一种不同金属材料对SF6局部突发性放电故障分解的影响实验装置及其方法与流程

本发明属于气体电气绝缘设备的绝缘状态在线监测与诊断技术领域，具体涉及一种不同金属材料对六氟化硫sf6气体绝缘设备局部突发性放电故障模拟实验装置及实验方法。

背景技术：

气体绝缘组合电器gasinsulatedswitchgear,gis是指全部或者部分采用六氟化硫sf6气体作为绝缘介质的金属封闭式设备，其具有结构紧凑，占用面积较小，可靠性高，维护工作量较小，现场安装方便，电磁辐射小，环境适应能力强等优点，近年来不断在大中城市电网建设和改造中得到广泛应用，并逐步成为现代电网的主要装备之一，其安全可靠运行直接决定了现代城市电网的可靠性。随着gis使用越来越广泛，电压等级也越来越高，其在电力系统中的重要性日益突出，gis发生故障将对电力系统安全构成巨大的威胁，严重影响供电的连续性和稳定性，轻则造成经济损失，重则造成大面积停电，危害社会稳定和安全，因此必须对gis的运行状况予以高度重视，尽量减少gis故障发生的几率。

然而，sf6气体绝缘电气设备在制造、装配和运行过程中无法避免地会出现金属突出物和自由金属微粒等绝缘缺陷，这些绝缘缺陷在运行电压作用下会产生局部放电，若不及时采取措施，这些绝缘缺陷会不断发展使故障加剧，当故障加剧到一定程度后便会出现突发性局部放电故障，即火花放电故障。火花放电故障是gis设备故障发展的末期，一旦出现，极有可能导致gis设备停运进而引发电网大面积停电。因此，厘清气体绝缘电气设备中火花放电故障机理，对进行有效的gis在线监测和故障诊断十分必要。

目前，人们对gis故障的研究主要集中在局部放电所伴随的相关物理现象，有关gis火花放电故障的过程及其诊断方法研究极少，如申请号为201510323585.5的“气体绝缘组合电器火花放电故障模拟实验装置及其实验方法”，仅能获得气体绝缘电气设备火花放电条件下sf6气体在某种绝缘缺陷下的分解组分等实验数据，不能进行不同金属对sf6火花放电分解影响的研究。然而，设备气室部件采用多种金属材料构件，在火花放电作用下，sf6分解的f原子可与多种金属发生反应，生成金属氟化物或者金属硫化物，而不同金属的物理性质和化学性质之间也有着较大的区别，电极材料与分解物的形成有着直接的关系。且在火花条件下，不同金属材料的蒸发量也有所不同。因此，只有厘清不同金属材料对sf6火花放电分解过程的影响特性及作用机制，才能建立相应的故障诊断实用技术。

中国专利文献cn104880654a于2015年09月02日公开了气体绝缘组合电器火花放电故障模拟实验装置及其实验方法，包括包括基础电路、继电器控制电路、sf6放电装置、能量检测装置和缺陷装置：

1所述基本电路包括调压器、无晕试验变压器、电容分压器、水阻、高压硅堆、单刀双掷继电器、充放电电容和放电电阻；

2所述继电器控制电路包括方波发生器、第一电阻、频率可调电阻、第一二极管、第三电阻、占空比可调电阻、电容组、第二二极管、第五电容、第五电阻、第一稳压电源、第二稳压电源、光耦、第六电阻、第七电阻、三极管和第三二极管；

3所述sf6放电装置包括罐体、高压导管和低压导管；

4所述能量检测装置包括高压探针、示波器和罗氏线圈；

5所述缺陷装置包括接触板和探针。

技术实现要素：

针对现有的气体绝缘电气设备的突发性局部放电故障(火花放电故障)模拟实验装置的不足，提供一种不同金属材料对sf6直流pd分解的影响实验装置及方法，能在实验室模拟气体绝缘电气设备内各种不同金属材料构成的金属突出物缺陷模型下的火花放电，获得不同金属材料对分解气体组分及其含量等特征量的影响，为气体绝缘电气设备的在线监测和绝缘状态评估的工程实际应用提供坚实的实验基础。

