GIS典型放電條件下SF6氣體分解產(chǎn)物與故障能量和故障類型對(duì)應(yīng)關(guān)系研究

何 清，鄧萬婷，王 偉，胡丹暉，劉 帆，胡 然

（1.國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430077；2.國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司，湖北 武漢 430077）

0 引言

SF6氣體絕緣組合電器（Gas Insulated Switch gear，GIS）以其占地面積少、無油化、維護(hù)量小、安全性高等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于電力、交通、煤礦等領(lǐng)域。但由于該類設(shè)備在生產(chǎn)制造、加工安裝以及運(yùn)行維護(hù)過程中都不可避免先天或后天產(chǎn)生某類絕緣缺陷，從而導(dǎo)致設(shè)備發(fā)生嚴(yán)重故障危害電網(wǎng)及人身安全［1-3］。自GIS 投運(yùn)以來絕緣事故頻發(fā)，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，異物放電占故障統(tǒng)計(jì)的30%，盆子絕緣故障超過10%，由GIS絕緣故障導(dǎo)致的直接和間接損失不可估量。研究表明，通過檢測(cè)GIS 氣室中SF6氣體分解的特定成組的故障特征氣體可對(duì)GIS 內(nèi)存在的故障缺陷進(jìn)行大致的分析與判斷［7-10］。

本文選擇在GIS 內(nèi)部出現(xiàn)的4 種典型局部放電故障類型開展SF6氣體分解產(chǎn)物與故障類型及故障能量研究。研究表明，在GIS內(nèi)部金屬突出物、自由導(dǎo)電微粒、絕緣子表面污穢和絕緣子外氣隙4 種典型局部放電故障模型下SF6氣體分解產(chǎn)生的SO2F2、SOF2、SO2、CF4、CO25種特征故障氣體在總含氣量、氣體組分含量比值以及產(chǎn)氣速率等方面均有所差異。因此，提出利用4種典型故障下SF6氣體分解產(chǎn)生的5種特征氣體對(duì)GIS設(shè)備內(nèi)部局部放電故障進(jìn)行判斷和識(shí)辨的方法。

1 GIS典型局部放電故障下SF6氣體分解機(jī)理

SF6設(shè)備長(zhǎng)期帶電運(yùn)行，在設(shè)備內(nèi)部出現(xiàn)帶電微粒、毛刺或絕緣污損等，導(dǎo)致設(shè)備發(fā)生局部放電，局部放電產(chǎn)生的電熱效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致GIS 內(nèi)絕緣材料的老化，從而進(jìn)一步加速故障的發(fā)展，最終導(dǎo)致貫穿性絕緣事故的發(fā)生［11-12］。

在SF6局部放電中，電子的平均能量為5 eV～10 eV，而SF5-F的結(jié)合能為3.5 eV～4.0 eV，電子的碰撞可導(dǎo)致SF6氣體分解，是局放發(fā)生時(shí)SF6分解的主要原因。局部放電雖為低能量放電，但是在其產(chǎn)生的輝光區(qū)內(nèi)，電子的溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于周圍環(huán)境的溫度［13］。

在輝光區(qū)內(nèi)，SF6分子被電子碰撞生成SF5、SF4、SF3、SF2和SF等低氟硫化物，SF6中的H2O和H2也因電子碰撞裂解生成O和OH，這些粒子在中心區(qū)域發(fā)生復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)，最終生成可檢測(cè)到的穩(wěn)定SF6氣體分解產(chǎn)物。當(dāng)放電涉及有機(jī)絕緣材料或不銹鋼材料時(shí)，O 會(huì)與材料的C 反應(yīng)生成CO2，F(xiàn) 與材料中的C 反應(yīng)生成CF4。圖1 給出了SF6氣體分解原理及區(qū)域反應(yīng)模型［13-14］。

