基于SF6氣體分解成分檢測(cè)的設(shè)備內(nèi)部潛伏性故障分析

郭 偉，李志鵬，秦光杰，丁常松

（國(guó)網(wǎng)安徽電力公司 馬鞍山供電公司，安徽 馬鞍山 243000）

通過(guò)檢測(cè)GIS氣室中SF6氣體分解產(chǎn)物可對(duì)設(shè)備內(nèi)部存在的潛伏性故障進(jìn)行有效診斷和評(píng)估，這種方法與超聲波、超高頻、電氣試驗(yàn)等相比較具有受現(xiàn)場(chǎng)電磁波干擾小，信噪比高、測(cè)試速度快等優(yōu)點(diǎn)［1］。大量的實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)驗(yàn)、運(yùn)行設(shè)備和故障后設(shè)備的SF6氣體分解產(chǎn)物檢測(cè)統(tǒng)計(jì)分析表明：SF6氣體分解產(chǎn)物組分及體積分?jǐn)?shù)含量的檢測(cè)對(duì)設(shè)備潛伏性缺陷的預(yù)判及事故設(shè)備的故障位置定位有重要的參考和指導(dǎo)價(jià)值。在SF6氣體近百種分解產(chǎn)物中只要檢測(cè)出氣室中產(chǎn)生的SO2、SO2F2、HF、CF4、H2S 、CO、CO2這7種分解產(chǎn)物中的一種或一種以上分解產(chǎn)物的組分及體積分?jǐn)?shù)含量，在此基礎(chǔ)上再結(jié)合設(shè)備的運(yùn)行工況、電氣特性試驗(yàn)等情況進(jìn)行綜合分析，就能基本判定該氣室是否存在潛伏性故障和確定事故設(shè)備的故障位置［2-6］。

1 SF6分解產(chǎn)物判斷潛伏性故障的理論基礎(chǔ)及參考標(biāo)準(zhǔn)

1.1 特征氣體的產(chǎn)生機(jī)理

SF6氣體絕緣設(shè)備內(nèi)部的絕緣材料主要由SF6氣體和各種固體絕緣材料（環(huán)氧樹(shù)脂、聚四氟乙稀、聚酯乙烯、絕緣紙）及絕緣漆組成，而所有的這些絕緣材料由C、H、O、S、F等元素組成。根據(jù)SF6氣體的分解機(jī)理：設(shè)備故障區(qū)域內(nèi)SF6氣體在放電（電弧放電、火花放電、局部放電）和過(guò)熱（溫度達(dá)500℃以上）的情況下，設(shè)備內(nèi)部的SF6氣體會(huì)發(fā)生一系列反應(yīng)。

國(guó)內(nèi)外大量的科學(xué)試驗(yàn)研究表明，純凈的SF6氣體在電弧的作用下會(huì)直接分解產(chǎn)生的SF4和F2氣體在極短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生復(fù)合反應(yīng)重新生成SF6氣體，其復(fù)合率高達(dá)99.8%以上。但是實(shí)際上SF6電氣設(shè)備想完全避免H2O、O2及其他雜質(zhì)的的存在是不可能的。由于SOF2、SOF4、SF4這些氣體屬于中間態(tài)產(chǎn)物，含量低、難檢出，在實(shí)際運(yùn)用中價(jià)值不大，加之這幾種組分性質(zhì)活潑又極不穩(wěn)定容易發(fā)生水解反應(yīng)最終生產(chǎn)比較穩(wěn)定的SO2、HF、SO2F2。因此，選取性能穩(wěn)定且具有代表性的SO2、HF、SO2F2這三種氣體作為SF6絕緣氣體的特征分解產(chǎn)物，其中把SO2、HF作為主要參考對(duì)象，SO2F2作為輔助判斷，尤其是設(shè)備發(fā)生大電流放電故障時(shí)，SO2這種成分必定出現(xiàn)且含量高，從不例外［7］。

