一种直流气体绝缘电气设备局部放电分解模拟实验方法

摘要

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，具体涉及一种直流气体绝缘电气设备局部放电分解模拟实验方法。本发明主要包括SF6直流PD分解实验方法、脉冲电流检测、放电分解气体的采集和分析测试方法等。本发明实验方法简单、易掌握、便于推广，可广泛用于SF6气体绝缘电气设备直流PD的模拟和监测，为直流气体绝缘电气设备绝缘状态监测和SF6PD分解试验及分解机理研究提供了一种科学有效的方法。

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，具体涉及一种直流气体绝缘电气设备局部放电分解模拟实验方法。

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，因而愈来愈广泛地应用于高压和超/特高压输变电领域中。但 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一些绝缘 缺陷，这些绝缘缺陷在长期运行过程中会逐渐劣化，当达到一定程度时会导 致设备内部发生PD，在PD作用下SF₆气体会发生分解，并与SF₆气体中不可避免 含有的微量空气和水分等杂质，发生反应生成如SOF₂、SO₂F₂、SOF₄、SO₂、CF₄、 CO₂、HF、H₂S等产物，这些生成物会进一步加剧绝缘缺陷的劣化，从而使设 备的整体绝缘性能降低，危及设备的安全运行。因此，十分有必要对SF₆气体 绝缘电气设备的早期绝缘状况进行有效的评估和预警。

然而，由于SF₆气体绝缘电气设备是全封闭组合式结构，故其故障定位和 检修工作的执行相较传统的敞开式设备而言非常困难，且一旦发生事故，停 电检修时间会更长、停电范围也会更广，因而也会带来更大的经济损失。

SF₆气体绝缘电气设备内部的绝缘缺陷引发的PD一方面是绝缘发生劣化 的主要原因，另一方面也是反映气体绝缘电气设备内部绝缘状态的特征量。 因此，可以对SF₆气体绝缘电气设备中PD展开在线监测以及时发现其中一些 潜在的绝缘缺陷。目前用来检测SF6电气设备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气体 绝缘电气设备内部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SF₆气体 绝缘电气设备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SF₆气体绝缘电气设备的状态监测和 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在交流 条件下，现有的SF₆气体绝缘电气设备故障的模拟实验装置及方法，如专利号 为ZL201010504048.8的“六氟化硫电气设备绝缘状态综合评估方法”专利 及专利号为ZL2007100784930的“六氟化硫放电分解组分分析系统及其使用 方法”专利，均只针对交流条件下SF₆气体绝缘电气设备PD实验的模拟，仅 获得SF₆气体绝缘电气设备交流条件下PDSF₆气体的分解组分及放电波形等实 验数据，不能进行直流条件下的PD的模拟实验。国际上关于直流气体绝缘电 气设备包括直流GIL、直流GIS的研究始于19世纪60年代，在70年代直流 GIL就在全世界范围内得到应用。随着特高压直流输电工程的发展，直流SF₆气体绝缘电气设备以其特有的优势也必将在电力系统中得到愈来愈广泛的应 用。因而研究在直流条件下SF₆PD的分解特性对于完善SF₆PD分解理论具有 重要的意义。

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 的不足，提供一种SF₆气体绝缘电气设备在直流条件下PD的模拟实验方法， 能在实验室模拟直流条件下SF₆气体绝缘电气设备内各种不同的绝缘缺陷模 型下的PD，获得不同绝缘缺陷模型下PD的分解气体组分及其含量等特征量， 为直流SF₆气体绝缘电气设备的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：

一种直流气体绝缘电气设备局部放电分解模拟实验方法，其特征在于， 具体包括：

一个实验准备的步骤：包括

一个放置绝缘缺陷模型及检查气体放电室的密封性能的子步骤：

首先，按照试验电路原理图连接各个试验装置，保证所有试验设备良好 接地；打开气体放电室的不锈钢缸体的椭圆形顶盖用乙醇仔细清洗不锈钢缸 体内壁和人工缺陷模型，去除气室内的杂质和灰尘然后把椭圆形顶盖装好； 避免这些杂质和灰尘及上次试验可能附着在内壁上的残留分解物影响试验结 果；关闭本装置的采样球阀及进样球阀，打开真空压力表球阀，再打开本装 置的真空泵球阀，