圖1 SF6氣體分解機(jī)理Fig.1 Decomposition mechanism of SF6

由SF6分解機(jī)理可知，SF6在放電條件下生成的主要?dú)怏w組分有：CF4、CO2、SO2F2、SOF2、SOF4、SO2、CS2、HF 和H2S 等，其中，HF 是強(qiáng)酸物質(zhì)，極易與設(shè)備內(nèi)部材料發(fā)生反應(yīng)；SOF4不穩(wěn)定，易發(fā)生水解反應(yīng)生成SO2F2，故HF 和SOF4不適合選作表征局部放電的特征組分。因此，本文選擇對(duì)SO2F2、SOF2、SO2、CF4、CO25種SF6組分進(jìn)行GC/MS分析，這5種氣體也是實(shí)驗(yàn)室比較容易檢測(cè)到的氣體組分。

2 實(shí)驗(yàn)條件及檢測(cè)方法

2.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

研究所用的SF6局部放電分解實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖2 所示，圖2（a）中，調(diào)壓器（T1：0～380 V）和變壓器（T2：50 kVA/100 kV）給電路提供交流高壓。保護(hù)電阻（R1：20 kΩ，R2：20 kΩ）限制缺陷擊穿時(shí)的電流，保護(hù)整個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。電容分壓器（Cv：高壓臂電容為500 pF，低壓臂電容為0.5 μF）測(cè)量變壓器提供的交流電壓，電阻分壓器（Rv：高壓臂電阻為220 MΩ，低壓臂電阻為22 kΩ）測(cè)量施加到缺陷兩端的電壓。耦合電容（Ck：500 pF/100 kV）給脈沖電流提供高頻低阻通道，經(jīng)無感檢測(cè)阻抗（Zm：50 Ω）轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，由示波器（DSO：泰克DPO 7254C）顯示與存儲(chǔ)。放電氣室圖2（b）由不銹鋼材料制成，體積為60 L，密閉性良好。采用氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀（島津QP-2010Ultra GC/MS）檢測(cè)SF6分解組分的種類和含量。

圖2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.2 SF6 Discharge simulation experimental platform

2.2 放電模型

研究采用了4種放電典型故障模型。

2.2.1 金屬突出物缺陷

GIS 中的金屬突出物缺陷通常是由設(shè)備工藝不佳、裝配損傷和運(yùn)行摩擦等原因造成。由于突出物尖端曲率半徑小，導(dǎo)致突出物周圍電場(chǎng)發(fā)生畸變，從而使得局部電場(chǎng)集中而產(chǎn)生局部放電故障。對(duì)于金屬突出物故障的放電形式主要為局部電暈放電，試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D3所示。

圖3 金屬突出物缺陷物理模型Fig.3 Physical model of metal protrusion defect

2.2.2 自由導(dǎo)電微粒缺陷

微粒缺陷是由于設(shè)備在制造、運(yùn)輸、安裝和運(yùn)行等過程中產(chǎn)生金屬微粒。在設(shè)備運(yùn)行過程中，金屬微粒在電場(chǎng)中會(huì)感應(yīng)出電荷，由于其質(zhì)量一般很小，在電場(chǎng)力作用下會(huì)發(fā)生移位和跳動(dòng)，如果微粒數(shù)量足夠多、跳動(dòng)范圍足夠大，可能在高壓導(dǎo)體和外殼之間形成導(dǎo)電通路，從而造成設(shè)備故障［9-11］，試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D4所示。

圖4 微粒缺陷物理模型Fig.4 Physical model of particle defect

2.2.3 絕緣子沿面缺陷

由于安裝或開關(guān)開合時(shí)產(chǎn)生的微量金屬微粒或雜質(zhì)在電壓作用下會(huì)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，其跳動(dòng)過程中會(huì)沾附到絕緣子表面，其中有些微粒或雜質(zhì)會(huì)因沾附比較牢固，從而固定在絕緣子表面，隨著設(shè)備運(yùn)行時(shí)間越久，固定在絕緣子表面的金屬微粒和雜質(zhì)越多，最終形成污穢類缺陷。金屬微粒在電場(chǎng)中會(huì)感應(yīng)出電荷，污穢缺陷的形成導(dǎo)致電荷積聚，當(dāng)電荷積聚到一定程度后，會(huì)使絕緣子表面電場(chǎng)發(fā)生嚴(yán)重畸變，從而引發(fā)局部放電故障［12-14］，試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D5所示。

