CN105004970B - 高气压下高电压局部放电模型切换装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)腔体局部放电试验用的高气压下高电压局部放电源模型切换装置。该切换装置由局部放电模型、可伸缩推杆、高气压密封腔体、腔体高压电极、和控制器组成。每个可伸缩推杆能够在控制器的控制下伸出或者缩回，从而将局部放电模型推出使其接触腔体高压电极，或者将局部放电模型撤回使其远离腔体高压电极。局部放电模型的长度和推杆的伸缩范围经过绝缘距离计算，使得缩回的局部放电模型不影响伸出的局部放电模型的放电性能。本发明可以提高GIS设备局部放电试验的效率和准确性，同时还降低了试验过程中潜在的人身安全风险。

Description

高气压下高电压局部放电模型切换装置

技术领域

本发明属于气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)高电压绝缘试验领域，具体是指一种可以在GIS局部放电试验过程中实现GIS腔体内部局部放电模型自动切换的装置。

背景技术

气体绝缘封闭开关设备(GIS)采用3～6个大气压的六氟化硫(SF₆)气体作为绝缘介质，实现高压导体与金属外壳之间的电气绝缘，高压导体则依靠盆式绝缘子、支撑绝缘子等固体绝缘介质来支撑。GIS以其占地面积小，不受大气影响，可靠性高等优良性能在电力***中的使用日益广泛。然而，内部会出现由于绝缘缺陷引起的局部放电，长时间发展会导致绝缘损害，对其进行检测显得尤为重要。

实验室中多采用与实际现场用GIS尺寸一致的的腔体之中放置不同的局部放电模型对GIS的局部放电进行研究，局部放电模型种类很多，用于模拟GIS设备中的不同绝缘缺陷，如电晕放电模型、沿面放电模型、气泡放电模型、悬浮放电模型，颗粒放电模型等。

传统试验方式是在GIS腔体内部设计好的高压电极与平板电极之间放置单一局部放电模源型进行相关试验，一种模型试验完成后再更换其他种类模型。由于GIS内部充有高压SF6气体，因此，在研究不同局部放电模型的局部放电特征时，更换模型的过程十分漫长，需要停电回收GIS腔体内的SF₆气体，然后打开GIS腔体更换模型，且腔体盖板等组件重量也相当可观，因而大大降低了试验的效率，造成了不必要的时间延误，且每次更换局部放电模型，使得试验的相关条件某种程度上产生了一定量的差异，试验的对比性上也会有所折扣。因此设计一种可以实现不用打开GIS腔体进行局部放电模型自动切换的试验***，对于提高GIS局放试验的效率以及提高试验数据的准确性而言，有着十分积极的意义且非常必要。另外一方面遥控控制的机械结构实现了人与高压设备电气上的完全隔离，降低了试验过程中潜在的人身安全方面的风险。

