H2O對(duì)尖端放電缺陷下SF6分解產(chǎn)物含量的影響

王紹安 ，何彥良，邵先軍，徐 華，沈智偉，孫安邦，張冠軍

（1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014；2.西安交通大學(xué)電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710049；3.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司，杭州 310007）

0 引言

GIS（氣體絕緣金屬封閉開關(guān)）因其檢修方便、使用壽命長(zhǎng)、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛使用[1-2]。作為目前GIS設(shè)備中的主要絕緣氣體，SF6物化性質(zhì)穩(wěn)定，通常情況下不易分解，但是由于GIS內(nèi)部總存在不同類型的缺陷，在GIS的運(yùn)行過程中，缺陷處可能產(chǎn)生局部放電。在局部放電的作用下，SF6氣體可能分解產(chǎn)生低氟化物，由于設(shè)備內(nèi)部水分或氧氣會(huì)與低氟化物發(fā)生一系列水解或氧化反應(yīng)，產(chǎn)生一系列副產(chǎn)物，如SOF2，SO2F2，SO2，CF4，C2F6，CO2，HF，H2S等[3-4]。這些副產(chǎn)物不但會(huì)降低SF6氣體的絕緣性能，同時(shí)HF與H2S也會(huì)對(duì)GIS內(nèi)部造成一定的腐蝕，縮短設(shè)備壽命。因此，可以通過對(duì)SF6分解組分的分析來判斷GIS內(nèi)部發(fā)生的絕緣缺陷，從而有效避免故障的擴(kuò)大。

針對(duì)基于SF6分解組分分析方法在GIS局部放電缺陷中的研究工作已經(jīng)取得了一些成果。R.J.Van Brunt等[5]提出了SF6放電分解的“區(qū)域反應(yīng)模型”，得到了不同區(qū)域中的主要反應(yīng)過程，解釋了SF6放電分解機(jī)理。唐炬、張曉星等[6-8]模擬了SF6在局部放電下的分解過程，對(duì)氣壓、微水、微氧等影響因素下分解產(chǎn)物含量、產(chǎn)生速率及比值進(jìn)行了系統(tǒng)分析，并得到了相應(yīng)結(jié)論。鐘理鵬等[9]描述了金屬突出物缺陷下局部放電量與SOF2，SO2F2，SO2及CO2等4種分解產(chǎn)物隨水分含量的變化規(guī)律，得到了水分對(duì)分解產(chǎn)物生成起促進(jìn)作用。齊波等[10]研究了GIS中不同類型局部放電下氣體分解產(chǎn)物的變化，說明了分解產(chǎn)物與放電程度的關(guān)系。然而，目前研究大多停留在實(shí)驗(yàn)室模擬環(huán)境，而針對(duì)電網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)工況下缺陷產(chǎn)生和檢測(cè)的研究還較為缺乏。

本文搭建了252 kV真型GIS故障仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)GIS內(nèi)部發(fā)生尖端放電缺陷時(shí)，不同微水含量下SF6氣體分解狀況進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，分析了典型分解產(chǎn)物隨放電時(shí)間和微水含量的變化規(guī)律，給出了尖端放電缺陷特征氣體的判斷依據(jù)，為現(xiàn)場(chǎng)工況GIS尖端放電缺陷的診斷提供了幫助。

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

為了準(zhǔn)確模擬實(shí)際GIS現(xiàn)場(chǎng)工況，建立了一套252 kV真型GIS故障仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖1所示。該平臺(tái)包括252kV GIS實(shí)驗(yàn)腔體、調(diào)壓系統(tǒng)、特高頻局部放電信號(hào)標(biāo)定裝置、局部放電檢測(cè)儀、真空泵以及廢氣回收裝置。其中，GIS實(shí)驗(yàn)腔體內(nèi)外直徑分別為29.8 cm和30.6 cm，高壓導(dǎo)管外直徑為9 cm，盆式絕緣子厚度為5 cm，整個(gè)GIS模型包括8個(gè)實(shí)驗(yàn)腔室、套管、電壓互感器、電流互感器、充電式耦合電容器及隔離開關(guān)等實(shí)際電力部件。采用基于脈沖電流法和特高頻法的局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)腔室內(nèi)放電情況進(jìn)行檢測(cè)，可以實(shí)時(shí)獲取平均放電量、放電能量、放電相位等信息。