然后，启动本装置的真空泵，对本装置的不锈钢缸体内抽真空，当不锈 钢缸体内的真空度为0.005～0.01MPa时，依次关闭所述的真空泵球阀和真空 泵，静置10～12小时后再观察本装置的真空压力表示数，当所述的真空压力 表示数保持在0.005～0.012MPa时，表明本装置的气体放电室在真空状态下 的密封性完好；再打开本装置的SF₆气瓶的阀门和进气球阀，向所述的不锈钢 缸体内充入SF₆气体，直至所述的不锈钢缸体内气压达到0.3～0.5MPa为止，

最后，依次关闭所述的SF₆气瓶的阀门和进气球阀，静置10～12时再观 察真空压力表示数，当真空压力表示数保持在0.295～0.5MPa时，表明所述 的气体放电室在正压状态下的密封性完好；

一个清洗不锈钢缸体的子步骤：

首先，打开所述的真空泵球阀，启动所述的真空泵，对所述的不锈钢缸 体内抽真空，当不锈钢缸体内的真空度为0.005～0.01MPa时，依次关闭所述 的真空泵球阀和真空泵，再打开所述的SF₆气瓶的阀门和进样球阀，向所述的 不锈钢缸体内充入SF₆气体，直到所述的不锈钢缸体内气压值为0.25～ 0.35MPa时为止，然后依次关闭所述的SF₆气瓶的阀门和进气球阀，对所述的 不锈钢缸体进行清洗，

然后，先抽真空，再充入SF₆气体清洗，如此重复冲洗2～5次后，再次 对所述的不锈钢缸体抽真空，然后静置10～12h，使不锈钢缸体内附着的SF₆气体的分解气体和水分充分气化释放，

最后，先充入SF₆气体，再抽真空，以便将静置过程中气化释放的杂质清 洗掉，保证不锈钢缸体内杂质气体和固有水分含量减少到最低；

一个充入SF₆气体的子步骤：

打开所述的SF₆气瓶的阀门和进气球阀，向所述的不锈钢缸体内充入SF₆气体，直至气压为0.3～0.5MPa为止，然后依次关闭所述的SF₆气瓶的阀门和 进气球阀；稳定数小时，使SF₆扩散均匀，气体处于稳定状态；

一个进行直流条件下PD分解的模拟试验的步骤：包括

一个固有缺陷测试的子步骤：

进行PD试验前，要对装置的固有PD特性进行测试，即无模拟绝缘缺陷 时，在相同的试验环境下，装置本身没有产生PD的试验电压阈值；在不放入 模拟绝缘缺陷的情况下完成第⑴步以后，调节调压控制台缓慢升高试验电压， 仔细观察所述数字存储示波器上的信号变化，当出现微小放电脉冲信号时， 记录此时装置上的外施电压，即为装置固有的起始PD电压，记为U_g；得到装 置固有起始PD电压后，缓慢调节调压控制台将试验电压降为0，关闭试验电 源，即断开调压控制台输入端与市电的连接；然后使用放电棒对所有的设备 的高压端进行有效放电之后进入试验区域，打开所述的真空泵球阀，启动所 述的真空泵，对所述的不锈钢缸体内抽真空，当不锈钢缸体内的真空度为 0.005～0.01MPa时，依次关闭所述的真空泵球阀和真空泵；

一个进行直流PD试验的子步骤：

先打开本装置的气体放电室的石英玻璃观察窗，将绝缘缺陷其中的一种 跟导电杆的螺纹结构连接使绝缘缺陷在石英玻璃观察窗的观察范围之内，并 调节好两电极之间的距离；然后将石英玻璃装在对接法兰之间，用“O”形橡 胶垫密封并用8～15根螺杆直径为15mm的螺钉压紧固定；对所述的不锈钢缸 体进行清洗，再向所述的不锈钢缸体内充入SF₆气体，用逐步升压法对绝缘缺 陷模型施加电压；调节调压控制台，缓慢升高试验电压，仔细观察数字示波 器上的信号变化，当出现微小放电脉冲信号时，记录此时装置上的外施电压， 即为试验的起始PD电压，记为U_st；以试验的起始PD电压U_st为基准，设置1.2U- _st、1.3U_st、1.4U_st、1.5U_st、1.6U_st五个试验电压值分别进行试验；应当注意的 是施加在缺陷模型的试验电压不应该超过装置固有的起始PD电压U_g，否则由 装置固有缺陷产生的PD信号会与绝缘缺陷模型产生的PD信号混淆，导致无 法识别人工模拟缺陷的PD；缓慢调节调压控制台升高试验电压到1.2U_st，在 1.2U_st的电压下对绝缘缺陷进行连续96个小时的PD试验，每隔12个小时采 集一次试验数据；连续96hPD试验完成后，得到一种绝缘缺陷在某一试验电 压下的一组数据，每组数据包括8次采样数据；然后缓慢调节调压控制台将 试验电压降为0，关闭试验电源，即断开调压控制台输入端与市电的连接；

