SF6及SF6故障分解氣體與局部放電柔性特高頻天線傳感器基底相容性實(shí)驗(yàn)研究

張國治 胡栩焜 鄧廣宇 陳 康 張曉星,5

SF6及SF6故障分解氣體與局部放電柔性特高頻天線傳感器基底相容性實(shí)驗(yàn)研究

張國治1,2,3,4胡栩焜1,2鄧廣宇1,2陳 康1,2張曉星1,2,5

（1. 湖北工業(yè)大學(xué)新能源及電網(wǎng)裝備安全監(jiān)測湖北省工程研究中心 武漢 430068 2. 湖北工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 武漢 430068 3. 國網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司 武漢 430074 4. 武漢大學(xué)動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院 武漢 430072 5. 襄陽湖北工業(yè)大學(xué)產(chǎn)業(yè)研究院 襄陽 441100）

采用柔性內(nèi)置特高頻（UHF）天線傳感器是解決氣體絕緣組合電器（GIS）內(nèi)部潛伏性局部放電（PD）絕緣缺陷微弱高頻電磁波信號(hào)感知的有效方法，而柔性UHF天線傳感器基底材料和SF6及其故障分解氣體之間的相容是實(shí)現(xiàn)柔性UHF天線傳感器內(nèi)置于GIS的關(guān)鍵?；诖耍撐耐ㄟ^搭建SF6及其故障分解氣體與PD柔性UHF天線傳感器基底相容性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，結(jié)合GIS實(shí)際運(yùn)行環(huán)境溫度，開展了多種常用PD柔性UHF天線傳感器基底材料與SF6及其故障分解氣體相容性實(shí)驗(yàn)研究，利用傅里葉變換紅外光譜儀、氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀、掃描電鏡、X射線光電子能譜儀分別從SF6氣體成分側(cè)、柔性基底表面形貌及元素變化情況側(cè)進(jìn)行測試分析。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，聚酰亞胺（PI）、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）和聚二甲基硅氧烷（PDMS）三種常用PD柔性UHF天線傳感器基底材料均不會(huì)對(duì)SF6氣體成分造成影響；常用的PI柔性UHF天線傳感器基底會(huì)與SF6故障分解氣體中的SOF2發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致SOF2含量明顯減少；PET在純SF6最高允許運(yùn)行溫度110℃條件下會(huì)發(fā)生輕微氧化；PI、PET兩種PD柔性UHF天線傳感器基底表面均會(huì)生成較多的含氟化合物；在研制柔性UHF天線傳感器時(shí)宜選用PDMS基底。研究成果對(duì)GIS柔性內(nèi)置UHF天線傳感器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用具有重要的參考價(jià)值。

柔性特高頻天線傳感器 氣體絕緣組合電器（GIS） 柔性基底 相容性

0 引言

SF6因具有良好的絕緣能力和滅弧能力被廣泛應(yīng)用于氣體絕緣組合電器（Gas Insulated Switchgear, GIS）等電力設(shè)備中[1-2]。局部放電（Partial Discharge, PD）是指絕緣體中只有局部區(qū)域發(fā)生放電，放電并沒有貫穿施加電壓的導(dǎo)體之間的現(xiàn)象。長期的PD極有可能誘導(dǎo)擊穿放電的發(fā)生，導(dǎo)致設(shè)備故障[3-6]。特高頻（Ultra High Frequency, UHF）法是利用天線傳感器感知PD輻射的高頻電磁波信號(hào)，具有抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于GIS PD絕緣缺陷的檢測[7-8]。目前我國新投運(yùn)220 kV及以上電壓等級(jí)的GIS均安裝有UHF檢測系統(tǒng)，或者預(yù)留有UHF檢測接口。

