本发明属于气体绝缘组合电器(gasinsulationswitchgear,gis)绝缘状态在线监测技术领域，具体涉及一种gis内自由金属微粒缺陷模拟实验装置及方法。
背景技术：
由于六氟化硫(sf6)具有优良的绝缘和灭弧性能，使得以sf6作为绝缘介质的sf6气体绝缘电气设备具有绝缘强度高、可靠性高、占地面积小及维护工作量小等优点，自21世纪以来，全球电网gis变电站数量明显增多。但gis在制造、装配和运行过程中无法避免地会在电极之间产生可在电场作用下自由跳动的金属微粒或碎屑。它一般出现在设备金属腔体与高压导体之间的空间里，即在一个具有高电场的空间里存在大小不一且能够自由移动的金属微粒或碎屑。这些金属微粒通常是由于制造或安装过程中生成而后期又未被清洗干净留下的，且设备在运行过程中因震动使金属镀层脱落或相邻金属部件之间发生摩擦等，也会产生各种金属微粒。这些金属微粒形状各异，有颗粒状、片状、粉末状和尖刺状等，由于这些颗粒是金属的，它们会在电场中会感应出电荷，并且它们的质量很小，在电场力的作用下会发生移位和跳动，这些微粒的运动与电场强度、微粒形状和质量以及一些随机因素相关，如果微粒跳动的范围足够大，数量足够多，就可能在高压导体和外壳之间形成导电通路或者贯穿性的电弧通道，从而造成设备严重的故障。因此，这些导电微粒对运行中的设备危害较大。当导电微粒导致腔体内发生贯穿性的放电前，最容易表现的电气特征就是产生pd。在产生pd过程中，导电微粒在电场作用下的运动路径取决于多种因素，包括外施电压、微粒的形状和大小等。
gis内自由金属微粒缺陷引发的pd一方面是绝缘发生劣化的主要原因，另一方面也是反映gis内部绝缘状态的特征量。因此，可以对gis中pd展开在线监测以及时发现其中潜在的绝缘缺陷。目前用来检测gis内pd的方法主要有脉冲电流法、超声波法、超高频法和sf6分解组分分析法等。可通过各种检测方法对gis内部pd进行监测，得到各种检测方法下的特征量与pd的关系，提取出能够表征pd的特征量，完善sf6在pd下的分解理论，为实现gis的状态监测和故障诊断提供科学的理论依据。所以研制sf6气体绝缘电气设备pd分解的模拟装置，对于gis的状态监测和故障诊断以避免大停电事故及保证电力系统安全运行具有深远的意义。
目前国内外在sf6气体绝缘电气设备pd在线监测的研究主要集中于针-板缺陷的实验及监测装置，如专利号为zl2007100784930的“六氟化硫放电分解组分分析系统及其使用方法”、专利号为zl201010157377.x的“超高频局部放电放电量监测采集方法、装置和系统”、以及专利号为zl200910104566.8的“六氟化硫气体放电微量组分的红外检测装置及方法”等专利，都是基于针-板缺陷的gis在线监测装置，因此研究gis中自由金属微粒缺陷模拟实验装置具有重要意义。
技术实现要素：
本发明的目的是针对现有的gis故障模拟实验装置还没有针对自由金属微粒缺陷研究的问题，提供一种gis中自由金属微粒缺陷模拟实验装置，该装置能在实验室中模拟交流条件下gis内自由金属微粒缺陷引发pd的情况，并获取不同的外施电压、微粒的形状和大小等对pd的影响，为gis在线监测和绝缘状态评估打下实验基础。
本发明的技术方案是：
一种gis中自由金属微粒绝缘缺陷模拟实验装置，其特征在于，包括：