发明内容

本发明的目的在于提供一种安装于高气压下的局部放电模型切换装置，实现高电压等级GIS设备腔体内部不同局部放电模型的自动切换。

本发明的具体内容是：

局部放电模型切换装置由局部放电模型[1]、可伸缩推杆[2]、高气压密封腔体[3]、腔体高压电极[4]、和控制器[5]组成，其特征是：可伸缩推杆[2]能够在控制器[5]的控制下伸出或者缩回，从而将局部放电模型[1]推出使其接触腔体高压电极[4]，或者将局部放电模型[1]撤回使其远离腔体高压电极[4]；局部放电模型[1]、可伸缩推杆[2]和腔体高压电极[4]均处于高气压密封腔体[3]内部；控制器[5]处于高气压密封腔体[3]外部；局部放电模型[1]固定在可伸缩推杆[2]上，从而局部放电模型[1]可随可伸缩推杆[2]的伸出或缩回而运动；可伸缩推杆[2]只能处于伸出状态或者缩回状态；其中当可伸缩推杆[2]处于伸出状态时，局部放电模型[1]的高压触头[11]正好接触腔体高压电极[4]；当可伸缩推杆[2]处于缩回状态时，局部放电模型[1]的高压触头[11]与腔体高压电极[4]脱离接触；当可伸缩推杆[2]处于缩回状态时，局部放电模型[1]的高压触头[11]与腔体高压电极[4]之间的距离大于局部放电模型[1]的长度。可伸缩推杆[2]固定在高气压密封腔体[3]的盖板[7]上，并且与腔体高压电极[4]相对；高气压密封腔体[3]与腔体高压电极[4]之间的空间是局部放电模型[1]的移动空间；可伸缩推杆[2]与控制器[5]之间的电气连接通过位于盖板[7]上的贯通器[8]的金属导杆[21]来实现；高气压密封腔体[3]和盖板[7]由金属材料制作，并且接地；局部放电模型[1]由高压触头[11]、地电极[12]、放电间隙[13]和绝缘支架[14]构成，其中高压触头[11]和地电极[12]由金属材料制作；地电极[12]与盖板[7]之间用金属导线电气连接；贯通器[8]由金属导杆[21]、螺帽[22]、密封圈[23]和绝缘垫[24]构成；其中金属导杆[21]中间有一凸台[25]，两端有螺纹；安装时金属导杆[21]穿过盖板[7]上的孔，使凸台[25]在高气压密封腔体[3]内，并且将密封圈[23]放在凸台[25]与盖板[7]之间；螺帽[22]拧在金属导杆[21]伸出盖板[7]的那一侧；绝缘垫[24]放在螺帽[22]与盖板[7]之间；金属导杆[21]位于高气压密封腔体[3]内的一端连接可伸缩推杆[2]的电气接线，金属导杆[21]位于高气压密封腔体[3]外的一端连接控制器[5]的电气接线。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。

图1为本发明***的总体纵切面示意图，图中仅显示了两个可伸缩推杆，实际中在与该纵切面垂直方向还存在两个相同的推杆，贯通器也仅画出两个以示意其安装方式，图1(a)为可伸缩推杆伸出时的效果图，图1(b)为可伸缩推杆缩回时的效果图。

图2为本发明***的在GIS腔体内部的纵切面细节图。

图3为贯通器的安装剖面图。

具体实施方式

本实施例给出一种安装于110kV电压等级GIS腔体上的高气压下高电压局部放电模型切换装置，其中可切换的局部放电模型数量为四个。

(1)高气压密封腔体

高气压密封腔体是110kVGIS设备上的一段腔体上，其主要作用是为局部放电模型提供放置空间。该气密封腔体由金属铝圆筒形腔体和顶部的金属铝密封法兰盖板构成，并且通过盆式绝缘子与GIS设备上的其余腔体隔离。高气压密封腔体以及顶部法兰盖板按照110kV气体绝缘金属封闭设备腔体要求设计，其中顶部的法兰盖板为局部放电模型、电动推杆和贯通器提供机械安装与支撑。

(2)局部放电模型

局部放电模型种类很多，分为尖刺、悬浮、金属颗粒、裂纹等，用于模拟GIS设备内部各种不同的绝缘缺陷。由高压触头、地电极、放电间隙和绝缘支架构成。通过改变放电间隙的具体结构，可以分别模拟尖刺、悬浮、金属颗粒、裂纹放电。放电间隙的具体结构可以参照现有常见的结构形式。

局部放电模型安装于材质为环氧树脂的圆柱形绝缘支架上，模型底部包裹有铝制高压触头，以保证局部放电试验时与高压电极充分接触；绝缘支架另一端与可伸缩推杆相连，从而可以利用可伸缩退杆的伸缩功能实现局部放电模型与高压电极的接触与分离；局部放电模型位于地电极与高压电极之间的放电间隙处；地电极为铜质，安装于绝缘支架上，与底部高压电极间的距离可调，用于控制局部放电的间隙距离，地电极与高气压密封腔体的法兰盖板之间通过铜质导线相连接，实现了地电极与大地的连接。

(3)可伸缩推杆

可伸缩推杆为市售电动推杆，材质为不锈钢，由直流电机驱动推杆实现伸缩功能。高压密封腔体内部安装的可伸缩推杆数目为四个，可伸缩推杆通过螺丝固定于高压密封腔体法兰盖板上，推杆可伸缩部分的运动方向垂直向下，推杆末端与固定局部放电模型的绝缘支架相连接。同时由于高压导电杆构成的高压电极以及电动推杆本身的尺寸局限，电动推杆向内倾斜4°以保证局部放电模型能与高压电极接触。可伸缩推杆与位于高压密封腔体外部的控制器通过钢制贯通器实现电气上的接线连接，以实现对其伸缩行为的控制。

