10-35 kV高压开关柜潜伏性故障特征气体分析和预警研究.pdf

2023 年 8 月第 19 卷 第 3 期系统仿真技术System Simulation TechnologyAug.，2023Vol.19，No.31035 kV高压开关柜潜伏性故障特征气体分析和预警研究王利红1*，李强1，罗传胜2，黄晓明2（1.洛阳供电公司 河南 洛阳 471000；2.广西南宁供电局 广西 南宁 530021）摘要：为改善电力系统的供电可靠性和稳定性，本研究对高压导体故障中的突出异物故障模型进行分析，并选择适当的参数来模拟故障。实验结果表明，高压开关柜内的空气在电的刺激下会产生一定量的较为稳定的一氧化氮、二氧化氮气体以及臭氧、三氧化氮、五氧化二氮等不稳定气体；金属突出物故障下产生的一些气体组分，如一氧化氮、二氧化氮等特征气体，其浓度会随着放电量、放电时间的增加表现出不同程度的增长。这为开关柜内预警系统的研究提供了技术支持，同时也为电力系统开关装置内部故障引起的气体研究分析奠定了一定的基础。关键词:高压开关柜；故障；不稳定气体；特征气体；预警系统Analysis and Early Warning of the Latent Fault Characteristic Gas in 10-35 kV High Voltage SwitchgearWANG Lihong1*，LI Qiang1，LUO Chuansheng2，HUANG Xiaoming2（1.Luoyang Power Supply Company，Luoyang 471000，China；2.Nanning Power Supply Bureau of Guangxi，Nanning 530021，China）Abstract：In order to improve the power supply reliability and stability of the power system，the fault model of prominent foreign matters in the high-voltage conductor fault is analyzed，and appropriate parameters are selected to simulate the fault.The experimental results show that the air in the high-voltage switchgear will produce a certain amount of relatively stable nitric oxide，nitrogen dioxide，ozone，nitrogen trioxide，nitrogen pentoxide and other unstable gases under electrical stimulation.Some gas components produced under the fault of metal protrusion，such as nitric oxide and nitrogen dioxide，are collectively referred to as characteristic gases.The concentration of characteristic gases will increase with the increase of discharge amount and discharge time.This provides technical support for the research of the early warning system in the switchgear，and also lays a certain foundation for the research of the gas decomposition caused by the internal fault of the switchgear in the power system.Key words：high voltage switch cabinet；fault；unstable gas；characteristic gas；early warning system由于中国经济的快速发展，能源消耗和电力系统装机容量迅速增长。