然后，使用放电棒对所有的设备的高压端进行有效放电之后进入试验区 域，打开所述的真空泵球阀，启动所述的真空泵，对所述的气体放电室的不 锈钢缸体内抽真空，当不锈钢缸体内的真空度为0.005～0.01MPa时，依次关 闭所述的真空泵球阀和真空泵；

然后，再对所述的不锈钢缸体进行清洗，向所述的不锈钢缸体内充入SF₆气体，缓慢调节调压控制台升高试验电压到1.3U_st，同样在1.3U_st的实验电压 下进行连续96个小时的PD试验，每隔12个小时采集一次试验数据；连续96h PD试验完成后，缓慢调节调压控制台将试验电压降为0，关闭试验电源，即 断开调压控制台输入端与市电的连接；

然后，使用放电棒对所有的设备的高压端进行有效放电之后进入试验区 域，打开所述的真空泵球阀，启动所述的真空泵，对所述的不锈钢缸体内抽 真空，当不锈钢缸体内的真空度为0.005～0.01MPa时，依次关闭所述的真空 泵球阀和真空泵；最后再对所述的不锈钢缸体进行清洗，向所述的不锈钢缸 体内充入SF₆气体，以便进行下一次的试验；

如此重复进行试验，直到得到设定的1.2U_st、1.3U_st、1.4U_st、1.5U_st、1.6U- _st五个试验电压下的SF₆气体分解组分及其含量的数据，最后研究人员根据测 得的五种试验电压下的各种SF₆分解气体组分中的含量，绘制出SF₆气体分解 组分在不同试验电压下随放电时间的关系曲线，研究SF₆气体分解组分含量及 增长速率与PD的强度关系，提取出能表征PD强度的特征量，并结合各分解 组分的稳定性，研究SF₆气体在直流条件下PD分解的机理；

一个脉冲电流检测的子步骤：

采用并联法测量回路来测量PD脉冲电流信号；根据IEC60270标准脉冲 电流法测得的脉冲电压幅值U与视在放电量Q成线性关系，将一局部放电校 准仪与所述气体放电室中得绝缘缺陷模型并联，在绝缘缺陷电极两端产生放 电量已知的脉冲信号，通过所述的数字存储示波器可测得所述检测电阻两端 的脉冲电压峰值U，得到脉冲电压峰值与视在放电量的线性关系，从而依据脉 冲电流法测得的脉冲电压峰值U计算出视在放电量Q；

一个放电气体的采集和检测的子步骤：

在96小时的连续PD试验过程中，放电12小时之后，首先缓慢调节调压 控制台将试验电压降为0，关闭试验电源，即断开调压控制台输入端与市电的 连接，然后使用放电棒对所有的设备的高压端进行有效放电之后进入试验区 域，打开所述的采样球阀，采集一次放电气体，关闭采样球阀；然后缓慢调 节调压控制台将电压升高到本组试验的试验电压继续PD试验；每隔12个小 时重复进行一次放电气体采集；

利用所述的气相色谱质谱联用仪对每次采集的放电气体进行定性定量分 析；本装置采用的气相色谱质谱联用仪为岛津GC/MS-QP2010Ultra，气体组分 由膜厚为8um，内径为0.32mm，长度为60m的特制毛细柱分离，由MSD检测 器进行检测；本方法采用99.999％的高纯He作为载气，工作条件为：柱箱温 度升温方式是恒温35℃保持7.5min、以70℃/min的速率升温至105℃保 持10min、以100℃/min的速率升温至250℃保持3.5min，进样口温度为 220℃，压力流量控制方式，压力为55kPa，总流量为16.3mL/min，柱流量 为1.21mL/min，线速度为28cm/sec，吹扫流量为3mL/min，分流比为10，离 子源温度为200℃，色谱质谱接口温度为220℃，溶剂延迟时间为0min，微 扫描宽度0u，检测器电压0kV；电离方式为电轰击电离；采集方式为SIM定 量分析；扫描间隔时间0.3s；该方法可实现SF₆在PD下的分解组分CF₄、CO₂、 SO₂F₂、SOF₂、H₂S、SO₂、CS₂等多种气体的有效分离并检测其浓度；

