气体绝缘电气设备电弧放电故障的实验模拟装置及方法与流程

本发明属于属于六氟化硫(sf6)气体绝缘电气设备的绝缘状态在线监测技术领域，尤其涉及一种sf6气体绝缘电气设备的电弧放电故障的实验模拟装置及方法。

背景技术：

sf6气体绝缘装备(gis、git、gil和gcb等)因其占地面积小、运行安全可靠、电磁辐射小、检修周期长等突出优势而广泛应用于高压和超/特高压输变电领域中，已逐渐成为现代城市供电变电站建设的首选设备。另外，目前正在对城市电网当中已有的开放型常规变电站逐步进行改造，取而代之的是以sf6气体绝缘为主的封闭式变电站。

由于sf6气体绝缘装备的运行可靠性高，因此它一直被普遍认为是少维护甚至是免维护的电气装备，然而根据国际大电网委员会(cigre)的统计，其故障率远高于国际电工委员会(iec)标准建议的故障水平。在这些故障中，绝缘缺陷引发故障的比例最高。因此，sf6气体绝缘装备既是构成城市电网的主要设备之一，又是引发电力事故的主要源头，其可靠运行既直接保障大中城市群供电可靠性，也直接保障社会秩序的安全稳定性。

为此，我国在实施全球能源互联网建设时，除了要大力发展以超/特高压电网为特征的坚强电网建设外，还必须重视输变电装备自身故障对电网安全可靠运行带来的灾难性影响，加强输变电装备自身状态的监测与故障预警，使电网能够自动感知输变电装备的运行状态，在设备故障发生时能够提前做好相应的防御措施以灵活应对，实现整个电力系统的安全稳定运行。由通常的运行经验可知，在gis等设备发生重大绝缘故障之前，sf6气体绝缘装备内部真实存在着难以察觉的绝缘缺陷，在装备工作过程中由于电场产生力和机械力的长期影响下，会使得设备老化加速。若没有及时察觉缺陷，缺陷部位会进一步发展，首先形成局部放电，严重时会形成火花放电或者电弧放电等。

而当sf6气体绝缘装备出现上述故障时，sf6气体发生裂解生成低氟硫化物，并进一步与气室内微水微氧杂质反应生成种类繁多的分解产物。一方面，生成的分解产物将会对固体金属材料有腐蚀作用，加速绝缘劣化，另一方面，这些分解产物的变化规律与绝缘故障类型及其严重程度联系紧密。目前，大部分研究集中在国内外对于局部放电、火花放电故障下稳定产物和故障类型对应关系的定性或定量分析，电弧放电故障下sf6分解特性仍是目前尚未解决的问题。

基于此，本专利提出气体绝缘电气设备电弧放电实验模拟装置，并解决了目前实验室内无法准确模拟电弧放电的关键性问题，为构建完善sf6电气设备的故障诊断方法和绝缘状态综合评估体系奠定了坚实的实验基础，并为将来设备绝缘状态在线监测及评估提供一定的技术支撑。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种气体绝缘电气设备电弧放电故障的实验模拟装置及方法，从而解决了现有sf6气体绝缘电气设备的故障模拟实验室装置无法有效模拟电弧放电故障的缺点。

为实现上述目的，本发明提供了一种气体绝缘电气设备电弧放电故障的实验模拟装置，包括：

基础电路，与电源连接用于进行气体绝缘电气设备电弧放电故障的实验模拟，包括：调压器、无晕试验变压器、保护电阻、高压硅堆、单刀双掷继电器、储能电容、耦合电感、晶闸管、断路器、高压导管、低压导管及法拉第笼；所述调压器的输出端与无晕试验变压器的输入端并联；所述无晕试验变压器的输出端的一端接地；所述无晕试验变压器的输出端的另一端串联保护电阻，所述保护电阻的另一端与高压硅堆的一端连接，所述高压硅堆的另一端与单刀双掷继电器的常闭触点相连；所述单刀双掷继电器的公共触点与储能电容的一端连接，所述储能电容的另一端与无晕试验变压器的一端及外壳共地，并连接于端子n；所述单刀双掷继电器的常开触点与耦合电感的一端连接，所述耦合电感的另一端与晶闸管的阳极连接，所述晶闸管的阴极连接端子m；所述法拉第笼的一端与端子m连接，另一端与端子n连接；断路器放置于法拉第笼子的内部，所述断路器的一端与端子m连接，另一端与端子n连接；所述高压导管中的导电棒的一端穿过法拉第笼与断路器高压端相连，另一端与端子m连接；低压导管中的导电棒一端穿过法拉第笼与断路器低压端相连，另一端与端子n连接；

