8-22阀门并连接真空泵，将高电压连接段腔体8-7和放电分解气体扩散腔体8抽至真空，并静置12小时，通过高电压连接段腔体密度继电器8-5和长腔体密度继电器8-22检查放电分解气体扩散腔体8内气压变化；

③充气：若放电分解气体扩散腔体8内气压不变，保持真空，证明气密性良好，则关闭高电压连接段腔体密度继电器8-5阀门，换接sf6气瓶；打开高电压连接段腔体密度继电器8-5阀门，向高电压连接段腔体8-7内充气至高电压连接段腔体密度继电器8-5表压0.6mpa后关闭压段腔体密度继电器5阀门；之后以相同顺序操作长腔体密度继电器8-22阀门，向放电分解气体扩散腔体8冲入0.6mpa的sf6气体；

④测量局放起始电压与临界局放电荷量：将调压台1连接电源，并启动调压台1；将电压抬升至局放检测仪7出现局放信号，并记录此时的电压，记为局放起始电压uin；继续升压至击穿，记录最大临街局放电荷量，记为临界局放电荷量qc；

⑤设置局放节点：在局放起始电压uin下的局放电荷量qin和临界局放电荷量qc设置5个电荷量节点，并记录对应的外施电压，用以模拟和表征5个放电强度等级；

⑥气体采集与组分分析：每次采样间隔为1小时；采样时，将对应的分段采样检测口8-23打开，可通关过采样袋进行采样，或通过气管直接与气相色谱仪9连接采样；为消除气管内残余气体对分析结果的影响，检测前先通气1分钟，再通过气相色谱仪9进行组分分析；记录各位置不同时间、不同缺陷类型及放电强度下的特征分解气体种类及浓度数据，用以分析不同缺陷的放电分解特性及相应分解气体的扩散特性。