高壓開關柜內(nèi)部絕緣缺陷氣體檢測技術研究及探討

閆帥　王昆鵬　胡冰　劉曉偉　李德洋　閆忠凱

摘 要：高壓開關柜絕緣狀況檢測可以有效防止開關柜故障發(fā)生，現(xiàn)今的幾種檢測方法都具有一定的缺點，通過檢測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。本文對開關柜絕緣問題成因、常用檢測方法優(yōu)缺點、開關柜劣化氣體產(chǎn)生成因等進行了分析，并設計了一種模擬空氣及有機絕緣材料分解平臺，闡述實驗方法，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驗基礎，為開關柜內(nèi)部絕緣缺陷氣體檢測技術研究提供一定的借鑒。

關鍵詞：高壓開關柜 絕緣缺陷 有機絕緣材料 氣體檢測 分解平臺

中圖分類號：TM643 文獻標識碼：A 文章編號：1003-9082（2018）06-0-02

引言

高壓開關柜是電力系統(tǒng)中重要的電氣設備，現(xiàn)代電力系統(tǒng)對電能質(zhì)量的要求越來越高，相應地對高壓開關柜的可靠性也提出了更高的要求，開關柜設備的完好率是保障供電可靠性的重要指標，開關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柜常見問題中較為突出的一個方面，主要體現(xiàn)在支持瓷瓶閃絡、導體對地或相間閃絡[1-3]。

開關柜絕緣狀況檢測可以有效防止開關柜故障發(fā)生，當開關柜內(nèi)產(chǎn)生局部放電時，在過熱、過濕等環(huán)境下，局部放電將導致開關柜中有機絕緣材料及氣體絕緣介質(zhì)的分解，并與氧氣發(fā)生化學反應，從而可能產(chǎn)生H2S、NO2、SO2及CO等氣體。目前已有大量學者研究證明，封閉式開關電器內(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聯(lián)關系，通過檢測開關柜內(nèi)產(chǎn)生的氣體種類及含量，能夠反演分析出開關柜內(nèi)發(fā)生的絕緣劣化類型及位置[4-5]。

本文對開關柜絕緣問題成因、常用檢測方法優(yōu)缺點、開關柜劣化氣體產(chǎn)生成因等進行了分析，并設計了一種模擬空氣及有機絕緣材料分解平臺，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驗基礎。

一、開關柜絕緣問題分析

開關柜發(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)的開關柜事故中故障率最高的一類故障。高壓開關柜絕緣事故原因經(jīng)過分析主要有以下幾個方面：

1.爬距及空氣氣隙不夠

爬距及空氣間隙不夠是開關柜發(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)量對開關柜整體耐壓水平有很大的影響。如開關柜內(nèi)部有些原件可以通過耐壓試驗，但開關柜整體卻通不過，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，造成事故的擴大。

3.接點容量不足或者接觸不良，發(fā)熱導致開關柜起火

當接點容量不足或者接觸不良時，該處局部溫度會升高，嚴重時燒斷該處的截流部分，引起相對地或相間閃弧，造成絕緣閃絡。

4.環(huán)境條件的影響

開關柜運行條件差事導致開關柜發(fā)生絕緣閃絡的主要原因，例如當大氣污染不斷加劇，就會逐漸污染電力設備的絕緣子、套管及母線，分析多年來的污閃事故，總結出發(fā)生污閃的店里設備主要原因有兩個。第一個是污穢和潮濕兩個因素同時存在于絕緣子表面，灰塵附在絕緣子表面，在干燥的時候絕緣電阻仍然很高，所以在干燥的氣候下一般不會發(fā)生污閃。同時清潔的水電阻也很高，如果絕緣子沒有污垢，它雖然受潮了，但絕緣強度仍然很高，這時候一般也不會發(fā)生污閃。一般情況下，干燥的氣候持續(xù)時間較長，絕緣子及母線的污垢累計多了，這時候突然下霧，污穢被霧水充分的潮濕，此時產(chǎn)生污閃的可能性就會大大增加。第二個因素是絕緣子串的泄漏距離偏小，不能適應污穢和潮濕的環(huán)境。污閃是在絕緣電阻下降、泄漏電流增大到一定程度時才會發(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。

5.雷擊過電壓造成開關柜閃絡

在電力系統(tǒng)中，有雷擊放電引起的過電壓造成開關柜“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雷擊過電壓，造成開關柜閃絡。

二、開關柜絕緣問題常用檢測方法

絕緣事故多發(fā)生于10kV及以上的電壓等級的開關柜中，一臺開關柜出現(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，因此可以通過對其進行局部放電測量來得到相關信息。本文對常用的開關柜局放檢測方法優(yōu)缺點進行了分析，如表1所示。