根据官方发布的最新数据，全国用电量达到8.2万亿kW h，发电设备总装机容量超过21.3亿kW1。供电系统的基本组成部分即输配电设资助项目：联合基金集成项目(U2166601)通信作者：王利红，E-mail:中图分类号:TP 393 文献标志码:A DOI:10.16812/31-1945.2023.03.010系统仿真技术第 19 卷 第 3 期备的安全性是确保供电系统正常运作的关键。研究表明，输配电设备是导致供电系统运作异常的原因之一2，要想确保供电系统处在安全可靠的运行状态，减少事故造成的损失，监控输配电设备很有必要。高压开关设备是最常用的输配电设备之一，其中高压开关柜在整个用电过程中起着控制和保护作用。开关装置包括断路器、隔离开关和其他保护设备3。如果电力系统发生故障，连接开关柜内部的开关会马上断开。目前，国内外高压开关柜的监控主要集中在温度和局部放电2个方面。开关柜温度监控主要采用红外辐射测温法、无线传感器测温法和光纤测温法。而开关柜局部放电检测主要采用电检测法和非电检测法。电检测法分为脉冲电流法、暂态对地电压法。非电检测法分为超声波检测法、光检测法和红外检测法4-6。国内外学者对供电系统局部放电情况下开关柜内空气的电解组分做了很多研究。Traian等7设计了一个测试单元和4种人工缺陷来模拟电气设备在局部放电下的空气分解现象，建立了一套气体测量系统，用于检测分解气体 O3和 NOx。Song等8建立了一个高度集成的燃料等离子体分解系统，证实了大间隙介质在微秒脉冲电源激励下阻挡放电可以裂解正癸烷，在正癸烷的裂解产物中发现了碳原子数小于10的烷烃、烯烃和氢。通过查阅相关文献可以发现，无论是开关柜温度监控还是局部放电监控都只是监控单独的一个量，并不能及时反映开关柜内实时情况。除此之外，2种监控都不能在故障发生前发出预警，这是它们的最大弊端。因此，研究开关柜内气体在线监控系统有利于及时发现异常，排除隐患。本研究对固体金属突出物缺陷这一典型故障模型进行了分析研究，并选择恰当的参数来模拟故障。1 空气局部放电理论与方法 开关柜内部的绝缘故障分布广泛，且类型多样，另外发生故障过程中可能会转移。绝缘故障不同，就会导致开关柜内部绝缘强度不同，所造成的损伤也不同。因此，探讨系统性特征分解空气绝缘故障，并利用分解空气成分特征来判断故障类型和故障程度，设计一个能够有效地研究空气放电故障的模拟实验很有必要。此外，还需要开发一种检测分解产物的设备来实施一种可操作的实验方案9。1.1气体放电实验室系统基本构成该系统主要由无电晕交流变压器、分压器、数字示波器、放电分解室、检测阻抗、烟气分析仪、耦合电容器和保护电阻等组成。输出电压最高限度为250 V，系统电压调节器的电压最高限度为220 V。交流变压器最高输出电压为50 kV，额定电压为10 kV。保护变压器的阻力是10 k，用来限制电流回路断裂，将其设置为默认模式。耦合电容器、检测阻抗和示波器是一套放电量检测系统。耦合电容器将绝缘故障产生的局部放电脉冲电流耦合到数字示波器上，通过感应检测阻抗将其转换为相应的脉冲电压信号。示波器模拟带宽为1 GHz，存储长度为50 m，最大采样速率为15 GS/s。1.2绝缘故障物理模型设备在运行过程中，会时常发生各种各样的故障，而且有些特殊的故障是现有研究技术无法解决的，其中绝缘故障较多，故障分布广泛。本研究选择典型的固体金属故障、绝缘子内部缺陷和自由金属微粒故障作为研究对象，并对故障进行了物理模型模拟10-11。当前，电力运营商在电力输送过程中使用最多的是输出电压为10 kV的开关柜，这种开关柜的绝缘系统用料一般都是环氧树脂，外壳用料一般都是新型的镀锌材料，导电杆的使用材质一般都为铜。本研究设计3种绝缘缺陷模型，模拟开关柜中绝缘系统故障的光电二极管（Photo diode，PD）检测。开关柜中金属导体是一个比较容易产生突出物的部位，而这种情况一般发生在开关柜的制作、运送以及开关柜的组装过程中。由于突出物的影响，在金属导体工作过程中会在故障部位产生一种特殊的电场，这种电场在金属导体承受过大电压时会造成局部放电现象，而且这种电场的影响极不稳定，所以电力在输送过程中很难控制。但这种缺陷造成的局部放电现象在无干扰的情况下非常稳定，所以一般很难觉察。长期的局部放电会使开关柜内绝缘系统中的气体发生分解，从而严重危害设备。本研究采用的模拟突出物为针电极，主要的材质为黄铜，针尖角度为30，半径大约为0.3 mm，放置在高压部分。