圖1 GIS故障仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意

在已搭建的GIS故障仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上加入氣相色譜儀、露點(diǎn)儀，構(gòu)成SF6氣體分解組分檢測(cè)系統(tǒng)，如圖2所示。實(shí)驗(yàn)中所使用SF6氣體純度為99.999%，氧氣體積分?jǐn)?shù)小于400×10-6，實(shí)驗(yàn)段放電模擬氣室體積為70 L，側(cè)壁配備了直徑為10 cm的石英玻璃窗，以觀測(cè)內(nèi)部的放電情況。

圖2 SF6氣體分解產(chǎn)物檢測(cè)系統(tǒng)示意

實(shí)驗(yàn)腔體段缺陷具體位置如圖3所示，尖端缺陷設(shè)置在高壓導(dǎo)管表面，距離采氣口40 cm，其中尖端材料為不銹鋼，針長(zhǎng)33 mm，針尖曲率半徑為20μm，針尖距離腔體頂部70 mm，結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)如圖4所示。

圖3 尖端缺陷設(shè)置位置示意

圖4 尖端缺陷結(jié)構(gòu)尺寸示意

1.2 氣體檢測(cè)分析方法

實(shí)驗(yàn)采用華愛GC9760B氣相色譜儀對(duì)氣體分解產(chǎn)物進(jìn)行檢測(cè)分析，該型號(hào)色譜儀為目前現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)常用色譜儀。儀器由5個(gè)切換閥、6根色譜柱和2個(gè)PDD（脈沖放電氦離子檢測(cè)器）組成，內(nèi)置恒溫控制的4個(gè)柱爐和純化器，且溫度分別為60℃，120℃，60℃，50℃和132℃，搭配質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.999%的He作為載氣。該色譜儀通過調(diào)節(jié)柱爐溫度來調(diào)整各產(chǎn)物的出峰時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)各產(chǎn)物之間的有效分離，可以對(duì)H2，O2，N2，CF4，CO2，SO2F2，SO2，H2S和CS2等多種氣體進(jìn)行精確檢測(cè)分析，并分為A，B 2個(gè)通道輸出分析檢測(cè)結(jié)果。圖5分別給出了A，B通道在標(biāo)準(zhǔn)氣體樣品下主要分解產(chǎn)物的出峰情況，表1給出了主要分解產(chǎn)物的出峰時(shí)間。

圖5 主要產(chǎn)物標(biāo)氣出峰情況

1.3 具體實(shí)驗(yàn)方法

本次實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)段腔體內(nèi)部充氣壓力均為0.45 MPa，環(huán)境溫度為常溫25℃左右，選取152×10-6，314×10-6，800×10-6，1 423×10-6和2 002×10-6等5種微水含量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：

（1）清洗氣室。將氣室抽真空后充入純度為99.999%的SF6新氣，然后再將其抽真空，重復(fù)此過程2次，達(dá)到清洗目的。

（2）注入實(shí)驗(yàn)氣體。在真空狀態(tài)下向腔體注入實(shí)驗(yàn)所需的H2O，靜置30 min，待H2O充分氣化后注入SF6至0.45 MPa，再靜置12 h，使H2O與SF6混合均勻。

（3）微水檢測(cè)。使用露點(diǎn)儀測(cè)量實(shí)驗(yàn)氣體中H2O的含量，若H2O含量不符合實(shí)驗(yàn)要求，則返回第（1）步；若H2O含量達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求，則先通過色譜儀分析記錄放電前腔體內(nèi)氣體組分含量。

