气体绝缘组合电器火花放电故障模拟实验装置及其方法

摘要

本发明的目的是针对现有的SF6气体绝缘电气设备的故障模拟实验装置无法有效模拟火花放电这类故障的不足，提供气体绝缘组合电器火花放电故障模拟实验装置及其方法。该装置包括基础电路、继电器控制电路、SF6放电装置、能量检测装置和缺陷装置。本发明提供的试验装置和方法弥补了交流电下火花放电次数无法控制的缺点，提高了对SF6气体绝缘电气设备故障判断的准确性，实时获取火花放电的电压和电流信息，从而计算得到火花放电能量，充实SF6气体绝缘电气设备故障程度的量化标准。实现对火花放电次数和频率的有效控制，保证模拟的准确性。

说明书

技术领域

本发明属于六氟化硫(SF₆)气体绝缘电气设备的绝缘状态在线 监测技术领域，具体涉及SF₆气体绝缘组合电器火花放电故障的模拟 装置。

背景技术

SF₆气体绝缘组合电器(简称GIS)因其运行稳定、占地面积小和 维护工作量小等优点，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。然而，GIS在制造、安装、运 行和维修过程中不可避免的会出现如金属突出物、自由金属微粒和 绝缘子表面污秽等危及设备安全运行的绝缘缺陷，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，对火 花放电故障的系统研究，有助于电力生产单位对GIS设备内部绝缘 故障各个发展阶段的细致划分，为实现GIS设备的绝缘状态监测和 故障诊断提供科学的理论依据，是保证电力系统安全运行和国民生 产正常进行的重要手段之一。

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几乎处 于一片空白，主要原因在于缺乏一种有效的模拟GIS火花放电故障 的实验方法和测试方法。比如现有技术只能对GIS设备内部的局部 放电故障进行模拟并对相关局部放电信号进行测试，但不能有效模 拟火花放电故障。

鉴于此，申请人提出了一种模拟GIS内部火花放电故障的模拟 方法，并解决了如下两个关键技术问题：对火花放电的次数进行精 确控制。准确计算出火花放电的能量。这为系统研究GIS火花放电 故障奠定了坚实的实验基础，同时可为将来实现GIS绝缘故障在线 监测提供一定的技术支撑。

发明内容

本发明的目的是针对现有的SF₆气体绝缘电气设备的故障模拟 实验装置无法有效模拟火花放电这类故障的不足，提供一种能控制 SF₆气体火花放电次数的模拟实验装置，能在实验室模拟GIS等SF₆气体绝缘电气设备内不同程度的火花放电故障，为进一步完善评估 SF₆电气设备绝缘状态提供可靠的实验基础。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种气体绝缘 组合电器火花放电故障模拟实验装置包括基础电路、继电器控制电 路、SF₆放电装置、能量检测装置和缺陷装置。

所述SF₆放电装置包括罐体、高压导管和低压导管。

所述罐体顶部中央开孔a，高压导管的下端由孔a穿入罐体内 部。所述罐体底部中央开孔b，低压导管的上端由孔b穿入罐体内部。 所述罐体在两侧壁上分别开第一孔和第二孔并分别引出导气管。所 述第一孔末端设置抽真空开关阀，导气管上下分别连接真空压力表 和进气口阀。所述第二孔末端设置采气口控制阀。所述采样口三通 阀S1出口连接真空泵。所述采样口三通阀S2出口连接采气口控制 阀末端。所述采样口三通阀S3出口接采样袋。所述抽真空开关阀末 端连接真空泵。

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。

所述能量检测装置包括高压探针、示波器和罗氏线圈。

所述调压器输出端连接无晕试验变压器。所述调压器输入端接 220V/50Hz市电。所述无晕试验变压器输出端并联电容分压器。。所 述无晕试验变压器一端接地。所述无晕试验变压器非接地端串联水 阻后接高压硅堆正极。所述高压硅堆负极连接单刀双掷继电器常闭 端。所述单刀双掷继电器常开端串联充放电电容后与电容分压器共 地连接。所述单刀双掷继电器常开端还串联放电电阻后接A端子。 所述放电电容还接于端子B。所述高压探针高压端接于端子A。所述 高压探针检测端连接示波器。所述所述高压导管丝杠的螺杆顶端接 端子A。所述低压导管中导电棒接于端子B。所述罗氏线圈套在充放 电电容与低压导管的连线上。