根據(jù)安裝位置的不同，GIS PD檢測用UHF天線傳感器可分為內(nèi)置式和外置式兩類[9-11]：外置式UHF天線傳感器會(huì)受到因GIS自身金屬外殼結(jié)構(gòu)而造成PD向外泄漏電磁波信號(hào)嚴(yán)重衰減的影響，以及外界環(huán)境中電暈和通信等干擾信號(hào)的影響，導(dǎo)致其對(duì)GIS內(nèi)PD，尤其是間歇性PD信號(hào)感知存在靈敏度不足的缺陷；雖然內(nèi)置式UHF天線傳感器可以有效克服外置式UHF天線傳感器存在的不足，但是目前內(nèi)置于GIS中的UHF天線傳感器大多以FR-4環(huán)氧樹脂等剛性材料作為基底[12-14]，導(dǎo)致其無法與GIS圓筒狀金屬結(jié)構(gòu)外殼共形，或者需要對(duì)設(shè)備本身的法蘭盤進(jìn)行復(fù)雜的結(jié)構(gòu)改造，并且剛性基底內(nèi)置式UHF天線傳感器還存在影響設(shè)備內(nèi)部電場分布等風(fēng)險(xiǎn)問題[15]。針對(duì)GIS PD檢測柔性內(nèi)置UHF天線傳感器，本課題組前期研發(fā)出基于熱固性聚酰亞胺（Ployimide, PI）及聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane, PDMS）兩種PD柔性基底的多款UHF GIS PD檢測天線[16-20]，這些柔性天線具有超小形（最大尺寸小于60 mm）、超?。ê穸瓤蛇_(dá)0.2 mm）、輻射性能優(yōu)異，并且在150～500 mm彎曲半徑形變范圍內(nèi)保持性能穩(wěn)定等明顯的優(yōu)點(diǎn)。

然而，對(duì)于柔性UHF天線傳感器而言，不僅需要具有優(yōu)良的檢測性能，還要與設(shè)備內(nèi)部的絕緣氣體具有良好的相容性。若柔性UHF天線傳感器與設(shè)備內(nèi)部的絕緣氣體不相容，一方面可能會(huì)使PD柔性UHF天線傳感器基底被絕緣氣體腐蝕，引入新的不確定危險(xiǎn)因素；另一方面可能會(huì)使絕緣氣體發(fā)生分解，造成絕緣性能下降。而目前對(duì)于內(nèi)置式UHF天線傳感器柔性基底與SF6及其故障分解氣體是否相容，以及哪種內(nèi)置式UHF天線傳感器柔性基底與SF6及其故障分解氣體具有更好的相容性還不清楚，而這直接關(guān)系到內(nèi)置式柔性UHF天線傳感器在GIS內(nèi)部長期運(yùn)行的安全性和該項(xiàng)技術(shù)的現(xiàn)場可實(shí)施性。

基于此，本文提出了PD柔性UHF天線傳感器基底與SF6實(shí)驗(yàn)研究，首先搭建SF6氣體與PD柔性UHF天線傳感器基底相容性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行SF6氣體與PD柔性UHF天線傳感器基底熱加速實(shí)驗(yàn)。同時(shí)考慮到GIS內(nèi)部會(huì)發(fā)生局部放電或局部過熱等故障，可能產(chǎn)生SF6故障分解氣體，因此還搭建SF6故障分解氣體與PD柔性UHF天線傳感器基底相容性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)來探究SF6故障分解氣體與PD柔性UHF天線傳感器基底相容性。本文采用傅里葉變換紅外光譜（Fourier Transform Infrared spectrometer, FTIR）儀、氣相色相聯(lián)用質(zhì)譜（Gas Chromatography-Mass Spectrometry, GC-MS）儀分析實(shí)驗(yàn)前后氣體成分變化情況，并采用掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope, SEM）及X射線光電子能譜儀（X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS）對(duì)實(shí)驗(yàn)前后PD柔性UHF天線傳感器基底表面形貌及元素變化情況進(jìn)行測試分析[21-27]，為GIS PD柔性內(nèi)置式UHF天線傳感器的設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用提供基礎(chǔ)參考數(shù)據(jù)。