表1 主要產(chǎn)物出峰時(shí)間

（4）加壓檢測(cè)。采用逐步升壓法將實(shí)驗(yàn)電壓升至可以觀測(cè)到穩(wěn)定的特高頻放電信號(hào)[11]，記錄此時(shí)實(shí)驗(yàn)電壓為局放起始電壓U0，并記錄平均放電量Q0；將實(shí)驗(yàn)電壓調(diào)至1.5U0，在該電壓下進(jìn)行7 h連續(xù)局部放電分解實(shí)驗(yàn)，并通過局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)腔體內(nèi)的放電情況。

（5）記錄數(shù)據(jù)。每隔1 h從取氣口抽取SF6放電分解樣氣，進(jìn)行組分定量分析并實(shí)時(shí)記錄。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 CO隨放電時(shí)間的變化趨勢(shì)

不同微水含量實(shí)驗(yàn)組下，局部放電起始電壓U0在20.5～21.5 kV變化，為了保證放電能量統(tǒng)一，取U0為21 kV，并將實(shí)驗(yàn)電壓升高至31.5 kV，平均放電量為75 pC。

在持續(xù)的交流電壓放電作用下，不同微水含量下CO的生成量隨放電時(shí)間的變化趨勢(shì)見圖6。

圖6 不同φ（H2O）下φ（CO）隨放電時(shí)間的變化規(guī)律

由圖6可知，在不同微水含量的放電環(huán)境下都會(huì)產(chǎn)生CO，且CO的含量在放電后期會(huì)出現(xiàn)一定的負(fù)相關(guān)性，但整體變化情況波動(dòng)較大。

本次實(shí)驗(yàn)選取的金屬突出物材料為含碳不銹鋼，在局部放電作用下，高速的帶電粒子會(huì)撞擊不銹鋼針的表面釋放出游離態(tài)的C原子，并且由于GIS內(nèi)部含有微量的O2與H2O，這些分子同樣也會(huì)被帶電粒子撞擊產(chǎn)生游離態(tài)的O原子，因此涉及到CO的主要反應(yīng)過程如下[12]：

CO含量在放電后期的負(fù)相關(guān)性表示在實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，式（2）的反應(yīng)速率大于式（1），這是因?yàn)镃O2較CO來說更加穩(wěn)定，由分子軌道理論解釋，CO的2個(gè)電子存在于反鍵上，能量更高。而事實(shí)上CO2與放電時(shí)間表現(xiàn)出較好的正相關(guān)性。

至于未曾檢測(cè)到以往實(shí)驗(yàn)[7，9]中常見的硫?；衔锏脑?，在實(shí)驗(yàn)后對(duì)所設(shè)置的金屬針尖缺陷進(jìn)行了能量分析，如圖7所示，并且檢測(cè)到了FeS2。這說明在本次實(shí)驗(yàn)條件下，在硫酰化物生成前游離的S原子被針尖所吸附，如果延長(zhǎng)放電時(shí)間或增大O2含量，則容易檢測(cè)到硫酰化物的產(chǎn)生。

圖7 不銹鋼針尖表面元素分析

2.2 CO2隨放電時(shí)間的變化趨勢(shì)

在同樣強(qiáng)度的局部放電作用下，CO2在不同微水含量下隨放電持續(xù)時(shí)間的變化趨勢(shì)見圖8。

圖8 不同φ（H2O）下φ（CO2）隨放電時(shí)間的變化規(guī)律

可以發(fā)現(xiàn)在7 h的局部放電作用下，CO2含量在誤差范圍內(nèi)與放電時(shí)間呈現(xiàn)出總體增長(zhǎng)的趨勢(shì)，但是表現(xiàn)出了一定的分散性，產(chǎn)生這種線性正相關(guān)性的原因在2.1節(jié)中已經(jīng)解釋說明。與放電前相比，不同微水含量下φ（CO2）在放電7 h后增加了6～20倍。

在相同放電時(shí)間下CO2含量隨H2O含量的增加也呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)，即φ（CO2）在高微水情況下明顯要多于低微水情況。這是因?yàn)樵谒趾枯^大的環(huán)境中，較容易發(fā)生以下反應(yīng)過程：