采用的接地电极是经过抛光处理的Bruce电极，电极的弧度为10 mm，半径为60 mm，材质是普通的不锈钢，主要用来模拟开关柜的外壳，2个电极之间的距离为10 mm。1.3空气分解实验方法及步骤本研究对实际开关装置下固体金属突出物故障进行测试12。首先，在每次实验之前都必须对绝缘体进248王利红，等：1035 kV高压开关柜潜伏性故障特征气体分析和预警研究行清洗，使用丝绸将绝缘体包裹浸泡在干净的无水乙醇中，保证残留的杂质、灰尘和组件的分解物不会吸附在容器壁上，容器应采用玻璃材质，便于观察实验现象。其次，在实验过程中，可采用空气湿度控制装置，将空气湿度控制在一定水平，之后抽走排出室，注入干燥空气使空气压力与大气压力相同。使用循环泵去离子水，设置一定的湿度13。最后，使用脉冲电流检测不同模型校准的填埋量，从而确定绝缘故障、电压梯度或粒子数量的增加速度，并记录相关数据，分析局部放电的特点。1.4开关柜绝缘体预警系统硬件设计本研究设计的绝缘体预警系统硬件由10个部分组成，分别为外围电路模块、C8051F020管理单元、报警模块、信号采集和处理模块、电源模块、传感器模块、时钟模块、LCD模块、存储模块以及RS-485通信模块。开关柜绝缘体预警系统硬件电路框如图1所示。开关柜预警系统的工作原理是信号处理模块将电化学气体（CO2、NH3、HCN）传感器输出的信号经过处理后输入到 C8051F020 管理单元的单片机 A/D 转换中，然后单片机对数据进行读取，其中CO2单片机只需读取浓度值即可，因为气体传感器会对数据进行处理并将浓度值输出到单片机上，单片机会将读取到的数据进行处理并显示在LCD上，同时会发给上位机，中间还需传输电路模块做介质，单片机对四路传感器进行采样的时间间隔都为50 ms。单片机将数据传输到上位机后，上位机会对数据做进一步的处理，将处理结果反馈到单片机，如果数据达到报警值，单片机会将信号传输到报警系统，从而发出警报，工作人员收到警报后会对系统进行相应的处理。在开关柜电气设备中，空气的组分含量相对稳定，主要由 78%的氮气，21%的氧气，0.94%的稀有气体（氦、氖、氩、氪、氙、氡），0.03%的二氧化碳，0.03%的其他物质（如水蒸气、杂质等）组成。空气的成分不是固定的，在遇到强烈的光效应、热效应或者电磁效应时，会发生复杂的物理化学反应，分解生成多种气体物质。本研究选取较为稳定的CO、NO2组分分析其在固体金属突出物缺陷模型下的产气浓度、放电量以及产气速率的特性。1.5产气速率CO和NO2的体积浓度会随着局部放电时间的延长稳定增加，但在不同的电压等级下，即不同的 PD强度下其各自的斜率变化趋势各不相同，这表明 PD强度可以根据 CO 和 NO2的产气速率与放电量的关系来决定。固体金属突出物缺陷在各个时段下的产气速率可以用绝对产气速率来表征，其公式如式（1）所示：va=vi-vi-1t（1）式（1）中，va为绝对产气速率，vi为第i次采集的气体体积浓度，vi-1为i-1次采集的气体体积浓度，t为2次采集气体体积浓度的间隔时间。本研究实验所采集气体体积浓度的间隔时间为4 h，持续放电时间为24 h，共采得6个数据。为使产气速率更具有统计性，本研究采用气体产气速率的均方根值来表征固体金属突出物缺陷在各个时段下的产气率值，其公式如下所示：vm=j=16v2aj6（2）式（2）中，vaj为第j个时间段内的绝对产气速率。图1预警系统硬件电路框Fig.1Hardware circuit block of early warning system249系统仿真技术第 19 卷 第 3 期根据式（2）可计算出分解组分产气均方根值速率与放电量的关系曲线。2 结果分析 2.1浓度随时间的变化特性2.1.1 CO浓度随时间变化特性CO浓度随放电时间的变化如图2所示。当施加的电压为10 kV时，CO浓度随系统的放电时间呈一定数值的线性增加。当施加的电压为35 kV时，CO的浓度随着系统放电时间的增加而呈现不同数值的增加，以饱和的增长趋势呈现出来。这是因为CO的生产过程有2条轨道，其中之一就是使用黄铜元素作为电极材料，其含有少量的电极，在电场的能量作用下空气中的带电粒子会对铜电极进行撞击，此时在电极的表面，将会释放碳元素和铜元素，并被氧化成CO2；另一个是使用一定量空气中的 CO2作为电极材料，当高能电子撞击CO2时，就会产生CO。由于高能电子对CO2的作用需要大量的能量来产生CO，所以第一条轨道并不容易产生，当施加较低的电压时，放电强度不够大，在一定时间内电极可以持续激发产生碳元素，CO的产量就会呈现线性增长趋势。