基于分解組分分析的SF6設(shè)備絕緣故障診斷方法與技術(shù)的研究現(xiàn)狀

唐 炬 楊 東 曾福平 張曉星

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基于分解組分分析的SF6設(shè)備絕緣故障診斷方法與技術(shù)的研究現(xiàn)狀

唐 炬 楊 東 曾福平 張曉星

（武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院 武漢 430072）

隨著全封閉式組合電器（GIS）設(shè)備在各電壓等級中日益廣泛應(yīng)用，一旦發(fā)生絕緣故障將嚴重危及電力系統(tǒng)的安全運行，對GIS設(shè)備進行絕緣狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷是降低其故障率和運維費用的有效手段之一。針對目前國內(nèi)外研究熱點，基于分解組分分析（DCA）的SF6設(shè)備絕緣故障診斷方法與技術(shù)進行綜述，以推動該領(lǐng)域的理論與技術(shù)進步。首先，在分析國內(nèi)外氣體絕緣裝備故障統(tǒng)計的基礎(chǔ)上，介紹常見的絕緣故障及其誘因；其次從引發(fā)SF6氣體分解過程及機制出發(fā)，分析基于SF6分解組分的故障診斷原理，重點評述SF6故障分解特征產(chǎn)物，并對以分解組分比值為特征量的故障診斷研究進展情況進行小結(jié)；最后結(jié)合當前研究現(xiàn)狀和尚需解決的難點問題，指出基于分解組分分析的SF6設(shè)備絕緣故障診斷方法與技術(shù)的研究要點及發(fā)展趨勢。

分解組分分析 SF6故障診斷 分解機制 特征比值 分解產(chǎn)物

0 引言

六氟化硫（SF6）在常溫常壓下是一種無色、無味、無毒、不燃的穩(wěn)定氣體，具有優(yōu)良的電絕緣和滅弧性能[1]；作為絕緣介質(zhì)可大幅減小設(shè)備尺寸，提高絕緣強度，已在各電壓等級的全封閉式組合電器（Gas Insulated Switchgear，GIS）中得到廣泛應(yīng) 用[2]。盡管GIS的可靠性高于普通的電氣設(shè)備，但其在運行中依然會出現(xiàn)事故[3]。針對GIS的放電性故障診斷可以采用電測法、超聲法和特高頻法等，但由于現(xiàn)場存在各種強烈干擾，使得電測法、超聲法易受現(xiàn)場電磁噪聲干擾；特高頻法雖然抗干擾能力較強，但是其難以對放電進行定量分析，很難對絕緣運行狀態(tài)作出準確判斷[4]。而針對GIS外部過熱性（Partial Over Thermal, POT）故障，盡管可以通過紅外直接測量其表面溫度來判斷[5]，但是當GIS內(nèi)部發(fā)生POT時，故障表面溫度受SF6氣體熱阻系數(shù)、熱源與設(shè)備殼體表面距離等影響，不能直接通過紅外測量其表面溫度來判斷內(nèi)部局部過熱點溫度，也不能像放電性故障那樣通過放電過程中所激發(fā)的相關(guān)電、磁、光、超聲信號進行實時監(jiān)測[6]。

純凈的SF6氣體化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定，不易分解。國內(nèi)外大量研究發(fā)現(xiàn)[6-8]，在局部放電（Partial Discharge，PD）、火花放電、電弧放電和局部過熱等因素作用下，會促使SF6氣體分子中的離子鍵發(fā)生斷裂導(dǎo)致其裂解，形成SF5、SF4、SF3、SF2和SF等低氟化物（SF）。在沒有任何雜質(zhì)存在的情況下，只要引起裂解的外部因素消失，這些SF會迅速與F原子復(fù)合還原成SF6分子。但是，當SF6氣體中含有微量的水分（H2O）和氧氣（O2）等雜質(zhì)氣體以及固體有機絕緣材料、金屬材料等物質(zhì)時，形成的SF會與其發(fā)生反應(yīng)而進一步生成其他物質(zhì)，此時SF不會再還原成SF6分子。GIS設(shè)備在長期運行過程中，內(nèi)部不可避免會存在不同含量的微量水分和氧氣等雜質(zhì)。一方面，SF6氣體裂解后產(chǎn)生的SF（=1,2,3,4,5）與雜質(zhì)反應(yīng)生成的新組分氣體，會導(dǎo)致設(shè)備絕緣性能降低。另一方面，有些新組分氣體（稱之為特征組分）又與引起裂解的內(nèi)部故障因素有著密切的關(guān)聯(lián)，利用這些特征組分的生成及變化規(guī)律建立的基于分解組分分析（Decomposed Components Analysis，DCA）方法，能夠?qū)崿F(xiàn)SF6氣體絕緣裝備的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷[9]。由于DCA是基于氣體色譜分析理論的化學(xué)檢測法，不受環(huán)境噪聲和強電磁干擾的影響，與脈沖電流法、超聲波法和特高頻法等相比，其優(yōu)勢在于無需對設(shè)備本體進行改造或植入復(fù)雜的檢測元件，氣體取樣和分析工作可在設(shè)備運行時進行。目前，該方法的研究進展倍受國內(nèi)外同行的廣泛關(guān)注，國際大電網(wǎng)會議組織（CIGRE）近期也成立了WG B3-25（SF6gas analysis for AIS, GIS and MTS Condition assessment）工作組，以期建立SF6氣體絕緣設(shè)備的故障組分分析導(dǎo)則，實現(xiàn)對SF6或者混合氣體絕緣設(shè)備的絕緣故障診斷和狀態(tài)評價[6]。因此，有必要了解基于DCA的SF6設(shè)備絕緣故障診斷原理、方法與技術(shù)的最新研究進展，以推動本學(xué)科的理論與技術(shù)進步。

本文首先介紹氣體絕緣裝備常見絕緣故障統(tǒng)計情況，并對常見絕緣故障及其誘因進行綜述；然后，從SF6氣體分解過程及機制出發(fā)，分析基于SF6分解組分分析的故障診斷原理；其次，重點評述SF6故障分解特征產(chǎn)物，對以分解組分比值為特征量的故障診斷研究情況進行綜述；最后，結(jié)合當前研究現(xiàn)狀和存在的問題，指出基于DCA的SF6設(shè)備絕緣故障診斷技術(shù)的發(fā)展趨勢。