一工频交流电源系统：包括电源调压控制台、无局放工频试验变压器、无局放保护电阻、工频电容分压器；实验室内工频交流市电220v/50hz经导线与调压台的输入端口连接，经调压台调控由其输出端口接入工频试验变压器输入端口，试验变压器的输出端口经导线接入通过保护电阻后其输出将电容分压器与气体放电室并联接入；其中电容分压器经衰减探头后连入数字示波器可对加载在气体放电室的电压进行测量，而试验变压器通过调压台调控给经导线连接的气体放电室提供连续调节工频交流电压；
一气体放电室：工频交流供压系统的输出端经导线与气体放电室相连，导线通过高压套管连入气体放电室的内部的模拟绝缘缺陷，将试验电源电压加载到模拟绝缘缺陷的一端，绝缘缺陷的另一端经接地线与大地直接相连，这样电源可供给模拟绝缘缺陷局部放电的连续可调节的工频交流电压；
一检测系统：包括脉冲电流检测系统和气相色谱质谱检测系统两部分；所述的脉冲电流检测系统采用iec60270并联检测法，由所述的气体放电室的高压端引出导线连接到所述耦合电容的高压端，所述耦合电容的低压端通过导线连接所述检测阻抗；pd脉冲信号通过所述检测阻抗放大输入到数字存储示波器中，用以监视气体放电室中发生的pd，并记录pd脉冲信号的幅值；所述的气相色谱质谱检测系统通过特氟龙导气管连接到气体放电室9缸体的采样口上，用以检测出ppbv级的so2f2、sof2、co2、cf4、h2s、cs2、so2等sf6气体的各种分解气体产物的含量；
一绝缘缺陷模型：构建自由金属微粒缺陷。
在上述的一种gis中自由金属微粒绝缘缺陷模拟实验装置，所述的气体放电室包括不锈钢柱状腔体、设置在不锈钢柱状腔体顶端的高压导杆、套在高压导杆一端的高压套管、通过法兰固定在设置在不锈钢柱状腔体顶端的椭球形顶盖；人工绝缘缺陷模型设置在不锈钢柱状腔体内部，石英观察窗对称设置在不锈钢柱状腔体两侧，接地导电杆一端接地，另一端与人工绝缘缺陷模型连接；真空泵通过不锈钢管与不锈钢柱状腔体一侧连通，采样口通过不锈钢管与不锈钢柱状腔体另一侧连通。
在上述的一种gis中自由金属微粒绝缘缺陷模拟实验装置，所述的不锈钢缸体的形状为内径为50cm、厚度为1.0cm、高度为60cm的圆柱体，两端采用椭圆形封头结构；所述的不锈钢缸体最高承受5个大气压；所述的不锈钢缸体的顶端封口为可方便拆卸的椭圆形顶盖，在所述的不锈钢缸体上端开口处固接一直径为55cm、厚度为1.0cm的不锈钢材质的法兰，采用矩形密封槽配合o形橡胶圈密封结构，并使用15根螺杆直径为15mm的螺钉提供足够的压紧力将直径为55cm、厚度为1.2cm的不锈钢材质的顶盖固定在所述的不锈钢缸体的法兰上以保证缸体的密封性。
在上述的一种gis中自由金属微粒绝缘缺陷模拟实验装置，在所述的椭圆形顶盖中心处设置一个孔径为20cm的通孔，所述高压导杆和法兰与所述的聚四氟乙烯高压套管一次性封装成形从顶盖的通孔深入到缸体内部，通过法兰将顶盖的通孔密封。
在上述的一种gis中自由金属微粒绝缘缺陷模拟实验装置，在所述的不锈钢缸体底端中心处设置一个15mm的通孔，接地导电杆穿过该通孔并密封固定在所述的不锈钢缸体底部；所述接地导电杆伸出缸体的一端通过铜编带接地，其伸入缸体内部的一端及高压导电杆伸入缸体内部的一端均采用螺纹总长为20mm，螺距为1mm的螺纹结构与所述的绝缘缺陷电极连接以调节电极之间的距离。