1 SF6氣體與PD柔性UHF天線傳感器基底相容性實(shí)驗(yàn)

1.1 相容性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

本文搭建的SF6氣體與PD柔性UHF天線傳感器基底相容性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖1所示，主要由氣壓表、導(dǎo)管、高壓密封罐、恒溫加熱箱、尾氣處理裝置組成。恒溫加熱箱具有溫度控制系統(tǒng)和開關(guān)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)開始時(shí)通過溫度控制系統(tǒng)對(duì)實(shí)驗(yàn)溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)。高壓密封罐外殼由不銹鋼制成，氣密性良好，最大可承受0.8 MPa氣壓，容量約為400 mL。氣室內(nèi)置一個(gè)不銹鋼網(wǎng)狀支架，用于放置PD柔性UHF天線傳感器基底。內(nèi)置不銹鋼網(wǎng)狀支架一方面是為了使PD柔性UHF天線傳感器基底與SF6氣體充分接觸；另一方面是為了保證樣品受熱均勻。實(shí)驗(yàn)前多次使用SF6氣體清洗高壓密封罐，充氣時(shí)使用氣壓表對(duì)氣室中的壓力值進(jìn)行檢測。尾氣處理裝置用于收集多余的氣體，減少對(duì)環(huán)境的污染。

圖1 相容性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

1.2 PD柔性UHF天線傳感器基底

由于柔性可穿戴設(shè)備的不斷發(fā)展，近年來柔性天線已成為研究熱點(diǎn)。柔性天線具有很高的形變能力，可以實(shí)現(xiàn)與復(fù)雜結(jié)構(gòu)的共形，因此選擇合適的PD柔性UHF天線傳感器基底是實(shí)現(xiàn)柔性UHF天線傳感器研發(fā)的關(guān)鍵。常見柔性介質(zhì)基底主要有熱固性聚酰亞胺（PI）、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（Polyethylene Terephthalate, PET）和聚二甲基硅氧烷（PDMS）等。這些材料不僅拉伸強(qiáng)度高，還具有彎曲能力強(qiáng)、無毒、耐高溫、絕緣性能好、低介電常數(shù)和尺寸穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，使得它們成為制作柔性天線的理想材料[28-29]。因此本文選取PI、PET、PDMS三種PD柔性UHF天線傳感器基底作為研究對(duì)象，探究其與SF6及其故障分解氣體的相容性。實(shí)驗(yàn)樣品尺寸如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)樣品尺寸

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

玻璃化轉(zhuǎn)變溫度是高分子材料中的一項(xiàng)重要指標(biāo)，其物理意義是指高分子材料在玻璃態(tài)和高彈態(tài)之間互相轉(zhuǎn)化所對(duì)應(yīng)的溫度[30]。當(dāng)PD柔性UHF天線傳感器基底所處溫度超過自身的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，其物理化學(xué)性能會(huì)發(fā)生改變，因此本實(shí)驗(yàn)溫度設(shè)置不超過基底材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。GIS設(shè)備運(yùn)行的環(huán)境溫度一般為30℃左右，GB/T 11022—2020《高壓交流開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)的共用技術(shù)要求》中指出設(shè)備可觸及的部件允許的最高溫度為70℃，DL/T 617—2019《氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備技術(shù)條件》中指出腔體內(nèi)允許最大溫升為40 K[31-32]。因此為探究不同運(yùn)行溫度下GIS氣室內(nèi)部SF6與柔性UHF天線傳感器基底的相容性，將實(shí)驗(yàn)溫度分別設(shè)置為30℃、70℃、110℃，同時(shí)為排除溫度對(duì)樣品表面形貌的影響，本文還設(shè)置了一組110℃真空條件下的對(duì)照實(shí)驗(yàn)用于形貌對(duì)照，每組實(shí)驗(yàn)時(shí)間為7天。參考GB/T 11021—2014《電氣絕緣、耐熱性和表示方法》與IEC 60505:2011《電氣絕緣系統(tǒng)的評(píng)定與鑒別》，根據(jù)6度法則，得出設(shè)置的實(shí)驗(yàn)溫度與實(shí)驗(yàn)時(shí)間可較好地模擬氣體絕緣設(shè)備正常工況下使用年限內(nèi)的相容性，等效公式為

式中，1為熱加速實(shí)驗(yàn)時(shí)長；2為GIS運(yùn)行溫度下的等效時(shí)長；1為實(shí)驗(yàn)溫度；2為GIS運(yùn)行溫度。

