原创《高压开关柜内部绝缘缺陷气体检测技术与》
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摘 要：高压开关柜绝缘状况检测可以有效防止开关柜故障发生,现今的几种检测方法都具有一定的缺点,通过检测局放下劣化气体的生成特性,可以初步判断绝缘缺陷类型及放电量等.本文对开关柜绝缘问题成因、常用检测方法优缺点、开关柜劣化气体产生成因等进行了分析,并设计了一种模拟空气及有机绝缘材料分解平台,阐述实验方法,可以为系统研究空气在典型绝缘缺陷故障作用下的放电分解特性提供实验基础,为开关柜内部绝缘缺陷气体检测技术研究提供一定的借鉴.
关键词：高压开关柜 绝缘缺陷 有机绝缘材料 气体检测 分解平台
中图分类号：TM643 文献标识码：A 文章编号：1003-9082（2018）06-0233-02
引言
高压开关柜是电力系统中重要的电气设备,现代电力系统对电能质量的要求越来越高,相应地对高压开关柜的可靠性也提出了更高的要求,开关柜设备的完好率是保障供电可靠性的重要指标,开关柜故障造成的停电事故给生产和生活带来的影响及损失也越来越大.由于开关柜制造工艺不良、安装不符合要求,以及环境条件差等众多因素的影响,绝缘放电问题成为高压开关柜常见问题中较为突出的一个方面,主要体现在支持瓷瓶闪络、导体对地或相间闪络[1-3].
开关柜绝缘状况检测可以有效防止开关柜故障发生,当开关柜内产生局部放电时,在过热、过湿等环境下,局部放电将导致开关柜中有机绝缘材料及气体绝缘介质的分解,并与氧气发生化学反应,从而可能产生H2S、NO2、SO2及CO等气体.目前已有大量学者研究证明,封闭式开关电器内发生的故障类型与产生的气体及衍生物具有确定性的关联关系,通过检测开关柜内产生的气体种类及含量,能够反演分析出开关柜内发生的绝缘劣化类型及位置[4-5].
本文对开关柜绝缘问题成因、常用检测方法优缺点、开关柜劣化气体产生成因等进行了分析,并设计了一种模拟空气及有机绝缘材料分解平台,可以为系统研究空气在典型绝缘缺陷故障作用下的放电分解特性提供实验基础.
一、开关柜绝缘问题分析
开关柜发生绝缘事故的主要原因是绝缘性能低、空气间隙小,室内潮湿、凝露等环境条件恶劣引起,是诸多性质的开关柜事故中故障率最高的一类故障.高压开关柜绝缘事故原因经过分析主要有以下几个方面：
1.爬距及空气气隙不够
爬距及空气间隙不够是开关柜发生绝缘坏事故的根本原因.特别是手车柜,为缩短柜体尺寸,产生单位往往大幅度减小装于柜内的断路器,隔离插头相间距离或对地距离,未采取有效的保证绝缘强度的措施.
2.制造质量差,工艺不良
制造质量及装配质量对开关柜整体耐压水平有很大的影响.如开关柜内部有些原件可以通过耐压试验,但开关柜整体却通不过,原因是装配质量差,如紧固螺丝不规则,拧紧后螺杆长出螺母过多；有的支持磁柱紧固底板成“丁”字型,在支持磁柱处作特殊处理,这样不仅缩短了绝缘距离,而且造成电场局部集中.另外支持磁柱质量差,稳定性能差,在短路电流的冲击下可能发生断裂,造成事故的扩大.
3.接点容量不足或者接触不良,发热导致开关柜起火
当接点容量不足或者接触不良时,该处局部温度会升高,严重时烧断该处的截流部分,引起相对地或相间闪弧,造成绝缘闪络.