利用所述的气相色谱质谱联用仪对采集的样气进行定量分析必需用标准 气体对气相色谱质谱联用仪进行定量标定，获取相关组分的校正曲线；本方 法采用峰面积外标法进行定量标定，其定量校正公式如下：

式中，A_i、A_s,i分别为样品、标样中第i组组分气体的峰面积；φ_i、φ_s,i分别为样品、标样中第i组组分气体的体积分数；K_i为第i组组分气体的绝对 校正因子。

本发明具有如下优点：1.本发明能模拟SF₆气体绝缘电气设备在直流条件 下发生PD的状况，弥补了现有SF₆气体绝缘电气设备的故障模拟实验装置仅 能模拟其在交流条件下发生PD的不足。利用本发明装置可以研究SF₆在直流 条件下PD的分解特性，为完善SF₆在PD下的分解理论，以及直流SF₆气体绝 缘电气设备的状态监测和故障诊断打下实验基础；2.本发明的直流施压系统 利用四个高压硅堆构成桥式整流，再使用一个电容量足够大的滤波电容平波， 可以向气体放电室提供一个纹波因数满足直流高压试验国家标准的kV级直流 高压，以准确模拟直流SF₆气体绝缘电气设备的实际工作电压；3.本发明装置 设置了四种典型的绝缘缺陷模型，涵盖了SF₆气体绝缘电气设备实际中常见的 金属突出物、自由金属微粒、绝缘子表面污染、绝缘子气隙四种绝缘缺陷， 模拟准确度高；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；6.本发明装置的结构简单，成本低；本发明实验方法简单，易掌握，便 于推广。本发明可广泛用于SF₆气体绝缘电气设备在直流条件下PD的模拟， 为SF₆气体绝缘电气设备在直流条件下PD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为本发明利用的装置的试验电路原理框图。

图2为本发明利用的装置的气体放电室的结构示意图。

图3为图2的俯视图。

图4a为本发明利用的装置的绝缘缺陷模型的结构示意图(金属突出物绝 缘缺陷模型)。

图4b为本发明利用的装置的绝缘缺陷模型的结构示意图(自由金属微粒 绝缘缺陷模型)。

图4c为本发明利用的装置的绝缘缺陷模型的结构示意图(绝缘子金属污 染绝缘缺陷模型)。

图4d为本发明利用的装置的绝缘缺陷模型的结构示意图(绝缘子气隙绝 缘缺陷模型)。

图5为本发明方法采用的脉冲电流法校准电路的原理框图。

图6为实施例1脉冲电流法的校准曲线。

图7为实施例1利用本方法检测出的混合样气的总离子色谱图(totalion chromatogram，TIC)。

图8为实施例1用于定量标定气相色谱质谱联用仪的标准气体配置表。

图9为实施例1利用表1所配置的标准气体对气相色谱质谱联用仪进行 定量标定获得的CF₄的校正曲线。

图10为实施例1利用表1所配置的标准气体对气相色谱质谱联用仪进行 定量标定获得的CO₂的校正曲线。

图11为实施例1利用表1所配置的标准气体对气相色谱质谱联用仪进行 定量标定获得的SO₂F₂的校正曲线。

图12为实施例1利用表1所配置的标准气体对气相色谱质谱联用仪进行 定量标定获得的SOF₂的校正曲线。

图13为实施例1利用表1所配置的标准气体对气相色谱质谱联用仪进行 定量标定获得的H₂S的校正曲线。

图14为实施例1利用表1所配置的标准气体对气相色谱质谱联用仪进行 定量标定获得的SO₂的校正曲线。

图15为实施例1利用表1所配置的标准气体对气相色谱质谱联用仪进行 定量标定获得的CS₂的校正曲线。

具体实施方式

下面结合具体实施方式，进一步说明本发明。

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、高压硅堆整流桥，6、滤波电容器，7、电阻分压器，8、隔离电阻，9、气 体放电室，10、气相色谱质谱联用仪，11、耦合电容，12、检测阻抗，13、 数字存储示波器，14、不锈钢缸体，15、椭圆形顶盖，16、高压套管，17、 高压导杆，18、法兰，19、螺钉，20、真空压力表球阀，21、真空压力表， 22、真空泵球阀，23、真空泵，24、进样球阀，25、进样口，26、支撑脚， 27、接地导电杆，28、绝缘缺陷，29、采样球阀，30、采样口，31、石英玻 璃观察窗，32、局部放电校准仪。