继电器控制电路模块，其输出端与所述单刀双掷继电器的线圈连接，用于控制所述基础电路的充放电；

延迟控制电路模块，其输入端与所述晶闸管的门极连接，输出端与所述断路器连接，用于测量所述气体绝缘电气设备电弧放电故障的实验相关时间数据；

能量测量系统，分别与端子m连接和端子n连接，用于采集并显示电弧放电瞬时电流电压波形；及

气体检测系统，与所述断路器的出气阀门连接，用于对断路器进行抽真空，并将放电后sf6分解气体通过所述气体检测系统进行定量测量。

进一步的，所述能量测量系统包括：高压探针、罗氏线圈和示波器；所述高压探针的检测端连接示波器的高压信号接收端，所述示波器的输入端与罗氏线圈连接；所述高压探针的高压端与端子m连接，罗氏线圈套与端子n连接。

进一步的，所述气体检测系统包括：抽气装置和气相色谱质谱联动仪，所述气相色谱质谱联动仪的检测端与断路器的出气阀门连接；断路器的出气阀门还与抽气装置的连接抽真空开关阀连接。

气体绝缘电气设备电弧放电故障的实验模拟方法，包括以下步骤：

s1、将气体绝缘电气设备的电弧放电故障的实验模拟装置的各部分按照要求接线完毕；

s2、使用酒精清洗断路器内部元件后通过气体检测系统将断路器抽真空，充入一定纯度为的sf6新气，并静置；

s3、为模拟断路器微水、氧正常及异常的现场运行情况，对sf6气体绝缘设备微水、氧含量的规定，添加适量微水、氧进行试验；

s4、为研究断路器金属材料对于sf6电弧放电分解特性的影响，更换不同型号的断路器进行试验；

s5、为研究不同放电能量及放电频率下sf6电弧放电分解特性，采用调整基础电路的输入电压改变sf6电弧放电能量大小，采用能量测量系统采集电弧放电瞬时断路器两端的电压和电流，计算获取sf6电弧放电能量大小；同时，根据延迟控制电路模块的时间设置准确推算sf6电弧放电次数；

s6、通过气体检测系统对断路器的抽真空，通过断路器的出气阀门将放电后sf6分解气体送入气体检测系统进行定量测量；

s7、通过能量测量系统显示电弧放电瞬时电流电压波形。

进一步的，所述sf6电弧放电能量e的计算公式为：e＝∫u(t)i(t)dt，其中，u(t)和i(t)为电弧放电瞬时断路器两端的电压和电流。

进一步的，所述sf6新气的纯度为99％-100％。

进一步的，所述s2中静置的时间为24h。

与现有的技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明所提供的气体绝缘电气设备电弧放电故障的实验模拟装置，通过基础电路、继电器控制电路模块、延迟控制电路模块、能量测量系统和气体检测系统进行气体绝缘电器设备电弧故障模拟，通过气体绝缘电气设备电弧放电故障的实验模拟方法对气体绝缘电气设备电弧放电故障的实验模拟装置进行模拟，解决了现有sf6气体绝缘电气设备的故障模拟实验室装置无法有效模拟电弧放电故障，为构建完善sf6电气设备的故障诊断方法和绝缘状态综合评估体系奠定了坚实的实验基础，并为将来设备绝缘状态在线监测及评估提供一定的技术支撑。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例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一个实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一种结构示意图；

其中：1-基础电路，ac-调压器，t-无晕试验变压器，r-保护电阻，vd-高压硅堆，k1-单刀双掷继电器，c-储能电容，l-耦合电感，v-晶闸管，qf-断路器，10-法拉第笼，11-继电器控制电路模块，12-延迟控制电路模块，13-罗氏线圈，14-高压探针，15-示波器，16-采气口阀。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明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作出创造性劳动的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。

如图1所示，本发明所提供的气体绝缘电气设备的电弧放电故障的实验模拟装置包括：基础电路1、继电器控制电路模块、延迟控制电路模块12、能量测量系统和气体检测系统。

基本电路1包括：调压器ac、无晕试验变压器t、保护电阻r、高压硅堆vd、单刀双掷继电器k1、储能电容c、耦合电感l、晶闸管v、断路器qf及法拉第笼10。基础电路1用于对于储能电容c的充放电过程。调压器ac、无晕试验变压器t、保护电阻r、高压硅堆vd、单刀双掷继电器k1、储能电容c、耦合电感l、晶闸管v、断路器qf及法拉第笼10集成在外壳内。

调压器输入端接220v/50hz市电，调压器ac的输出端与无晕试验变压器t的输入端并联。无晕试验变压器t的输出端的一端接地；无晕试验变压器t的输出端的另一端串联保护电阻r，保护电阻r的另一端与高压硅堆vd的一端连接，高压硅堆vd的另一端与单刀双掷继电器k1的常闭触点相连；单刀双掷继电器k1的线圈与继电器控制电路模块11的输出端连接；单刀双掷继电器k1的公共触点与储能电容c的一端连接，储能电容c的另一端与无晕试验变压器t的一端及外壳共地，并连接于端子n；单刀双掷继电器k1的常开触点与耦合电感l的一端连接，耦合电感l的另一端与晶闸管v的阳极(a极)连接，晶闸管v的阴极(k极)连接端子m，晶闸管v的门极(g极)与延迟控制电路模块12的输入a端连接，延迟控制电路模块12的输出b端与断路器qf连接作为其控制信号线；法拉第笼10的一端与端子m连接，另一端与端子n连接；断路器qf放置于法拉第笼子10的内部，断路器qf的一端与端子m连接，另一端与端子n连接。高压导管中的导电棒的一端穿过法拉第笼10与断路器qf高压端相连，另一端与端子m连接。低压导管中的导电棒一端穿过法拉第笼10与断路器qf低压端相连，另一端与端子n连接。