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。

所述方波发生器VCC引脚、RD引脚接第一稳压电源输出端。所 述方波发生器OUT引脚串联第五电阻接光耦输入端负极。所述方波 发生器VC引脚串联第五电容后与GND引脚连接共地。所述方波发生 器DIS引脚接第二二极管正极。所述方波发生器TR引脚接第二二极 管负极后接地。第一稳压电源输出端接光耦输入端正极。所述第一 稳压电源输出端依次串联第一电阻和频率可调电阻后，接第一二极 管正极。所述第一二极管的负极依次串联第三电阻和占空比可调电 阻后，连接电容组的F1端子。所述方波发生器DIS引脚接频率可调 电阻控制端。所述方波发生器TH引脚接第三电阻。所述光耦输出端 正极接第二稳压电源输出端。所述光耦输出端负极串联第六电阻后 接三极管基极。所述三极管基极和发射极间串联第七电阻。所述三 极管集电极接第三二极管正极。所述三极管发射极接地。所述第三 二极管负极接第二稳压电源的输出端。所述第三二极管两端接单刀 双掷继电器控制端。

所述电容组包括并联在F1端子和F2端子之间的第零电容、第 一电容、第二电容、第三电容和第四电容。所述第一电容、第二电 容、第三电容和第四电容所在的支路上分别串联一个开关。所述F2 端子接地。

所述缺陷装置包括接触板和探针。

所述接触板和探针位于罐体的中空内腔之中。探针悬于接触板 的上表面的上方。所述接触板的下表面连接着导电棒的上端。所述 导电棒的下端插入低压导管中。所述探针的下端为尖端。所述探针 的上端连接丝杠的螺杆的下端。所述丝杠的螺母嵌入高压导管中。 所述丝杠的螺杆的上端从高压导管的上端穿出罐体。

一种气体绝缘组合电器火花放电故障模拟实验装置进一步包 括：

所述罐体为中空的不锈钢容器。所述真空压力表监测和显示罐 体内的真空度和SF₆气体的压力。

所述的一种气体绝缘组合电器火花放电故障模拟实验装置，电 器的稳定开合保证了电容充放电的充分性、有效性和稳定性。

所述的一种气体绝缘组合电器火花放电故障模拟实验方法弥补 了交流电下火花放电次数无法控制的缺点，提高了对SF₆气体绝缘电 气设备故障判断的准确性。

所述的一种气体绝缘组合电器火花放电故障模拟实验装置实时 获取火花放电的电压和电流信息，从而计算得到火花放电能量，充 实SF₆气体绝缘电气设备故障程度的量化标准。

所述的一种气体绝缘组合电器火花放电故障模拟实验装置实现 对火花放电次数和频率的有效控制，保证模拟的准确性。

本发明还公开一种利用上述系统进行实验的方法，包括以下步 骤：

1)所述基础电路、继电器控制电路、SF₆放电装置、能量检测 装置和缺陷装置依次连接完毕。

2)所述抽真空开关阀和采样口三通阀控制对罐体的抽真空。所 述进气口阀控制SF₆气体进入罐体。所述采样袋在实验时负责采样 SF₆气体。

3)所述继电器控制电路通过频率可调电阻和占空比可调电阻实 现控制信号频率和占空比的调整,控制信号经调试控制单刀双闸继 电器的稳定开合。

4)所述第五电容有效充电为实验罐体内高压电极提供足够的火 花放电电压。所述缺陷装置通过火花放电间隙的调整和高压电极曲 率半径的配合实现有效稳定的火花放电。

5)所述能量检测装置，实时采集火花放电过程中缺陷模型间的 电压信号U(t)和电流信号i(t)，运用公式 $E=\int U\left(t\right)*i\left(t\right)d\left(t\right)=k*\mathrm{\Delta t}*\underset{m=1}{\overset{n}{\Sigma }}{U}_m*i_m,$U(t)代表缺陷火花瞬间高压电极端 所得电压，i(t)代表火花瞬间流经缺陷的电流，k代表罗氏线圈灵敏 度、高压探针衰减倍数和衰减探头倍数综合转化系数，Δt代表示波 器采样时间间隔，U_m代表示火花放电某采样时刻示波器采得的电压 值，i_m代表火花放电某采样时刻示波器采得的电流值，m代表采样点， n代表总采样点数。