當(dāng)實(shí)驗(yàn)時(shí)長為7天、實(shí)驗(yàn)溫度為110℃，取GIS運(yùn)行溫度為30℃，根據(jù)式（1）可計(jì)算出GIS運(yùn)行等效時(shí)長為197.94年[33]。

1.4 實(shí)驗(yàn)步驟

用無水乙醇仔細(xì)擦洗高壓密封罐體，去除罐中殘留的雜質(zhì)；同時(shí)在熱加速實(shí)驗(yàn)前再次使用無水乙醇對(duì)小塊實(shí)驗(yàn)樣品表面進(jìn)行擦拭，待樣品和罐體自然風(fēng)干后，將PD柔性UHF天線傳感器基底實(shí)驗(yàn)樣品放于高壓密封罐內(nèi)部支架上。實(shí)驗(yàn)前使用SF6對(duì)氣室進(jìn)行洗氣并抽真空，重復(fù)以上操作3次，以避免雜質(zhì)氣體影響結(jié)果。再往氣罐中充入0.5 MPa體積分?jǐn)?shù)為99.99%的SF6氣體，將氣罐放入恒溫加熱箱中加熱處理7天，同時(shí)設(shè)置一組常溫（20℃）對(duì)照實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)完畢后使用FTIR檢測氣體成分的變化情況，并使用SEM、XPS分別觀測實(shí)驗(yàn)前后樣品表面形貌變化，檢測樣品表面元素變化。

2 SF6故障分解氣體與PD柔性UHF天線傳感器基底相容性實(shí)驗(yàn)

GIS內(nèi)部的局部過熱缺陷和局部放電絕緣缺陷均會(huì)導(dǎo)致SF6分解產(chǎn)生SOF2等痕量特征氣體（簡稱故障氣體）。兩類缺陷導(dǎo)致SF6分解產(chǎn)生的故障氣體種類一致[34-35]，區(qū)別在于局部放電情況下SF6生成的故障氣體含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于局部過熱條件下生成的SF6故障氣體[34-35]。因此在探究SF6故障分解氣體與PD柔性UHF天線傳感器基底相容性時(shí)只需研究局部過熱故障下的情形。

2.1 局部過熱實(shí)驗(yàn)?zāi)M平臺(tái)

圖3為實(shí)驗(yàn)室搭建的SF6過熱分解模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[36]，平臺(tái)主要由密封罐體、加熱棒、氣壓表、開關(guān)電源、固態(tài)繼電器和智能數(shù)顯溫度控制儀組成。加熱棒用于模擬局部過熱條件下的局部過熱源；氣壓表用于測量罐體內(nèi)的實(shí)際氣壓值；開關(guān)電源向加熱棒提供低壓直流大電流；智能數(shù)顯溫度控制儀用于實(shí)時(shí)顯示溫度傳感器檢測到加熱棒上的溫度；固態(tài)繼電器通過對(duì)回路電流進(jìn)行斬波以達(dá)到對(duì)加熱棒溫度的控制；密封罐體采用耐腐蝕的醫(yī)用不銹鋼加工而成，容積約為15 L，最高耐受氣壓為0.5 MPa；進(jìn)氣口用以充入所需的SF6新氣；采氣口用于采集過熱分解后的混合氣體樣品。

圖3 SF6過熱分解模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

用無水乙醇仔細(xì)擦洗實(shí)驗(yàn)罐體，去除罐中殘留的雜質(zhì)。將實(shí)驗(yàn)罐體抽真空后充入0.1 MPa的SF6新氣，再抽真空，重復(fù)該洗氣過程3次，然后向?qū)嶒?yàn)罐體內(nèi)充入0.5 MPa的SF6新氣。接通實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的電路，將自動(dòng)溫控系統(tǒng)的溫度調(diào)至500℃[37]，開始實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)連續(xù)進(jìn)行10 h，每隔1 h使用采氣袋進(jìn)行采集，10 h后再將剩余的混合故障分解氣體充入提前清洗好的高壓密封罐中，并將高壓密封罐中氣壓調(diào)至0.4 MPa。最后將氣罐放入恒溫加熱箱，設(shè)置溫度為110℃，加熱處理7天。實(shí)驗(yàn)完畢后使用GC-MS檢測氣體成分的變化情況，使用SEM觀測實(shí)驗(yàn)前后樣品表面形貌變化，使用XPS檢測樣品表面元素變化。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 FTIR檢測