能量测量系统包括：高压探针14、罗氏线圈13和示波器15，高压探针14的检测端连接示波器15的高压信号接收端，示波器15的输入端与罗氏线圈13连接。高压探针14的高压端与端子m连接，罗氏线圈套13在断路器qf低压侧(与端子n连接的一端)的接地线上。

气体检测系统包括：抽气装置和气相色谱质谱联动仪gc/ms，采气口阀16为断路器qf的出气阀门，气相色谱质谱联动仪gc/ms的检测端(采样口三通阀)与采气口阀16连接。采气口阀16还与抽气装置的连接抽真空开关阀连接。

继电器控制电路模块11采用市购的jss48a-s循环时间继电器，额定工作电流为1.5a，接通时间和断开时间可自由设置，时间范围为0.1s～99h。单刀双掷继电器k1与继电器控制电路模块11的配合构成了本发明装置的继电器控制单元，能够精确地控制所述储能电容c的充放电时间。

延迟控制电路模块12为电源延迟信号模块，为市购ne555延时模块。

气相色谱质谱联用仪gc-ms为qp2010ultra气相色谱质谱联用仪，其色谱柱采用的是cp-sil5cb型毛细柱，以分离sf6电弧放电分解气体，色谱柱载气选用纯度为99.999％的he气，柱流量设定为1.2ml/min，分流比为25:1，柱箱温度恒定为40℃并保持6.8min。

对本发明气体绝缘电气设备的电弧放电故障的实验模拟装置的工作原理进行详细说明，以使本领域技术人员更了解本发明：

调压器ac输入端接220v/50hz市电，220v/50hz通过调压器ac进行调压，后通过无晕试验变压器t进行降压，进行模拟实际电路；降压后的电流流经保护电阻r、高压硅堆vd进行整流流入单刀双掷继电器k1；当单刀双掷继电器k1处于常闭端时，储能电容c充电，单刀双掷继电器k1动作接通储能电容c放电回路，此时，晶闸管v的a极处于正极性，ne555延时模块用以实现断路器qf开断与电弧电流同步，主要通过发出高电平进而使晶闸管v、断路器qf合闸处于导通状态形成电弧电流，同时控制断路器qf开断动作。

气体绝缘电气设备的电弧放电故障的实验模拟方法包括以下步骤：

s1、将气体绝缘电气设备的电弧放电故障的实验模拟装置的各部分按照要求接线完毕。

s2、使用酒精清洗断路器qf内部元件后将断路器qf抽真空，充入纯度为99.999％的sf6新气，并静置24h。

s3、为模拟断路器qf微水、氧正常及异常的现场运行情况，根据《电力设备检修试验规程》对sf6气体绝缘设备微水、氧含量的规定，添加适量微水、氧进行试验。

s4、为研究断路器qf金属材料对于sf6电弧放电分解特性的影响，更换不同型号的断路器qf。

s5、为研究不同放电能量及放电频率下sf6电弧放电分解特性，采用调整输入电压改变电弧放电能量大小，采用高压探针14和罗氏线圈13分别采集电弧放电瞬时断路器qf两端的电压u(t)和电流i(t)，并利用公式e＝∫u(t)i(t)dt计算获取sf6电弧放电能量大小，从而将电弧放电故障严重程度进行能量量化。同时，根据延时控制电路的时间设置准确推算sf6电弧放电次数(频率)。

s6、通过抽气装置的抽真空开关阀、气相色谱质谱联动仪gc/ms的采样口三通阀、采气口阀16及抽气装置控制对断路器qf的抽真空。通过采气口阀16(或采用聚四氟乙烯采气袋采集)放电后sf6分解气体送入气相色谱质谱联动仪gc/ms进行定量测量。

s7、采集示波器15采集并显示电弧放电瞬时电流电压波形。

综上，本发明气体绝缘电气设备的电弧放电故障的实验模拟装置，使用交流高压电源更符合现场实际运行环境及条件，提高了sf6气体绝缘电气设备电弧放电故障模拟的准确性；根据s3、s4的调整，通过s5、s6测量sf6电弧放电能量大小、延时控制电路的时间设置准确推算sf6电弧放电次数、气相色谱质谱联动仪gc/ms检测电弧放电分解气体产物及采集示波器15采集并显示电弧放电瞬时电流电压波形，为研究及完善sf6电气设备故障诊断及在线监测系统提供了坚实的实验基础。继电器控制电路模块11及断路器qf的开合确保了电弧放电的周期性、有效性、充分性及稳定性。

以上所揭露的仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或变型，都应涵盖在本发明的保护范围之内。