1 氣體絕緣裝備常見絕緣故障

1.1 氣體絕緣裝備中常見故障統(tǒng)計

SF6氣體絕緣裝備一直被普遍認為是少維護甚至是免維護的高壓電器裝備，但是根據(jù)CIGRE的統(tǒng)計[3]，其故障率遠高于IEC標準建議的故障水平。在這些故障中，以絕緣故障的發(fā)生比例最高。據(jù)CIGRE統(tǒng)計[3]，1985年以前投入的SF6氣體絕緣裝備共發(fā)生故障562起，其中絕緣故障比例高達60%；1985年以后投入的共發(fā)生故障247起，絕緣故障占51%。

據(jù)國家電網(wǎng)公司不完全統(tǒng)計[10]，在2003～2008年，國家電網(wǎng)公司系統(tǒng)72.5kV及以上GIS設(shè)備共發(fā)生缺陷2 897個間隔·次，實際消除缺陷2 867個間隔·次，消缺率為99.0%；2005年以后，共引發(fā)192次設(shè)備自身原因的非計劃停運。其中，危急缺陷201個間隔·次，共造成設(shè)備自身非停85次，消缺率為100%；嚴重缺陷452個間隔·次，共造成設(shè)備自身非停103間隔·次，實際消除缺陷451個間隔·次，消缺率為99.8%；一般缺陷2 244個間隔·次，實際消除缺陷2 215個間隔·次，消缺率為98.7%。而這期間，由于絕緣缺陷引起的國家電網(wǎng)公司系統(tǒng)72.5kV及以上組合電器設(shè)備故障107臺·次，其中，事故33臺·次，障礙74臺·次。故障主要集中在126kV和252kV電壓等級，占83.2%。從故障設(shè)備的投運時間看，約有34臺·次設(shè)備于1998～2002年之間投運，占總數(shù)的73.9%。其中，屬于斷路器隔室及其操動機構(gòu)的有38次，占35.5%；屬于隔離開關(guān)（接地開關(guān)）氣室或單元有24次，占22.4%；屬于電流互感器氣室有5次，占4.7%；屬于避雷器氣室有1次，占0.9%；屬于電壓互感器氣室有4次，占3.7%；屬于進出線或母線氣室的有17次，占15.9%；其他情況有18次，占16.8%。按故障部位分類統(tǒng)計如圖1所示。

圖1 GIS絕緣故障部位分布

另據(jù)統(tǒng)計[11]由不同缺陷引發(fā)GIS故障所占比例如圖2所示，從圖2中可以看出，在所有的SF6氣體絕緣裝備故障類型中，接觸不良占據(jù)的比例最高，其次是金屬微粒、未知故障和絕緣子缺陷引起的故障率。

圖2 不同缺陷引發(fā) GIS 故障的比例

1.2 氣體絕緣裝備絕緣故障及其誘因

SF6氣體絕緣裝備在制造、運輸、安裝、運行及檢修等過程中，由于生產(chǎn)工藝、機械振動、安裝疏忽、運動磨損及檢修不嚴等原因，不可避免地造成SF6氣體絕緣裝備內(nèi)出現(xiàn)不同程度和類型的絕緣缺陷。按照SF6氣體絕緣裝備的故障性質(zhì)，可以把SF6氣體絕緣裝備的故障分為放電性故障、過熱性故障和機械性故障，然而機械性故障常以過熱性故障和放電性故障的形式表現(xiàn)出來，因此僅需針對放電性故障和過熱性故障進行研究[6]。

1.2.1 氣體絕緣裝備放電性故障

從目前研究形成的共識看，引起放電性絕緣故障主要是由于GIS等氣體絕緣裝備內(nèi)部存在著各種缺陷，這些缺陷使設(shè)備內(nèi)部的電場發(fā)生畸變，最終導(dǎo)致了設(shè)備發(fā)生各種絕緣故障（主要誘發(fā)放電性故障）。從缺陷的種類來看，絕緣類缺陷主要包括：自由導(dǎo)電微粒、金屬突出物、絕緣子缺陷和懸浮電位體等[12]，絕緣缺陷在GIS腔體內(nèi)出現(xiàn)的部位如圖3 所示。

圖3 GIS腔體內(nèi)絕緣缺陷出現(xiàn)的部位

在運行中的電應(yīng)力、各種分解產(chǎn)物造成的化學(xué)腐蝕及機械振動等一系列外在因素的作用下，這些絕緣缺陷會不斷發(fā)展并加劇，直至形成絕緣故障，造成設(shè)備停電事故。在氣體絕緣裝備內(nèi)部出現(xiàn)絕緣缺陷的不同時期，會表現(xiàn)出不同形式的放電性故障，如果按照放電性故障的表現(xiàn)形式和嚴重程度來劃分，大致可劃為PD、火花放電和電弧放電三大類，PD一般是絕緣缺陷的早期表象，火花放電是絕緣缺陷的中期表象，電弧放電則是絕緣缺陷嚴重的表 象[13]。

（1）自由導(dǎo)電微粒。自由導(dǎo)電微粒[14]是指在電極之間存在可在電場作用下自由跳動的金屬微?；蛩樾肌Ｋ话愠霈F(xiàn)在設(shè)備金屬腔體與高壓導(dǎo)體之間的空間里。其可能是制造或裝配過程中未清洗干凈而產(chǎn)生的遺留物，也可能是機械裝置動作過程中金屬磨擦而產(chǎn)生的金屬粉末。這些金屬微粒形狀各異，有顆粒狀、片狀、粉末狀和尖刺狀等。由于這些顆粒是金屬的，它們會在電場中感應(yīng)出電荷，并且其質(zhì)量很小，在電場力的作用下會發(fā)生移位和跳動。這些微粒的運動與電場強度、微粒形狀和質(zhì)量以及一些隨機因素相關(guān)，如果微粒跳動的范圍足夠大，數(shù)量足夠多，就可能在高壓導(dǎo)體和外殼之間形成導(dǎo)電通路或者貫穿性的電弧通道，從而造成設(shè)備嚴重的故障[15,16]。因此，這些導(dǎo)電微粒對運行中的設(shè)備危害較大。在導(dǎo)電微粒導(dǎo)致腔體內(nèi)發(fā)生貫穿性的放電前，最容易表現(xiàn)的電氣特征就是產(chǎn)生PD。