FTIR是基于對(duì)干涉后紅外光進(jìn)行傅里葉變換而開發(fā)的紅外光譜儀，主要由紅外光源、光闌、干涉儀（分束器、動(dòng)鏡、定鏡）、樣品室、檢測器以及各種紅外反射鏡、激光器、控制電路板和電源組成。因不同的官能團(tuán)產(chǎn)生的化學(xué)振動(dòng)可以吸收不同波數(shù)的紅外光，而FTIR可以通過傅里葉變換對(duì)光信號(hào)進(jìn)行處理，得到含有吸光度隨波數(shù)變化的紅外吸收光譜圖。因此可以通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)前后FTIR譜圖實(shí)現(xiàn)對(duì)SF6的定性和定量分析。

分別對(duì)PI、PET、PDMS三種PD柔性UHF天線傳感器基底在純SF6氣體環(huán)境下進(jìn)行30℃、70℃和110℃三種不同溫度的7天熱加速實(shí)驗(yàn)后，利用采氣袋采集實(shí)驗(yàn)后的SF6氣體進(jìn)行FTIR檢測，結(jié)果如圖4～圖6所示。

從圖4～圖6中可以看出，純SF6氣體與實(shí)驗(yàn)后SF6氣體在紅外光譜圖上出峰一致，說明實(shí)驗(yàn)后SF6氣體成分并沒有發(fā)生變化，PI、PET和PDMS三種PD柔性UHF天線傳感器基底不會(huì)對(duì)純SF6造成影響。

圖4 PI材料在純SF6環(huán)境下不同溫度實(shí)驗(yàn)后氣體與純SF6氣體傅里葉紅外光譜圖

圖5 PET材料在純SF6環(huán)境下不同溫度實(shí)驗(yàn)后氣體與純SF6氣體傅里葉紅外光譜圖

圖6 PDMS材料在純SF6環(huán)境下不同溫度實(shí)驗(yàn)后氣體與純SF6氣體傅里葉紅外光譜圖

3.2 GC-MS檢測

IEC 60480:2019標(biāo)準(zhǔn)[38]指出，當(dāng)SF6氣體絕緣設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，其氣體分解組分主要有SO2、SOF2、SO2F2。因此本文將重點(diǎn)關(guān)注SO2、SOF2、SO2F2三種SF6故障分解氣體組分與PI、PET、PDMS三種PD柔性UHF天線傳感器基底的相容性。

本文采用GC-MS對(duì)SF6故障分解氣體以及進(jìn)行相容性實(shí)驗(yàn)之后的混合故障分解氣體進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果分別如圖7和表1所示。

由圖7可以看出，SOF2、SO2、SO2F2三種故障分解氣體含量隨局部過熱故障時(shí)間的增長呈現(xiàn)上升的趨勢，最高含量分別達(dá)到了2 472 μL/L、2 345 μL/L和12.6 μL/L。

圖7 局部過熱故障10 h三種特征氣體含量變化

表1 局部過熱下混合故障分解氣體與三種PD柔性UHF天線傳感器基底進(jìn)行熱加速實(shí)驗(yàn)后三種特征氣體的含量

Tab.1 Concentrations of three characteristic gases after thermal acceleration experiments with three PD flexible UHF antenna sensor substrates under local overheating

對(duì)比圖7和表1可以看出，SO2F2和SO2含量基本保持不變；混合故障分解氣體與PI材料進(jìn)行熱加速實(shí)驗(yàn)后SOF2減少得最為明顯。由于純SF6氣體開始分解溫度在300℃左右[36]，而本文熱加速實(shí)驗(yàn)最高溫度為110℃，因此推測PI柔性UHF天線傳感器基底會(huì)與SOF2氣體之間存在一定的化學(xué)/吸附反應(yīng)，從而導(dǎo)致SOF2含量明顯低于PET、PDMS兩種材料實(shí)驗(yàn)后的含量。