实现本发明目的的技术方案是：

一种不同金属材料对sf6局部突发性放电故障分解的影响实验装置，其特征在于，包括加压系统，sf6放电气室，检测系统和金属材料突出物缺陷模型。，所述加压系统的输出端与金属材料突出物缺陷模型连接，金属材料突出物缺陷模型放置在放电气室内，检测系统同时与放电气室以及加压系统连接。

在上述的一种不同金属材料对sf6局部突发性放电故障分解的影响实验装置，所述的加压系统包括调压变压器、高压无晕实验变压器、高压整流硅堆、滤波电容、电容分压器和保护电阻；调压变压台输入端连接220kv/50hz市电，并经过高压无晕实验变压器，在输出端获得所需的交流电压。连接非接地保护水阻，并通过分压电容器实时监测电压值。再通过所述的高压整流硅堆、单刀双掷继电器和充放电电容的共同作用，获得可施加于sf6放电气室的中同金属材料突出物缺陷模型上的可调节的火花放电。

在上述的一种不同金属材料对sf6局部突发性放电故障分解的影响实验装置所述sf6放电气室为放置不同金属材料突出物缺陷模型，并进行火花放电实验的部分。其包括高压sf6/空气套管、气室封盖、气室腔体、金属突出物缺陷模型、采样口球阀、采样口、真空泵、接地金属杆、四角金属支架、进样口球阀、进样口、真空泵、真空泵球阀、压力表针阀、压力表、o型密封圈螺杆螺帽、石英观察窗和接地导电杆。气室整体略呈椭球型，并通过四角金属支架获得支撑。气室封盖和气室腔体采用202钢材料制成。并通过o型密封圈和螺杆螺帽得到密封。外施直流电压通过高压sf6/空气套管施加到不同金属材料突出物缺陷上，进行高压火花放电实验。

在上述的一种不同金属材料对sf6局部突发性放电故障分解的影响实验装置，所述检测系统包括耦合电容、ross线圈、高速数字示波器和气相色谱质谱联用仪。ross线圈通过电缆和高速数字示波器相连，在进行火花放电实验时获得并储存记录相应的放电信号。气相色谱质谱联用仪通过ptfe软管与采样口相连，分析并获取样气组分。

在上述的一种不同金属材料对sf6局部突发性放电故障分解的影响实验装置，所述金属突出物缺陷模型制成针-板型，针电极由纯钨制成针电极的主体，尾部为黄铜，总长度为60mm，针尾部直径为10mm，头部直径为4mm，针尖曲率半径为0.5mm。并通过内螺纹孔与高压sf6/空气套管固接；板电极分别采用sf6气体绝缘设备中常见的黄铜、纯铝和18/8不锈钢分别制成，其形状为圆形，直径为100mm、厚度10mm，过内螺纹孔与接地导电杆固接。针-板间距可通过接地金属杆和接地导电杆之间的升降螺纹实现调整，可使针-板间距在0-40mm范围内调整。

在上述的一种不同金属材料对sf6局部突发性放电故障分解的影响实验装置，所述单刀双掷继电器为产生可调节火花放电的重要部分。其控制器包括第一电阻、频率可调电阻、第一二极管、第三电阻、占空比可调电阻、电容组、第二二极管、第五电容、第五电阻、第一稳压电源、第二稳压电源、光耦、第六电阻、第七电阻、三极管、第三二极管、方波发生器和单刀双掷开关。

一种不同金属材料对sf6局部突发性放电故障分解的影响实验方法，其特征在于，具体包括：

步骤1、首先，用无水乙醇对金属突出物缺陷模型和气室封盖和气室腔体内壁进行擦拭，以除去在缺陷模型和气室壁上的水分、氧气和残留的分解气体；

步骤2、将不同金属突出物缺陷模型中的针电极与高压sf6/空气套管固接，然后将板电极与与接地导电杆固接，并调节。关闭采样口球阀、进样口球阀和压力表针阀。并调节针-板间隙，密封气室。打开真空泵球阀，将真空泵通电运行，对sf6放电气室抽真空，当sf6放电气室真空度为0.005～0.01mpa时，依次关闭真空泵和真空泵球阀，并静止12小时，观察sf6放电气室密封性；