在實(shí)際運(yùn)用中將CF4、H2S這兩種氣體組分作為故障涉及到固體絕緣材料的主要特征分解產(chǎn)物，把CO、CO2作為輔助判斷。根據(jù)大量的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際案例，一般CF4為所有SF6充氣電氣設(shè)備故障的標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)物，尤其是當(dāng)斷路器的壓縮氣缸、滅弧氣室、噴口等處發(fā)生燒灼故障時(shí)CF4一定能檢出。CF4含量的大小可直接作為判斷設(shè)備的絕緣狀況的判據(jù)。把H2S看作是熱固性環(huán)氧樹(shù)脂的特征分解產(chǎn)物，H2S的出現(xiàn)與否可以作為判斷設(shè)備故障是否出現(xiàn)在GIS中的盆式絕緣子、支撐絕緣子、斷路器和隔離開(kāi)關(guān)及接地刀閘的絕緣拉桿存在故障的重要參考依據(jù)［8］。

1.2 SF6電氣設(shè)備內(nèi)部故障類型綜述［5］

（1）懸浮電位放電

這類故障大多數(shù)情況下發(fā)生在斷路器動(dòng)觸頭與絕緣拉桿間的接觸不良及互感器二次引出線電容屏上部固定螺絲松動(dòng)引起插銷兩側(cè)金屬或螺帽與螺桿間懸浮電位放電，這種情況一般只發(fā)生SF6分解，主要產(chǎn)生SO2和HF等。

（2）導(dǎo)電金屬對(duì)地放電

這類故障主要表現(xiàn)在SF6氣體中和設(shè)備內(nèi)表面存在顆粒雜質(zhì)及絕緣子、絕緣拉桿存在缺陷引起導(dǎo)電桿對(duì)地放電。SF6氣體中存在顆粒雜質(zhì)引起的對(duì)地放電能量較小，設(shè)備內(nèi)表面存在顆粒雜質(zhì)相當(dāng)于在其表面增加了一個(gè)尖端電極，畸變了電場(chǎng)分布，產(chǎn)生放電現(xiàn)象，主要產(chǎn)生SO2、HF、SOF2、H2S等。

（3）導(dǎo)電桿的連接不良

當(dāng)故障點(diǎn)的溫度超過(guò)500℃以上時(shí)，SF6氣體和周圍的固體絕緣材料開(kāi)始分解。當(dāng)溫度達(dá)到500℃以上時(shí)，將造成動(dòng)、靜觸頭或?qū)щ姉U連接處梅花觸頭外的包箍蠕變斷裂，最后引起觸頭融化脫落，引起絕緣材料分解，其主要分解產(chǎn)物為SO2、CF4、H2S、CO、CO2等。

（4）互感器、變壓器匝層間和套管電容屏短路

當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，將使故障區(qū)的SF6氣體和聚酯乙烯、絕緣紙及絕緣漆等絕緣材料裂解，主要生產(chǎn)物是SO2、HF、CO和低分子烴。

（5）斷路器斷口并聯(lián)電阻、電容內(nèi)部短路

因斷口的并聯(lián)電阻、電容質(zhì)量不佳引起短路，此時(shí)SF6氣體裂解主要產(chǎn)生SO2、SOF2、HF。

1.3 SF6電氣設(shè)備分解產(chǎn)物評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

自2009年以來(lái)，國(guó)家電網(wǎng)公司先后組織福建、江蘇、陜西、安徽、廣東、四川等20多個(gè)省市開(kāi)展了 SF6電氣設(shè)備中的SO2、SO2F2、HF、CF4、H2S、CO、CO2等分解產(chǎn)物的檢測(cè)工作，取得了一定的成果。2007年國(guó)家發(fā)改委頒發(fā)實(shí)行的DL／T1054—2007“高壓電氣設(shè)備絕緣技術(shù)監(jiān)督規(guī)程”和2005年6月國(guó)網(wǎng)公司頒發(fā)的“十八項(xiàng)電網(wǎng)重大反事故措施”都提出了開(kāi)展SO2、H2S等分解產(chǎn)物含量的檢測(cè)。IEC60480—2004“六氟化硫電氣設(shè)備中氣體中的檢測(cè)和處理導(dǎo)則及其再利用規(guī)范”中提出了SO2、SOF2和HF的最大可接受的濃度。根據(jù)近萬(wàn)臺(tái)設(shè)備的檢測(cè)數(shù)據(jù)和近百臺(tái)故障實(shí)例進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，暫時(shí)規(guī)定了分解產(chǎn)物的參考指標(biāo)，于2014年1月1日在全國(guó)發(fā)布實(shí)施。SF6氣體主要分解產(chǎn)物的氣體組分、檢測(cè)指標(biāo)和評(píng)價(jià)結(jié)果如表1所示。

