SF6氣體密度繼電器阻尼油劣化缺陷原因分析

曾曉亮，張 力，安 政，田倩倩，耿 植，蘭新生，劉 曦，王志高，張忠偉，李成輝

(1. 國(guó)網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都 610041; 2. 國(guó)網(wǎng)四川省電力公司巴中供電公司，四川 巴中 636000;3. 國(guó)網(wǎng)四川省電力公司自貢供電公司，四川 自貢 643000; 4. 四川大學(xué)分析測(cè)試中心，四川 成都 610064)

0 引 言

六氟化硫（SF6）是一種強(qiáng)電負(fù)性氣體，具有良好的電氣絕緣性能及優(yōu)異的滅弧性能，其作為絕緣介質(zhì)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于高電壓、大容量電力設(shè)備中，如斷路器、電流互感器和氣體絕緣組合電器（GIS）等[1-3]。在SF6電氣設(shè)備中，SF6氣體的密度對(duì)其絕緣強(qiáng)度和滅弧性能起決定性作用，一旦出現(xiàn)泄漏，密度隨之下降，設(shè)備的耐壓強(qiáng)度和斷路器的開(kāi)斷容量等都會(huì)嚴(yán)重劣化，可能造成接地或其他絕緣故障[3-4]。

SF6氣體密度繼電器是監(jiān)測(cè)已投運(yùn)電氣設(shè)備內(nèi)SF6氣體密度的唯一元件，對(duì)保證運(yùn)行開(kāi)關(guān)設(shè)備和電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行具有重大意義[5-7]。因此，各級(jí)標(biāo)準(zhǔn)中均明確規(guī)定，應(yīng)定期對(duì)其進(jìn)行校驗(yàn)，確保其正常工作[8-10]。然而SF6氣體密度繼電器例行試驗(yàn)周期長(zhǎng)，部分運(yùn)行維護(hù)人員對(duì)SF6密度繼電器的重要性認(rèn)識(shí)不足，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)相關(guān)故障和缺陷，嚴(yán)重影響高壓電氣設(shè)備和電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行[11-13]。

本文介紹了一起110kV GIS SF6氣體密度繼電器觸點(diǎn)回路故障，分析了發(fā)生該處缺陷的主要原因，提出了檢測(cè)該缺陷的方法措施，并給出設(shè)備運(yùn)行維護(hù)建議。

1 故障概況

2020年11月，國(guó)網(wǎng)四川省電力公司某供電公司在某110 kV變電站例行檢修過(guò)程中發(fā)現(xiàn)某品牌充油型SF6氣體密度繼電器存在缺陷，當(dāng)SF6氣壓降至告警壓力值和零表壓值時(shí)，不能正常發(fā)出告警及閉鎖信號(hào)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)排查，共發(fā)現(xiàn)19只密度繼電器存在相同缺陷。據(jù)悉，此批次密度繼電器于2012年12月投運(yùn)，運(yùn)行年限8年。該套GIS設(shè)備運(yùn)行期間，除發(fā)生一次刀閘氣室與斷路器氣室之間的盆式絕緣子漏氣缺陷及斷路器機(jī)構(gòu)箱漏水缺陷外，未發(fā)生過(guò)其他嚴(yán)重缺陷。2014年首檢及2015-2020年定期狀態(tài)評(píng)價(jià)均為正常狀態(tài)。

2020年12月，國(guó)網(wǎng)四川省電力公司對(duì)轄區(qū)內(nèi)供電公司及檢修公司的相同品牌SF6氣體密度繼電器進(jìn)行缺陷排查。截止2021年4月，共計(jì)發(fā)現(xiàn)七個(gè)供電公司11個(gè)變電站451只密度繼電器存在上述缺陷。

2 試驗(yàn)診斷

2.1 宏觀(guān)檢查

如圖1所示，密度繼電器外觀(guān)完好，頂部注油口螺帽緊閉無(wú)松動(dòng)，觸點(diǎn)引出線(xiàn)端子外觀(guān)良好，無(wú)明顯銹蝕痕跡。隨著SF6壓力變化其指針指示值變化平穩(wěn)、無(wú)卡滯，且指針均能歸零。對(duì)其二次回路檢查，未發(fā)現(xiàn)接線(xiàn)錯(cuò)誤且電纜芯線(xiàn)無(wú)松動(dòng)和斷線(xiàn)問(wèn)題。然而，在零表壓狀態(tài)下，用萬(wàn)用表對(duì)所有密度繼電器觸點(diǎn)引出線(xiàn)進(jìn)行檢測(cè)，均不能接通。因此可推斷缺陷來(lái)自密度繼電器內(nèi)部觸點(diǎn)回路故障。