（2）金屬突出物。金屬突出物通常有兩種存在形式：①金屬突起毛刺；②金屬微粒附著在固體絕緣表面。它是因加工不良、機械破壞或裝配時的相互擦刮而產(chǎn)生，通常異常尖銳，以致在尖頭突出部位形成絕緣氣體中的高場強區(qū)。在穩(wěn)態(tài)工作條件下，這些高場強區(qū)所產(chǎn)生的電暈有時顯得較為穩(wěn)定，不一定會引起擊穿。然而，在快速暫態(tài)過電壓下，譬如在操作過電壓或雷電過電壓下，往往會引發(fā)擊穿故障。另外，絕緣子表面吸附的固體金屬微粒，若是暫時粘在絕緣子表面，通常會移動到低場強區(qū)而不發(fā)生PD，但在某些情況下會長期固定在絕緣子表面，作為固定金屬微粒，它粘貼在絕緣表面的作用類似于金屬突起物[17,18]。

（3）絕緣子缺陷。絕緣子缺陷[12,17,19]有可能發(fā)生在絕緣子表面或內(nèi)部。表面缺陷是由其他缺陷類型引起的二次效應(yīng)，比如PD產(chǎn)生的分解物、金屬微?；蛘呓^緣氣體中可能過多水氣引起的破壞；在現(xiàn)場測試時，閃絡(luò)產(chǎn)生的樹痕，在某種情況下也可以被視為絕緣表面缺陷。內(nèi)部缺陷通常很小，常常是一些在制造過程中形成但又很難檢測到的缺陷，比如在制造過程中滲入的金屬微粒、環(huán)氧樹脂在固化過程中的收縮以及環(huán)氧樹脂和金屬電極不同的熱膨脹系數(shù)而出現(xiàn)的內(nèi)部空隙或?qū)与x；由于裝配誤差，導(dǎo)體的機械運動也可能給絕緣子造成損傷。

（4）懸浮電位體。在氣體絕緣裝備內(nèi)部，被廣泛地用來改善危險部位電場分布的屏蔽電極與高壓導(dǎo)體或接地導(dǎo)體間的電氣連接，通常是所謂輕負載接觸（即連接部分只傳輸很小的容性電流）。然而，一些連接部件在最初安裝時雖然接觸良好，但隨著開關(guān)電器操作所產(chǎn)生的機械振動會導(dǎo)致移位或隨時間推移帶來老化，這些都有可能造成靜電屏蔽體的接觸不良，從而出現(xiàn)浮動電位[20]。同時，靜電屏蔽體或?qū)w連接點機械上的不良接觸又會加劇因靜電力引起的機械振動，從而進一步導(dǎo)致接觸不良，最終出現(xiàn)電極電位浮動。對于大多數(shù)電位浮動的電極所形成的等效電容，在充電過程中會產(chǎn)生PD，并伴有較強的電磁輻射和超聲波，同時放電還會形成腐蝕性的分解物和微粒，從而加速缺陷的惡化，甚至污染附近的絕緣表面，嚴重時導(dǎo)致絕緣故障的發(fā)生[20,21]。

1.2.2 氣體絕緣裝備過熱性故障

SF6氣體絕緣設(shè)備在運行等過程中，其內(nèi)部不可避免地會存在接觸不良、磁路飽和、磁短路以及各種放電等缺陷，這些缺陷如果得不到及時的處理，在缺陷部位的熱穩(wěn)定性將被破壞，會造成SF6氣體絕緣裝備局部過熱現(xiàn)象，嚴重時可能引起局部過熱性故障。這些早期POT會不同程度地損傷絕緣材料，絕緣材料的損傷又加重局部過熱，從而進一步加快絕緣材料的劣化，以致形成惡性循環(huán)，最終可能導(dǎo)致絕緣擊穿或燒蝕[6,22]。

2 基于SF6分解組分分析的故障診斷原理

2.1 SF6氣體分解過程及機制

由于SF6氣體絕緣裝備內(nèi)部出現(xiàn)早期潛伏性絕緣故障時，常常會伴隨不同形式和強度的PD或者POT物理現(xiàn)象，產(chǎn)生的局部強電磁能及局部高溫熾熱會使SF6絕緣氣體介質(zhì)發(fā)生不同程度的分解，生成各種SF（=1,2,3,4,5），如果SF6氣體絕緣裝備內(nèi)部同時存在微量的H2O和O2等雜質(zhì)，其分解物還會進一步與之發(fā)生反應(yīng)，生成如SO2F2、SOF2、SO2、HF及H2S等組分氣體[6,8,23-25]；如果內(nèi)部有固體絕緣與金屬材料，還會生成CO2和CF4等含碳組 分[6,8,26]。SF6分解物與H2O、O2、C和金屬結(jié)合過程的示意如圖4所示。

圖4 SF6分解組分的形成

目前，針對SF6分解過程及其產(chǎn)物，已經(jīng)形成了統(tǒng)一的認識，但是針對SF6氣體的放電分解機制，仍沒有得出系統(tǒng)的研究成果[27]。美國國家標準局的R. J. Van Brunt對SF6在PD下的分解機理進行了系統(tǒng)的研究，提出了“區(qū)域分解模型”來解釋SF6在PD下的分解機理，用針-板電極作為放電物理模型，形象地闡述了SF6在PD下的區(qū)域分解過程[28,29]，如圖5所示。

盡管“區(qū)域分解模型”能夠?qū)F6氣體絕緣設(shè)備中產(chǎn)生的氣體分解過程及結(jié)果進行合理的解釋。

圖5 SF6氣體在PD下的區(qū)域分解模型

然而，該模型是針對金屬突出物缺陷在負極性直流條件下提出的，存在很大的局限性。當外加電壓為正極性直流或者交流時，或在其他絕緣缺陷，或火花、電弧放電下，其氣體分解機制及過程可能并不完全相同，SF6氣體分解物理模型有待進一步的研究[27]。此外，針對SF6氣體過熱微觀分解機制還是一片空白，亟需深入研究[6]。

