閆帥　王昆鵬　胡冰　劉曉偉　李德洋　閆忠凱

摘 要：高壓開關(guān)柜絕緣狀況檢測(cè)可以有效防止開關(guān)柜故障發(fā)生，現(xiàn)今的幾種檢測(cè)方法都具有一定的缺點(diǎn)，通過檢測(cè)局放下劣化氣體的生成特性，可以初步判斷絕緣缺陷類型及放電量等。本文對(duì)開關(guān)柜絕緣問題成因、常用檢測(cè)方法優(yōu)缺點(diǎn)、開關(guān)柜劣化氣體產(chǎn)生成因等進(jìn)行了分析，并設(shè)計(jì)了一種模擬空氣及有機(jī)絕緣材料分解平臺(tái)，闡述實(shí)驗(yàn)方法，可以為系統(tǒng)研究空氣在典型絕緣缺陷故障作用下的放電分解特性提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，為開關(guān)柜內(nèi)部絕緣缺陷氣體檢測(cè)技術(shù)研究提供一定的借鑒。

關(guān)鍵詞：高壓開關(guān)柜 絕緣缺陷 有機(jī)絕緣材料 氣體檢測(cè) 分解平臺(tái)

中圖分類號(hào)：TM643 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-9082（2018）06-0-02

引言

高壓開關(guān)柜是電力系統(tǒng)中重要的電氣設(shè)備，現(xiàn)代電力系統(tǒng)對(duì)電能質(zhì)量的要求越來越高，相應(yīng)地對(duì)高壓開關(guān)柜的可靠性也提出了更高的要求，開關(guān)柜設(shè)備的完好率是保障供電可靠性的重要指標(biāo)，開關(guān)柜故障造成的停電事故給生產(chǎn)和生活帶來的影響及損失也越來越大。由于開關(guān)柜制造工藝不良、安裝不符合要求，以及環(huán)境條件差等眾多因素的影響，絕緣放電問題成為高壓開關(guān)柜常見問題中較為突出的一個(gè)方面，主要體現(xiàn)在支持瓷瓶閃絡(luò)、導(dǎo)體對(duì)地或相間閃絡(luò)[1-3]。

開關(guān)柜絕緣狀況檢測(cè)可以有效防止開關(guān)柜故障發(fā)生，當(dāng)開關(guān)柜內(nèi)產(chǎn)生局部放電時(shí)，在過熱、過濕等環(huán)境下，局部放電將導(dǎo)致開關(guān)柜中有機(jī)絕緣材料及氣體絕緣介質(zhì)的分解，并與氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而可能產(chǎn)生H2S、NO2、SO2及CO等氣體。目前已有大量學(xué)者研究證明，封閉式開關(guān)電器內(nèi)發(fā)生的故障類型與產(chǎn)生的氣體及衍生物具有確定性的關(guān)聯(lián)關(guān)系，通過檢測(cè)開關(guān)柜內(nèi)產(chǎn)生的氣體種類及含量，能夠反演分析出開關(guān)柜內(nèi)發(fā)生的絕緣劣化類型及位置[4-5]。

本文對(duì)開關(guān)柜絕緣問題成因、常用檢測(cè)方法優(yōu)缺點(diǎn)、開關(guān)柜劣化氣體產(chǎn)生成因等進(jìn)行了分析，并設(shè)計(jì)了一種模擬空氣及有機(jī)絕緣材料分解平臺(tái)，可以為系統(tǒng)研究空氣在典型絕緣缺陷故障作用下的放電分解特性提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

一、開關(guān)柜絕緣問題分析

開關(guān)柜發(fā)生絕緣事故的主要原因是絕緣性能低、空氣間隙小，室內(nèi)潮濕、凝露等環(huán)境條件惡劣引起，是諸多性質(zhì)的開關(guān)柜事故中故障率最高的一類故障。高壓開關(guān)柜絕緣事故原因經(jīng)過分析主要有以下幾個(gè)方面：

1.爬距及空氣氣隙不夠

爬距及空氣間隙不夠是開關(guān)柜發(fā)生絕緣壞事故的根本原因。特別是手車柜，為縮短柜體尺寸，產(chǎn)生單位往往大幅度減小裝于柜內(nèi)的斷路器，隔離插頭相間距離或?qū)Φ鼐嚯x，未采取有效的保證絕緣強(qiáng)度的措施。

