高能X射线下GIS中SF6放电特性的评估方法与流程

本发明涉及gis设备检测，尤其涉及在高能x射线无损检测环境中，针对gis壳体内的sf6绝缘气体放电特性评估，具体涉及高能x射线下gis中sf6放电特性的评估方法。

背景技术：

1、gis具有占地面积小、可靠性高、安全性强、维护工作量小等优点，在国家输电网中得到越来越多的应用。然而，随着gis设备在城市电网中的广泛应用，设备的长期稳定和安全运行对电网和人员的安全有着重大的影响。因此，对gis设备进行定期在线测试就显得尤为重要。与其他技术相比，x射线数字成像技术可以通过非接触、无损检测的方式观察电气设备在带电运行条件下的内部结构异常。但是，高能x射线作为辐射源会引起设备部件的电离；在强电场存在的情况下，这是否会造成危险尚不清楚。

2、纯气体中气体分子或原子的电离可以根据外部能量来源简单地分类。1)碰撞电离:带电粒子与气体分子或原子碰撞引起的电离；2)由于气体的热状态引起的热电离；3)光辐射引起的光电离。gis设备的优势在于sf6气体具有优异的绝缘、灭弧和稳定性，但在强电场环境下工作的sf6气体由于热电离会产生一定的放电。当使用高能x射线照射gis装置时，x射线将与sf6气体、gis金属外壳和设备中的其他固体材料相互作用，产生电子。在强电场作用下，进入sf6气体的电子会进一步电离倍增，存在电子雪崩现象的可能，增加了gis运行时流光放电的风险。因此，了解sf6气体在x射线照射下的放电行为规律，对高能x射线在线无损检测技术的发展至关重要，提前评估某一特定环境的gis在特定检测环境下是否会存在放电导致影响安全是非常有必要的。

3、一些研究人员已经调查了与gis有效时x射线无损检测相关的安全问题。j.m.braun等人对gis中的绝缘子进行了138kv的x射线照射，结果表明，照射使局部放电起始电压从400kv降低到25kv，放电脉冲数发生变化。李天辉等人制作了gis等效实验装置，测量了sf6气体在100kv、200kv、300kv三种不同电压下暴露在x射线下的分解情况。结果表明，经x射线照射的sf6气体没有发生分解。也有研究者利用计算机编写mcs程序来模拟气体中的粒子输运，这种方法已经得到了广泛的应用。采用蒙特卡罗碰撞法模拟气体放电过程，更容易获得粒子输运过程的中间结果，应用灵活性高。1960年，itoh首次将蒙特卡罗方法应用于氦放电中电子雪崩参数的计算。x射线成像技术已逐步应用于特高压电网设备的无损检测中。根据目前的文献，尚未发现在高压和特高压水平下gis设备在线高能x射线检测中sf6气体绝缘影响的研究。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中利用x射线对在役通电gis进行无损检测前无法进行有效的安全性评估的问题，本技术提供高能x射线下gis中sf6气体放电特性的评估方法，用于提前模拟计算待检测的gis在实际电压电场和辐射环境下内部sf6气体发生放电，从而对检测的gis的安全性进行提前做出定性判断；尤其是针对上一次检测发现gis壳体已经存在物理缺陷的gis壳体而言尤为重要，因为针对gis壳体存在物理缺陷的会导致电场畸变，加剧放电的程度，故而提前对gis中的sf6气体放电特性进行评估是必要的。

2、为了达到上述目的，本技术所采用的技术方案为：

3、本发明提供高能x射线下gis中sf6放电特性的评估方法，包括以下步骤：

4、步骤p10，搭建gis物理模型和等效电场电离测试平台；步骤p10中搭建gis物理模型包括以下步骤：

5、步骤p11，选择与实际gis设备尺寸上等比例缩小材质相同的结构体并固定接地；步骤p11中的结构体内壁上还设置有长度小于5mm的缺陷结构，所述缺陷结构包括金属毛刺或者金属颗粒。

6、步骤p12，在结构体内部同轴安装等效电场管，并于高压电源连接，在等效电场管与结构体之间充入3atm-4atm纯sf6气体作为绝缘气体介质；

7、步骤p13，将x射线机与探测器分别固定于结构体两侧并保持x射线机的中心射线与探测器垂直并于x射线控制器电连接；

8、步骤p14，在gis物理模型外围设置辐射屏蔽装置。

9、步骤p20，采用商业有限元软件构建与gis物理模型匹配的几何模型m1；步骤p20中构建几何模型m1的有限元软件包括geant4软件或comsol软件。

10、步骤p30，设置gis的电压边界，将gis外壳体设置为零电位v0，将gis重心导体表面设置为高电位vh，其中vh为测试电压；

11、步骤p40，将几何模型进行网格划分并选中sf6区域进行结果展示，同时亦矩阵形式输出sf6区域的电场值，获得电场几何模型m2；

12、步骤p50,利用商业有限元软件对gis物理模型中实际x射线源特征进行离子源抽样，获得电离电场几何模型m3；步骤p50中电离电场几何模型m3的构建包括如下步骤：

13、步骤p51，利用comsol软件/geant4软件建立几何模型m1，所述几何模型m1包括添加对应材料gis外壳体，gis中心导体、盆式绝缘子和梅花触头；

14、步骤p52，基于gis物理模型中实际x射线源特征在comsol软件/geant4软件中对光机源项信息进行抽样，抽样内容具体包含粒子/电子能量分布、粒子/电子位置分布和粒子/电子方向分布；

15、步骤p53，选定x射线与物质相互作用的物理过程，获得电离电场几何模型m3，其中物理过程包括x射线与gis设备固体材料相互作用的物理过程，x射线与sf6气体相互作用过程，电子与固体材料相互作用过程，电子与sf6相互作用过程。

16、步骤p60，记录sf6气体在电离、电场作用下，gis内壁产生的电子进入sf6气体中的运输过程信息数据q，根据信息数据q及流注放电临界条件获得当前电离电场几何模型m3中sf6气体放电产生流注放电所需电子数ne值，最终评估出当前电离电场几何模型m3中sf6气体放电产生流注放电发生事件是否会发生，其中，电离电场几何模型m3中sf6气体放电产生流注放电所需电子数ne值的计算方法通过下述公式获得

17、

18、式中，α为电离系数；η为电子附着系数；x为电极表面的场强最大值emax处到另一表面的距离；xc为当α>η时的间隙距离；ne为电离的电子数；k为常数。对于sf6气体，k的取值范围为10.5～18.5。

19、有益效果：

20、1、本发明通过结合现有商业有限元软件comsol、geant4和garfield++软件系统分析了x射线照射gis设备时的电子电离和倍增过程，利用comsol计算gis设备的空间电分布，并将其作为garfield++中的导入文件，实现电场中光子电子输运的耦合。

21、2、本发明利用接口实现了geant4与garfield++工具包的耦合，实现了：精度gis设备的电场分布和电场中带电粒子的加速倍增过程；真实x射线源的采样；固体和气体材料的光电离过程产生的x射线；模拟气体中电子的电离和雪崩过程。

22、3、本发明通过对不同运行环境下的gis中sf6气体放电过程的模拟获得具体电子崩数量，可根据需求gis模型参数、电压等级以及sf6气体压强等，可快速开展不同工况下的gis设备带电x射线无损检测技术安全评估，极大节约经济成本。