2.2 DCA故障診斷原理

SF6分解組分（如HF、H2S等）會腐蝕設(shè)備內(nèi)固體絕緣及金屬部件材料，加速設(shè)備內(nèi)部整體絕緣劣化，導(dǎo)致設(shè)備發(fā)生突發(fā)性絕緣故障[4]。但在眾多的分解組分中，某些稱之為特征組分的含量大小及其變化規(guī)律與絕緣故障類型和嚴重程度有密切關(guān) 系[25,30,31]，如圖6和圖7所示。因此，可通過對SF6分解生成的特征組分特點來及時發(fā)現(xiàn)SF6氣體絕緣裝備內(nèi)部的早期潛伏性絕緣故障，并對其絕緣狀態(tài)進行科學(xué)評價，以降低SF6電氣設(shè)備發(fā)生突發(fā)性絕緣故障的概率。

（a）金屬突出物缺陷 （b）絕緣子表面污穢缺陷

（c）自由金屬微粒缺陷 （d）絕緣子氣隙缺陷

圖6 SF6在不同絕緣缺陷類型PD下的分解特性

Fig.6 SF6 decomposition characteristics in different types of insulation defect under PD

（a）CF4組分

（b）CO2組分

（c）SOF4+SO2F2組分

（d）SOF2組分

圖7 SF6在過熱狀態(tài)下特征組分的分解特性

Fig.7 SF6 decomposition characteristics in an overheated state

同時，由于SF6的分解特性與絕緣故障類型和嚴重程度關(guān)系極為密切，分解組分的變化規(guī)律不僅可以反映出故障的性質(zhì)，而且還可以反映出故障的產(chǎn)生機理、發(fā)展與演變過程。為此，通過對SF6在不同故障模式下分解特性的系統(tǒng)研究，可以從本質(zhì)上提取出揭示SF6氣體絕緣裝備內(nèi)部不同絕緣故障產(chǎn)生、發(fā)展及演變過程的特征信息或特征量，建立內(nèi)部絕緣狀態(tài)綜合評價模型，最終構(gòu)建出SF6氣體絕緣裝備內(nèi)部絕緣故障診斷與預(yù)警體系。

3 SF6故障分解特征產(chǎn)物

目前，國內(nèi)外對SF6氣體絕緣設(shè)備的絕緣性能監(jiān)測，還沒有形成像變壓器油中溶解氣體分析那樣成熟而具體的檢修標準或?qū)t，僅有IEC 60376—2005[32]和IEC 60480—2004[33]分別對SF6新氣和可回收再利用SF6氣體做了一個初步概略性的規(guī)定。造成這個現(xiàn)狀的最根本原因是沒有掌握SF6分解特征氣體種類及其含量變化規(guī)律與SF6氣體絕緣設(shè)備絕緣缺陷狀態(tài)之間的關(guān)系，無法建立表征SF6氣體絕緣設(shè)備絕緣狀態(tài)的分解組分特征量體系。

3.1 PD故障的特征組分

文獻[34]對尖刺放電、懸浮放電和沿面放電三種缺陷引起的PD與SF6放電分解組分的關(guān)系進行了試驗研究，在氣室中檢測出SOF2、SO2、HF等產(chǎn)物，且發(fā)現(xiàn)隨著PD嚴重程度的加重，SOF2、SO2、HF的含量也隨之增大，可以將這些組分作為GIS PD的特征氣體。文獻[35]研究了PD條件下的SF6分解特性，發(fā)現(xiàn)SO2F2與SOF2兩種主要分解產(chǎn)物都隨放電量線性增加（＜0.4C），其中SOF2表現(xiàn)出一定的飽和趨勢，其含量低于SO2F2。文獻[36]通過試驗研究不同放電類型和放電程度下S2OF10隨時間的變化規(guī)律，并通過和量子化學(xué)理論研究了S2OF10的生成機理，通過試驗和理論研究發(fā)現(xiàn)S2OF10在GIS氣室內(nèi)PD下不會大量產(chǎn)生，不能作為PD放電特征氣體。文獻[37]對盆式絕緣子進行了沿面放電試驗，并借助理論計算，發(fā)現(xiàn)CS2可作為一種新的特征分解氣體用于GIS盆式絕緣介質(zhì)放電故障的診斷。

國內(nèi)外針對SF6分解組分與PD能量的關(guān)聯(lián)關(guān)系進行大量研究，已經(jīng)取得一定的成果。文獻[38]指出在SF6氣體絕緣電器設(shè)備中，由于絕緣缺陷引起的PD能量相對較低，引起PD區(qū)域附近溫度變化不大，可認為常溫下的SF6氣體放電分解的主要原因是電效應(yīng)，即常溫下在陡脈沖強電場激發(fā)的高能電子碰撞下引起SF6氣體分解。由于SF5的生成只需PD產(chǎn)生的電子流在撞擊SF6分子時斷裂1個S-F鍵，需要的電子流能量較低，大約為420kJ/mol[39]。而生成SF4需要SF6同時斷裂2個S-F鍵，相對需要的能量較生成SF5所需電子流能量高，依次類推，生成SF3、SF2、SF、S的PD能量將依次增大，但其中SF、SF3、SF5分子結(jié)構(gòu)不對稱，使得其化學(xué)性質(zhì)極不穩(wěn)定[40]，極易與游離的F原子結(jié)合生成SF2、SF4和SF6。在極高能量PD作用下，有可能使SF6分子同時斷裂所有S-F鍵而產(chǎn)生單質(zhì)硫S或者高能電子在撞擊完SF6分子后，由于能量的損失而附著在S上面形成S2-，S2-再與H+結(jié)合生產(chǎn)H2S，因此H2S是高能PD的特征產(chǎn)物。

雖然，SF6在PD作用下形成的低氟硫化物或者分子碎片不可避免地會在PD輝光區(qū)內(nèi)發(fā)生二次電離，但是R. J. Van Brunt通過研究將SF在PD作用下的二次電離速率列于表1，由表1可見各低氟硫化物發(fā)生二次電離生成其他低氟硫化物的概率和速率幾乎一致，認為低氟硫化物發(fā)生二次或多次電離對最終分解產(chǎn)物的影響甚微，可忽略不計。因此，所生成的最終低氟硫化物的種類及其含量主要取決于SF6在PD作用下發(fā)生的首次電離[36]。也就是說，SF4、SF2、S和H2S的產(chǎn)率直接反映出PD能量大小，成為揭示PD能量大小的特征組分[41]。

表1 SFx在PD作用下的二次電離速率[40]