3.3 SF6氣體對(duì)柔性基底影響的分析

如果SF6及其故障分解氣體與PD柔性UHF天線傳感器基底之間發(fā)生反應(yīng)，不僅可能導(dǎo)致SF6及其故障分解氣體產(chǎn)生分解，而且還可能會(huì)對(duì)PD柔性UHF天線傳感器基底造成腐蝕，引入新的不確定危險(xiǎn)因素。

3.3.1 柔性基底形貌檢測

為了探究PD柔性UHF天線傳感器基底表面形貌變化情況，采用SEM對(duì)實(shí)驗(yàn)前后PD柔性UHF天線傳感器基底表面分別放大300倍和2 500倍進(jìn)行觀測[39]。由于PDMS粘連度較低，無法穩(wěn)定固定在SEM樣品臺(tái)上，因此本文僅對(duì)PI和PET兩種材料表面形貌進(jìn)行了SEM分析，結(jié)果分別如圖8和圖9所示。

從圖8、圖9中可以看出，在純SF6環(huán)境下，當(dāng)放大倍數(shù)為300倍時(shí)，30、70、110℃三種溫度下PI、PET兩種材料表面光滑，沒有明顯腐蝕現(xiàn)象；當(dāng)放大倍數(shù)為2 500倍時(shí)，因不同溫度下PI、PET兩種材料的測試點(diǎn)不同，故兩種材料表面形貌有所不同。在30℃純SF6環(huán)境下表面雜質(zhì)相對(duì)較少，在70℃和110℃純SF6環(huán)境下表面雜質(zhì)相對(duì)較多，其中PI材料在110℃純SF6環(huán)境下以及PET材料在70℃純SF6環(huán)境下的表面雜質(zhì)均呈現(xiàn)小島形狀。因在30、70和110℃三種不同溫度純SF6環(huán)境下PI、PET兩種材料表面均表現(xiàn)為雜質(zhì)形貌，并且沒有明顯腐蝕現(xiàn)象，可以得出PI、PET兩種材料均不與純SF6氣體發(fā)生反應(yīng)。在110℃真空環(huán)境下，PI、PET兩種材料表面光滑平整，沒有明顯腐蝕現(xiàn)象，由此可以排除溫度對(duì)PI、PET兩種材料表面形貌的影響。在110℃混合故障氣體環(huán)境下，當(dāng)放大倍數(shù)為2 500倍時(shí)，PI、PET兩種材料表面均可以看到溝壑，這說明PI、PET兩種材料與混合故障氣體發(fā)生了反應(yīng)，并且通過GC-MS檢測發(fā)現(xiàn)SOF2含量減少，進(jìn)一步推斷可能是PI、PET與SOF2發(fā)生了某種化學(xué)反應(yīng)。

3.3.2 柔性基底表面元素檢測

為了進(jìn)一步分析PD柔性UHF天線傳感器基底表面可能發(fā)生的變化，本文對(duì)實(shí)驗(yàn)前后所有樣品表面元素進(jìn)行了XPS分析。使用Multipak軟件對(duì)檢測出的吸收峰進(jìn)行分析，對(duì)檢測得到的能譜進(jìn)行Shirley型擬合扣除后，使用高斯（Gaussian）算法進(jìn)行峰擬合，其中荷電校準(zhǔn)元素為C1s（284.8 eV）[40]。三種PD柔性UHF天線傳感器基底表面實(shí)驗(yàn)前元素全譜如圖10所示。從圖中可以看出，實(shí)驗(yàn)前PI、PET和PDMS三種柔性基底含有C、O和S等元素，并且也含有少量的F元素。