6)采集示波器在实验进行时的波形图像。

附图说明

图1为本发明装置的原理框图。

图2为本发明继电器控制电路。

图3为能量E₁＝3.4415e-05对应的电压电流波形。

图4为能量E₂＝5.5416e-05对应的电压电流波形。

图5为方波发生器输出的不同占空比不同周期的控制波形。

图中：调压器101、无晕试验变压器102、电容分压器103、水 阻104、高压硅堆105、单刀双掷继电器106、充放电电容107、放 电电阻108、第一电阻R1、频率可调电阻R2、第一二极管D1、第三 电阻R3、占空比可调电阻R4、电容组C0、第二二极管D2、第五电 容C5、第五电阻R5、第一稳压电源VCC-1、第二稳压电源VCC-2、 光耦OC、第六电阻R6、第七电阻R7、三极管T、第三二极管D3、高 压探针401、示波器402、罗氏线圈403、接触板501和探针502、 罐体30、顶部法兰301、高压导管31、底部法兰302、低压导管32、 中部法兰303、第一孔3051、第二孔3052、抽真空开关阀3043、真 空压力表3042、进气口阀3044、采气口控制阀3041、采样口三通阀 3040。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本 发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思 想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换 和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

实施例1：

如图1所示，气体绝缘组合电器火花放电故障模拟实验装置， 主要包括调压器101、无晕试验变压器102、电容分压器103、水阻 104、高压硅堆105、单刀双掷继电器106、充放电电容107、放电电 阻108、第一电阻R1、频率可调电阻R2、第一二极管D1、第三电阻 R3、占空比可调电阻R4、电容组C0、第二二极管D2、第五电容C5、 第五电阻R5、第一稳压电源VCC-1、第二稳压电源VCC-2、光耦OC、 第六电阻R6、第七电阻R7、三极管T、第三二极管D3、高压探针401、 示波器402、罗氏线圈403、接触板501和探针502、罐体30、顶部 法兰301、高压导管31、底部法兰302、低压导管32、中部法兰303、 第一孔3051、第二孔3052、抽真空开关阀3043、真空压力表3042、 进气口阀3044、采气口控制阀3041、采样口三通阀3040。

所述SF₆放电装置3主要包括罐体30、顶部法兰301、高压导管 31、底部法兰302、低压导管32、中部法兰303、第一孔3051、第 二孔3052、抽真空开关阀3043、真空压力表3042、进气口阀3044、 采气口控制阀3041、采样口三通阀3040。

所述罐体30的材料为不锈钢，罐体30的形状为内径为55cm， 厚度为1.5cm，中间圆柱体部分高度为70cm，顶端和底端为两个球 半径为55cm的半球面封闭的腔体。所述罐体30上部中心位置设置 一个内径为16cm，外径为20cm的顶部法兰301。所述顶部法兰301 通过O型密封圈和螺栓实现高压导管31与罐体30的连接。所述罐 体30顶部向下20cm处设置一个内径为55cm，外径为60cm的中部法 兰303。所述中部法兰303通过O型密封圈和螺栓实现罐体30上下 两部分的连接，用以更换缺陷类型及清洗罐体内部。所述罐体30下 部中心处设置一个内径为7cm，外径为13cm的法兰，通过O型密封 圈和螺栓实现低压导管32与罐体30的连接。所述高压导管31的末 端和低压导管32末端各自深入罐体30的中心，用螺纹与缺陷模型5 的针、板连接。所述缺陷模型5的间距通过螺纹调节。所述罐体30 顶部向下36cm的一侧壁设置一孔径为3cm的不锈钢通孔，末端设置 一抽真空开关阀3043，不锈钢通孔壁上分别连通一个真空压力表 3042和一个进气口阀3044。所述真空泵通过抽真空开关阀3042和 不锈钢管与不锈钢抽气孔连通，对罐体30抽真空。通过进气口阀 3044和软管连通，将SF₆气体充入罐体30。所述罐体30的不锈钢通 孔的上设置一个内径为2cm的T型分支不锈钢导气管，并通过真空 压力表球阀和不锈钢管与所述的真空压力表3043连通，用以监测和 显示所述的缸体内的真空度和SF₆气体的压力。所述罐体30顶部向 下36cm的另一侧壁设置一孔径为3.4cm的通孔，通孔始端设置一采 气口控制阀3041。所述采气口控制阀3041用以实验过程中样气的采 集。所述采气口控制阀3041的后面接所述的采样口三通阀3040。所 述采样口三通阀304S2端与所述的采气口控制阀3041后端的通孔连 接，所述采样口三通阀304S3端通孔用于和气体采样袋连接，所述 采样口三通阀304S1端和真空泵连接，在实验样气采集前，将样气 通过的管道内的空气排尽，保证实验采样的准确有效。所述罐体30 下半部分的一侧另一处壁上设置一内径为16cm，外径为24cm的石英 窗口法兰24，所述的石英窗口法兰通过O型密封圈和螺栓与外径为 24cm、厚度为1.5cm的不锈钢材质的密封盖连接，所述的石英窗口 法兰密封盖中间部分设置一个内径为10cm的石英玻璃窗口，用以观 察火花放电现象及观测调整缺陷间距。