2.制造質(zhì)量差，工藝不良

制造質(zhì)量及裝配質(zhì)量對(duì)開關(guān)柜整體耐壓水平有很大的影響。如開關(guān)柜內(nèi)部有些原件可以通過耐壓試驗(yàn)，但開關(guān)柜整體卻通不過，原因是裝配質(zhì)量差，如緊固螺絲不規(guī)則，擰緊后螺桿長出螺母過多；有的支持磁柱緊固底板成“丁”字型，在支持磁柱處作特殊處理，這樣不僅縮短了絕緣距離，而且造成電場(chǎng)局部集中。另外支持磁柱質(zhì)量差，穩(wěn)定性能差，在短路電流的沖擊下可能發(fā)生斷裂，造成事故的擴(kuò)大。

3.接點(diǎn)容量不足或者接觸不良，發(fā)熱導(dǎo)致開關(guān)柜起火

當(dāng)接點(diǎn)容量不足或者接觸不良時(shí)，該處局部溫度會(huì)升高，嚴(yán)重時(shí)燒斷該處的截流部分，引起相對(duì)地或相間閃弧，造成絕緣閃絡(luò)。

4.環(huán)境條件的影響

開關(guān)柜運(yùn)行條件差事導(dǎo)致開關(guān)柜發(fā)生絕緣閃絡(luò)的主要原因，例如當(dāng)大氣污染不斷加劇，就會(huì)逐漸污染電力設(shè)備的絕緣子、套管及母線，分析多年來的污閃事故，總結(jié)出發(fā)生污閃的店里設(shè)備主要原因有兩個(gè)。第一個(gè)是污穢和潮濕兩個(gè)因素同時(shí)存在于絕緣子表面，灰塵附在絕緣子表面，在干燥的時(shí)候絕緣電阻仍然很高，所以在干燥的氣候下一般不會(huì)發(fā)生污閃。同時(shí)清潔的水電阻也很高，如果絕緣子沒有污垢，它雖然受潮了，但絕緣強(qiáng)度仍然很高，這時(shí)候一般也不會(huì)發(fā)生污閃。一般情況下，干燥的氣候持續(xù)時(shí)間較長，絕緣子及母線的污垢累計(jì)多了，這時(shí)候突然下霧，污穢被霧水充分的潮濕，此時(shí)產(chǎn)生污閃的可能性就會(huì)大大增加。第二個(gè)因素是絕緣子串的泄漏距離偏小，不能適應(yīng)污穢和潮濕的環(huán)境。污閃是在絕緣電阻下降、泄漏電流增大到一定程度時(shí)才會(huì)發(fā)生的，如絕緣子泄漏距離小，放電容易跨接兩端電極，從而發(fā)生閃絡(luò)。

5.雷擊過電壓造成開關(guān)柜閃絡(luò)

在電力系統(tǒng)中，有雷擊放電引起的過電壓造成開關(guān)柜“放炮”的事情是有發(fā)生，根據(jù)其產(chǎn)生的原因，雷擊過電壓通常分為直擊雷過電壓和感應(yīng)雷擊過電壓，造成開關(guān)柜閃絡(luò)。

二、開關(guān)柜絕緣問題常用檢測(cè)方法

絕緣事故多發(fā)生于10kV及以上的電壓等級(jí)的開關(guān)柜中，一臺(tái)開關(guān)柜出現(xiàn)事故，殃及鄰柜的現(xiàn)象更為突出，由于事故潛伏期往往伴隨著局部放電現(xiàn)象，因此可以通過對(duì)其進(jìn)行局部放電測(cè)量來得到相關(guān)信息。本文對(duì)常用的開關(guān)柜局放檢測(cè)方法優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析，如表1所示。

綜上所述，對(duì)于以上幾種針對(duì)局部放電的檢測(cè)方法，都具有分析和判斷設(shè)備內(nèi)部局部放電的能力。但是現(xiàn)今的幾種方法都具有一定的缺點(diǎn)，其中最為突出的是這些方法都會(huì)受到外界無關(guān)信號(hào)的干擾。

三、開關(guān)柜劣化氣體產(chǎn)生成因分析

在長期高溫、高電壓、振動(dòng)、潮濕等的作用下，高壓開關(guān)柜內(nèi)金屬件由于制造中潛伏的缺陷或者運(yùn)行中產(chǎn)生的缺陷，引起局部放電的發(fā)生。當(dāng)開關(guān)柜內(nèi)產(chǎn)生局部放電時(shí)，在過熱、過濕等環(huán)境下，局部放電可產(chǎn)生于絕緣體內(nèi)部、絕緣體表面以及被氣體包圍的導(dǎo)體附近，導(dǎo)致開關(guān)柜中有機(jī)絕緣材料及氣體絕緣介質(zhì)的分解，并與氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而可能產(chǎn)生H2S、NO2、SO2及CO等氣體。劣化氣體產(chǎn)生的三個(gè)可能原因：