Tab.1 SFx secondary ionization rate under PD

由于SF4和SF2主要存在于輝光區(qū)，S為固體顆粒，因此這三種物質(zhì)均不利于取樣和檢測。然而，當SF4和SF2通過擴散作用進入到主氣室后，SF4極易與H2O發(fā)生水解反應(yīng)生成SOF2，同時SF2也易與O2反應(yīng)，生成SO2F2。據(jù)此，文獻[41]指出SOF2和SO2F2的產(chǎn)率能夠在一定程度上間接地反映出PD能量的大小，即產(chǎn)生SOF2所需的PD能量較SO2F2低，而且SOF2和SO2F2主要存在于主氣室，便于采樣和檢測，因此提出可利用SO2F2和SOF2作為間接表征PD能量的特征組分。

通過以上研究結(jié)果可以得到這樣的結(jié)論：SO2F2、SOF2、SO2、HF和CS2可以作為反映是否存在PD的特征氣體，其中SO2F2和SOF2可作為間接表征PD能量大小的特征組分。

3.2 高能放電性故障的特征組分

高能放電性故障包含電弧放電故障和火花放電故障，其為內(nèi)部絕緣故障發(fā)展到一定階段后所表現(xiàn)出來的一種對設(shè)備內(nèi)部絕緣破壞性極強的放電現(xiàn)象，并極有可能危及設(shè)備的安全運行。SF6在PD作用和高能放電性故障下的分解機理有著本質(zhì)不同。電弧作用下促使SF6分解的原因，除了高能電子的轟擊之外，同時還伴隨著劇烈的熱效應(yīng)、高能光子以及電弧通道內(nèi)高溫等離子體的協(xié)同影響，相關(guān)機理還有待進一步深入研究。總體來說，電弧放電的能量高，其特點是SF6分解特征組分的產(chǎn)氣速率急劇增加而且量大，一般難以預(yù)測，最終以突發(fā)性絕緣事故暴露出來?；鸹ǚ烹娛且环N間隙性放電故障，放電能量較PD高，SF6在火花放電故障作用下的分解速率也較PD作用下快，但要低于電弧放電故障。

3.2.1 電弧放電

國外學(xué)者對電弧放電下SF6的分解特性進行了大量研究，而國內(nèi)學(xué)者在這方面的研究相對較少。K. Hirooka等[42]認為電弧放電下，SF6氣體主要通過兩種方式發(fā)生分解，一種是電弧燃燒時由于過熱直接產(chǎn)生分解；另一種則是電弧熄滅后產(chǎn)生的分解，設(shè)備內(nèi)部的微量水分只會影響電弧熄滅后的分解過程。其在氣室中檢測到金屬氟化物（CuF2、AlF3、WF6等），并發(fā)現(xiàn)大量的SF4，而S2F2和S2F10幾乎沒有檢出。C. Boudene等[43]提出當設(shè)備內(nèi)部存在微量的氧氣時，SF6電弧放電分解的主要產(chǎn)物是SOF2，同時可檢測到微量的SOF4和SO2F2。W. Becher和J. Massonne[44]利用紅外光譜儀分析發(fā)現(xiàn)，在電弧放電下SF6極易分解產(chǎn)生SOF2和SF4，但沒有檢測到S2F10O和S2F10。B. Belmadani等[45]發(fā)現(xiàn)當放電發(fā)生在設(shè)備內(nèi)部絕緣材料附近時，會產(chǎn)生一定含量的CF4。另外，SF6電弧放電條件下發(fā)生放電分解后，主要分解產(chǎn)物含量自大到小依次是SOF2+SO2、CF4和SO2F2。

從目前大多數(shù)學(xué)者的研究結(jié)果來看，SF6在電弧放電故障作用下的主要分解產(chǎn)物是SF4、SO2、SOF2、WF6、AlF3和CuF2，其次會有少量的SO2F2。如果當電弧涉及到有機固體絕緣材料時，不僅會伴隨產(chǎn)生大量的CF4、CO2和CO，而且因為電弧放電的能量密度高，在電場力作用下會產(chǎn)生高速電子流和大量的等離子體，同時還會釋放大量的熱量和光子，這些因素共同作用于固體絕緣材料，會使固體絕緣材料受到嚴重破壞[46,47]。因此，若對電弧放電故障不及時處理，嚴重時有可能會造成SF6氣體絕緣設(shè)備的重大破壞或爆炸事故。

3.2.2 火花放電

與SF6在電弧放電故障作用下的分解現(xiàn)象類似，國內(nèi)學(xué)者對其研究較少，但國外學(xué)者對其有較多研究。I. Sauers等[48]較為系統(tǒng)地研究了SF6在火花放電作用下的分解現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)生成物含量依次為：SOF2＞SOF4＞SiF4＞SO2F2＞SO2，其中SOF2為最主要的放電分解產(chǎn)物。橡樹嶺國家實驗室的研究中也檢測到了SF4、SOF2、SO2F2、SiF4、SOF4等多種氣體分解產(chǎn)物[27]。W. Becher和J. Massonne[44]對SF6氣體在火花放電下的分解試驗，該次試驗中檢測到了濃度約為100mL/L的S2F10。W. Becher等研究[49]指出，不同于電弧放電，火花放電條件下可以檢測到較高濃度的SO2F2和SOF4，同時還可檢測到低濃度的S2F10以及S2OF10。C. Pradayrol等[50]和C. Beyer等[51]也得出類似結(jié)論，僅在火花放電中檢測到S2F10和S2OF10。陳俊[52]對火花放電和電暈放電進行了試驗和理論研究，指出在火花放電下，SO2F2生成量小于SO2，在電暈放電則相反，因此可以通過比較SO2F2和SO2的含量，來確定放電類型。

根據(jù)以往的研究可以得到這樣的結(jié)論：在火花放電故障作用下，SF6氣體絕緣介質(zhì)發(fā)生分解所生成的主要分解產(chǎn)物是SOF2、SO2F2、SOF4、SO2和SiF4，同時與電弧放電和PD故障不同的是，在火花放電故障作用下，SF6的分解產(chǎn)物中還有一定量的S2F10和S2F10O[46,53-55]。同樣，當火花放電故障涉及到設(shè)備內(nèi)部的有機固體絕緣材料時，也會伴隨產(chǎn)生大量的CF4、CO2和CO，即火花放電故障不僅會使SF6氣體絕緣介質(zhì)發(fā)生劣化，同時還會使其內(nèi)部的固體絕緣介質(zhì)發(fā)生劣化。但是，目前的研究成果還存在矛盾之處（如SO2F2和SO2的含量大小問題），仍需對火花放電進行進一步研究。

