GIS設(shè)備中SF6氣體分解影響因素分析

陳曉清，任 明，彭華東，丁 彬，董 明,3

（1.西安交通大學(xué)電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室，西安 710049；2.西北電網(wǎng)技術(shù)中心，西安 710075；3.西北電網(wǎng)博士后工作站，西安 710075）

0 引言

純凈的SF6氣體是一種無色、無嗅、無毒和不燃的惰性氣體[1]，具有高耐電強度和強滅弧性能，因而廣泛應(yīng)用于GIS（氣體絕緣組合電器）等電氣設(shè)備中[2]。運行中的GIS等電氣設(shè)備由于制造、安裝、運行時可能出現(xiàn)各種缺陷[3-4]，發(fā)生放電（電弧放電、火花放電、電暈或局部放電）和過熱故障，導(dǎo)致SF6氣體發(fā)生復(fù)雜的分解，生成各種有毒氣體，主要有SF4，SOF2，SO2F2，SOF4，SO2，CO2，H2S，HF和CF4等，降低設(shè)備的絕緣性能，同時危及運行檢修人員人身安全。因此，研究不同類型放電和過熱故障下GIS內(nèi)部SF6氣體的分解過程、分解速率、分解產(chǎn)物相對含量及影響因素，掌握SF6氣體分解機理，對于設(shè)備維護和安全運行具有重要指導(dǎo)意義[5-6]。

目前，國內(nèi)外對SF6氣體分解機理進行大量試驗探索和研究，取得了一定成果，但只是定性了解SF6氣體分解機理，不能滿足現(xiàn)階段的理論實際需求，需要進一步研究影響SF6氣體分解的相關(guān)因素，建立分解產(chǎn)物含量與相關(guān)因素的函數(shù)關(guān)系。同時，相關(guān)研究結(jié)果也表明，SF6氣體生成物的種類和含量與放電類型及放電能量、電流強度、涉及的電極材料和絕緣物種類、SF6水分、O2含量及吸附劑等因素有關(guān)。本文結(jié)合國內(nèi)外的文獻資料，分析了不同放電故障下影響因素與SF6氣體分解產(chǎn)物的函數(shù)關(guān)系，總結(jié)了相關(guān)因素與氣體分解產(chǎn)物的定性與定量關(guān)系。

1 放電能量

大量研究表明，不管哪種形式的放電（電弧放電、火花放電、電暈或局部放電），SF6發(fā)生分解后產(chǎn)物的量與放電能量大致成比例關(guān)系[7,21,27-31]。

2 電流強度

電弧放電下，隨著電流的增大，SOF2+SO2的生成量迅速提高，而CF4的含量增加很緩慢，SO2F2產(chǎn)量幾乎與電流無關(guān)[11]。國內(nèi)楊韌等也得出了類似的實驗結(jié)果，認(rèn)為在電弧放電下，SO2，H2S含量隨著電弧電流的增大而不斷提高[18]。

直流電暈放電時，SO2F2+SOF4，SOF2含量在電流0 ～4 μA范圍內(nèi)迅速增加，當(dāng)I≥10 μA時，隨著電流增大，SOF4，S2F10增多，SO2F2的含量逐漸減小，SOF2則與電流強度變化無關(guān)[10]。

50 Hz交流電暈放電時，放電電量為一定值，則SOF2與電流強度變化無關(guān)，而SO2F2隨電流強度的增大而增大，當(dāng)I≥20 μA時，SO2F2則與電流強度I無關(guān)[24]。

直流和交流電暈放電下結(jié)果不盡一致，有多種原因，如水分、O2等含量的不同。電暈放電下產(chǎn)物的變化和電弧放電下有很大的區(qū)別，可能與電流強度大小，放電能量不同有關(guān)。目前，電流強度與分解物產(chǎn)量的關(guān)系難以把握，文獻中的實驗數(shù)據(jù)由于實驗條件的不一致，造成結(jié)果矛盾，或難以比較，有待進一步試驗探索。