1.由于氣體絕緣開關(guān)柜是一種利用氣體絕緣的開關(guān)柜，其本質(zhì)特征是將一次元件密封于充有低壓氣體絕緣介質(zhì)（采用SF6、N2/SF6混合氣、N2及部分空氣）的箱體內(nèi)，當(dāng)氣體絕緣開關(guān)柜發(fā)生故障時(shí)，極有可能發(fā)生氣體泄漏。

2.同時(shí)由于局部放電是一個(gè)持續(xù)放電過程，當(dāng)開關(guān)柜內(nèi)產(chǎn)生局部放電時(shí)，在過熱、過濕等環(huán)境下，一方面放電將導(dǎo)致開關(guān)柜中有機(jī)絕緣材料及氣體絕緣介質(zhì)的分解，并與氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而可能產(chǎn)生H2S、NO2、SO2及CO等氣體；

3.對(duì)于真空絕緣滅弧室當(dāng)發(fā)生氣密性故障時(shí)，放電會(huì)直接將空氣中的兩個(gè)氧原子的氧氣轉(zhuǎn)換為三個(gè)氧原子的臭氧氣體，這便產(chǎn)生了O3。

四、模擬空氣及有機(jī)絕緣材料分解平臺(tái)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)方法

1.分解平臺(tái)設(shè)計(jì)

為便于對(duì)開關(guān)柜微量氣體進(jìn)行檢測(cè)和分析，設(shè)計(jì)一種能更精確模擬空氣在涉及有機(jī)絕緣材料環(huán)境下分解的平臺(tái)，主要由罐體、發(fā)熱元件、溫控系統(tǒng)和分解組分檢測(cè)系統(tǒng)組成，自動(dòng)溫控系統(tǒng)控制發(fā)熱元件產(chǎn)生局部高溫，模擬空氣在涉及有機(jī)絕緣材料環(huán)境下發(fā)生分解的物理化學(xué)過程，由分解組分檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)產(chǎn)生的分解組分進(jìn)行定量測(cè)定。

（1）罐體

罐體上設(shè)有進(jìn)氣口和采氣口，進(jìn)氣口主要用來充入空氣，而采氣口主要用來采集分解后得到的氣樣。罐體上還設(shè)有氣壓表來顯示罐體內(nèi)的氣壓情況。

（2）發(fā)熱元件

發(fā)熱元件安裝在罐體內(nèi)，模擬局部過熱性故障，包裹與開關(guān)柜相同材質(zhì)的環(huán)氧樹脂有機(jī)絕緣材料層，厚度為5mm，直徑為80mm。

（3）溫控系統(tǒng)

溫控系統(tǒng)包括相互連接的開關(guān)電源、溫控儀和繼電器，用于控制發(fā)熱元件的發(fā)熱溫度，發(fā)熱元件產(chǎn)生局部高溫后，即可模擬空氣在涉及有機(jī)絕緣材料環(huán)境下發(fā)生分解的物理化學(xué)過程。溫度控制方式采用3段升溫法：第1階段，柱箱溫度為40℃，保持7 min，使CF4，CO2，SO2F2，SOF2，H2S，HF和SO2盡快分離；第2階段，以30℃/min的升溫速率，升溫至100℃，保持8 min，使CS2盡快分離；第3階段，以20℃/min的升溫速率，升溫至200℃，保持1 min，以排出檢測(cè)器中的殘留氣體。

（4）分解組分檢測(cè)系統(tǒng)，

分解組分檢測(cè)系統(tǒng)包括氣相色譜儀、氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀以及光電子能譜儀，用于檢測(cè)從采氣口采集的氣體的種類和含量，并對(duì)有機(jī)絕緣材料的元素進(jìn)行分析。在對(duì)罐體和發(fā)熱元件清洗后，對(duì)罐體進(jìn)行洗氣，然后充氣，在罐體內(nèi)的H2O和O2體積分?jǐn)?shù)符合標(biāo)準(zhǔn)后，即可通過溫控系統(tǒng)控制發(fā)熱元件發(fā)熱，從而來模擬空氣在涉及有機(jī)絕緣材料環(huán)境下的分解過程。