表1 SF6氣體主要分解產(chǎn)物的氣體組分、檢測(cè)指標(biāo)和評(píng)價(jià)結(jié)果 μl／l

2 利用SF6氣體體積分?jǐn)?shù)檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備典型案例分析

2.1 案例1

由CF4體積分?jǐn)?shù)含量檢測(cè)異常發(fā)現(xiàn)設(shè)備存在的潛伏性故障發(fā)現(xiàn)過(guò)程。2009年5月8日某公司220kVGIS在運(yùn)行電壓下進(jìn)行氣體分解產(chǎn)物成分普查過(guò)程中發(fā)現(xiàn)4898斷路器C相CF4體積分?jǐn)?shù)含量異常，超過(guò)國(guó)家電網(wǎng)公司Q／GDW1896—2013《SF6氣體分解產(chǎn)物檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用導(dǎo)則》規(guī)定的正常值的5倍多，SO2、SO2F2、H2S等分解產(chǎn)物檢測(cè)數(shù)據(jù)為0。未檢出的氣體分解產(chǎn)物的大概原因可能由兩個(gè)方面的因素造成：一是因氣體分解產(chǎn)物被設(shè)備內(nèi)安放的吸附劑所吸附；二是因開(kāi)關(guān)室額定氣量較大，稀釋了氣體分解產(chǎn)物濃度導(dǎo)致氣體分解產(chǎn)物的濃度低于儀器的最小檢測(cè)濃度所致。為進(jìn)一步確認(rèn)測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，2009年5月9日和12日進(jìn)行復(fù)測(cè)，測(cè)試結(jié)果和第一次基本一致，又對(duì)相鄰的A相、B相進(jìn)行測(cè)試，這兩相氣室中CF4體積分?jǐn)?shù)含量為0。據(jù)此判斷C相氣室存在潛伏性故障，因CF4體積分?jǐn)?shù)含量較大，估計(jì)故障可能涉及到固體絕緣材料，其測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 4898斷路器A、B、C相的氣體檢測(cè)結(jié)果 μl／l

對(duì)C相斷路器進(jìn)行停電解體檢查，看到斷路器噴口上端有因電弧燒灼而產(chǎn)生的熏黑碳化痕跡，噴口內(nèi)壁有大量的固體白色粉塵物質(zhì)，對(duì)固體粉塵物質(zhì)進(jìn)行X熒光元素分析，檢測(cè)出鋁（Al）、銅（Cu）等金屬元素，解體情況見(jiàn)圖1。

圖1 4898C相斷路器噴口電弧燒灼情況

通過(guò)此例可以得出，對(duì)于開(kāi)關(guān)設(shè)備，有時(shí)因潛伏性故障存在的時(shí)間較長(zhǎng)，由于間歇性放電產(chǎn)生的其他氣體分解產(chǎn)物容易被吸附劑吸附，通常只能檢測(cè)到CF4體積分?jǐn)?shù)。這點(diǎn)也被國(guó)內(nèi)外學(xué)者經(jīng)過(guò)研究得到證實(shí)，CF4分解產(chǎn)物具有記憶效應(yīng)，受吸附劑吸附的影響較小。

2.2 案例2

由CF4、CO、CO2及HF體積分?jǐn)?shù)含量發(fā)現(xiàn)設(shè)備存在的潛伏性故障發(fā)現(xiàn)過(guò)程。某公司220 kV GIS設(shè)備258間隔PT氣室B相在一次開(kāi)展超聲波局部放電的普查過(guò)程中發(fā)現(xiàn)局部放電量異常（超過(guò)另外兩相氣室測(cè)試值的幾倍）。再利用帶電化學(xué)傳感器的SP-Ⅴ便攜式SF6氣體分解產(chǎn)物色譜儀對(duì)該間隔（氣室相通）進(jìn)行氣體分解成分檢測(cè)，測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果顯示該間隔不僅有2μl／l的HF氣體，CF4的含量也遠(yuǎn)大于運(yùn)行設(shè)備正常值（＜200μl／l以內(nèi)）2倍左右。然后對(duì)該間隔三相連通氣室進(jìn)行隔離，對(duì)PT氣室B相每?jī)芍苓M(jìn)行一次超聲波局放（AE）檢測(cè)和SF6氣體分解產(chǎn)物體積分?jǐn)?shù)跟蹤分析檢測(cè)，觀察放電發(fā)展趨勢(shì)，通過(guò)連續(xù)跟蹤監(jiān)測(cè)近兩個(gè)月，在加強(qiáng)監(jiān)測(cè)期間內(nèi)放電程度和分解氣體體積分?jǐn)?shù)增長(zhǎng)數(shù)值逐漸趨于穩(wěn)定，B相潛伏性放電故障沒(méi)有出現(xiàn)急劇式增長(zhǎng)。B相氣室F6氣體體積分?jǐn)?shù)檢測(cè)在監(jiān)測(cè)期間內(nèi)的記錄如表3所示。