圖10 PI、PET和PDMS三種PD柔性UHF天線傳感器基底實(shí)驗(yàn)前元素全譜

圖11給出了PI、PET和PDMS三種PD柔性UHF天線傳感器基底實(shí)驗(yàn)前后C1s和F1s元素的高分辨光電子能譜圖。從圖11a、圖11b可以看出，實(shí)驗(yàn)前后PI、PET材料的C1s均在284.8 eV和288.5 eV處檢測到了特征峰C—C、C—H鍵以及C＝O、O—C—O鍵；從圖11c可以看出，實(shí)驗(yàn)前后PDMS材料的C1s只在284.8 eV處檢測到了特征峰C—C、C—H鍵。從圖11還可以看出，PI、PET和PDMS三種材料在30、70、110℃三種不同溫度純SF6環(huán)境下，C1s的含量隨著實(shí)驗(yàn)溫度的增加沒有發(fā)生明顯變化。同時(shí)從圖11b可以看出，在110℃純SF6環(huán)境下，PET材料C＝O、O—C—O鍵的吸收峰高于30℃和70℃純SF6環(huán)境下C＝O、O—C—O鍵的吸收峰，并且在110℃真空條件下PET材料也檢測到了C＝O、O—C—O鍵，說明PET材料發(fā)生了輕微氧化。

除此之外，從圖11中可以看出，當(dāng)PI、PET和PDMS三種材料在純SF6環(huán)境和真空環(huán)境下，F(xiàn)1s沒有出現(xiàn)明顯的吸收峰。而當(dāng)PI材料在110℃混合故障氣體環(huán)境下，F(xiàn)1s在結(jié)合能為684.5 eV和687.2 eV處分別檢測到了Metal—F鍵和C—F鍵；當(dāng)PET、PDMS兩種材料在110℃混合故障氣體環(huán)境下，F(xiàn)1s在結(jié)合能為687.4 eV處檢測到了C—F鍵。這說明PI、PET和PDMS三種材料與混合故障氣體中的組分發(fā)生反應(yīng)，使得F元素取代了PI、PET和PDMS三種材料中的H元素，生成了新的含氟化合物，并且吸附在三種材料表面，從而導(dǎo)致F元素在三種材料表面累積。同時(shí)通過GC-MS檢測發(fā)現(xiàn)SOF2含量減少，推測三種材料表面的C—F鍵及Metal—F鍵可能是來自材料本身與SOF2發(fā)生反應(yīng)生成的含氟化合物。

通過比較PI、PET和PDMS三種材料在110℃時(shí)混合故障氣體環(huán)境下Metal—F鍵及C—F鍵的峰強(qiáng)度可以得出，PDMS材料在110℃混合故障氣體環(huán)境下產(chǎn)生的Metal—F鍵和C—F鍵的峰強(qiáng)度小于PI、PET兩種材料在110℃混合故障氣體環(huán)境下產(chǎn)生的Metal—F鍵和C—F鍵的峰強(qiáng)度，這說明SF6及其故障分解氣體與PDMS材料的相容性優(yōu)于其與PI和PET兩種材料的相容性。

結(jié)合上述分析，在研制PD柔性UHF天線傳感器時(shí)宜選用PDMS基底。

4 結(jié)論

為探究PD柔性UHF天線傳感器基底與SF6的相容性，本文分別從氣體側(cè)、柔性基底表面形貌以及元素變化情況側(cè)系統(tǒng)地分析了PI、PET和PDMS三種常用柔性UHF天線基底材料與SF6及其故障分解氣體的相容性，得到以下結(jié)論：

1）實(shí)驗(yàn)前后SF6氣體成分基本一致，PI、PET和PDMS三類常用PD柔性UHF天線傳感器基底材料均不會(huì)對(duì)純SF6氣體成分造成影響。

2）PI柔性UHF天線傳感器基底會(huì)與SF6故障氣體中的SOF2發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致SOF2含量明顯減少。

3）PET在110℃純SF6環(huán)境下會(huì)發(fā)生輕微氧化，PI和PDMS則保持穩(wěn)定。在混合故障氣體的環(huán)境下，三種PD柔性UHF天線傳感器基底表面均有含氟化合物的生成，但PDMS表面含氟化合物含量最少。

4）研制PD柔性UHF天線傳感器時(shí)宜選用PDMS材料作為基底。

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Experimental Study on Substrate Compatibility of SF6and SF6Fault-Decomposing Gases with Partial Discharge Flexible UHF Antenna Sensors