步骤3、打开和压力表针阀。依次打开真空泵和真空泵球阀，将sf6放电气室再次抽至真空，当sf6放电气室真空度为0.005～0.01mpa时，依次关闭真空泵和真空泵球阀。打开进样口球阀，并从进样口充入体积分数为99.999％为sf6气体，直至压力表所示读数为0.1mpa时，关闭进样口球阀停止进样。静置5分钟后，依次打开真空泵和真空泵球阀，将sf6放电气室再次抽至真空，当sf6放电气室真空度为0.005～0.01mpa时依次关闭真空泵和真空泵球阀。重复以上步骤上次两次，以充分清洗罐体吸附的微量杂质；

步骤4、打开进样口球阀，并从进样口充入体积分数为99.999％为sf6气体，直至sf6放电气室内气压达到实验所需气压。并关闭进样口球阀。打开真空泵将采样口和气相色谱质谱联用仪相连的ptfe软管抽至真空。管关闭真空泵并打开采样口球阀，通过气相色谱质谱联用仪采集初始气样并分析，对sf6放电气室中的h2o和o2含量进行测量，确保气室中h2o和o2含量符合iec60480-2004与中国行业标准dl/t596—2005要求；

步骤5、接通单刀双掷继电器控制电路电源，使单刀双掷继电器稳定工作在0.25hz的频率下。调节调压控制台，逐步升高电压，使施加在储能电容的电压值升高，直至本组实验设定的电压值u0；

步骤6、在火花放电分解实验进行的12个小时内，每隔1个小时关闭调压控制台，打开真空泵将采样口和气相色谱质谱联用仪相连的ptfe软管抽至真空。管关闭真空泵并打开采样口球阀，通过气相色谱质谱联用仪对样气进行分析。分析结束后，关闭采样口球阀，并打开真空泵将ptfe软管抽至真空。关闭真空泵，将调压控制台调至所施加的实验电压；

步骤7、每组实验加压结束后，经过抽真空和洗气后，从气室中取出火花放电电极。将板电极上沉积的固体粉末保存在样品袋中，并进行xps分析。

步骤8、在步骤7完成后，关闭调压控制台，依次打开真空泵和真空泵球阀，将sf6放电气室再次抽至真空。当sf6放电气室真空度为0.005～0，01mpa时，依次关闭真空泵和真空泵球阀。更换其他金属材料制成的金属突出物缺陷模型，然后重复1—步骤7。

本发明成本低，试验方法简单易于推广，具有以下的技术效果：能良好的模拟sf6电气绝缘设备中，不同金属突出物缺陷造成的火花放电故障状态。填补了现有检测sf6分解气体组分评估sf6绝缘电气设备状态的实验设备及方法不能评估不同金属材料对sf6火花放电分解的影响的空白，为厘清金属材料对sf6火花放电分解的影响特性及其作用机制创造了可能。

附图说明

图1为本发明装置的实验电路原理框图。

图2为本发明装置的sf6放电气室的结构示意图。

图3为图2的俯视图。

图4为本发明利用的装置的金属突出物缺陷模型的结构示意图。

图5为本发明装置的单刀双掷继电器的电路原理图。

图6为实施例4检测的cf4含量的变化曲线图。

图7为实施例4检测的sof2含量的变化曲线图。

图8为实施例4检测的so2f2含量的变化曲线图。

图9为实施例4检测的sof4含量的变化曲线图。

图10为实施例4检测的so2含量的变化曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式，对本发明作进一步说明，图中，图1、图2、图3和图4中：1.调压变压台，2.高压无晕实验变压器，3.保护电阻，4.分压电容器，5.高压整流硅堆，6.单刀双掷继电器，7.耦合电容，8.ross线圈，9高速数字示波器，10.sf6放电气室，11.气相色谱质谱联用仪，12.高压sf6/空气套管，13.气室封盖，14.气室腔体，15.不同金属突出物缺陷模型，16.采样口球阀，17.采样口，18.真空泵，19.接地金属杆，20.四角金属支架，21.进样口球阀，22.进样口，23.真空泵，24.真空泵球阀，25.压力表针阀，26.压力表，27.o型密封圈，28.螺杆螺帽，29.石英观察窗，30.接地导电杆，31.针电极，32.地电极，第一电阻33、频率可调电阻34、第一二极管35、第三电阻36、占空比可调电阻37、电容组38、第二二极管39、第五电容40、第五电阻41、第一稳压电源42、第二稳压电源43、光耦44、第六电阻45、第七电阻46、三极管47、第三二极管48、方波发生器49和单刀双掷开关50。