首先介绍一下本发明涉及的装置的具体结构：

如图1～4所示，一种SF₆气体绝缘电气设备直流条件下PD的模拟装置， 主要由直流施压系统、气体放电室、检测系统和四种典型的绝缘缺陷模型构 成，主要包括调压控制台1、试验变压器2、保护电阻3、电容分压器4、高 压整流硅堆5、滤波电容器6、电阻分压器7、隔离电阻8、气体放电室9、四 种气相色谱质谱联用仪10、耦合电容11、检测阻抗12、示波器13和绝缘缺 陷模型(图4)。

直流施压系统由调压控制台1、试验变压器2、保护电阻3、电容分压器 4、高压整流硅堆5、滤波电容6、电阻分压器7及隔离电阻8构成。调压控 制台(容量为10kVA)1(市购产品)的输入端通过导线与220V/50Hz的市电 连接，其输出端(调压控制台输出电压为0～250V)通过导线连接到试验变压 器2(市购产品，50kV/10kVA)的输入端，试验变压器2的输出端(高压端) 通过导线连接保护电阻3(市购产品，20kΩ/0.5A)之后并联所述的电容分压 器4(市购产品，50kV/1000:1，精度为1.0级)，用来实时监测试验变压器2 输出端的电压值。电容分压器4的两端并接在由四个所述的高压整流硅堆5 (市购产品，2CL-100kV/1A)组成的整流桥的两个桥臂上，高压硅堆整流桥 输出端并接一个滤波电容6(市购产品，80kV/0.2μF)，滤波电容6的输出端 通过导线连接电阻分压器7(市购产品，50kV/1000:1，精度为0.5级)的输 入端，电阻分压器7的高压端通过导线串接一个隔离电阻8(市购产品， 20kΩ/0.5A)这样就构成了直流施压系统。

直流施压系统的输出端通过导线与气体放电室9相连，为放置在气体放 电室9内部的模拟绝缘缺陷模型电极发生PD时，向其提供可以连续调节的直 流电压。

气体放电室主要由不锈钢缸体14、椭圆形顶盖15、高压套管16、高压导 杆17、法兰18、螺钉19、真空压力表球阀20和真空压力表21、真空泵球阀 22和真空泵23、进样球阀24和进样口25、支撑脚26、接地导电杆27、绝缘 缺陷28、采样球阀29、采样口30及石英观察窗31构成。所述的不锈钢缸体 14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14最高可以承受5个大气压。所述的不锈 钢缸体14的顶端封口为可方便拆卸的椭圆形顶盖15，在所述的不锈钢缸体 14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18，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19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 15固定在所述的不锈钢缸体14的法兰上以保证缸体的密封性。在所述的椭圆 形顶盖15中心处设置一个孔径为20cm的通孔，所述高压导杆17和法兰与所 述的聚四氟乙烯高压套管16一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27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27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14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21通过真空压力球阀20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24，该 进样球阀24另一端进样口25通过特氟龙导气管与SF₆钢瓶连通用以充气。所 述的真空泵23通过真空泵球阀22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29的一端通过不锈钢管与该采样孔连通，采样球阀29的另 一端采样口30通过特氟龙导气管与所述的气相色谱质谱联用仪10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14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31，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14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26，用以支撑和保护缸体、方便操作和监测。

