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气隙缺陷局部放电下空气分解组分特性研究
2017-08-15 09:50:06  作者:卓然 关伟等  来源:中国设计师网  
  •   为探索一种新的开关柜局部放电(PD)检测方法—气体分析法,本文对不同PD强度下空气分解组分特性进行了相应的模拟实验研究。利用构建的气隙绝缘缺陷模型在研制的PD分解实验平台上对空气进行24h的PD分解实验,并研究了气体分解组分、体积分数、产气速率与放电量的关联特性。实验结果表明,因气隙绝缘缺陷产生的PD导致空气分解为CO、NO、NO2、O3等组分,且各组分的体积分数增长特性有明显差异。CO和NO2气体的体积分数随工频周期内平均放电量 的增加均呈现“线性—饱和”的增长趋势,NO2先于CO出现饱和且饱和度要低于CO。在较低PD强度下CO的产气速率与 表现近似线性的关联性。

  南方电网科学研究院 卓然

  国网国际发展有限公司 关伟

  海南电力技术研究院 陈林聪 裘吟君

  重庆大学 张晓星 胡雄雄

  1 引言

  随着中国电力系统规模的不断扩大,对系统运行的安全性和可靠性的要求也不断提高。作为电力系统中常见的设备,开关柜设备在输配电过程中起着控制或保护等作用,保证电力系统的稳定工作;同时当系统出现故障时通过开关柜设备可以断开相互连接的设备,有效地保护电力操作人员和电力设备的安全[1]。因此,保证开关柜的安全运行对实现配电安全和提高配电质量有着重要的意义。由于开关柜在制造、运输、安装和运行的过程中可能会存在积灰、脏污、毛刺、气隙、接触不良以及潮湿等现象[2],这些都会导致开关柜运行过程中产生局部放电,可能会引发相间短路,甚至爆炸[3]。其中,开关柜内部部件之间接触不紧密易形成气隙绝缘缺陷,2008年7月30日安徽某供电公司110kV变电站发生35kV线路B相接地,随后引发该变电站出线开关柜发生爆炸,经查实,套管的引下线铝排和触头盒内壁之间存在5mm~7mm的窄气隙,这是导致事故发生的直接原因[4]。文献表明当线路B相接地后,开关柜C相电压升高,窄气隙分得更高的电压,气隙内产生PD;随后先导通道的形成及其进一步发展,最终导致了绝缘层的击穿。

  当气体绝缘设备发生PD时,常伴随电流脉冲、电磁辐射、光辐射、超声波产生,并引起气体分解产生一些新的产物,同时会引起局部过热[5]。因此,根据PD产生的不同物理化学过程,检测PD的方法主要有特高频(UHF)法[6]、脉冲电流法[7]、超声波法[8]、暂态对地电压(TEV)法[9]、气体分析法[10]等。

  近年来,利用气体分析法检测GIS设备内PD下SF6气体的分解组分,来对设备的故障类型及其严重程度进行表征已成为研究热点[11-14],而利用该方法对开关柜PD的研究鲜有报导。尽管开关柜相对GIS的密闭性较弱,但是对于室内开关柜内气体流动性较差。当开关柜发生PD时,开关柜内空气将会发生分解,产生O3、NO、NO2、NO3、N2O5、CO等分解产物;同时开关柜内固体绝缘材料受损后会发生裂化分解产生CO、CO2等气体[15]。这些产物大多数对人体和环境有危害,其中酸性气体与空气中的水汽反应生成的酸会腐蚀金属部件表面以及加速固体绝缘材料裂化,进一步降低开关柜内的绝缘性能。因此,本文借鉴气体分析法检测GIS PD的思想来探索一种新的开关柜PD检测方法。

  本文在研制的空气PD分解试验装置上,构建了气隙绝缘缺陷物理模型来模拟开关柜中常见的绝缘子气隙缺陷,在模型上施加实验电压,选取4个电压梯度进行空气24h的PD分解实验,并利用烟气分析仪和紫外吸收光谱来检测PD空气的分解组分,同时采用脉冲电流法检测放电量,探索分解组分的体积分数随电压和放电时间变化的增长特性,以及组分体积分数、产气速率与放电量的关联特性,为后续研究真实开关柜PD空气分解规律提供指导作用。

  2 PD下空气分解机制

  在开关柜中,空气发生分解主要有以下3个原因:电子碰撞、热效应和光效应。在放电气室中因光效应较弱,其影响可以忽略。因绝缘缺陷引发的PD大都为低能放电,放电区域内的温度变化较小,热效应的影响相对较小,可认为电子碰撞游离过程在空气分解过程中占主导地位,即常温下空气在PD陡脉冲强电场下的电子碰撞分解。

  在电场的作用下,空气中的O2和N2与高能带电粒子发生剧烈碰撞,分别电离出O原子和N原子[16]。同时,空气中的CO2也会在高能电子的作用下分解生成CO[17]。

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  在放电区域内生成的O、N原子迅速扩散到其他区域,由于生成的单个O原子化学反应活性高,进一步与气室中的O2反应生成强氧化性的O3。同时,N原子被氧化性强的O2和O3氧化,生成NO,而NO很不稳定,极易被O2和O3氧化生成NO2。NO和O3因其化学性质活泼易被反应消耗。反应方程为[18-21]:

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  根据上述反应,PD下空气分解的主要气体组分有O3、CO、CO2、NO、NO2等。因空气中一般含有300 ~400 μL/L的CO2,所以CO2不能作为空气PD分解组分的检测对象。尽管O3和NO在空气中的不稳定性,但因其有毒,同时其体积分数与缺陷PD特性有着一定的关系,有必要对其进行检测。因此本文通过检测空气分解组分中的CO、NO、NO2和O3来研究空气PD特性。

  3 实验装置

  3.1 气体分解实验系统

  为了模拟开关柜PD实验,文中构建了气隙绝缘缺陷模型展开相关实验研究。气体分解实验系统主要由无晕交流高压实验电源、保护电阻、电容分压器、空气放电气室、气隙绝缘缺陷模型、耦合电容、检测阻抗、示波器、烟气分析仪和紫外吸收光谱检测系统等组成。其中空气放电气室采用自制的有机玻璃罐体,体积约为10L。气体分解实验在常温常压下进行。实验连接如图1所示。

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  3.2 气隙绝缘缺陷模型

  气隙绝缘缺陷是指开关柜内部部件之间因接触不紧密形成的缺陷,如环氧树脂在固化过程中收缩、金属电极和环氧树脂热膨胀系数不同导致的内部空隙,以及装配误差导致导体的机械运动产生的气隙缺陷,这些气隙通常是在制造过程中形成且难以检测到[22]。本文针对绝缘子气隙缺陷这一典型缺陷进行空气的PD分解研究。

  本文构建的气隙绝缘缺陷物理模型如图2所示。电极材料均为不锈钢,圆柱形绝缘子的上下表面均通过抛光处理,两极板直径均为60mm,厚度均为10mm,圆柱形环氧树脂直径为45mm,高为25mm。高压电极与绝缘子上表面之间利用环氧树脂胶保留高度约2mm的气隙。接地电极与绝缘子下表面之间利用环氧树脂胶紧密粘连,确保粘连处没有缝隙或气泡存在。尽管设计的缺陷模型与开关柜中实际气隙缺陷有一定差距,但是在一定程度上贴近了真实缺陷。

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