实施例1

一种不同金属材料对sf6火花放电分解的影响实验装置。主要包括：加压系统，sf6放电气室，检测系统和不同金属材料突出物缺陷模型。其特征是所述的不同金属材料突出物缺陷模型中，高压针电极均采用钨金属制成，低压板电极分别采用纯铝、黄铜和18/8不锈钢制成，并在所述的不同金属材料对sf6火花分解的影响实验装置中分别进行实验。

所述的加压系统由调压变压器、高压无晕实验变压器、高压整流硅堆、滤波电容、电容分压器和保护电阻组成。调压变压台1输入端连接220kv/50hz市电，并经过高压无晕实验变压器2，在输出端获得所需的交流电压。连接非接地保护水阻3，并通过分压电容器4实时监测电压值。再通过所述的高压整流硅堆5、单刀双掷继电器6和充放电电容8的共同作用，获得可施加于sf6放电气室9的中同金属材料突出物缺陷模型上的可调节的火花放电。

所述sf6放电气室9为放置不同金属材料突出物缺陷模型，并进行火花放电实验的部分。其包括高压sf6/空气套管12、气室封盖13、气室腔体14、金属突出物缺陷模型15、采样口球阀16、采样口17、真空泵18、接地金属杆19、四角金属支架20、进样口球阀21、进样口22、真空泵23、真空泵球阀24、压力表针阀25、压力表26、o型密封圈27螺杆螺帽28、石英观察窗29和接地导电杆30。气室整体略呈椭球型，并通过四角金属支架20获得支撑。气室封盖13和气室腔体14采用202钢材料制成。并通过o型密封圈27和螺杆螺帽28得到密封。外施直流电压通过高压sf6/空气套管12施加到不同金属材料突出物缺陷15上，进行高压火花放电实验。

所述检测系统包括耦合电容7、ross线圈8、高速数字示波器9和气相色谱质谱联用仪11。ross线圈8通过电缆和高速数字示波器9相连，在进行火花放电实验时获得并储存记录相应的放电信号。气相色谱质谱联用仪11通过ptfe软管与采样口17相连，分析并获取样气组分。

所述金属突出物缺陷模型15制成针-板型，针电极31由纯钨制成针电极的主体，尾部为黄铜，总长度为60mm，针尾部直径为10mm，头部直径为4mm，针尖曲率半径为0.5mm。并通过内螺纹孔与高压sf6/空气套管12固接；板电极32分别采用黄铜制成，其形状为圆形，直径为100mm、厚度10mm，过内螺纹孔与接地导电杆30固接。针-板间距可通过接地金属杆19和接地导电杆30之间的升降螺纹实现调整，可使针-板间距在0-40mm范围内调整。

所述单刀双掷继电器6为产生可调节火花放电的重要部分。其控制器包括第一电阻33、频率可调电阻34、第一二极管35、第三电阻36、占空比可调电阻37、电容组38、第二二极管39、第五电容40、第五电阻41、第一稳压电源42、第二稳压电源43、光耦44、第六电阻45、第七电阻46、三极管47、第三二极管48、方波发生器49和单刀双掷开关50。

实施例2

一种不同金属材料对sf6火花放电分解的影响实验装置，同实施例1。针电极31由纯钨制成针电极的主体，尾部为黄铜，总长度为60mm，针尾部直径为10mm，头部直径为4mm，针尖曲率半径为0.5mm。并通过内螺纹孔与高压sf6/空气套管12固接；板电极32采用18/8不锈钢制成，其形状为圆形，直径为100mm、厚度10mm，过内螺纹孔与接地导电杆30固接。针-板间距可通过接地金属杆19和接地导电杆30之间的升降螺纹实现调整，可使针-板间距在0-40mm范围内调整。

实施例3

一种不同金属材料对sf6火花放电分解的影响实验装置，同实施例1。针电极31由纯钨制成针电极的主体，尾部为黄铜，总长度为60mm，针尾部直径为10mm，头部直径为4mm，针尖曲率半径为0.5mm。并通过内螺纹孔与高压sf6/空气套管12固接；板电极32采用纯铝制成，其形状为圆形，直径为100mm、厚度10mm，过内螺纹孔与接地导电杆30固接。针-板间距可通过接地金属杆19和接地导电杆30之间的升降螺纹实现调整，可使针-板间距在0-40mm范围内调整。