四种典型绝缘缺陷模型包括金属突出物绝缘缺陷模型(图4a)、自由金 属微粒绝缘缺陷模型(图4b)、绝缘子金属污染绝缘缺陷模型(图4c)以 及绝缘子气隙绝缘缺陷模型(图4d)。所述的金属突出物绝缘缺陷模型使用 的是针板电极。所述的针电极直径为4mm，长度为30mm，其中螺纹长度为20mm， 针尖部分的长度为5mm，尖端曲率半径为0.3mm；所述的板电极直径为120mm， 厚度为10mm，电极连接杆直径为4mm，长度为30mm，其中螺纹长度为20mm。 所述的自由金属微粒绝缘缺陷模型用球碗电极以及放置于半球形的碗电极底 部的铜屑来模拟。所述的球电极直径为30mm，碗电极外径为120mm，厚度均 为2mm，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；所述的铜屑大小为10～100μm。所述的绝缘子金属污染绝 缘缺陷模型使用夹在板板电极之间的表面粘接有铜屑的圆柱形环氧树脂来模 拟。所述的板电极直径为120mm，厚度为10mm，电极连接杆直径为4mm，长度 为30mm，其中螺纹长度为20mm，板电极间距约为21mm；所述圆柱形环氧树脂 直径为60mm，高度为21mm；所述粘接的铜屑的区域长18mm，宽2mm，铜屑直 径约为10～100μm。所述的绝缘子气隙绝缘缺陷模型使用圆柱形环氧树脂与高 压板电极之间垫两块环氧树脂片形成气隙来模拟。所述板电极直径为120mm， 厚度为10mm，电极连接杆直径为4mm，长度为30mm，其中螺纹长度为20mm， 板电极间距约为21mm；所述圆柱形环氧树脂直径为60mm，高度为20mm；所述 气隙厚度为1mm。

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9的高压端引出导线连接 到所述耦合电容11(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12(市购产品，3号)。PD脉冲信号通过所 述检测阻抗12放大输入到数字存储示波器13(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10(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14的采样口30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1

一种SF₆气体绝缘电气设备在直流条件下PD的模拟实验方法，利用本申 请人申请的“六氟化硫气体绝缘电气设备直流条件下局部放电的模拟装置”， 对SF₆气体绝缘电气设备进行在直流条件下PD的模拟实验、分析的具体步骤 如下：

⑴实验准备

①放置绝缘缺陷及检查气体放电室的密封性能

首先按照图1即试验电路原理图连接各个试验装置，保证所有试验设备 良好接地。打开气体放电室9的不锈钢缸体14的椭圆形顶盖15用乙醇仔细 清洗不锈钢缸体14内壁和人工缺陷模型，去除气室内的杂质和灰尘然后把椭 圆形顶盖15装好。避免这些杂质和灰尘及上次试验可能附着在内壁上的残留 分解物影响试验结果。关闭本装置的采样球阀29及进样球阀24，打开真空压 力表球阀20，再打开本装置的真空泵球阀22，然后启动本装置的真空泵23， 对本装置的不锈钢缸体14内抽真空，当不锈钢缸体内的真空度为0.005～ 0.01MPa时，依次关闭所述的真空泵球阀22和真空泵23，静置10～12小时 后再观察本装置的真空压力表21示数，当所述的真空压力表21示数保持在 0.005～0.012MPa时，表明本装置的气体放电室9在真空状态下的密封性完好； 再打开本装置的SF₆气瓶的阀门和进气球阀29，向所述的不锈钢缸体14内充 入SF₆气体，直至不锈钢缸体14内气压达到0.3～0.5MPa为止，然后依次关 闭所述的SF₆气瓶的阀门和进气球阀29，静置10～12时再观察真空压力表21 示数，当真空压力表21示数保持在0.295～0.5MPa时，表明所述的气体放电 室9在正压状态下的密封性完好。

②清洗不锈钢缸体

第⑴—①步完成后，先打开所述的真空泵球阀22，启动所述的真空泵23， 对所述的气体放电室9的不锈钢缸体14内抽真空，当不锈钢缸体14内的真 空度为0.005～0.01MPa时，依次关闭所述的真空泵球阀22和真空泵23，再 打开所述的SF₆气瓶的阀门和进样球阀24，向所述的不锈钢缸体14内充入SF₆气体，直到不锈钢缸体14内气压值为0.25～0.35MPa时为止，然后依次关闭 所述的SF₆气瓶的阀门和进气球阀24，对所述的不锈钢缸体14进行清洗，然 后，按前述操作步骤，先抽真空，再充入SF₆气体清洗，如此重复冲洗2～5 次后，再次对所述的不锈钢缸体14抽真空，然后静置10～12h，使不锈钢缸 体14内附着的SF₆气体的分解气体和水分充分气化释放，然后先充入SF₆气体， 再抽真空，以便将静置过程中气化释放的杂质清洗掉，保证不锈钢缸体14内 杂质气体和固有水分含量减少到最低。