3 SF6氣壓

現(xiàn)代SF6高壓斷路器均為單壓式，氣壓在0.7 MPa左右。GIS除斷路器外其他部分的充氣壓力一般不超過0.45 MPa。實驗室用設(shè)備一般氣壓均在100 ～400 kPa，小于現(xiàn)場設(shè)備的充氣壓力。

Sauers在研究火花放電機理時對氣壓影響進行了一定的研究，認(rèn)為SOF2，SiF4含量與能量/氣壓有關(guān)，而SO2F2，SOF4生成量與氣壓無關(guān)[12]。這點與直流電暈放電實驗中得到的實驗結(jié)果很好地吻合，SO2F2生成量與SF6氣壓無關(guān)，SOF2含量與能量/氣壓有關(guān)。氣體分解產(chǎn)物試驗結(jié)果的一致性，原因可能是火花和電暈放電均為低能放電。

在電弧放電中，SOF2+SO2的含量隨氣壓升高略有增加，CF4的生成量與氣壓幾乎無關(guān)[11]，其他分解氣體產(chǎn)物沒有相關(guān)的研究。

4 水分含量

GIS設(shè)備中的水分由下列原因產(chǎn)生：

1）G1S設(shè)備在制造、運糟、安裝、檢修過程中都可能接觸水分，將水分浸入到設(shè)備元件里去；

2）GIS設(shè)備的絕緣件帶有0.1% ～0.5%ppmv的水分，在運行過程中，慢慢地向外釋放；

3）GIS設(shè)備中的吸附劑本身就含有水分；

4）SF6氣體中含有水分，但作為新氣要進行干燥處理，使其含水量在規(guī)程規(guī)定的范圍之內(nèi)?；厥盏腟F6氣體其含水量較高，實驗證明氣體中水分的含量與環(huán)境溫度有很大的關(guān)系。

SF6氣體中含水量的多少，對電弧分解物組成成分和含量有極大影響。由于水分、O2等雜質(zhì)氣體的存在，在放電結(jié)束后SF6氣體復(fù)合過程受到了阻礙，生成SOF2，SO2F2，SOF4和SO2等氣體產(chǎn)物，水分對穩(wěn)定氣體產(chǎn)物的形成至關(guān)重要。水分參與反應(yīng)的常見反應(yīng)式如下所示：

在放電區(qū)域，水分子被分解為O和OH，OH與低氟硫化物發(fā)生初級反應(yīng)，生成穩(wěn)定的氣體產(chǎn)物如SOF2，SOF4，并擴散到放電區(qū)外，與水繼續(xù)發(fā)生緩慢的反應(yīng)。SO2和HF溶于吸附在電極或絕緣材料表面的水形成強酸，腐蝕固體材料的表面，如HF會腐蝕金屬，影響設(shè)備的工作性能。

為了進一步了解水分的作用機理，學(xué)者們研究了各種放電情況下含有不同水分含量時主要氣體產(chǎn)物的情況。

直流電暈放電：隨著水分的增加，SOF2，SO2F2，SOF4和HF的含量增加，S2F10生成量減少；S2F10的生產(chǎn)量隨著初始微水的增多而減少[9，14]。

50 Hz交流電暈放電：當(dāng)水分含量超過一定值后，SO2F2生成量與水分含量無關(guān)，而SOF2則隨著水分增加而緩慢增加[29]。

局部放電：水分對SO2+SOF2的生成量沒有影響[19]。

電弧放電：水分對SO2+SOF2，CF4的生成量沒有影響，SO2F2隨初始微水含量增加而增加[11]。

綜合以上結(jié)論可認(rèn)為，初始微水含量可能影響某些氣體副產(chǎn)物的生成；適量的水分，能促進雜質(zhì)氣體的生成；在一定能量的放電下，過量的水分對氣體分解產(chǎn)物生成沒有影響。

