《Methods for alleviation of impacts of axial diffusion on decomposition products monitoring in gas-insulated transmission lines》（点击阅读原文）
题目：轴向扩散过程对GIL内分解产物监测的影响及其改善方法
作者：邱睿，陈维江，周文俊，刘溟，邹建明，郑宇，李涵，胡世卓，喻剑辉.
内容整理自《High Voltage》2022年第7卷第1期。
研究背景
气体分析技术是监测电力设备绝缘缺陷的重要手段之一，但其在GIL上的应用仍存在问题。GIL的尺寸较大，作为诊断依据的分解产物很难在GIL气室内快速扩散均匀，该扩散过程会对监测结果的准确性和时效性造成影响。因此，需要明确分解产物在GIL内的扩散特性，并以此为依据对监测和诊断方法进行改进。本文结合分解扩散试验和仿真，对局部放电下两种SF6典型分解产物SO2 和 SO2F2的扩散过程进行模拟，获得了二者在GIL内的扩散特性及其对气体监测结果的影响。基于上述结果，进一步对GIL气体监测方法进行了改进。
试验平台
本文使用的试验腔体及缺陷模型如图1所示。腔体电压等级为110 kV，可提供1.5 m长的扩散空间。放电模型布置于盆式绝缘子屏蔽处，分别在扩散气室两端设置有采样口A、B。
图1 分解扩散试验腔体
参考IEC 60270：2000 标准搭建了放电分解扩散试验平台，如图2所示。采用TWPD‐2B局放分析仪对局部放电进行监测，通过Agilent 7890气相色谱仪测定分解产物含量。
图2 放电分解扩散试验平台
仿真模型
如图3所示，本文通过Fick第2定律对试验腔体内分解产物扩散过程进行了仿真。模型长度为1.5 m，分解产物从一端流入一端流出，扩散过程主要由浓度梯度和扩散系数控制。
图3 扩散仿真模型
试验结果
64 kV下，放电模型的平均放电量为18 pC。扩散时间为84 h，主要分解产物为SO2和SO2F2。分解产物浓度检测结果如图4所示，A、B采样口处SO2和SO2F2的浓度变化存在2.239 h和2.811 h的延迟，二者的扩散系数分别为1.397×10-4 m2/s和1.113×10-4 m2/s。
图4 A、B采样口分解产物检测结果
仿真结果
将试验测得的扩散系数带入到扩散仿真模型中对试验中分解产物的扩散过程进行模拟。仿真与试验结果对比如图5所示。可以看出，本文基于Fick定律建立的扩散模型可以准确还原分解产物的扩散过程。
图5 实验与仿真结果对比
分解产物扩散特性
如图6所示，本文对100 m GIL单元内分解产物的扩散过程进行了仿真，发现扩散延迟与扩散距离的平方呈正比。扩散系数DP/SF6、扩散距离x和扩散延迟Δt的关系满足：Δt =( (-1.123×10-4 (x-100)2)+1.123)/ DP/SF6。
图6 分解产物扩散延迟特性
如图7所示，在轴向扩散过程中，分解产物浓度会呈指数衰减。本文对仿真结果进行了拟合，得到了浓度衰减系数η、扩散时间t、扩散系数DP/SF6和扩散距离x的指数关系函数：η =exp (-0.027x·(πt·DP/SF6)-0.5)。
图7 分解产物扩散衰减特性
GIL气体监测方法优化
影响监测点布置的主要因素为扩散延迟，结合GIL结构特征及不同扩散距离下扩散延迟与扩散系数的关系，本文给出了5 m和 10 m两个优选的监测距离。并以此为基础提出了3种监测点布置方案分别用于覆盖所有绝缘子或整条线路，如图8所示。
图8 GIL气体监测点布置方案
根据分解产物扩散衰减特性可对浓度监测结果进行修正，从而得到缺陷处的分解产物生成情况。如表1所示，经过模型验证，该方法的准确性可接近99 %，相较于原方法提高近50 %。
表1 监测浓度修正结果
此外，本文还发现受扩散影响较小的两个监测参数：分解产物浓度比及浓度增长率。当分解产物A、B的扩散特性较为接近时，二者的浓度比变化较小，但其扩散系数需满足：1≤DPA/DPB≤xM/(xM-2.714(πt·DP/SF6)-0.5)。如图9所示，在保证监测时间充足且监测距离较小时，监测点处分解产物浓度增长率与缺陷处的差异可控制在10%以内，此时浓度增长率可近似表征分解产物的生成速度。
图9 浓度增长率监测结果
结论
1、通过实验和理论分析，获得了分解产物SO2和SO2F2的扩散系数。本文提出的轴向扩散模型可准确还原GIL中分解产物的轴向扩散过程。
2、根据仿真结果，发现扩散延迟与扩散距离平方成正比，与扩散系数呈反比。而扩散衰减与扩散距离和扩散系数间存在呈负指数关系。
3、分解产物扩散延迟和扩散衰减特性会对GIL气体监测结果的时效性和准确性造成严重影响。本文提出的延迟和衰减评估模型可对气体监测点布置、监测结果修正以及监测参数选择进行优化。上述优化方法可提高GIL气体监测的时效性，监测结果准确性可控制在90%以上。这对推进气体分析技术在GIL上的应用具有一定的意义。
Rui Qiu, Weijiang Chen, Wenjun Zhou, Ming Liu, Jianming Zou, Yu Zheng, Han Li, Shizhuo Hu, Jianhui Yu, “Methods for alleviation of impacts of axial diffusion on decomposition products monitoring in gas-insulated transmission lines”, High Volt., vol. 7, no. 1, pp. 41-51, Feb. 2022.
周文俊，武汉大学电气与自动化学院二级教授，博士生导师，IEEE高级会员，享受国务院政府特殊津贴。1959年生，1990年于武汉水利电力学院获高电压与绝缘技术专业工学博士学位。1999年8月—11月在瑞典Chalmers大学做访问学者。中国电机工程学会高电压专业委员会委员，中国电工技术学会电工测试专委会副主任委员，《高电压技术》杂志顾问和《广东电力》杂志编委，武汉大学十大杰出青年，武汉大学师德标兵。周文俊教授主要从事防雷接地、高电压绝缘与测试、气体绝缘材料等方面研究。在研国家重点研发项目2项，完成电网公司横项课题50余项，获得省部级科技进步奖16项，南方电网公司和国家电网公司科技进步奖20余项。近年来主编出版了DL/T 887-2004《杆塔工频接地电阻测量》，Q/GDW 413-2010《电力系统二次设备SPD防雷技术规范》，主编出版《电气设备实用手册》、《微电子设备防雷》。发表SCI和EI检索论文110多篇。
武汉大学电气与自动化学院“过电压与绝缘科研团队”由周文俊教授、中国科学院陈维江院士、英国格拉斯哥大学周承科教授（IET Fellow）、澳大利亚莫纳什大学苏錡教授、喻剑辉教授、李涵副教授和郑宇副研究员组成，现有在读博士生和硕士生共20余人。课题组在研国家重点研发计划2项，国家自然科学基金重点项目1项，国家电网公司科技项目若干，主要涉及：SF6替代气体研究、GIS及GIL绝缘缺陷故障诊断、GIL中气固材料相容性研究、雷电防护研究、变电站局部放电遥测与定位、电缆局放检测与资产管理等。
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编辑：郭世瑞