③充入SF₆气体

第⑴—②步完成后，打开所述的SF₆气瓶的阀门和进气球阀24，向所述的 气体放电室9的不锈钢缸体14内充入SF₆气体，直至气压为0.3～0.5MPa为 止，然后依次关闭所述的SF₆气瓶的阀门和进气球阀24。稳定数小时，使SF₆扩散均匀，气体处于稳定状态。

⑵进行直流条件下PD分解的模拟试验

①固有缺陷测试

进行PD试验前，要对装置的固有PD特性进行测试，即无模拟绝缘缺陷 时，在相同的试验环境下(气压、温度、湿度等)，装置本身没有产生PD的试 验电压阈值。在不放入模拟绝缘缺陷的情况下完成第⑴步以后，调节调压控 制台1缓慢升高试验电压，仔细观察所述数字存储示波器13上的信号变化， 当出现微小放电脉冲信号时，记录此时装置上的外施电压，即为装置固有的 起始PD电压，记为U_g。得到装置固有起始PD电压后，缓慢调节调压控制台1 将试验电压降为0，关闭试验电源，即断开调压控制台1输入端与市电的连接。 然后使用放电棒对所有的设备的高压端进行有效放电之后进入试验区域，打 开所述的真空泵球阀22，启动所述的真空泵23，对所述的不锈钢缸体14内 抽真空，当不锈钢缸体14内的真空度为0.005～0.01MPa时，依次关闭所述 的真空泵球阀22和真空泵23。

②进行直流PD试验

第⑵—①步完成后，先打开本装置的气体放电室9的石英玻璃观察窗31， 将金属突出物绝缘缺陷针板模型跟导电杆的螺纹结构连接使绝缘缺陷在石英 玻璃观察窗31的观察范围之内，并调节好两电极之间的距离。然后将石英玻 璃装在对接法兰之间，用“O”形橡胶垫密封并用8～15根螺杆直径为15mm的 螺钉压紧固定。按第⑴—②步对所述的不锈钢缸体14进行清洗，再按第⑴— ③步向不锈钢缸体14内充入SF₆气体，用逐步升压法对绝缘缺陷模型施加电 压。调节调压控制台1，缓慢升高试验电压，仔细观察数字存储示波器13上 的信号变化，当出现微小放电脉冲信号时，记录此时装置上的外施电压，即 为试验的起始PD电压，记为U_st。以试验的起始PD电压U_st为基准，设置1.2U- _st、1.3U_st、1.4U_st、1.5U_st、1.6U_st五个试验电压值分别进行试验。应当注意的 是施加在缺陷模型的试验电压不应该超过装置固有的起始PD电压U_g，否则由 装置固有缺陷产生的PD信号会与绝缘缺陷模型产生的PD信号混淆，导致无 法识别人工模拟缺陷的PD。缓慢调节调压控制台1升高试验电压到1.2U_st， 在1.2U_st的电压下对绝缘缺陷进行连续96个小时的PD试验，每隔12个小时 采集一次试验数据。连续96hPD试验完成后，得到一种绝缘缺陷在某一试验 电压下的一组数据，每组数据包括8次采样数据。然后缓慢调节调压控制台1 将试验电压降为0，关闭试验电源，即断开调压控制台1输入端与市电的连接。 然后使用放电棒对所有的设备的高压端进行有效放电之后进入试验区域，打 开所述的真空泵球阀22，启动所述的真空泵23，对所述不锈钢缸体14内抽 真空，当不锈钢缸体14内的真空度为0.005～0.01MPa时，依次关闭所述的 真空泵球阀22和真空泵23。然后再按第⑴—②步对所述的不锈钢缸体14进 行清洗，按第⑴—③步向不锈钢缸体14内充入SF₆气体，缓慢调节调压控制 台1升高试验电压到1.3U_st，同样在1.3U_st的实验电压下进行连续96个小时 的PD试验，每隔12个小时采集一次试验数据。连续96hPD试验完成后，缓 慢调节调压控制台1将试验电压降为0，关闭试验电源，即断开调压控制台1 输入端与市电的连接。然后使用放电棒对所有的设备的高压端进行有效放电 之后进入试验区域，打开所述的真空泵球阀22，启动所述的真空泵23，对所 述的不锈钢缸体14内抽真空，当不锈钢缸体14内的真空度为0.005～0.01MPa 时，依次关闭所述的真空泵球阀22和真空泵23。最后再按第⑴—②步对所述 的不锈钢缸体14进行清洗，按第⑴—③步向不锈钢缸体14内充入SF₆气体， 以便进行下一次的试验。