表3 220kV GIS設(shè)備258間隔PT氣室B相SF6氣體體積分?jǐn)?shù)測(cè)試數(shù)據(jù) μl／l

從表3中數(shù)據(jù)可以看出，作為表征SF6電氣設(shè)備故障的特征分解產(chǎn)物HF氣體最早生成并被檢出，說(shuō)明該設(shè)備存在一定程度的潛伏性放電故障。但是HF氣體含量很低，在后來(lái)的監(jiān)測(cè)過(guò)程中又突然消失，并且SO2、H2S、SO2F2一直沒(méi)有檢出，這種現(xiàn)象一方面表明該氣室故障程度不嚴(yán)重，放電量不大，產(chǎn)氣量也不大；另外一方面這些氣體未被檢出也可能被設(shè)備內(nèi)部安放的吸附劑所吸附的所致。CF4不但檢出，而且含量高（＞400 μl／l）超過(guò)運(yùn)行設(shè)備正常值2倍多，說(shuō)明該氣室存在涉及固體絕緣材料的放電性故障。CO、CO2被檢出也輔助表明故障與固體絕緣材料存在一定的關(guān)聯(lián)，CF4含量也沒(méi)有向增大的趨勢(shì)方向發(fā)展說(shuō)明故障沒(méi)有擴(kuò)大。綜合氣體分解產(chǎn)物體積分?jǐn)?shù)的變化情況進(jìn)行分析判斷，初步診斷該氣室存在懸浮電位放電，只是放電程度較輕。為避免故障繼續(xù)發(fā)展造成事故停電，決定停運(yùn)設(shè)備，進(jìn)行檢修處理。

經(jīng)停電解體檢查發(fā)現(xiàn)，用于固定屏蔽鋁板的兩顆絕緣螺栓桿在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中由于振動(dòng)、發(fā)熱等不明原因發(fā)生脫落斷裂，斷裂后連同螺母一同掉于氣室內(nèi)造成懸浮電位放電。該設(shè)備PT氣室故障情況圖如圖2所示。

圖2 PT氣室斷裂的螺母及絕緣螺栓桿

2.3 案例3

由SO2、CO及HF體積分?jǐn)?shù)含量的檢測(cè)發(fā)現(xiàn)設(shè)備存在的潛伏性故障發(fā)現(xiàn)過(guò)程。某公司在一次110kV斷路器SF6氣體分解產(chǎn)物普查中，檢測(cè)出分解產(chǎn)物SO2、HF及CO這3種組分含量異常，SO2體積分?jǐn)?shù)含量較高，其余組分的分解產(chǎn)物體積分?jǐn)?shù)含量未檢出，其檢測(cè)結(jié)果如表4所示。

表4 某110kV斷路器SF6氣體分解產(chǎn)物檢測(cè)數(shù)據(jù)μl／l

隨后進(jìn)行復(fù)測(cè)，其檢測(cè)數(shù)據(jù)與前次相差不大。考慮到分解產(chǎn)物中含有SO2和HF且SO2體積分?jǐn)?shù)含量很大，同時(shí)H2S和CF4未檢出，初步懷疑是設(shè)備內(nèi)部存在局部放電現(xiàn)象使SF6氣體分解產(chǎn)生SO2和HF，故障不涉及到設(shè)備內(nèi)部固體絕緣材料。因SO2含量很大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)IEC《六氟化硫氣體設(shè)備中氣體的檢測(cè)和處理導(dǎo)則及再利用的規(guī)范》等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的，距最近一次跳閘SO2+SO2F2≤2.0μl／l的含量上限，認(rèn)定該設(shè)備缺陷為“危急缺陷”級(jí)別。