3.3 局部過熱性故障的特征組分

國外對局部過熱性故障進行了一定的研究。R. L. Wilkins通過試驗發(fā)現(xiàn)[56]，當溫度高達1 500K時，SF6氣體主要分解產(chǎn)物是SF4。F. Y. Chu和R. M. Massey[57]將鋁、銅和不銹鋼置于溫度為650℃的SF6氣體中進行試驗，在鋁材料環(huán)境中檢測到SO2F2，銅材料環(huán)境中檢測到SO2和SOF2，而在不銹鋼環(huán)境中未發(fā)現(xiàn)分解產(chǎn)物。

在國內(nèi)，近年來主要是作者帶領(lǐng)的課題組對局部過熱性故障下的SF6分解特性開展了系統(tǒng)探索研究[6,24,25,58,59]，研究發(fā)現(xiàn)有些結(jié)果與上述國外研究存在差異，主要表現(xiàn)：當溫度高于200℃時，SF6氣體能與許多金屬發(fā)生反應(yīng)，并可在金屬表面檢測到金屬氟化物及金屬硫化物，而在反應(yīng)后生成的氣體中可檢測到SO2F2、SOF4、H2S、CO2、SOF2、和SO2。當故障涉及到有機固體絕緣材料時，還會同時產(chǎn)生大量的CF4。此外，當SF6發(fā)生分解所形成的含硫特征分解產(chǎn)物，出現(xiàn)順序是SO2→SOF2→SOF4+SO2F2→H2S，含碳分解產(chǎn)物的出現(xiàn)的順序為CO2→CF4。其中，SOF2和SO2是SF6在POT作用下發(fā)生分解所生成的主要特征分解產(chǎn)物，其產(chǎn)物含量所占比例在90%左右，這兩種主要分解產(chǎn)物的含量能夠在很大程度上表征SF6在POT作用下的劣化程度。H2S是故障達到一定程度（故障溫度高于 340℃）后才會產(chǎn)生的一種分解特征產(chǎn)物，其可作為POT故障性質(zhì)躍變的一個標志性分解產(chǎn)物。CO2和CF4是區(qū)分POT是否涉及有機固體絕緣材料的標志性特征產(chǎn)物，其生成量和生成速率直接表征了有機固體絕緣材料劣化的程度。此外，CO2還可作為表征SF6氣體絕緣設(shè)備中含碳金屬材料在POT作用下的劣化程度。

4 以分解組分比值為特征量的故障診斷

4.1 比值法的基本原理

由SF6分解機制可知，導(dǎo)致SF6發(fā)生分解的關(guān)鍵因素是PD或POT等故障所激發(fā)的高能電子或局部高溫使SF6氣體絕緣介質(zhì)裂解為SF，能量越高，形成的SF中F原子的個數(shù)越少，最終形成的穩(wěn)定產(chǎn)物也會隨之不同。而特征比值，能夠消除分解氣室的體積效應(yīng)，可以得出對故障狀態(tài)較為可靠的診斷依據(jù)。因此，根據(jù)SF6氣體絕緣介質(zhì)在不同故障下所產(chǎn)生的分解特征氣體組分含量的相對濃度與故障類型、性質(zhì)及程度等存在的相互依賴關(guān)系，并從眾多特征氣體中選取能夠有效表征SF6氣體絕緣設(shè)備故障類型及其嚴重程度的組分特征比值，作為故障診斷的特征量，可建立起基于分解組分分析的故障診斷方法。目前僅作者課題組在這方面開展了研究，并初步建立起了基于DCA的故障診斷方法。

4.2 SF6分解特征組分比值的構(gòu)建

4.2.1(SO2F2)/(SOF2)的物理意義

SO2F2主要來源是SF2，SOF2主要來源是SF4，其中SF2的產(chǎn)生需要SF6同時斷裂4個S-F鍵，而SF4卻只需SF6同時斷裂2個S-F鍵，故生成SF2所需的能量要大于產(chǎn)生SF4所需能量，即生成SO2F2所需故障能量要比生成SOF2的高。因此，SOF2和SO2F2含量與PD和POT故障能量有著密切關(guān)系，文獻[41,60]據(jù)此借鑒比值法的原理，提出采用(SO2F2)/(SOF2)作為揭示SF6氣體絕緣電氣設(shè)備中故障源處故障嚴重程度的能量特征比值（Energy Ratio, ER）。很顯然，(SO2F2)/(SOF2)越大，說明PD和POT故障產(chǎn)生的高能電子流在轟擊SF6分子時使其斷裂的S-F鍵越多，裂解所生成的低氟硫化物中SF2與SF4較接近甚至超過SF4的含量，即設(shè)備內(nèi)部故障越嚴重，反之亦然。

4.2.2(CF4)/(CO2)的物理意義

當涉及到有機固體絕緣材料和含碳金屬構(gòu)件時，在故障區(qū)域中的含碳材料中的C會在故障作用下被激發(fā)出來變成激發(fā)態(tài)的C*，然后與附近的O2或者分解生成的游離態(tài)的F*發(fā)生反應(yīng)而生成大量的CO2和CF4。相對于C原子而言，F(xiàn)原子更容易與故障區(qū)域中的金屬材料形成金屬氟化物MF（隨金屬價態(tài)而定），進而使得CF4的生成條件較CO2更為苛刻，生成CF4所需的能量要比CO2所需的能量高，因此可采用(CF4)/(CO2)比值來作為表征有機固體絕緣材料劣化程度的特征比值[6,8]。其中，該比值越大，說明故障程度越高，有機固體絕緣材料的劣化就越嚴重。

4.2.3(SOF2+SO2F2)/(CF4+CO2)的物理意義

由于CF4和CO2是有機絕緣材料或不銹鋼材料在放電或過熱環(huán)境下劣化釋放的C原子與F原子以及O2反應(yīng)生成的，其含量之和可以用來表征參與反應(yīng)的固體絕緣材料或不銹鋼材料劣化釋放出C元素的多少。而SOF2和SO2F2是SF6分解后生成的兩種主要穩(wěn)定產(chǎn)物，其含量之和(SOF2+SO2F2)大致反映SF6的分解總量。選擇(SOF2+SO2F2)/(CF4+CO2)作為特征比值，可以用來反映固體絕緣材料和金屬材料的劣化程度[6,8]。當SF6的分解總量一定時，該特征比值越小則表明固體絕緣材料劣化程度或金屬材料腐蝕程度越嚴重。