(4)腔体高压电极

腔体高压电极为一直径88mm的圆盘形结构，与穿过高气压密封腔体底部盆式绝缘子的金属导电杆相连，从而与GIS设备的高压电极联系起来，为局部放电模型提供试验电压。

(5)控制器

控制器位于高气压密封腔体外部，具体是指与高气压密封腔体内部的可伸缩推杆相连接的直流电源模块及其配套可发射红外线命令的遥控器，其与220V的交流电源连接，其主要作用是将220V的交流电转换为24V的直流电源输出，为安置于高气压密封腔体内部的四个可伸缩推杆的直流驱动电机提供电源，同时该直流电源模块还装配了红外线遥控接收回路，可以接收所配备的遥控器的指令，遥控器上配有四组按键，用以实现分别对四个可伸缩推杆的伸出缩回动作的独立控制。

如图1所示，高气压密封腔体[3]竖直安装于110kV电压等级的GIS设备平台之上，腔体[3]完全按照实际运行条件下的GIS设备尺寸进行设计，其垂直于地面安装，内径为248mm，腔体[3]从上部法兰盖板[7]的底面到底部高压导杆电极的垂直距离为462.5mm。

腔体[3]的顶部的法兰盖板[7]材质要求为5A02铝板，盖板厚度20mm，形状为圆形，盖板直径345mm，法兰盖板[7]开有与腔体法兰相配合的紧固通孔12个，直径为14mm，紧固孔圆心位于直径314mm的圆的12等分点上。盖板粗糙度要求为6.3μm，腔体[3]法兰与法兰盖板[7]之间用三元乙丙橡胶垫片保证密封。

盖板[7]上为贯通器开8个通孔，孔径16mm，其中4个孔圆心的定位于与盖板[7]圆心重合直径180mm的圆的四等分点上，另外四个孔圆心的定位与盖板[7]圆心重合直径50mm的圆的四等分点上；盖板[7]靠内部腔体侧面为可伸缩推杆[2]的固定底座开16个M6的螺纹盲孔，孔深10mm；盖板[7]腔体内侧面空余位置还开有1个M8深10mm的螺纹盲孔，用于地电极[5]接地线与外壳连接的接地螺母的安装；盖板[7]腔体外侧面安装有两个不锈钢把手，以便于试验安装过程中对法兰盖板进行拆卸。

腔体[3]外部的控制器[5]的直流电源模块与220kV交流电源相连接并将其转换为可伸缩推杆[2]的驱动直流电机所用的24V直流电压，从而为可伸缩推杆[2]的驱动电机提供24V直流电源，直流电源模块配有四个插孔分别为四个可伸缩推杆[2]独立提供直流电源，同时控制器[5]的直流电源模块内部配有红外遥控信号接收模块接受来自遥控器的命令，用于控制四个电源插孔电源的正负极性的转换，试验人员在安全距离以外通过按动遥控器上对应的操作按钮来控制直流电源输出的极性，通过输出直流电极性的翻转实现可伸缩推杆[2]驱动电机的转动方向的变化，从而对实现可伸缩推杆[2]伸缩功能的独立遥控控制。

由于可伸缩推杆[2]位于高气压密封腔体内部，为了实现可伸缩推杆[2]与位于高气压密封腔体外部的控制器[5]之间的电气连接，本发明设计了相应的贯通器[8]来达到这一目的，贯通器[8]的总体数目为8个，每个可伸缩推杆2需装配2个，用于穿过法兰盖板，使得控制器[5]与GIS腔体内部的可伸缩推杆[2]的接线连接起来，为可伸缩推杆[2]提供电源并实现对其伸缩功能的控制，同时要保证良好的密封防止SF₆气体的泄漏。