所述调压器101输出端连接无晕试验变压器102。所述调压器 101输入端接220V/50Hz市电。所述无晕试验变压器102输出端并联 电容分压器103。所述无晕试验变压器102一端接地。所述无晕试验 变压器102非接地端串联水阻104后接高压硅堆105正极。所述高 压硅堆105负极连接单刀双掷继电器106常闭端。所述单刀双掷继 电器106常开端串联充放电电容107后与电容分压器103共地连接。 所述单刀双掷继电器106常开端还串联放电电阻108后接A端子。 所述放电电容107还接于端子B。所述高压探针401高压端接于端子 A。所述高压探针401检测端连接示波器402。所述所述高压导管31 丝杠的螺杆顶端接端子A。所述低压导管32中导电棒接于端子B。 所述罗氏线圈403套在充放电电容107与低压导管32的连线上。

实施例2：

一种能控制SF₆气体火花放电次数的模拟实验装置，同实施例1， 其中：所述罐体30的形状为内径为55cm，厚度为1.5cm，中间圆柱 体部分高度为70cm，顶端和底端为两个球半径为55cm的半球面封闭 的腔体。所述罐体30的一侧壁的下部设置一孔径为12cm的抽气孔。 所述罐体30另一侧壁的上部设置一孔径为2cm的采样孔。所述元器 件中：稳压源VCC_1、VCC_2均为12V；电阻R1为650Ω，R6为500Ω、 R7为5.1KΩ；方波发生器型号为NE555。所述罐体30的抽气孔和进 气孔之间的侧壁上，设置一孔径为2cm的真空压力表孔和另一孔径 为2cm进气孔。所述缸体30的侧壁抽气孔的上方设置两个孔径为 0.7cm的圆形通孔。所述罐体30的下端开口中心处设置一个内径为 7cm，外径为13cm的法兰。所述罐体30的底端4个支撑脚的长度为 10cm。

实施例3：

所述继电器控制电路2是包括方波发生器、稳压电源、光耦、电 阻、二极管和三极管。市购的方波发生器由所诉的频率可调电阻R4 和所述的占空比可调电阻R2调节输出的方波的频率和占空比。市购 的方波发生器其电源输入端接12V稳压电源1的输出端，方波发生 器的输出端接一650欧姆电阻R1，电阻R1另一端接光耦OC输入端 的两引脚中负极，光耦OC输入端的两引脚中正极接第一稳压电源的 输出端，12V第一稳压电源的接地端与市购的方波发生器的接地端连 接。光耦OC输出端的两引脚中正极接12V第二稳压电源的输出端， 光耦OC输出端的两引脚中负极接一500欧姆电阻R2，电阻R2的另 一端分别接一5.1k欧姆电阻R3和三极管的基极，三极管的发射极 与电阻R3的另一端相连并与市购第二稳压电源的接地端连接接地， 三极管的集电极与二极管D的正极连接，二极管的负极与市购第二 稳压电源的输出端连接，二极管的两端分别引出导线连接到所述的 单刀双掷继电器106的控制端。