圖1 密度繼電器外觀(guān)（A）及接線(xiàn)端子（B）

2.2 解體分析

對(duì)取回的故障密度繼電器進(jìn)行解體分析，如圖2所示。旋開(kāi)頂部螺帽，經(jīng)泵將填充的阻尼油抽出并儲(chǔ)存于玻璃注射器內(nèi)，避光常溫保存。取下面罩檢查，內(nèi)部元件完好無(wú)損，觸點(diǎn)處于閉合狀態(tài)，觸點(diǎn)引線(xiàn)連接緊固，但金屬觸點(diǎn)及支架表面積聚有大量沉積物（其中A為控制回路，B為金屬觸點(diǎn)，C為金屬支架，D為阻尼油，E為清洗后的金屬支架，對(duì)其取樣并避光常溫保存，如圖2所示。

圖2 密度繼電器解體圖片

清除觸點(diǎn)表面的沉積物后，再進(jìn)行觸點(diǎn)通斷檢測(cè)，均能正常接通。此外，還可觀(guān)察到阻尼油為綠色透明液體，其中有少量絮狀雜質(zhì)（圖2（D）），觸點(diǎn)及金屬支架表面有少許金屬銹蝕痕跡（圖2（E））。

隨后，對(duì)其他故障密度繼電器進(jìn)行了同樣拆解步驟，并對(duì)觸點(diǎn)電阻及通斷情況進(jìn)行了測(cè)試。選取一只正常密度繼電器為對(duì)照組，對(duì)其余故障密度繼電器內(nèi)部觸點(diǎn)不通進(jìn)行深入分析。根據(jù)金屬支架表面沉積物不同情況以及阻尼油顏色等，共選取具有代表性的3只故障密度繼電器進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)及分析，解體情況如表1所示。

表1 對(duì)照組（1號(hào)）及三只故障密度繼電器解體情況

2.3 化學(xué)成分分析

阻尼油在使用過(guò)程中受到光、電、熱、氧氣、水分、酸和金屬離子催化等作用，將會(huì)加速其氧化變質(zhì)產(chǎn)生油泥以及引起金屬元件的腐蝕[13-14]。油品的氧化過(guò)程是其和氧作用的一個(gè)復(fù)雜過(guò)程，氧化的結(jié)果是產(chǎn)物分子量不斷增大，結(jié)構(gòu)也趨向復(fù)雜，最終形成膠質(zhì)、油泥、積碳等沉淀物[15-16]。為深入分析故障密度繼電器阻尼油變質(zhì)及產(chǎn)生沉積物的原因，進(jìn)行了微水、酸值等指標(biāo)以及化學(xué)成分分析，結(jié)果如表2所示。

表2 阻尼油理化指標(biāo)及化學(xué)成分分析

表2結(jié)果表明，與1號(hào)油品相比，2-4號(hào)油品的微水、酸值和銅離子含量均明顯偏高。2-4號(hào)油品微水含量雖然相對(duì)較高，但都符合NB/SH/T 0454—2018《特種精密儀表油規(guī)范》和 SH/T 0138—94《10號(hào)儀表油》的油品質(zhì)量要求。然而，2-4號(hào)油品中酸值約 2 mg KOH/g，為規(guī)定值的10～100倍，均嚴(yán)重超標(biāo)。由于SF6氣體密度繼電器內(nèi)阻尼油相關(guān)研究數(shù)據(jù)較少報(bào)道，而變壓器油的成分分析較為成熟，因此借鑒相關(guān)分析方法進(jìn)一步對(duì)比研究。其中，運(yùn)行中變壓器油酸值≤0.10 mg KOH/g[17]，當(dāng)酸值升到 0.2 mg KOH/g以上或 pH值＜3.8時(shí)，油質(zhì)劣化顯著，會(huì)有較多油泥產(chǎn)生。因此，阻尼油的酸值嚴(yán)重超標(biāo)，可能是加速沉積物產(chǎn)生的主要原因。此外，油品中的酸值含量較高，將會(huì)對(duì)金屬支架及金屬觸點(diǎn)材料產(chǎn)生一定腐蝕（圖2E），因此2-4號(hào)油品中銅離子含量明顯增加。