在上述的一种gis中自由金属微粒绝缘缺陷模拟实验装置，在所述的不锈钢缸体的一侧壁的中部设置一孔径为2cm的通孔；该通孔连通一根不锈钢管，所述的真空压力表通过真空压力球阀接在不锈钢管上用以监测和显示缸体内部真空度和气压大小，同样的不锈钢管上面再接一个进样球阀，该进样球阀另一端进样口通过特氟龙导气管与sf6钢瓶连通用以充气。
在上述的一种gis中自由金属微粒绝缘缺陷模拟实验装置，所述的真空泵通过真空泵球阀接到不锈钢管末端，用以对缸体内抽真空；在所述的不锈钢缸体的一侧壁的中部设置一孔径为1.5cm的通孔，所述的采样球阀的一端通过不锈钢管与该采样孔连通，采样球阀的另一端采样口通过特氟龙导气管与所述的气相色谱质谱联用仪连通，用以检测sf6气体在直流条件下的pd的分解组分及其含量。
在上述的一种gis中自由金属微粒绝缘缺陷模拟实验装置，在所述的不锈钢缸体的抽气孔和采样孔之间的两侧壁上，分别设置两个直径为8cm、厚度为5mm的石英玻璃观察窗，石英玻璃装在对接法兰之间，用o形橡胶垫密封并用10根螺杆直径为15mm的螺钉压紧固定，使电极正好处于观察窗的观察范围内用以利用紫外成像仪或高速摄像机来观察和摄取pd过程图像。
在上述的一种gis中自由金属微粒绝缘缺陷模拟实验装置，在所述的不锈钢缸体的底端沿圆柱面的外侧均匀的固接3个长度为10cm的支撑脚，用以支撑和保护缸体、方便操作和监测，所述的自由金属微粒缺陷用同心球-碗电极以及放置于半球形的碗电极底部的铜屑来模拟；所述的球电极和碗电极均为青铜材质，球电极直径为50mm，碗电极为空心球体切割而成，外径为100mm，厚度均为2mm，切口直径为90mm；所述的球电极及碗电极的电极连接杆直径为4mm，长度为30mm，其中螺纹长度为20mm；所述的铜屑包括四种类型，分别是直径分别为10μm、50μm和100μm的铜材质球形微粒以及尺寸为2mm×2mm的铜片。
一种gis中自由金属微粒绝缘缺陷模拟实验方法，其特征在于，包括：
脉冲电流检测步骤：脉冲电流检测系统采用并联法，所述气体放电室的高压端引出导线连接到所述耦合电容的高压端，所述耦合电容的低压端通过导线连接所述检测阻抗，pd脉冲信号通过所述检测阻抗放大输入到数字存储示波器中，用以监视气体放电室中发生的pd，并记录pd脉冲信号的幅值；
气相色谱质谱检测步骤：采用气相色谱质谱联用仪，气相色谱质谱联用仪通过特氟龙导气管连接到气体放电室不锈钢缸体的采样口上，用以检测出ppmv级的so2f2、sof2、co2、cf4、h2s、so2等sf6气体的各种分解气体产物的含量。
本发明具有如下优点：1.本发明能模拟gis中自由金属微粒绝缘缺陷下发生pd的状况，弥补了现有gis的故障模拟实验装置仅能模拟金属突出物缺下发生pd的不足。利用本发明装置可以研究在自由金属突出物缺陷pd下sf6的分解特性，为完善sf6在pd下的分解理论，以及gis状态监测和故障诊断打下实验基础。2.本发明可用于探索在自由金属微粒绝缘缺陷下，外施电压大小、微粒的形状和大小对pd强度以及分解组分生成量的影响。3.本发明装置中气体组分检测系统使用气相色谱质谱联用仪，可以检测so2f2、sof2、co2、cf4、h2s、so2等sf6气体的各种分解气体产物的含量，检测灵敏度高，样品用量少，选择性好，检测精度可以达到ppmv级。4.本发明装置将位于气体放电室内的导电杆及绝缘缺陷模型电极连接杆设置为螺纹结构用以调节电极之间的距离，实现电极距离对sf6pd分解影响的研究。5.本发明装置的结构简单，成本低。本发明可广泛用于gis中自由金属微粒绝缘缺陷下pd的模拟，为gispd分解特性及分解理论的实验研究提供了一种简单易用的方法和实验平台。