4.环境条件的影响
开关柜运行条件差事导致开关柜发生绝缘闪络的主要原因,例如当大气污染不断加剧,就会逐渐污染电力设备的绝缘子、套管及母线,分析多年来的污闪事故,总结出发生污闪的店里设备主要原因有两个.第一个是污秽和潮湿两个因素同时存在于绝缘子表面,灰尘附在绝缘子表面,在干燥的时候绝缘电阻仍然很高,所以在干燥的气候下一般不会发生污闪.同时清洁的水电阻也很高,如果绝缘子没有污垢,它虽然受潮了,但绝缘强度仍然很高,这时候一般也不会发生污闪.一般情况下,干燥的气候持续时间较长,绝缘子及母线的污垢累计多了,这时候突然下雾,污秽被雾水充分的潮湿,此时产生污闪的可能性就会大大增加.第二个因素是绝缘子串的泄漏距离偏小,不能适应污秽和潮湿的环境.污闪是在绝缘电阻下降、泄漏电流增大到一定程度时才会发生的,如绝缘子泄漏距离小,放电容易跨接两端电极,从而发生闪络.
5.雷击过电压造成开关柜闪络
在电力系统中,有雷击放电引起的过电压造成开关柜“放炮”的事情是有发生,根据其产生的原因,雷击过电压通常分为直击雷过电压和感应雷击过电压,造成开关柜闪络.
二、开关柜绝缘问题常用检测方法
绝缘事故多发生于10kV及以上的电压等级的开关柜中,一台开关柜出现事故,殃及邻柜的现象更为突出,由于事故潜伏期往往伴随着局部放电现象,因此可以通过对其进行局部放电测量来得到相关信息.本文对常用的开关柜局放检测方法优缺点进行了分析,如表1所示.
综上所述,对于以上几种针对局部放电的检测方法,都具有分析和判断设备内部局部放电的能力.但是现今的几种方法都具有一定的缺点,其中最为突出的是这些方法都会受到外界无关信号的干扰.
三、开关柜劣化气体产生成因分析
在长期高温、高电压、振动、潮湿等的作用下,高压开关柜内金属件由于制造中潜伏的缺陷或者运行中产生的缺陷,引起局部放电的发生.当开关柜内产生局部放电时,在过热、过湿等环境下,局部放电可产生于绝缘体内部、绝缘体表面以及被气体包围的导体附近,导致开关柜中有机绝缘材料及气体绝缘介质的分解,并与氧气发生化学反应,从而可能产生H2S、NO2、SO2及CO等气体.劣化气体产生的三个可能原因：
1.由于气体绝缘开关柜是一种利用气体绝缘的开关柜,其本质特征是将一次元件密封于充有低压气体绝缘介质（采用6、N2/6混合气、N2及部分空气）的箱体内,当气体绝缘开关柜发生故障时,极有可能发生气体泄漏.
2.同时由于局部放电是一个持续放电过程,当开关柜内产生局部放电时,在过热、过湿等环境下,一方面放电将导致开关柜中有机绝缘材料及气体绝缘介质的分解,并与氧气发生化学反应,从而可能产生H2S、NO2、SO2及CO等气体；
3.对于真空绝缘灭弧室当发生气密性故障时,放电会直接将空气中的两个氧原子的氧气转换为三个氧原子的臭氧气体,这便产生了O3.
四、模拟空气及有机绝缘材料分解平台设计及实验方法
1.分解平台设计
为便于对开关柜微量气体进行检测和分析,设计一种能更精确模拟空气在涉及有机绝缘材料环境下分解的平台,主要由罐体、发热元件、温控系统和分解组分检测系统组成,自动温控系统控制发热元件产生局部高温,模拟空气在涉及有机绝缘材料环境下发生分解的物理化学过程,由分解组分检测系统对产生的分解组分进行定量测定.
（1）罐体
罐体上设有进气口和采气口,进气口主要用来充入空气,而采气口主要用来采集分解后得到的气样.罐体上还设有气压表来显示罐体内的气压情况.
（2）发热元件
发热元件安装在罐体内,模拟局部过热性故障,包裹与开关柜相同材质的环氧树脂有机绝缘材料层,厚度为5mm,直径为80mm.