紅外光譜及紫外可見(jiàn)光譜進(jìn)一步證實(shí)了3號(hào)油樣的老化變質(zhì)，如圖3所示。其中在1 717 cm–1處強(qiáng)的紅外吸收峰為羰基的吸收峰，表明油品中可能存在有機(jī)酸等物質(zhì)；3號(hào)阻尼油截止吸收波長(zhǎng)紅移近100 nm且在585～650 nm之間有一紫外吸收峰，導(dǎo)致3號(hào)油樣呈現(xiàn)綠色，發(fā)色物來(lái)源可能為阻尼油中添加的抗氧化劑的氧化產(chǎn)物[18]。

圖3 1號(hào)和3號(hào)阻尼油的光譜表征

油泥經(jīng)溶劑清洗、真空干燥后，采用X射線(xiàn)光電子能譜（XPS）測(cè)試其金屬元素種類(lèi)及含量。測(cè)試結(jié)果表明油泥中含有微量的銅等金屬，與油品中金屬元素測(cè)試結(jié)果一致，進(jìn)一步證實(shí)了酸腐蝕金屬觸點(diǎn)及銅合金支架產(chǎn)生銅等金屬離子，加速了油品的老化變質(zhì)和沉積物的產(chǎn)生。

3 故障原因分析

本次發(fā)生缺陷的SF6氣體密度繼電器，采用內(nèi)部灌裝阻尼油的方式對(duì)其內(nèi)部元件進(jìn)行減振。通過(guò)解體分析和化學(xué)試驗(yàn)，結(jié)果表明阻尼油在運(yùn)行過(guò)程中可能受到光、熱和受潮等因素影響，導(dǎo)致其酸值嚴(yán)重超標(biāo)（約10～100倍），油中酸進(jìn)一步腐蝕金屬觸點(diǎn)和支架產(chǎn)生了痕量銅離子。在酸和痕量金屬離子的催化作用下，加速了阻尼油的老化以及沉積物的產(chǎn)生。此外，金屬觸點(diǎn)間的直流電場(chǎng)加速了沉積物在觸點(diǎn)表面的聚集，導(dǎo)致觸點(diǎn)電阻急劇增加，阻斷發(fā)出告警及閉鎖信號(hào)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本次SF6氣體密度繼電器觸點(diǎn)回路故障，暴露出充油抗振型密度繼電器在阻尼油劣化的情況下，會(huì)發(fā)生因觸點(diǎn)表面積聚沉積物而不能正常發(fā)出低氣壓告警信號(hào)的缺陷。由于早期的SF6氣體密度繼電器多采用內(nèi)部充阻尼油的措施來(lái)抗振，電網(wǎng)中還可能存在類(lèi)似的潛伏性缺陷，對(duì)電網(wǎng)的安全運(yùn)行有較大的威脅，因此提出以下處理建議和改進(jìn)措施：

1）建議對(duì)所有充油抗振型SF6密度繼電器的觸點(diǎn)導(dǎo)通情況進(jìn)行一次專(zhuān)項(xiàng)排查，對(duì)存在問(wèn)題的密度繼電器更換成無(wú)油型密度繼電器，對(duì)暫時(shí)不存在問(wèn)題的密度繼電器加強(qiáng)運(yùn)行監(jiān)督。

2）加強(qiáng)對(duì)SF6氣體密度繼電器的運(yùn)行和檢修管理，嚴(yán)格按照周期及校驗(yàn)項(xiàng)目對(duì)其進(jìn)行定期校驗(yàn)。

3）在檢修周期制定上，統(tǒng)籌考慮斷路器安裝環(huán)境情況（如戶(hù)外），優(yōu)化斷路器檢修周期，同時(shí)將SF6氣體密度繼電器更換納入斷路器中期檢修管理。