附图说明
图1为本发明装置的试验电路原理框图；
图2为本发明装置的气体放电室的结构示意图；
图3为图2的俯视图；
图4为本发明利用的自由金属微粒绝缘缺陷的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，进一步说明本发明。
实施例1
图中：1、调压控制台，2、试验变压器，3、保护电阻，4、电容分压器，5、放电气室，6、自由金属微粒绝缘缺陷，7、气相色谱质谱联用仪，8、耦合电容，9、检测阻抗，10、数字存储示波器，11、高压导杆，12、高压套管，13、椭球形顶盖，14、螺钉,15、法兰，16、不锈钢缸体，17、真空压力表，18、真空压力表球阀，19、真空泵球阀，20、真空泵，21、进样球阀，22、进样口，23、采样球阀，24、采样口，25、自由金属微粒绝缘缺陷，26、接地导电杆，27、支撑脚，28、石英玻璃观察窗。
由装置电路原理及结构示意图1～4知，一种gis中自由金属微粒绝缘缺陷模拟实验装置，主要由工频交流电源系统、放电气室、检测系统和自由金属微粒绝缘缺陷模型构成，主要包括：1、调压控制台，2、试验变压器，3、保护电阻，4、电容分压器，5、放电气室，6、自由金属微粒绝缘缺陷，7、气相色谱质谱联用仪，8、耦合电容，9、检测阻抗，10、数字存储示波器。(图1～4)
所述的工频交流电源系统由调压控制台1、试验变压器2、保护电阻3、电容分压器4构成。实验室内工频交流市电220v/50hz经导线与电源调压控制台1(市购产品，容量为10kva)的输入端口(输出电压为0～250v)连接，经调压台调控由其输出端口接入无局放工频试验变压器2(市购产品，50kv/10kva)输入端口，无局放工频试验变压器2的输出端口(高压端口)经导线接入通过保护电阻3(市购产品，10kω/0.5a)后其输出将电容分压器4(市购产品，50kv/1000:1，精度为1.0级)与气体放电室5并联接入；这样工频交流电源系统通过调压台调控给经导线连接的气体放电室内绝缘缺陷模型电极的局部放电提供连续调节工频交流电压。
所述的气体放电室主要由高压导杆11、高压套管12、椭球形顶盖13、螺钉14、法兰15、不锈钢缸体16、真空压力表17、真空压力表球阀18、真空泵球阀19、真空泵20、进样球阀21、进样口22、采样球阀23、采样口24、自由金属微粒绝缘缺陷25、接地导电杆26、支撑脚27、石英玻璃观察窗28构成。所述的不锈钢缸体16的形状为内径为50cm、厚度为1.0cm、高度为60cm的圆柱体，两端采用椭圆形封头结构。所述的不锈钢缸体16最高可以承受5个大气压。所述的不锈钢缸体16的顶端封口为可方便拆卸的椭圆形顶盖13，在所述的不锈钢缸体16上端开口处固接一直径为55cm、厚度为1.0cm的不锈钢材质的法兰15，采用矩形密封槽配合“o”形橡胶圈密封结构，并使用15根螺杆直径为15mm的螺钉14提供足够的压紧力将直径为55cm、厚度为1.2cm的不锈钢材质的顶盖13固定在所述的不锈钢缸体16的法兰上以保证缸体的密封性。在所述的椭圆形顶盖13中心处设置一个孔径为20cm的通孔，所述高压导杆11和法兰与所述的聚四氟乙烯高压套管12一次性封装成形从顶盖的通孔深入到缸体内部，通过法兰将顶盖的通孔密封。在所述的不锈钢缸体底端中心处设置一个15mm的通孔，接地导电杆26穿过该通孔并密封固定在所述的不锈钢缸体底部。