如图3所示，贯通器[8]整体材质为不锈钢，以保证良好的导电性和机械强度，贯通器[8]穿过法兰盖板[7]部分为长50mm带M12有的螺纹的金属导杆[21]；金属导杆[21]位于腔体内部侧带有厚15mm直径30mm用于压紧密封圈[23]的凸台[25]，从而实现密封功能；密封圈[23]材质为三元乙丙橡胶，用于凸台[25]的密封面和法兰盖板之间的密封，密封圈[23]内径为12mm，密封接触面宽度为9mm，密封圈厚度为2mm；法兰盖板[7]上贯通器[8]穿过的通孔直径为16mm；金属导杆[21]伸出法兰盖板[7]腔体外侧面部分装配有M12的六角法兰面螺帽22与其M12的螺纹相匹配；绝缘垫[24]安装在螺帽[22]与盖板[7]之间，绝缘垫[24]的材质为聚四氟乙烯，内径与M12螺纹匹配，外径28mm，绝缘垫[24]内环侧带有高10mm厚2mm垂直于垫片的筒形结构，目的是进行绝缘隔离，防止金属导杆[21]以及所配螺母[22]与同为金属材质的法兰盖板[7]发生接触导致短路；贯通器[8]两端为长30mm，公称直径M6的螺纹杆，用于和对应的接线螺帽配合以固定接线。

如图2所示，4个可伸缩推杆[2]通过螺丝固定于法兰盖板[7]的靠高气压密封腔体[3]内侧的平面上，由于可伸缩推杆[2]底部带有的直流电机，其底部所占面积较大，单个可伸缩推杆[2]所占安装面积约为四边长度都为75mm的正方形区域，经测算，4个可伸缩推杆[2]完全垂直于盖板[7]固定无法使局部放电模型[1]的高压触头[11]接触到直径为88mm的腔体高压电极[4]，为了保证局部放电模型[1]与腔体高压电极[4]的接触，需要将可伸缩推杆[2]斜向放置，倾斜方向为垂直于盖板[7]底面向高气压密封腔体内部轴心线倾斜4°。可伸缩推杆[2]在运动杆缩回的情况下固有长度为130mm+推杆行程，推杆行程即可伸缩推杆可[4]运动部分的金属推杆的长度，可伸缩推杆[2]要保证在其中一个推杆伸出的时候，安装在其余的可伸缩推杆[2]上的局部放电模型[1]的高压触头[11]位于正在试验的局部放电模型的地电极[12]上方，以免造成不必要的干扰，因此推杆行程要大于局部放电模型[1]与其绝缘杆[6]的总长度，最终确定推杆行程110mm，伸缩的速度为2.5mm/s。

可伸缩推杆[2]末端与局部放电模型[1]的绝缘支架11相连接，其连接方式如下：可伸缩推杆[2]末端结构为一直径20mm的不锈钢圆柱，距离推杆[1]末端9mm处垂直于该圆柱曲面有一直径6.5mm的通孔，在推杆[1]末端匹配其尺寸安装一铝制金属帽，金属帽套装于推杆[1]末端并用一穿过上述通孔的螺丝紧固起来，金属帽底部中心处开有一公称直径M16的螺纹孔，局部放电模型[1]的绝缘支架[14]靠地电极一侧位M16的螺纹杆通过该螺纹孔旋紧固定在该金属帽上，从而实现局部放电模型[1]和可伸缩推杆[2]的连接与固定。

局部放电模型的绝缘支架[13]材质为环氧树脂，为一直径18mm长度110mm的圆柱，绝缘支架上部即靠可伸缩推杆[2]末端一侧带有M16长度65mm的螺纹，下部与腔体高压电极[4]接触侧镶有铝制高压触头，占绝缘支架总长度中的15mm。

局部放电模型[1]的绝缘支架[13]靠可伸缩推杆[2]一侧装有地电极[12]，地电极材质为铜质，圆形，直径70mm，厚度10mm，边缘做R5圆形倒角处理，中心处开M16螺纹孔，与局部放电模型[1]的绝缘支架[13]的M16的螺纹相配合，可以通过旋转的方式调节其与腔体高压电极[4]的距离，同时地电极[12]背朝腔体高压电极[4]侧带有筒形结构，其上安装一紧固螺丝以固定地电极防止松动，绝缘支架[13]上垂直于其圆柱底面在螺纹上削截出一平面，用于作为紧固螺丝的固定接触面，地电极[12]背朝腔体高压电极[4]的面上开有M6的螺纹盲孔，孔深6mm，并配以紧固螺丝，用于安装与腔体外壳相连的地线；地电极[12]的活动距离要保证离腔体高压电极[4]最近时不能发生沿面闪络，同时还要能够保证模型上有局部放电的发生，经查阅相关资料，环氧树脂在0.4MPa的SF₆气体环境高低压电极间距离为20mm时，其闪络电压已经高达400kV左右，因此，本试验***设计地电极[12]与腔体高压触头[11]之间距离最小为30mm是可以避免沿面闪络的影响的。