此时，当放电强度增加时，碳元素的含量较高，电极比较强烈，因此在一个有限的时间里，碳元素不能持续产生，会自然下降，从而导致生成CO的过程呈现饱和趋势。2.1.2 NO2浓度随时间变化特性NO2浓度随放电时间的变化如图3所示。当施加电压为1020 kV时，NO2浓度随放电时间呈一定数值的线性增加。当施加的电压超过20 kV时，NO2浓度随着放电时间的增加而呈现不定数值的增加，以饱和增长的趋势表现出来。当电压为1015 kV时，放电强度相对柔和，且能量不足以打破氮三键。此时NO2中氮的主要来源是氮气和氧的相撞，当电压大于等于20 kV时，放电强度应高于实验值。氮气中的氮不仅来自氮气和氧之间的碰撞，还来自氮三键的断裂，这大大增加了氮的产生，随着电力的增加，NO2也显著增加。然而，由于反应中存在臭氧，而臭氧具有极强的氧性，不但没有被氧化为NO2，而且NO2还被氧化为三氧化氮、五氧化二氮等气体。但是三氧化氮，五氧化二氮和其他气体不可能稳定存在，会分解成NO2。随着放电时间的增加，反应将达到动态平衡，NO2在有限的时间内呈现饱和趋势。2.2浓度随放电量的变化特性CO和NO2的密度浓度随放电量的变化如表1所示。随着局部放电时间的增加，CO和NO2的浓度随着放电量的增加呈线性增加。产生的局部放电主要是由金属端电场的变形造成的。因为激发的电子数量与反应的产生也有相应的关系，所以这种故障下的放电持续时间很长。因此，有效周期内电子的连续产生是各组分的分解量随放电量呈线性增加的决定性因素。在放电量较低时，电极表面的碳原子会被激发产生CO，这就是固体金属突出物断裂产生CO的主要来源。空气中的活性电子撞击二氧化碳分子后通过放电图2CO浓度随时间变化曲线Fig.2Change of CO concentration with time图3NO2浓度随时间变化Fig.3Variation of nitrogen dioxide concentration with time表1CO和NO2密度浓度随放电量变化表/lL1Tab.1Variation of density and concentration of carbon monoxide and nitrogen dioxide with discharge时间4 h8 h12 h气体CONO2CONO2CONO210000 pC21.5426414000 pC2.52648618000 pC537510822000 pC63.586151026000 pC741082012250王利红，等：1035 kV高压开关柜潜伏性故障特征气体分析和预警研究量的增加获得足够的能量产生CO。放电能量的强大使得氮三键电离破裂产生氮原子，在突出的固体金属故障下，随着放电量的增加，碳元素和氮元素也持续产生，这表明CO和NO2的产量随着填料量的增加呈线性增加。综上所述，随着放电时间的增加，CO的产量呈现从慢到快再到慢的增加状态，而NO2的产量呈现从慢到快的增加状态。2.3产气速率随放电量的变化特性CO和 NO2产气速率随放电量的变化曲线如图 4所示。从图4可以看出，CO的产气速率开始呈现缓慢增长趋势，然后出现类似线性的急剧增长，最后趋于平缓增长。其原因为CO生成所需要的C原子来源于黄铜电极，CO还可以从电子碰撞CO2获得，但所需能量较高。固体金属突出物局部放电的激烈程度可以直接从电极中激发 C 元素，所以一开始放电就有 CO 产生。随着放电量的增大，黄铜电极表面游离出少量的C原子，导致CO有效产气速率缓慢增加，而后随着放电量继续增加，其能量碰撞CO2产出CO，导致CO有效产气速率急剧增加。最后，电极中有限的C原子很难再激发出来，导致CO有效产气速率增加缓和，总体上呈三段式增长规律。NO2的产气速率随着放电量的增加呈现先缓慢增加后快速增加的规律。其原因为NO2生成所需要的N原子一方面来自N2的电离，一方面来自N2与O离基的碰撞。一开始由于放电量不够大，N原子只来自N2与O离基的碰撞。随着放电量继续增加，放电能量足以激发N2电离，极大地增加了N元素的含量。3 总 结 高压开关装置是供电系统中重要的能量分配装置。判断高压开关柜内设备发热情况，提前发出预警信号，防止因设备过热而引发事故，是当前急需解决的电力安全生产问题。本研究分析固体金属突出物缺陷这一典型故障模型，通过改变电压、测量故障模型的放电量来分析气体成分，发现局部放电以及相关部件特性的特征量，以及气体生产速率、特征成分气体之间的关联。