5 O2含量

GIS設(shè)備中的O2可能來自安裝、檢修等過程中滲入的空氣，電極材料和絕緣材料也可能含有O2。O2是生成有毒氣體產(chǎn)物的主要因素之一，吸附在電極表面的O2分子可能是反應(yīng)生成主要氣體分解產(chǎn)物的主源。

O2分子參與反應(yīng)的主要反應(yīng)式

一般來說，隨著O2含量的增加，SO2F2，SOF4的生成量顯著增加，而SOF2有微弱的變化[9，14-15]。O2影響了SO2F2，SOF4的形成機理，實驗表明SO2F2中的O2主要來自O(shè)2，反應(yīng)式見式（8）；SOF2中的O2主要來自H2O，反應(yīng)式為式（2）；SOF4中的O2來自H2O或O2，含量多者就是主要的O2源，反應(yīng)式為式（1）（5）（7）。當(dāng)H2O和O2在氣室內(nèi)的含量極低時，主要氣體分解產(chǎn)物的生成率對H2O和O2的變化就不敏感了。

在直流電暈放電實驗中，當(dāng)氣室內(nèi)O2含量增至一定比例（如1%）時，S2F10顯著下降，可能由于O2的增加，促進反應(yīng)式（5）中SF5與O2原子的反應(yīng)，SF5含量減少，極大地抑制了反應(yīng)式SF5+SF5→S2F10的進行。

6 電極材料

電極材料是決定副產(chǎn)物數(shù)量的重要因素。不同的電極材料，有不同的表面結(jié)構(gòu)，吸附的水分和O2分子也不同，造成不同的電極表面反應(yīng)過程。

常見的電極材料有：銀（Ag）、銅（Cu）、鋁（Al）、不銹鋼、Cu-Ni-W和Cu-W等。各種電極材料對主要氣體分解產(chǎn)物的影響[26]如表1所示。從表1可知，分解影響較小的電極材料，還是銀和銅。但考慮到銀較貴，從經(jīng)濟角度和技術(shù)條件考慮，還是選用鎢銅(Cu-W)合金作為電極材料為宜。

有研究人員認(rèn)為電極消耗與分解物的形成有直接關(guān)系，氣體分解產(chǎn)生的物質(zhì)，含量取決于電極材料的金屬蒸發(fā)量，但是沒有給出定量的說明[20]。

表1 電極材料對主要氣體分解產(chǎn)物的影響（數(shù)據(jù)均為體積比）

此外，氣體分解產(chǎn)物的形成與電極表面吸附的H2O或O2密切相關(guān)。由于SO2F2，SOF4的形成與SF6氣體中O2的含量無關(guān)，故認(rèn)為與電極材料表面吸附的O分子有關(guān)[11]，并且電極表面吸附的O分子的越多，SO2F2，SOF4生成量越大。對于Ag，Cu和Al 3種電極材料，SO2F2的生成量：Al>Cu>Ag，SOF4的生成量：Cu=Al垌Ag[16]。

7 固體絕緣材料

SF6電氣設(shè)備內(nèi)部絕緣材料，包括SF6氣體和固體絕緣材料2類。固體絕緣材料因不同設(shè)備有所不同，主要有熱固形環(huán)氧樹脂、聚酯尼龍、聚四氟乙烯、聚酯乙烯和絕緣漆等。在斷路器中的固體絕緣材料有環(huán)氧樹脂、聚酯尼龍、和聚四氟乙烯；其它設(shè)備有除環(huán)氧樹脂外,還有聚酯乙烯和絕緣漆。

1）熱固形環(huán)氧樹脂是由C、H、O和N等元素構(gòu)成的混合物，具有很好的絕緣性能和化學(xué)穩(wěn)定性，在500 ℃以上時開始裂解，主要產(chǎn)生SO2、H2S、CO、NO、NO2和少量低分子烴。