圖5 污穢缺陷物理模型Fig.5 Physical model of contamination defect

2.2.4 絕緣子外氣隙缺陷

由于金屬電極與絕緣子環(huán)氧樹脂兩者間熱膨脹系數(shù)不同，在熱脹冷縮條件下，電極與絕緣子之間可能會(huì)形成微小氣隙，形成氣隙缺陷。SF6氣體的介電常數(shù)比環(huán)氧樹脂小，在交流電壓作用下氣隙承擔(dān)的電壓大于固體絕緣介質(zhì)，而SF6的耐受電壓低于固體絕緣介質(zhì)，因此導(dǎo)致氣隙中的SF6氣體擊穿形成局部放電，試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D6所示。

圖6 氣隙缺陷物理模型Fig.6 Physical model of gap defect

2.3 氣體分解產(chǎn)物檢測(cè)方法

GC 分析方法［15］：進(jìn)樣體積為1 ml；進(jìn)樣口溫度為220 ℃；進(jìn)樣模式為分流進(jìn)樣；分流比為10∶1；流量控制模式為壓力控制；進(jìn)樣口壓力為55 kPa；柱流量為1.2 mL/min；吹掃流量為3.0 mL/min；柱箱溫度采用程序升溫方式，在0 min～7.5 min 內(nèi)保持35 ℃恒溫，然后以70 ℃/min 的速率升溫至105 ℃并保持10 min，最后以100 ℃/min的速率升溫至250 ℃并保持2 min。

MS 分析方法：離子源溫度為200 ℃；進(jìn)樣接口溫度為220 ℃；溶劑延遲時(shí)間為0.1 min；檢測(cè)器電壓為0.1 kV；檢測(cè)器掃描模式為SIM（離子掃描）；保留時(shí)間偏移范圍為±0.069 min；參考離子相對(duì)強(qiáng)度偏差值為20%；離子源和檢測(cè)器在3.8 min～8.19 min 與17 min～20 min兩個(gè)時(shí)間段內(nèi)打開，其余時(shí)間段內(nèi)關(guān)閉。

根據(jù)上述GC/MS 分析方法，得到SF6分解組分的保留時(shí)間如表1所示，TIC圖如圖7所示。

表1 SF6分解組分的保留時(shí)間Table 1 Retention time of SF6 by-products

圖7 檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)氣體的TIC圖Fig.7 TIC diagram of detecting standard gas

2.4 放電能量檢測(cè)方法

采用《IEC 60270：2015 局部放電測(cè)量》推薦的脈沖電流法進(jìn)行局部放電信號(hào)檢測(cè)及放電量校正，其中，校正脈沖發(fā)生器可以輸出已知電荷量的脈沖信號(hào)，耦合電容給脈沖信號(hào)提供高頻低阻通道，經(jīng)檢測(cè)阻抗轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，再由示波器顯示和存儲(chǔ)，最后通過強(qiáng)制過零線性擬合方法得到放電量校正曲線。實(shí)驗(yàn)選擇的脈沖發(fā)生器為JF-2006 型校正脈沖發(fā)生器，可以輸出電荷量為5 pC、50 pC、100 pC和500 pC 4種脈沖信號(hào)，選擇的示波器為泰克DPO 7254C 示波器，如圖8所示。

圖8 SF6放電分解試驗(yàn)原理圖Fig.8 Schematic of SF6 decomposition experiment under discharge