实施例4

一种不同金属材料对sf6直流pd分解的影响实验方法。利用实施例1、实施例2和实施例3的装置，在相同室温、相同sf6放电气室气压及相同外施电压下进行不同金属材料对sf6火花直流分解的影响实验。所述方法的具体步骤如下：

1、首先，用无水乙醇对金属突出物缺陷模型15和气室封盖13和气室腔体14内壁进行擦拭，以除去在缺陷模型和气室壁上的水分、氧气和残留的分解气体；

2、将实例1中的不同金属突出物缺陷模型15的针电极31与高压sf6/空气套管12固接，然后将板电极32与与接地导电杆30固接，并调节。关闭采样口球阀16、进样口球阀21和压力表针阀25。并调节针-板间隙，密封气室。打开真空泵球阀24，将真空泵23通电运行，对sf6放电气室10抽真空，当sf6放电气室10真空度为0.005～0.01mpa时，依次关闭真空泵23和真空泵球阀24，并静止12小时，观察sf6放电气室10密封性；

3、按附图1所示连接并检查电路。打开和压力表针阀25。依次打开真空泵23和真空泵球阀24，将sf6放电气室10再次抽至真空，当sf6放电气室10真空度为0.005～0.01mpa时，依次关闭真空泵23和真空泵球阀24。打开进样口球阀21，并从进样口22充入体积分数为99.999％为sf6气体，直至压力表26所示读数为0.1mpa时，关闭进样口球阀21停止进样。静置5分钟后，依次打开真空泵23和真空泵球阀24，将sf6放电气室10再次抽至真空，当sf6放电气室10真空度为0.005～0.01mpa时依次关闭真空泵23和真空泵球阀24。重复以上步骤上次两次，以充分清洗罐体吸附的微量杂质；

4、打开进样口球阀21，并从进样口22充入体积分数为99.999％为sf6气体，直至sf6放电气室10内气压达到0.42mpa。并关闭进样口球阀21。打开真空泵18将采样口17和气相色谱质谱联用仪11相连的ptfe软管抽至真空。管关闭真空泵18并打开采样口球阀16，通过气相色谱质谱联用仪11采集初始气样并分析，对sf6放电气室10中的h2o和o2含量进行测量，确保气室中h2o和o2含量符合iec60480-2004与中国行业标准dl/t596—2005要求；

5、接通单刀双掷继电器6控制电路电源，使单刀双掷继电器6稳定工作在0.25hz的频率下。调节调压控制台1，逐步升高电压，使施加在储能电容的电压值升高，直至16.0kv；

6、在火花放电分解实验进行的12个小时内，每隔1个小时关闭调压控制台1，打开真空泵18将采样口17和气相色谱质谱联用仪11相连的ptfe软管抽至真空。管关闭真空泵18并打开采样口球阀16，通过气相色谱质谱联用仪11对样气进行分析。分析结束后，关闭采样口球阀16，并打开真空泵18将ptfe软管抽至真空。关闭真空泵18，将调压控制台1调至所施加的实验电压；

7、每组实验加压结束后，经过抽真空和洗气后，从气室中取出火花放电电极。将板电极32上沉积的固体粉末保存在样品袋中，并进行xps分析。

8、在采用实例1的装置完成第7步后，关闭调压控制台1，依次打开真空泵23和真空泵球阀24，将sf6放电气室10再次抽至真空。当sf6放电气室10真空度为0.005～0，01mpa时，依次关闭真空泵23和真空泵球阀24。更换实例2中的不同金属突出物缺陷模型15，回到第1步，然后重复1—7步。

9、在采用实例2的装置完成第7步后，关闭调压控制台1，依次打开真空泵23和真空泵球阀24，将sf6放电气室10再次抽至真空。当sf6放电气室10真空度为0.005～0，01mpa时，依次关闭真空泵23和真空泵球阀24。更换实例3中的不同金属突出物缺陷模型15，回到第1步，然后重复1—7步。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。