對(duì)該設(shè)備進(jìn)行停電解體檢查，發(fā)現(xiàn)該設(shè)備拉桿連接處孔銷配合出現(xiàn)縫隙、配合尺寸超公差，孔經(jīng)變大、孔銷變細(xì)，造成孔銷之間的懸浮電位的局部放電，使設(shè)備內(nèi)部的SF6氣體分解產(chǎn)生SO2和HF等分解產(chǎn)物。設(shè)備的故障解體圖如圖3所示。

2.4 案例4

利用SO2、H2S分解產(chǎn)物對(duì)事故后設(shè)備故障位置快速定位過(guò)程情況。某500kV變電站第一、二套母線差動(dòng)保護(hù)BP-2B母線差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，跳開(kāi)5011，5021，5031斷路器，1號(hào)主變差動(dòng)未動(dòng)作，啟動(dòng)至出口時(shí)間為7.5ms。經(jīng)直流電阻測(cè)試，初步判定故障在50111B相隔離開(kāi)關(guān)氣室，50111隔離開(kāi)關(guān)3相連通，在5011和5012B相斷路器檢測(cè)到了少量分解產(chǎn)物，確認(rèn)故障在50111 B相隔離開(kāi)關(guān)氣室。故障發(fā)生后氣體分解產(chǎn)物測(cè)試數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 故障氣室分解產(chǎn)物檢測(cè)數(shù)據(jù) μl／l

對(duì)故障相50111B相隔離開(kāi)關(guān)解體，發(fā)現(xiàn)氣室內(nèi)有白色粉末，并且絕緣盆子、筒壁有較大面積的燒焦痕跡。在電弧作用下，主要的SF6氣體分解物是SOF2，其他氣體分解物還有SF4，SF2，SO2，SiF4和CF4等，固態(tài)分解物有 A1F3、CuF2等。經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后，大部分氣體分解物被吸附劑吸收，而固態(tài)分解物則散落在容器底部，估計(jì)白色粉末是Al、Cu的氟化物。50111B相隔離開(kāi)關(guān)解體情況見(jiàn)圖4。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述幾起案例可以看出，以SO2、H2S、CO、CF4、HF等氣體組分作為判斷被檢測(cè)設(shè)備是否存在潛在缺陷的特征氣體具有定位準(zhǔn)確、可靠性高、快速靈敏、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，有著廣泛的應(yīng)用前景。

GIS設(shè)備內(nèi)部氣室通過(guò)紫銅管連接貫通共用密度繼電器（壓力表）、充氣口和取氣口，這樣給判斷故障帶來(lái)一定的困難，建議設(shè)計(jì)制造和安裝單位考慮把各個(gè)獨(dú)立氣室單獨(dú)配置密度繼電器（壓力表）、充氣口和取氣口。

圖4 50111B相隔離開(kāi)關(guān)內(nèi)部解體情況

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)氣體分解產(chǎn)物時(shí)，應(yīng)充分考慮設(shè)備內(nèi)填裝的吸附劑對(duì)分解產(chǎn)物吸附的影響，尤其是斷路器發(fā)生跳閘后一定要在最短的時(shí)間內(nèi)到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行分解產(chǎn)物的檢測(cè)，防止因時(shí)間延長(zhǎng)使故障產(chǎn)生的分解產(chǎn)物如SO2、H2S被吸附劑吸附，錯(cuò)過(guò)最佳檢測(cè)時(shí)間，給設(shè)備狀態(tài)造成誤判［3］。

SF6氣體絕緣設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、故障類型多樣，目前國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有權(quán)威的氣體分解產(chǎn)物的分析和判斷導(dǎo)則，現(xiàn)有的規(guī)程也只是粗略地規(guī)范了含量和成分的參考值，為了盡快發(fā)現(xiàn)和掌握SF6氣體分解產(chǎn)物和設(shè)備潛伏性故障之間的規(guī)律。應(yīng)根據(jù)設(shè)備在不同電壓等級(jí)、氣室結(jié)構(gòu)、充氣壓力的高低、吸附劑填裝量、設(shè)備材質(zhì)等情況下分解產(chǎn)物的跟蹤檢測(cè)，利用數(shù)理可靠性統(tǒng)計(jì)，建立科學(xué)可靠的綜合診斷分析平臺(tái)，為實(shí)現(xiàn)設(shè)備的狀態(tài)檢修提供科學(xué)有效的支撐。

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