局部放电模型[1]的放电间隙位于绝缘支架[13]在地电极[12]与高压触头[11]之间，其间即为模拟各种绝缘缺陷的具体局部放电模型。

进行局部放电模型相关试验时，连接好相关接线后，试验人员在安全距离意外操作手中的红外线遥控器控制多个可伸缩推杆[2]中的一个推出，使得局部放电电模型[1]的高压触头，靠近腔体高压电极[4]并与之发生接触，然后开始相关试验，试验完成后，通过遥控器控制该局部放电模型[1]所属可伸缩推杆缩回；待该局部放电模型完全收回后，再控制另外一个可伸缩推杆向下伸出，从而实现了局部放电模型的自动切换，中途不需要泄放SF₆、打开腔体人工置换放电模型，进而达到了提高试验效率、保证人身安全的目的。

Claims (1)

1.一种高气压下高电压局部放电模型切换装置，其特征是：该装置由局部放电模型[1]、可伸缩推杆[2]、高气压密封腔体[3]、腔体高压电极[4]、和控制器[5]组成；可伸缩推杆[2]能够在控制器[5]的控制下伸出或者缩回，从而将局部放电模型[1]推出使其接触腔体高压电极[4]，或者将局部放电模型[1]撤回使其远离腔体高压电极[4]；局部放电模型[1]、可伸缩推杆[2]和腔体高压电极[4]均处于高气压密封腔体[3]内部；控制器[5]处于高气压密封腔体[3]外部；局部放电模型[1]固定在可伸缩推杆[2]上，从而局部放电模型[1]可随可伸缩推杆[2]的伸出或缩回而运动；可伸缩推杆[2]只能处于伸出状态或者缩回状态；其中当可伸缩推杆[2]处于伸出状态时，局部放电模型[1]的高压触头[11]正好接触腔体高压电极[4]；当可伸缩推杆[2]处于缩回状态时，局部放电模型[1]的高压触头[11]与腔体高压电极[4]脱离接触；当可伸缩推杆[2]处于缩回状态时，局部放电模型[1]的高压触头[11]与腔体高压电极[4]之间的距离大于局部放电模型[1]的长度；可伸缩推杆[2]固定在高气压密封腔体[3]的盖板[7]上，并且与腔体高压电极[4]相对；高气压密封腔体[3]与腔体高压电极[4]之间的空间是局部放电模型[1]的移动空间；可伸缩推杆[2]与控制器[5]之间的电气连接通过位于盖板[7]上的贯通器[8]的金属导杆[21]来实现；高气压密封腔体[3]和盖板[7]由金属材料制作，并且接地；局部放电模型[1]由高压触头[11]、地电极[12]、放电间隙[13]和绝缘支架[14]构成，其中高压触头[11]和地电极[12]由金属材料制作；地电极[12]与盖板[7]之间用金属导线电气连接；贯通器[8]由金属导杆[21]、螺帽[22]、密封圈[23]和绝缘垫[24]构成；其中金属导杆[21]中间有一凸台[25]，两端有螺纹；安装时金属导杆[21]穿过盖板[7]上的孔，使凸台[25]在高气压密封腔体[3]内，并且将密封圈[23]放在凸台[25]与盖板[7]之间；螺帽[22]拧在金属导杆[21]伸出盖板[7]的那一侧；绝缘垫[24]放在螺帽[22]与盖板[7]之间；金属导杆[21]位于高气压密封腔体[3]内的一端连接可伸缩推杆[2]的电气接线，金属导杆[21]位于高气压密封腔体[3]外的一端连接控制器[5]的电气接线。