所述接地导电杆26伸出缸体的一端通过铜编带接地，其伸入缸体内部的一端及高压导电杆伸入缸体内部的一端均采用螺纹总长为20mm，螺距为1mm的螺纹结构与所述的绝缘缺陷电极连接以调节电极之间的距离。在所述的不锈钢缸体16的一侧壁的中部设置一孔径为2cm的通孔。该通孔连通一根不锈钢管，所述的真空压力表17通过真空压力球阀18接在不锈钢管上用以监测和显示缸体内部真空度和气压大小，同样的不锈钢管上面再接一个进样球阀21，该进样球阀21另一端进样口22通过特氟龙导气管与sf6钢瓶连通用以充气。所述的真空泵20通过真空泵球阀19接到不锈钢管末端，用以对缸体内抽真空。在所述的不锈钢缸体的一侧壁的中部设置一孔径为1.5cm的通孔(即采样孔)，所述的采样球阀23的一端通过不锈钢管与该采样孔连通，采样球阀23的另一端采样口24通过特氟龙导气管与所述的气相色谱质谱联用仪7连通，用以检测sf6气体在直流条件下的pd的分解组分及其含量。在所述的不锈钢缸体16的抽气孔和采样孔之间的两侧壁上，分别设置两个直径为8cm、厚度为5mm的石英玻璃观察窗28，石英玻璃装在对接法兰之间，用“o”形橡胶垫密封并用10根螺杆直径为15mm的螺钉压紧固定，使电极正好处于观察窗的观察范围内用以利用紫外成像仪或高速摄像机来观察和摄取pd过程图像。在所述的不锈钢缸体16的底端沿圆柱面的外侧均匀的固接3个长度为10cm的支撑脚27，用以支撑和保护缸体、方便操作和监测。
所述的自由金属微粒绝缘缺陷模型用采用不锈钢球-碗电极以及放置于半球形的碗电极内部的一定尺寸的铜屑来模拟；所述的球电极和碗电极均为青铜材质，球电极直径为50mm，碗电极为空心球体切割而成，外径为100mm，厚度均为2mm，切口直径为90mm；所述的球电极及碗电极的电极连接杆直径为4mm，长度为30mm，其中螺纹长度为20mm；所述的铜屑尺寸为2mm×2mm的铜片。
所述的检测系统包括脉冲电流检测系统和气相色谱质谱检测系统两部分。所述的脉冲电流检测系统采用并联法，所述气体放电室5的高压端引出导线连接到所述耦合电容8(市购产品，120kv/1000pf)的高压端，所述耦合电容的低压端通过导线连接所述检测阻抗9(市购产品，3号)。pd脉冲信号通过所述检测阻抗9放大输入到数字存储示波器10(市购产品，泰克dpo5104b)中，用以监视气体放电室中发生的pd，并记录pd脉冲信号的幅值。所述的气相色谱质谱检测系统主要由气相色谱质谱联用仪7(市购产品，岛津gc/ms-qp2010ultra)构成。所述的气相色谱质谱联用仪通过特氟龙导气管连接到气体放电室不锈钢缸体16的采样口24上，用以检测出ppmv级的so2f2、sof2、co2、cf4、h2s、so2等sf6气体的各种分解气体产物的含量。
实施例2
一种gis中自由金属微粒绝缘缺陷模拟实验装置，同实施例1，其中：所述的调压控制台1的容量为50kva，输入电压为380v，输出电压为0～400v。所述的试验变压器2为100kv/50kva的。所述的保护电阻3为100kω/0.3a。
实施例3
一种gis中自由金属微粒绝缘缺陷模拟实验装置，同实施例1，其中：所述的金属微粒分别是直径分别为10μm、50μm和100μm的铜材质球形微粒。
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。