當POT涉及有機固體絕緣材料時，由于CO2和CF4的生成量遠低于各種含硫特征產(chǎn)物的生成量，為了便于數(shù)據(jù)比較，可以將特征比值(CO2+CF4)/(SO2F2+SOF2)稍作變化，修改為(CO2+CF4)/ lg(SO2F2+SOF2)。但當POT沒有涉及有機固體絕緣材料時，修改的特征比值與故障溫度的關(guān)系只是存在著一個正相關(guān)性，而整體規(guī)律性不強。因此，當POT沒有涉及有機固體絕緣材料時，不宜將(CO2+CF4)/ lg(SO2F2+SOF2)特征比值作為判斷POT故障嚴重程度的定量指標[6]。

4.3 基于SF6分解特征組分故障診斷方法

4.3.1 PD下四種典型缺陷故障診斷

目前PD下基于SF6分解組分比值的故障診斷研究主要針對金屬突出物、自由導(dǎo)電金屬微粒、絕緣子表面污穢和絕緣子氣隙四種典型絕緣缺陷[8,61,62]。

文獻[61]結(jié)合DGA故障診斷法常用的編碼樹識別絕緣缺陷的思路和方法，建立了基于SF6分解組分檢測與絕緣缺陷編碼識別方法。其首先對SF6分解特征組分比值按其大小范圍進行編碼，見表2。然后考慮4種絕緣缺陷類型與編碼組合存在的對應(yīng)關(guān)系，建立了如圖8所示的識別絕緣缺陷類型的編碼樹。

表2 組分含量比值編碼

Tab.2 Code for component concentration ratio

圖8 絕緣缺陷識別編碼樹

利用SF6分解特征組分比值，文獻[62]建立決策樹算法（圖9為所構(gòu)建的決策樹）、文獻[8]則建立了模糊聚類和支持向量機兩種方法來對GIS內(nèi)部四種典型絕緣故障的進行診斷，利用試驗數(shù)據(jù)驗證上述建立的故障診斷方法均能夠取得良好的識別 效果。

圖9 用于PD識別的決策樹

4.3.2 過熱性故障診斷

文獻[63]通過試驗數(shù)據(jù)分析了放電性故障和熱故障分解產(chǎn)物的特點，指出在放電性故障下SF6的主要分解產(chǎn)物為SOF2和SO2F2，SO2相對生成較少；而在熱故障下的主要分解產(chǎn)物是SOF2和SO2，SO2F2和SOF4則生成相對較少。據(jù)此提出采用(SO2)/(SOF2)和(SO2F2+SOF4)/(SOF2)的特征比值來辨別這兩種故障，并建立了表3所示的識別表。

表3 放電性故障和熱故障識別表

Tab.3 Identification table of discharge fault and thermal fault

4.4 特征組分比值的影響因素校正

由于微水、微氧的含量大小會影響分解組分的生成特性，使得SF6分解特征組分的比值發(fā)生變化，進而降低故障診斷的準確度，因此需要對微水和微氧的影響進行校正，即把分解特征組分含量校正到同一微水、微氧標準條件下。文獻[8,64]從化學(xué)動力學(xué)的角度，推導(dǎo)出特征組分比值與初始微水、微氧濃度之間的關(guān)系為

式中，表示微水初始值[H2O]0或微氧初始值[O2]0；()表示特征組分比值大小；、和為常數(shù)，可通過獲取的試驗數(shù)據(jù)擬合得到，此外通過計算發(fā)現(xiàn)微水、微氧的校正順序并不會對特征組分比值的校正產(chǎn)生影響[8,64]。利用試驗數(shù)據(jù)驗證表明，對微水、微氧的含量進行校正后，識別率得到了顯著提升，從不能（錯誤）識別（識別率0%）提高到正確識別率為81.25%。

文獻[65]試驗發(fā)現(xiàn)吸附劑對SF6的分解產(chǎn)物吸附率各不相同，致使(SO2F2)/(SOF2)分散性較大，不宜作為絕緣故障辨識的特征比值，提出利用分散性小、有穩(wěn)定變化趨勢的(SOF4+SO2F2)/(SOF2+SO2)比值來表征放電故障嚴重程度，作為辨識絕緣故障的特征比值。文獻[66]研究了不同氣壓下SF6的PD分解特性及其變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)特征組分比值(SOF2+SO2)/(SO2F2)隨氣壓的降低而不斷增大，而(SO2F2+SOF2+SO2)/(CO2)與氣壓的關(guān)聯(lián)特性不明顯，在考慮氣壓影響時，后者更適合作為故障診斷的特征量。但上述研究僅提出新的特征比值，而沒有探討相關(guān)的校正公式，因此需要進一步研究。文獻[67]研究了SF6在鋁、銅和不銹鋼的金屬突出物絕緣缺陷模型下PD分解特性，發(fā)現(xiàn)不同電極材料會顯著影響SF6的分解特性，但沒有對故障診斷造成的影響進行研究。

5 總結(jié)和展望

隨著大規(guī)模新能源的接入和特高壓工程的投運，GIS因在提高輸變電裝備運行可靠性和減少設(shè)備占用空間方面的優(yōu)勢將被越來越多的應(yīng)用。為此，關(guān)于其內(nèi)部絕緣狀況監(jiān)測與評估已成為國內(nèi)外關(guān)注焦點，其中基于DCA的SF6設(shè)備絕緣故障診斷方法與技術(shù)是近年來研究的熱點。本文對基于DCA的SF6設(shè)備絕緣故障診斷方法和技術(shù)的研究現(xiàn)狀進行綜述，發(fā)現(xiàn)目前已經(jīng)在分解過程及機制、SF6故障分解特征產(chǎn)物及影響因素和以分解組分比值為特征量的DCA故障診斷原理與方法等方面取得了以下眾多成果：