游離態(tài)的C原子與O原子通過反應(yīng)式（4）結(jié)合生成CO2，但是由于C原子還要參與CF4與C2F6的生成，以及O原子與活性極高的F原子容易反應(yīng)產(chǎn)生含氧的硫氟化物，因此造成了CO2含量的一定分散性。

2.3 CF4隨放電時(shí)間的變化趨勢(shì)

在7 h相同強(qiáng)度的局放作用下，CF4在不同微水含量下隨放電持續(xù)時(shí)間的變化趨勢(shì)見圖9。

圖9 不同φ（H2O）下φ（CF4）隨放電時(shí)間的變化規(guī)律

由圖9可以觀察到，對(duì)于不同微水含量的SF6氣體，CF4含量隨放電時(shí)間的變化波動(dòng)較大。在放電后期，CF4含量達(dá)到了一定平衡，其生成量幾乎沒有明顯變化，并且在不同微水含量下CF4的平衡量大致相近，約為1.5×10-6。

CF4的生成并不是通過C原子與F原子一步反應(yīng)形成的，其生成需要通過如下反應(yīng)[12]：

這些中間產(chǎn)物的反應(yīng)活性極高，容易與氣體環(huán)境中因?yàn)閹щ娏Ｗ幼矒舳a(chǎn)生的游離態(tài)H原子及O原子產(chǎn)生一系列反應(yīng)[13-14]，生成CO2，HF等產(chǎn)物。這些反應(yīng)導(dǎo)致中間產(chǎn)物CF，CF2，CF3在與F原子結(jié)合生成CF4之前被消耗，導(dǎo)致CF4平衡含量低于CO與CO2。

2.4 C2F6隨放電時(shí)間的變化趨勢(shì)

圖10給出了C2F6在不同微水含量下隨放電時(shí)間的變化趨勢(shì)。

圖10 不同φ（H2O）下φ（C2F6）隨放電時(shí)間的變化規(guī)律

與φ（CO2）變化規(guī)律相似，φ（C2F6）隨放電時(shí)間的變化趨勢(shì)呈現(xiàn)良好的正相關(guān)性，且H2O含量對(duì)C2F6的生成量影響并不明顯，這表明O原子與H原子并沒有參與C2F6及其中間產(chǎn)物的生成。事實(shí)上C2F6的形成涉及2.3節(jié)中所述及的CF，CF2，CF3等原子團(tuán)，這些原子團(tuán)與游離的高能F原子結(jié)合形成C2F6，這也解釋了為何CF4含量在一定放電時(shí)間后開始減少。此外可以觀察到，C2F6的生成量極大，整體增加范圍在700×10-6～1 000×10-6，因此可以用作表征缺陷出現(xiàn)時(shí)的判斷依據(jù)。

3 結(jié)論

（1）現(xiàn)場(chǎng)工況GIS發(fā)生尖端放電缺陷時(shí)，在短時(shí)連續(xù)氣體組分檢測(cè)下，并未發(fā)現(xiàn)明顯含硫產(chǎn)物生成，而可檢出分解產(chǎn)物主要有CO，CO2，CF4及C2F6等4種含碳化合物。

（2）隨著放電時(shí)間延長(zhǎng)，CO含量存在一定減小趨勢(shì)，但變化波動(dòng)較大，而CO2含量則隨放電時(shí)間呈現(xiàn)出較好正相關(guān)性。這2種產(chǎn)物出現(xiàn)相反的趨勢(shì)是由于兩者的生成存在一定的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，CO與O原子結(jié)合生成CO2的反應(yīng)速率更高，CO2更加穩(wěn)定。另外，在一定的放電時(shí)間下，CO隨H2O含量增長(zhǎng)的變化規(guī)律并不明顯，CO2則呈現(xiàn)出總體增大的趨勢(shì)。

（3）C2F6受微水含量影響較小，其含量隨放電時(shí)間增加而增加，生成量極大，因此可以將C2F6及CO2作為GIS內(nèi)部尖端放電缺陷的判據(jù)。CF4含量隨放電時(shí)間的變化波動(dòng)較大，并無明顯規(guī)律，可與CO一并作為尖端放電缺陷產(chǎn)生的輔助判據(jù)。