（3）温控系统
温控系统包括相互连接的开关电源、温控仪和继电器,用于控制发热元件的发热温度,发热元件产生局部高温后,即可模拟空气在涉及有机绝缘材料环境下发生分解的物理化学过程.温度控制方式采用3段升温法：第1阶段,柱箱温度为40℃,保持7 min,使CF4,CO2,SO2F2,SOF2,H2S,HF和SO2尽快分离；第2阶段,以30℃/min的升温速率,升温至100℃,保持8 min,使CS2尽快分离；第3阶段,以20℃/min的升温速率,升温至200℃,保持1 min,以排出检测器中的残留气体.
（4）分解组分检测系统,
分解组分检测系统包括气相色谱仪、气相色谱-质谱联用仪以及光电子能谱仪,用于检测从采气口采集的气体的种类和含量,并对有机绝缘材料的元素进行分析.在对罐体和发热元件清洗后,对罐体进行洗气,然后充气,在罐体内的H2O和O2体积分数符合标准后,即可通过温控系统控制发热元件发热,从而来模拟空气在涉及有机绝缘材料环境下的分解过程.
2.实验方法设计
IEC 60480-2005和IEC 60376-2005标准规定,运行中的气体绝缘装备主气室H20体积分数最大允许值为200×10-6,因此实验开始时将罐体内H20体积分数控制在100×10-6以下.本文以20℃为梯度开展涉及有机绝缘材料的局部过热空气分解实验,实验温度范围为200-500℃.为了保证实验的可重复操作性,所有实验均在（20士3）℃的环境温度下进行.实验的具体方法与步骤如下：
（1）清洗罐体：安装故障模拟元件并用无水乙醇仔细擦洗实验罐体内壁和发热元件.
（2）洗气：将罐体抽真空后充入0.1MPa的空气新气（体积分数为99.9995%）,再抽真空,重复该洗气过程3次.
（3）充气：在罐体内充入0.45MPa的空气新气,用DMP-10精密露点仪和HY-YF氧气分析仪检测罐体内的微量H2O和O2体积分数是否达标,如果达标（H2O体积分数<100×10-6,O2体积分数<400×10-6）则将罐体内气压调至0.4MPa,并进行下一步实验,否则返回第2步,重新洗气.
（4）设定温度：接通自动动温控系统电源,并将温度调至设定值,开始模拟空气及有机绝缘材料局部过热状态下分解实验.
（5）采气：实验连续进行l0h,每隔1h使用专用采气袋采集空气过热分解气样,并送入分解组分检测系统进行测定和分析.每次采气量≤100mL,整个实验周期的采气量≤1 L,占罐体内气体总量的1/60（气室容积15L、气压400kPa）,认为采气量不会造成的罐体内气压下降.
（6）实验结束：实验结束后断开电源,将罐体抽真空并放置24 h,使残留在实验罐体内壁的分解产物等杂质彻底释放.
（7）保存固体产物：打开实验罐体,取出环氧树脂,并用专用密封袋保存.
空气在涉及有机绝缘材料环境下的分解过程中将会产生种类和含量不同的气体,此时便用分解组分检测系统进行检测,分析气体的种类以及各自的含量,从而为确定开关柜发生的绝缘劣化类型和位置提供参考.
结论
通过研究开关柜劣化气体在放电条件下的分解机理及分解物的生成特性,实现绝缘缺陷类型和放电程度的间接估计,适宜检测长期存在但间歇性发生的低能量局放.由于分解物的生成特性受到放电故障及设备内部环境的影响,因此通过检测局放下劣化气体的生成特性（如组分类别、体积分数、产气速率等）,可以初步判断绝缘缺陷类型及放电量等.与其他监测手段不同,该方法不针对放电瞬间的物理变化,而基于局放的非电学特征（分解物生成）的累积特性,因此更能描述设备随局放故障的逐步发展而造成的绝缘性能状态恶化,同时兼具良好的抗电磁干扰、抗振动噪声能力,可以作为开关柜的局放诊断和绝缘性能评估的一种有效检测手段.
技术研究论文参考资料：
括而言之:上述文章是关于对不知道怎么写高压开关柜和绝缘和缺陷论文范文课题研究的大学硕士、技术研究本科毕业论文技术研究论文开题报告范文和文献综述及职称论文的作为参考文献资料。