SF6氣體絕緣設(shè)備氣室內(nèi)部由絕緣缺陷引起的局部放電在放電幅值、相位分布以及放電頻率上都存在一定的統(tǒng)計(jì)性，且與缺陷的類型直接相關(guān)。因此，在監(jiān)測(cè)放電量以及將其與SF6分解組分進(jìn)行關(guān)聯(lián)時(shí)，需對(duì)放電量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)測(cè)量，以便更好地揭示放電量與SF6分解組分的內(nèi)在關(guān)聯(lián)關(guān)系。選用單次放電量平均值（QAVG），以及放電重復(fù)率統(tǒng)計(jì)值Nˉ這兩個(gè)基本特征參量來描述局部放電程度。另外，由于局部放電的持續(xù)作用對(duì)SF6的分解有累積效應(yīng)，即局部放電脈沖幅值、放電頻率以及放電持續(xù)時(shí)間均會(huì)影響SF6分解組分含量及產(chǎn)氣速率，若只采用單次放電量與分解組分關(guān)聯(lián)，則無法全面、準(zhǔn)確地揭示局部放電強(qiáng)度與分解組分之間的內(nèi)在聯(lián)系。因此，本文提出采用每秒平均放電量QSEC來反映不同局部放電強(qiáng)度下SF6的分解情況，即QSEC與分解特性進(jìn)行關(guān)聯(lián)，其定義公式如下：

Qsec=Qavg·Nˉ （1）

運(yùn)用SF6分解特性對(duì)GIS 進(jìn)行故障辨識(shí)和局部放電程度評(píng)估時(shí)，僅根據(jù)特征組分的含量信息很難準(zhǔn)確評(píng)估GIS 的絕緣狀態(tài)，還需要考慮特征組分的產(chǎn)氣速率，因?yàn)楫a(chǎn)氣速率能夠直接反映絕緣缺陷的類型、能量消耗、嚴(yán)重程度和發(fā)展趨勢(shì)等。因此，本文選擇有效產(chǎn)氣速率RRMS作為特征量，進(jìn)一步研究特征組分形成過程與局部放電程度之間的關(guān)系，RRMS定義如下：

式（2）中，Raj（x）為SF6分解組分x在第j個(gè)測(cè)量間隔內(nèi)的絕對(duì)產(chǎn)氣速率，單位為ppm/d。因?yàn)楸疚拿拷M實(shí)驗(yàn)進(jìn)行96 h，前后兩次測(cè)量的時(shí)間間隔為12 h，所以每組實(shí)驗(yàn)會(huì)有8 個(gè)測(cè)量間隔。絕對(duì)產(chǎn)氣速率Ra（x）定義如下：

式（3）中，C1（x）為前次測(cè)得組分x的含量，單位為ul/L；C2（x）為本次測(cè)得組分x的含量；Δt為兩次組分檢測(cè)的時(shí)間間隔，本文取Δt=12 h。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 SF6分解氣體組分含量與放電電壓之間的關(guān)系

試驗(yàn)研究表明，4種典型故障下，SF6分解氣體組分含量與放電電壓之間的關(guān)系如下。

1）4 種故障缺陷模型下，SOF2都是檢測(cè)到的主要分解產(chǎn)物。在相同放電電壓下，4 種故障缺陷模型中生成的氣體總量順序是，金屬突出物＞絕緣子表面污穢＞自由導(dǎo)電顆粒＞絕緣子外氣隙，產(chǎn)生氣體總量大小與施加電壓大小成正比。

2）在金屬突出物故障缺陷模型中，典型故障特征氣體為SOF2、SO2F2和CO2，這3種氣體總量可達(dá)到其它兩種氣體總量的100～250 倍；在自由導(dǎo)電顆粒故障缺陷模型中，典型故障特征氣體為SOF2，SOF2氣體含量可達(dá)到其它四種氣體總量的2～6 倍；在絕緣子表面污穢和絕緣子外氣隙故障缺陷模型中，典型故障特征氣體均為SOF2和CO2，這兩種氣體總量可分別達(dá)到其它3種氣體總量的6倍和3倍，但生成同樣多的故障特征氣體，絕緣子外氣隙所需的電壓比絕緣子表面污穢高得多。