2.實(shí)驗(yàn)方法設(shè)計(jì)

IEC 60480-2005和IEC 60376-2005標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，運(yùn)行中的氣體絕緣裝備主氣室H20體積分?jǐn)?shù)最大允許值為200×10-6，因此實(shí)驗(yàn)開始時(shí)將罐體內(nèi)H20體積分?jǐn)?shù)控制在100×10-6以下。本文以20℃為梯度開展涉及有機(jī)絕緣材料的局部過熱空氣分解實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)溫度范圍為200-500℃。為了保證實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)操作性，所有實(shí)驗(yàn)均在（20士3）℃的環(huán)境溫度下進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)的具體方法與步驟如下：

（1）清洗罐體：安裝故障模擬元件并用無水乙醇仔細(xì)擦洗實(shí)驗(yàn)罐體內(nèi)壁和發(fā)熱元件。

（2）洗氣：將罐體抽真空后充入0.1MPa的空氣新氣（體積分?jǐn)?shù)為99.9995%），再抽真空，重復(fù)該洗氣過程3次。

（3）充氣：在罐體內(nèi)充入0.45MPa的空氣新氣，用DMP-10精密露點(diǎn)儀和HY-YF氧氣分析儀檢測(cè)罐體內(nèi)的微量H2O和O2體積分?jǐn)?shù)是否達(dá)標(biāo)，如果達(dá)標(biāo)（H2O體積分?jǐn)?shù)<100×10-6，O2體積分?jǐn)?shù)<400×10-6）則將罐體內(nèi)氣壓調(diào)至0.4MPa，并進(jìn)行下一步實(shí)驗(yàn)，否則返回第2步，重新洗氣。

（4）設(shè)定溫度：接通自動(dòng)動(dòng)溫控系統(tǒng)電源，并將溫度調(diào)至設(shè)定值，開始模擬空氣及有機(jī)絕緣材料局部過熱狀態(tài)下分解實(shí)驗(yàn)。

（5）采氣：實(shí)驗(yàn)連續(xù)進(jìn)行l(wèi)0h，每隔1h使用專用采氣袋采集空氣過熱分解氣樣，并送入分解組分檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)定和分析。每次采氣量≤100 mL，整個(gè)實(shí)驗(yàn)周期的采氣量≤1 L，占罐體內(nèi)氣體總量的1/60（氣室容積15L、氣壓400kPa），認(rèn)為采氣量不會(huì)造成的罐體內(nèi)氣壓下降。

（6）實(shí)驗(yàn)結(jié)束：實(shí)驗(yàn)結(jié)束后斷開電源，將罐體抽真空并放置24 h，使殘留在實(shí)驗(yàn)罐體內(nèi)壁的分解產(chǎn)物等雜質(zhì)徹底釋放。

（7）保存固體產(chǎn)物：打開實(shí)驗(yàn)罐體，取出環(huán)氧樹脂，并用專用密封袋保存。

空氣在涉及有機(jī)絕緣材料環(huán)境下的分解過程中將會(huì)產(chǎn)生種類和含量不同的氣體，此時(shí)便用分解組分檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)，分析氣體的種類以及各自的含量，從而為確定開關(guān)柜發(fā)生的絕緣劣化類型和位置提供參考。

結(jié)論

通過研究開關(guān)柜劣化氣體在放電條件下的分解機(jī)理及分解物的生成特性，實(shí)現(xiàn)絕緣缺陷類型和放電程度的間接估計(jì)，適宜檢測(cè)長期存在但間歇性發(fā)生的低能量局放。由于分解物的生成特性受到放電故障及設(shè)備內(nèi)部環(huán)境的影響，因此通過檢測(cè)局放下劣化氣體的生成特性（如組分類別、體積分?jǐn)?shù)、產(chǎn)氣速率等），可以初步判斷絕緣缺陷類型及放電量等。與其他監(jiān)測(cè)手段不同，該方法不針對(duì)放電瞬間的物理變化，而基于局放的非電學(xué)特征（分解物生成）的累積特性，因此更能描述設(shè)備隨局放故障的逐步發(fā)展而造成的絕緣性能狀態(tài)惡化，同時(shí)兼具良好的抗電磁干擾、抗振動(dòng)噪聲能力，可以作為開關(guān)柜的局放診斷和絕緣性能評(píng)估的一種有效檢測(cè)手段。

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