Zhang Guozhi1,2,3,4Hu Xukun1,2Deng Guangyu1,2Chen Kang1,2Zhang Xiaoxing1,2,5

（1. Hubei Engineering Research Center for Safety Monitoring of New Energy and Power Grid Equipment Hubei University of Technology Wuhan 430068 China 2. School of Electrical and Electronic Engineering Hubei University of Technology Wuhan 430068 China 3. State Grid Electric Power Research Institute Wuhan NARI Co. Ltd Wuhan 430074 China 4. School of Power and Mechanical Engineering Wuhan University Wuhan 430072 China 5. Xiangyang Industrial Institute of Hubei University of Technology Xiangyang 441100 China）

At present, rigid base ultra high frequency (UHF) antenna sensors are widely used for the detection of partial discharge (PD) from insulation defects in gas-insulated switchgear (GIS) in substations, but there are problems with rigid base UHF antenna sensors such as destruction of the internal electric field distribution of the equipment and complex installation.The flexible substrate UHF antenna sensor can effectively avoid the above problems.However, it is not clear whether the flexible substrate of the built-in flexible UHF antenna sensor is compatible with SF6and SF6fault decomposition gas, and which flexible substrate of the built-in flexible UHF antenna sensor is more compatible with SF6and SF6fault decomposition gas.Therefore, this paper investigates the compatibility of SF6and SF6fault decomposition gas with three common PD flexible UHF antenna sensor substrates: polyimide (PI), polyethylene terephthalate (PET) and polydimethylsiloxane (PDMS).

By building an experimental platform for the compatibility of SF6gas and SF6fault decomposition gas with the substrate of PD flexible UHF antenna sensor, this paper carried out an experimental study on the compatibility of various commonly-used PD flexible UHF antenna sensor substrate materials with SF6and SF6fault decomposition gas combined with the actual operating temperature range of GIS. Fourier transform infrared spectrometer (FTIR) and gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS) were used to analyze the changes of gas composition before and after the experiments. And scanning electron microscope (SEM) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) were used to analyze the changes in the surface and elements of the PD flexible UHF antenna sensor substrate before and after the experiments.

The results are as follows: first, according to the results of FTIR and GC-MS tests, the pure SF6gas doesn’t react with the three PD flexible UHF antenna sensor substrates. However, the three PD flexible UHF antenna sensor substrates do react with SOF2in the SF6fault decomposition gas, among which the PI material reacts most strongly with SOF2. Second, the SEM and XPS tests show that in the PET material, the absorption peaks of C＝O and O—C—O bonds in the pure SF6environment at 110℃ are higher than those of C＝O and O—C—O bonds in the pure SF6environment at 30℃ and 70℃, while C＝O and O—C—O bonds are also detected in the PET material under the vacuum condition at 110℃; all three PD flexible UHF antenna sensor substrates generates fluorinated compounds on the surface under the SF6fault decomposition gas environment, but on the surface of PDMS material, the peak intensities of Metal—F and C—F bonds were much lower than those of Metal—F and C—F bonds on the surface of PI and PET materials.

From the above results, it can be concluded that all three commonly used PD flexible UHF antenna sensor substrate materials, PI, PET and PDMS, do not affect the SF6gas composition; the commonly used PI flexible UHF antenna sensor substrate react with SOF2in SF6fault decomposition gas, resulting in a significant reduction of SOF2content; PET is be slightly oxidized under pure SF6maximum allowable operating temperature of 110°C. Two PD flexible UHF antenna sensor (PI and PET) generate more fluorinated compounds. Therefore, PDMS substrate should be adopted in the development of flexible UHF antenna sensor. The results of this research provide basic reference data for the design and application of GIS flexible built-in UHF antenna sensors.

Flexible UHF antenna, gas-insulated switchgear (GIS), flexible base, compatibility

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.222358

TM213

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（52107144）和湖北省教育廳科技項(xiàng)目（Q20211401）資助。

2022-12-23

2023-01-03

張國治 男，1990年生，博士，副教授，研究方向?yàn)殡姎庠O(shè)備在線監(jiān)測和狀態(tài)評(píng)估等。E-mail：980064212@qq.com

張曉星 男，1972年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)楦邏弘姎庠O(shè)備絕緣在線監(jiān)測與狀態(tài)評(píng)估、新型傳感技術(shù)和環(huán)保型氣體絕緣材料等。E-mail：xiaoxing.zhang@outlook.com（通信作者）

（編輯 李冰）