研究结果表明：（1）金属突出物下空气放电产生的稳定产物有CO、NO2，电压较低时，CO浓度与放电时间呈近似线性增长；电压较高时，CO浓度与放电时间呈饱和趋势；（2）NO2浓度在低电压下与放电量呈线性增长关系，在高电压下开始趋向饱和；（3）CO、NO2浓度与放电量呈线性关系，即放电量不断增加时可持续放电使得空气分解生成CO、NO2。本研究的空气放电模拟平台能较好地模拟开关柜内部局部放电，为系统研究空气开关柜放电故障作用下的分解现象奠定了基础，后续的工作应集中在空气湿度、固体金属突出物针板之间的距离以及各缺陷模型采用不同材质等因素对空气局部放电分解组分的影响，完善健全空气分解组分诊断局部放电的方法。参考文献：1彭红霞，李涛，牛硕丰，等.高压开关柜绝缘监测及防凝露调控系统设计 J.电气自动化，2021（3）：26-28，58.PENG Hongxia，LI Tao，NIU Shuofeng，et al.Design of an insulation monitoring and anti-condensation control system for high-voltage switch cabinetsJ.Electrical Automation，2021（3）：26-28，58.2李方.KYN-28型开关柜局部放电故障解析及检测方法 J.农村电气化，2021（5）：37-38，72.LI Fang.Fault analysis and detect method of partial discharge in KYN-28 type switch cabinetJ.Rural Electrification，2021（5）：37-38，72.3OLIVEIRA I D，MORAIS A D，TOFOLI F L.Single-switch，integrated DCDC converter for high-voltage step-down applicationsJ.Power Electronics，IET，2019，12（8）：1880-1890.4周文文.外覆绝缘材料的高压开关柜接头温度监测图4产气速率随放电量的变化曲线Fig.4Variation curve of gas production rate with discharge capacity251系统仿真技术第 19 卷 第 3 期技术 J.电器与能效管理技术，2021（4）：46-51.ZHOU Wenwen.Joint temperature monitoring technology of high voltage switchgear covered with insulation materials J.Electrical&Energy Management Technology，2021（4）：46-51.5吴定云，马占林，张栋梁，等.基于特高频法的高压开关柜局部放电监测及特征参量提取 J.电工技术，2021（7）：14-16.WU Dingyun，MA Zhanlin，ZHANG Dongliang，et al.Partial discharge monitoring and characteristic parameters extraction for high-voltage switchboards based on ultra-high frequency methodJ.Electric Engineering，2021（7）：14-16.6ZHANG M，WANG D，MA S，et al.A novel series switch module in high-voltage applicationsscience direct J.Fusion Engineering and Design，2019，146：2618-2623.7TRAIAN，ADRIAN，TRAIAN，et al.Analysis of air decomposition by-products under four kinds of partial discharge defectsJ.IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical 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