如此重复进行试验，直到得到设定的1.2U_st、1.3U_st、1.4U_st、1.5U_st、 1.6U_st五个试验电压下的SF₆气体分解组分及其含量的数据，最后研究人员根 据测得的五种试验电压下的各种SF₆分解气体组分中的含量，绘制出SF₆气体 分解组分在不同试验电压下随PD时间的关系曲线，研究SF₆气体分解组分含 量及增长速率与PD的强度关系，提取出能表征PD强度的特征量，并结合各 分解组分的稳定性，研究SF₆气体在直流条件下PD分解的机理。

③脉冲电流的检测

本方法采用并联法测量回路来测量PD脉冲电流信号。根据IEC60270标 准脉冲电流法测得的脉冲电压幅值U与视在放电量Q成线性关系，如图5校 准电路的原理图所示，将一局部放电校准仪32与所述气体放电室9并联，在 绝缘缺陷电极两端产生放电量已知的脉冲信号，通过所述的数字存储示波器 13可测得所述检测阻抗12两端的脉冲电压峰值U，得到脉冲电压峰值与视在 放电量的线性关系，从而依据线性校准曲线及脉冲电流法测得的脉冲电压峰 值U计算出视在放电量Q，如图6所示为校准曲线。

④放电气体的采集和检测

在96小时的连续PD试验过程中，放电12小时之后，首先缓慢调节调压 控制台1将试验电压降为0，关闭试验电源，即断开调压控制台1输入端与市 电的连接，然后使用放电棒对所有的设备的高压端进行有效放电之后进入试 验区域，打开所述的采样球阀29，采集一次放电气体，关闭采样球阀29。然 后缓慢调节调压控制台1将电压升高到本组试验的试验电压继续PD试验。每 隔12个小时重复进行一次放电气体采集。

利用所述的气相色谱质谱联用仪10对每次采集的放电气体进行定性定量 分析。本装置采用的气相色谱质谱联用仪10为岛津GC/MS-QP2010Ultra，气 体组分由膜厚为8um，内径为0.32mm，长度为60m的特制毛细柱((CP-Sil5CB) 分离，由MSD检测器进行检测。本方法采用99.999％的高纯He作为载气，工 作条件为：柱箱温度升温方式是恒温35℃保持7.5min、以70℃/min的速 率升温至105℃保持10min、以100℃/min的速率升温至250℃保持 3.5min，进样口温度为220℃，压力流量控制方式，压力为55kPa，总流量 为16.3mL/min，柱流量为1.21mL/min，线速度为28cm/sec，吹扫流量为 3mL/min，分流比为10，离子源温度为200℃，色谱质谱接口温度为220℃， 溶剂延迟时间为0min，微扫描宽度0u，检测器电压0kV(相对调谐结果)；电 离方式为电轰击电离(EI)；采集方式为SIM定量分析；扫描间隔时间0.3s。 该方法可实现SF₆在PD下的分解组分CF₄、CO₂、SO₂F₂、SOF₂、H₂S、SO₂、CS₂等 多种气体的有效分离并检测其浓度。如图7所示即为本方法检测出的混合样 气的总离子色谱图TIC，由图7可知，CF₄、CO₂、SO₂F₂、SOF₂、H₂S、SO₂、CS₂的保留时间分别为4.356min、4.853min、5.096min、5.47min、6.099min、 7.154min、18.414min，故该方法实现了上述多种气体的有效分离。

利用所述的气相色谱质谱联用仪10对采集的样气进行定量分析首先需要 用标准气体(如表1所示为标准气体的配置)对气相色谱质谱联用仪10进行 定量标定。本方法采用峰面积外标法进行定量标定，其定量校正公式如下：

式中，A_i、A_s,i分别为样品、标样中第i组组分气体的峰面积；φ_i、φ_s,i分别为样品、标样中第i组组分气体的体积分数；K_i为第i组组分气体的绝对 校正因子。如图9——图14所示为利用表1所配置的标准气体对气相色谱质 谱联用仪进行定量标定获得的CF₄、CO₂、SO₂F₂、SOF₂、H₂S、SO₂、CS₂的校正曲 线。