3）在絕緣子污移和氣隙兩種故障缺陷下，5 種氣體組分的生成大小順序一致，均為SO2＜SO2F2＜CF4＜CO2＜SOF2；而金屬突出物缺陷和自由導(dǎo)電微粒缺陷下5種氣體組分的生成大小順序則略有不同，分別為CF4＜SO2＜CO2＜SO2F2＜SOF2和CF4＜SO2F2＜SO2＜CO2＜SOF2。CO2和CF4氣體的占比大小可以反應(yīng)故障是否涉及固體絕緣介質(zhì)。

4）當(dāng)φSOF2/（SO2F2+SO2）＜3 或φ［SO2/SOF2］＜0.03時(shí)，故障類型可能為金屬突出物故障；當(dāng)φSOF2/（SO2F2+SO2）＞8或φ［SO2/SOF2］∈（0.04-0.06）時(shí)，故障類型可能為自由導(dǎo)電微粒故障；當(dāng)5＜φSOF2/（SO2F2+SO2）＜8 或φ［SO2F2/CO2］＜0.2 時(shí)，故障類型可能為絕緣子表面污穢故障；當(dāng)φ［SOF2/（SO2F2+SO2）］＜4或φ［CF4/CO2］＞0.5時(shí)，故障類型可能為絕緣子外氣隙故障。

圖9-圖12 給出了4 種典型故障在不同放電電壓下，96 h SF6分解氣體組分含量。

圖9 金屬突出物缺陷Fig.9 Metal protrusion defect

圖10 自由導(dǎo)電微粒缺陷Fig.10 Freely conducting particle defect

圖12 絕緣子外氣隙缺陷Fig.12 Air gap defect outside insulator

3.2 SF6分解組分產(chǎn)氣速率與放電程度的關(guān)聯(lián)特性

試驗(yàn)研究表明，在所有4 種缺陷模型下隨著每秒平均放電量Qsec的增大，SF6分解組分的有效產(chǎn)氣速率RRMS均不斷增大。通過對(duì)相同每秒平均放電量QSEC下四種故障模型的5 種故障特征氣體有效產(chǎn)氣速率RRM開展分析，可知：

1）CF4氣體在絕緣子表面污穢缺陷下的有效產(chǎn)氣速率RRM最大，其次是絕緣子外氣隙故障。表明在涉及固體絕緣故障時(shí)，CF4的有效產(chǎn)氣速率RRM大于金屬類故障缺陷。

2）SO2F2、SOF2、SO2、CO24 種氣體的有效產(chǎn)氣速率RRM從大到小依次為金屬突出物＞絕緣子表面污穢＞絕緣子外氣隙＞自由導(dǎo)電顆粒。表明相同故障能量下，金屬突出物各特征氣體產(chǎn)生的速率最快。

3）除金屬突出物故障外，其余3 種故障模型下產(chǎn)生的SO2F2和SO2差別較小，均小于1。

3.3 SF6分解組分含量與放電程度的關(guān)聯(lián)特性

試驗(yàn)研究表明，所有4 種缺陷模型下隨著每秒平均放電量Qsec的增大，SF6分解組分的氣體含量均不斷增大。通過對(duì)相同試驗(yàn)電壓下4 種故障模型SF6氣體分解產(chǎn)物含量開展分析，可知：

1）相同施加電壓下，4 種故障模型的每秒平均放電量Qsec從大到小依次為絕緣子表面污穢＞自由導(dǎo)電微粒＞絕緣子外氣隙＞金屬突出物。

2）相同施加電壓下，4種故障模型SF6氣體分解物氣體總含量從大到小依次為金屬突出物＞絕緣子表面污穢＞自由導(dǎo)電微粒＞絕緣子外氣隙。

3）CF4氣體在絕緣子表面污穢缺陷下的絕對(duì)產(chǎn)氣量最大，其次是絕緣子外氣隙故障。表明在涉及固體絕緣故障時(shí)，CF4的絕對(duì)產(chǎn)氣速率大于金屬類故障缺陷。