（1）在GIS設(shè)備發(fā)生的故障中，絕緣故障發(fā)生比例最高，而在不同絕緣缺陷引發(fā)GIS設(shè)備故障中，因接觸不良引發(fā)的故障占據(jù)的比例最高，而因金屬微粒和絕緣子缺陷引發(fā)的故障率其次。

（2）在放電和過熱等因素作用下，會導(dǎo)致SF6氣體發(fā)生分解。生成低氟化物SF（=1,2,3,4,5），當SF6氣室中存在微量水分和氧氣等雜質(zhì)氣體以及固體有機絕緣材料和金屬材料等物質(zhì)時，低氟化物會與其發(fā)生反應(yīng)，生成SO2F2、SOF4、H2S、CO2、SOF2、SO2、S2F10、S2F10O和金屬氟化物等種類眾多且性質(zhì)復(fù)雜的分解產(chǎn)物。

（3）由于SF6氣體的分解特性與絕緣故障類型和嚴重程度關(guān)系極為密切，因此某些特征組分可以用來有效表征絕緣故障類型和嚴重程度，且由此特征組分構(gòu)建的特征比值能夠消除分解氣室的體積效應(yīng)，并具有明確物理含義。因此可通過選取合適的特征組分和特征比值作為故障診斷的聯(lián)合特征量，建立起基于DCA的故障診斷方法與技術(shù)。

（4）特征比值(SO2F2)/(SOF2)能夠表征GIS設(shè)備絕緣故障源處故障嚴重程度，(CF4)/(CO2)能夠表征有機固體絕緣材料劣化程度，(SOF2+SO2F2)/(CF4+CO2)能用來反映固體絕緣材料和金屬材料的劣化程度。

（5）針對金屬突出物、自由導(dǎo)電金屬微粒、絕緣子表面污穢和絕緣子氣隙四種典型絕緣缺陷下的局部放電故障，利用特征比值來建立的比值編碼樹、決策樹、模糊聚類和支持向量機等方法均能夠取得良好的識別效果。而采用(SO2)/(SOF2)、(SO2F2+SOF4)/(SOF2)特征比值能夠辨別出放電性故障和熱故障。

（6）由于微水、微氧的含量會影響SF6分解特征組分的比值，進而降低故障診斷的準確度，通過對微水、微氧的含量進行校正，能夠使識別率得到顯著提升。

然而，基于分解組分分析的SF6設(shè)備絕緣故障診斷技術(shù)的研究還處于起步階段，仍然存在很多值得深入研究的科學(xué)與技術(shù)問題：

（1）“區(qū)域分解模型”是針對金屬突出物缺陷在負極性直流PD條件下提出的，因此有必要完善SF6氣體在正極性直流或者交流、其他絕緣缺陷、火花電弧放電以及過熱故障等不同絕緣故障不同條件下的氣體分解機制及過程的物理模型。

（2）目前放電環(huán)境下的絕緣故障診斷主要圍繞金屬突出物、自由導(dǎo)電金屬微粒、絕緣子表面污穢和絕緣子氣隙四種典型絕緣缺陷展開，而GIS設(shè)備中絕緣故障非常復(fù)雜，并非這四種絕緣缺陷所能概括；此外，多絕緣缺陷也有可能同時存在。今后的工作需要針對上述問題深入開展研究，為最終建立起基于DCA故障診斷的理論、方法和技術(shù)奠定科學(xué)理論與關(guān)鍵技術(shù)支撐。

（3）GIS設(shè)備中除了PD外，還有其他類型的絕緣故障，例如電弧放電、火花放電等嚴重絕緣故障，仍然可研究利用DCA對這些故障類型進行診斷和識別。

（4）由于吸附劑、氣壓、電極材料等會對分解組分生成產(chǎn)生影響，進而影響絕緣故障診斷的準確性，而目前針對這些影響因素的校正研究還處于初級階段，仍然需要進一步開展深入系統(tǒng)的研究。

（5）目前國內(nèi)外的研究絕大部分是基于實驗室的模擬小氣室，且一般只涉及單一影響因素，同時也尚未積累有關(guān)各種影響因素的全面試驗數(shù)據(jù)，而現(xiàn)場電力設(shè)備內(nèi)部環(huán)境比較復(fù)雜，變化的因素也很多，因此有必要選用真實GIS在多種因素綜合影響下開展SF6對比試驗研究，建立更為真實完善的數(shù)據(jù)庫。

（6）目前主要針對純SF6氣體絕緣裝備的交流放電性故障和過熱性故障展開研究，而對純SF6直流GIS和混合氣體絕緣設(shè)備的故障診斷尚未展開，這將是今后的研究熱點。

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Research Status of SF6Insulation Equipment Fault Diagnosis Method and Technology Based on Decomposed Components Analysis

（School of Electrical Engineering Wuhan University Wuhan 430072 China）

With the gas insulated switchgear (GIS) equipment increasingly and widely used in each voltage levels, insulation fault of the GIS equipment will seriously endanger the safe operation of power system. The condition monitoring and fault diagnosis of GIS is an effective method to reduce failure rate and operational cost. This paper reviews the research status of SF6insulation equipment fault diagnosis method and technology based on decomposed components analysis which is a research hotspot in the world, to promote the theory and technical progress of the field. On the basis of the analysis of gas-insulated equipment fault statistics at home and abroad, common insulation failure and its causes were introduced firstly. Then, from the point of SF6decomposition process and mechanism, the fault diagnosis mechanism based on SF6decomposed components was analyzed and SF6fault decomposition characteristic products were emphatically commented. What’s more, research progress of fault diagnosis that regards decompose component ratio as characteristic quantity was summarized. Finally, combining with current research status and unsolved difficult problems, this paper points out the research points and development tendency of SF6insulated equipment fault diagnosis method and technology based on decomposition component analysis.

Decomposed components analysis, SF6, fault diagnosis, decomposition mechanism, concentration ratio, decomposition products

TM85

唐 炬 男，1960年生，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為電氣設(shè)備絕緣在線監(jiān)測與故障智能診斷技術(shù)、高電壓測試技術(shù)等。

E-mail: cqtangju@vip.sina.com（通信作者）

楊 東 男，1989年生，博士研究生，研究方向為GIS 在線監(jiān)測與故障診斷。

E-mail: scyangdong@163.com

2016-06-14 改稿日期 2016-07-06

國家自然科學(xué)基金重點資助項目（51537009）。