綜上所述，對于以上幾種針對局部放電的檢測方法，都具有分析和判斷設備內(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，其中最為突出的是這些方法都會受到外界無關信號的干擾。

三、開關柜劣化氣體產(chǎn)生成因分析

在長期高溫、高電壓、振動、潮濕等的作用下，高壓開關柜內(nèi)金屬件由于制造中潛伏的缺陷或者運行中產(chǎn)生的缺陷，引起局部放電的發(fā)生。當開關柜內(nèi)產(chǎn)生局部放電時，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體附近，導致開關柜中有機絕緣材料及氣體絕緣介質(zhì)的分解，并與氧氣發(fā)生化學反應，從而可能產(chǎn)生H2S、NO2、SO2及CO等氣體。劣化氣體產(chǎn)生的三個可能原因：

1.由于氣體絕緣開關柜是一種利用氣體絕緣的開關柜，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)，當氣體絕緣開關柜發(fā)生故障時，極有可能發(fā)生氣體泄漏。

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

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

四、模擬空氣及有機絕緣材料分解平臺設計及實驗方法

1.分解平臺設計

為便于對開關柜微量氣體進行檢測和分析，設計一種能更精確模擬空氣在涉及有機絕緣材料環(huán)境下分解的平臺，主要由罐體、發(fā)熱元件、溫控系統(tǒng)和分解組分檢測系統(tǒng)組成，自動溫控系統(tǒng)控制發(fā)熱元件產(chǎn)生局部高溫，模擬空氣在涉及有機絕緣材料環(huán)境下發(fā)生分解的物理化學過程，由分解組分檢測系統(tǒng)對產(chǎn)生的分解組分進行定量測定。

（1）罐體

罐體上設有進氣口和采氣口，進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，包裹與開關柜相同材質(zhì)的環(huán)氧樹脂有機絕緣材料層，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絕緣材料環(huán)境下發(fā)生分解的物理化學過程。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，以排出檢測器中的殘留氣體。

（4）分解組分檢測系統(tǒng)，

分解組分檢測系統(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，用于檢測從采氣口采集的氣體的種類和含量，并對有機絕緣材料的元素進行分析。在對罐體和發(fā)熱元件清洗后，對罐體進行洗氣，然后充氣，在罐體內(nèi)的H2O和O2體積分數(shù)符合標準后，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絕緣材料環(huán)境下的分解過程。

2.實驗方法設計

IEC 60480-2005和IEC 60376-2005標準規(guī)定，運行中的氣體絕緣裝備主氣室H20體積分數(shù)最大允許值為200×10-6，因此實驗開始時將罐體內(nèi)H20體積分數(shù)控制在100×10-6以下。本文以20℃為梯度開展涉及有機絕緣材料的局部過熱空氣分解實驗，實驗溫度范圍為200-500℃。為了保證實驗的可重復操作性，所有實驗均在（20士3）℃的環(huán)境溫度下進行。實驗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擦洗實驗罐體內(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（體積分數(shù)為99.9995%），再抽真空，重復該洗氣過程3次。

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

（4）設定溫度：接通自動動溫控系統(tǒng)電源，并將溫度調(diào)至設定值，開始模擬空氣及有機絕緣材料局部過熱狀態(tài)下分解實驗。

（5）采氣：實驗連續(xù)進行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系統(tǒng)進行測定和分析。每次采氣量≤100 mL，整個實驗周期的采氣量≤1 L，占罐體內(nèi)氣體總量的1/60（氣室容積15L、氣壓400kPa），認為采氣量不會造成的罐體內(nèi)氣壓下降。

（6）實驗結束：實驗結束后斷開電源，將罐體抽真空并放置24 h，使殘留在實驗罐體內(nèi)壁的分解產(chǎn)物等雜質(zhì)徹底釋放。

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

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

結論

通過研究開關柜劣化氣體在放電條件下的分解機理及分解物的生成特性，實現(xiàn)絕緣缺陷類型和放電程度的間接估計，適宜檢測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備內(nèi)部環(huán)境的影響，因此通過檢測局放下劣化氣體的生成特性（如組分類別、體積分數(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)測手段不同，該方法不針對放電瞬間的物理變化，而基于局放的非電學特征（分解物生成）的累積特性，因此更能描述設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，同時兼具良好的抗電磁干擾、抗振動噪聲能力，可以作為開關柜的局放診斷和絕緣性能評估的一種有效檢測手段。

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