在金屬突出物缺陷下，SO2F2、SO2、CF4的RRMS隨QSEC增加幾乎呈線性增長(zhǎng)，表明由金屬突出物缺陷形成的放電較為穩(wěn)定。SOF2、CO2的RRMS則在Qse達(dá)到一定值時(shí)趨于飽和增長(zhǎng)，可能是由于氣室中的O2和H2O反應(yīng)降低導(dǎo)致反應(yīng)變緩。

在微粒缺陷下，SO2F2、CO2、SO2、CF4、SOF25 種特征氣體的RRMS均隨QSEC的增加幾乎呈線性增長(zhǎng)。在絕緣子氣隙缺陷下，SO2F2、CO2、SO2、CF4、SOF25 種特征氣體的RRMS均隨QSEC的增加呈飽和增長(zhǎng)。

在絕緣子污穢缺陷下，SO2F2的RRMS均隨QSEC的增加幾乎呈線性增長(zhǎng)，其它4 種氣體則在達(dá)到一定Qse值時(shí)趨于飽和增長(zhǎng)，且CO2和SOF2的RRMS均隨QSEC變化趨勢(shì)幾乎完全一致。圖13-圖16 給出了4種典型故障缺陷下SF6分解組分RRMS與Qsec關(guān)系曲線。

圖13 金屬突出物缺陷下SF6分解組分RRMS與Qsec關(guān)系曲線Fig.13 Relation curve between RRMS and Qsec of SF6 decomposition components under metal protrusion defect

圖14 微粒缺陷下SF6分解組分RRMS與Qsec關(guān)系曲線Fig.14 Relation curve between RRMS and Qsec of SF6 decomposition components under particle defect

圖15 污穢缺陷下SF6分解組分RRMS與Qsec關(guān)系曲線Fig.15 Relation curve between RRMS and Qsec of SF6 decomposition components under contamination defect

圖16 氣隙缺陷下SF6分解組分RRMS與Qsec關(guān)系曲線Fig.16 Relation curve between RRMS and Qsec of SF6 decomposition components under air gap defect

4 結(jié)語

本文對(duì)GIS 4種典型放電條件下SF6氣體分解產(chǎn)物與故障能量以及故障類型三者對(duì)應(yīng)關(guān)系開展研究。提出利用SO2F2、CO2、SO2、CF4、SOF25 種特征氣體的組份、比值判斷GIS內(nèi)可能出現(xiàn)的故障類型的方法，提出利用有效產(chǎn)氣速率RRMS與每秒平均放電量QSEC關(guān)系來判斷放電程度及故障類型的方法，并得到以下試驗(yàn)結(jié)論：

1）4 種故障缺陷模型下，SOF2都是檢測(cè)到的主要分解產(chǎn)物。在相同放電電壓下，4 種故障缺陷模型中生成的氣體總量順序是，金屬突出物＞絕緣子表面污穢＞自由導(dǎo)電顆粒＞絕緣子外氣隙，產(chǎn)生氣體總量大小與施加電壓大小成正比。

2）相同施加電壓下，4 種故障模型的每秒平均放電量Qsec從大到小依次為絕緣子表面污穢＞自由導(dǎo)電微粒＞絕緣子外氣隙＞金屬突出物。

3）CF4氣體在絕緣子表面污穢缺陷下的絕對(duì)產(chǎn)氣量最大，其次是絕緣子外氣隙故障，表明在涉及固體絕緣故障時(shí)，CF4的絕對(duì)產(chǎn)氣速率大于金屬類故障缺陷。

4）CO2和CF4氣體的占比大小可以反應(yīng)故障是否涉及固體絕緣介質(zhì)。