2）聚酯尼龍主要由C、H、O等元素組成，當(dāng)溫度大于130℃時開始裂解，500℃以上明顯裂解，主要產(chǎn)生SO2、H2S、CO和低分子烴。

3）聚四氟乙烯分子式為C2F4，具有很好的絕緣性能和化學(xué)穩(wěn)定性，只有在500℃以上時才開始產(chǎn)生少量的CF4、CO和低分子烴。

4）聚酯乙烯分子式為C2H4，當(dāng)溫度大于130℃時開始裂解，主要產(chǎn)生H2、CO、CO2和低分子烴等氣體。

5）絕緣漆為碳?xì)浠衔铮蒀、H、O、N等元素組成，裂解主要產(chǎn)生CO、CO2和NO2。

通過研究固體絕緣材料的裂解機理和統(tǒng)計分析各種故障實例進行表明：H2S組分含量大小可判斷故障的放電能量及故障是否涉及固體絕緣（H2S是熱固型環(huán)樹脂分解的特征組分）；CO是聚酯乙烯、絕緣紙和絕緣漆分解的特征組分；通過CF4含量可分析判斷固體絕緣情況。

8 吸附劑

GIS設(shè)備中，用作吸附劑的材料有活性氧化鋁和分子篩。它們都是多孔性物質(zhì)，有較強的吸附能力。使用吸附劑有雙重目的，即吸附分解氣體和水分，對防止GIS內(nèi)部故障有著很好的效果。

活性氧化鋁能有效地除去SOF2，H2CO3，H2S，SOF4，SO2和SF2，有較好的選擇性。它能夠通過真空干燥和加熱實現(xiàn)重復(fù)利用，但是熱活性氧化鋁能與SF6電弧氣體副產(chǎn)物發(fā)生放熱反應(yīng)，比如與SOF2或SF4發(fā)生反應(yīng)。

分子篩的工作溫度高，吸附能力比活性氧化鋁強。分子篩是一種合成沸石，它具有微孔，比微孔直徑小的分子可以被吸入分子篩內(nèi)部，從而使分子直徑大小不同的物質(zhì)得以分開。分子篩吸附氣體的種類和數(shù)量不明，對SF6分解物的影響尚需實驗來進一步判斷。一般來說：

1）分子篩對CF4不起作用；SO2F2，SOF2，SO2，H2S能被很好的吸收，殘余量遠(yuǎn)低于同條件下無吸附劑時的測量數(shù)值，說明分子篩對硫化物的吸附能力很好。

2）分子篩對SO2的吸附是物理吸附，當(dāng)吸附劑吸附的量達到一定程度時吸附劑對SO2的吸附速率和SF6氣體中SO2的含量濃度間達到動態(tài)平衡，平衡濃度的大小與吸附劑的飽和程度以及氣體壓強有關(guān)。

3）有吸附劑相比無吸附劑時在同樣大的開斷電流下分解物含量最大測量值明顯偏小，且不及無吸附劑時測量值的1/4 ～1/5。

4）吸附劑的吸附速率與分解物的含量濃度有關(guān)，并隨著分解物濃度的增大而增大。

5）吸附劑對水分的初始含量沒有影響。

9 結(jié)語

目前，放電能量，水分和O2對SF6氣體分解產(chǎn)物生成量的影響取得了一定的進展，初步掌握了水分、O2與硫氧化物的作用機理，放電能量和氣體分解產(chǎn)物生成量的正比關(guān)系，但是缺少水分含量、O2含量和氣體產(chǎn)物生成量的定量關(guān)系。電流強度、電極和絕緣材料材料等因素的影響結(jié)論不一，研究較少，需進一步試驗探索。掌握放電能量、水分和氧氣等因素對SF6氣體分解產(chǎn)物的作用，有助于全面了解放電或加熱故障下SF6氣體分解產(chǎn)物的作用過程，為深入研究SF6氣體分解機理奠定基礎(chǔ)。

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