2013, Vol. 36
表1(Table 1)
2. 海南电网公司, 海口 570100
2. Hainan Power Grid Corporation, Haikou 570100, China
SF6气体作为优良的绝缘介质已广泛应用于气体绝缘组合电器(Gas Insulated Switchgear，简称GIS)中[1]。在正常情况下，SF6化学性质十分稳定、不易分解，但在GIS设备内部出现绝缘缺陷[2]并引发局部放电(Partial Discharge, 简称PD)时，SF6气体会发生分解，生成微量的分解气体。随着现代分析技术的发展，以SF6气体分解物作为诊断GIS设备绝缘缺陷的特征参量很快成为国内外的研究热点[3-7]。
目前，国外对SF6在放电作用下的分解现象进行了一定的研究，主要集中在电弧放电[8]、火花放电[9-10]及PD[11-12]作用下的分解机理，并取得了初步的成果，但对如何利用SF6在放电作用下的分解特性对SF6电气设备进行故障诊断的研究未见报道。国内对该问题的研究尚处于起步阶段，大多只是讨论PD能量、杂质气体及吸附剂等对SF6分解生成物的影响[13]。尽管文献[14]通过对SF6分解气体中SO2、H2S的含量检测，成功发现了多次GIS绝缘故障，但对不同绝缘缺陷引起PD产生的分解气体含量、产气特性等还缺乏系统研究。
大量研究和实例已初步表明，SF6放电分解产物与绝缘缺陷类型有关联[15]，但这种关联关系至今还在研究之中，如何建立SF6放电分解产物与绝缘缺陷类型之间的关系以及提取识别不同缺陷的分解气体特征量是目前还未解决的课题。笔者利用建立的SF6气体分解试验装置和气相色谱气体检测系统，对GIS中2种典型绝缘缺陷PD下的SF6分解气体组分进行了定性和定量测量，成功检测到SF6在PD作用下的主要稳定产物，得出了这些主要产物随时间的变化规律，并对比了2种缺陷下分解气体的生成特性和分解气体的含量比值的区别，探索了表征两类绝缘缺陷的特征参量，为实现用SF6特征分解组分诊断GIS设备绝缘故障奠定了基础。
1 SF6在PD下的分解机理在SF6气体绝缘设备中，引起SF6分解主要有电效应和热效应。高能放电(例如电弧放电和火花放电)同时有电效应和热效应存在，而低能放电(如PD)因发生放电的部位温度不会太高，一般只有电效应[16]。
在GIS设备气室内所产生的PD电子碰撞平均能量为5~100eV[17]，而SF5-F的键能为3.5~4eV，因此，在电子发生有效碰撞的条件下必将导致SF6气体发生分解形成相关低氟硫化物SFx(x=1~5)。同时SF6的分解与放电能量分布有关，而无论怎样的PD形式，按照PD能量分布情况都可分为辉光放电区、离子漂流区和主气室区，如图 1所示[11-12]。在PD产生的辉光放电区，能量较为集中，SF6在高电场能作用下分解生成离子团和原子团。研究发现辉光放电区主要的分解产物是SF5，而SF2、SF4占未复合分解产物的绝大部分[18]，比较稳定。因此，辉光放电区的分解反应主要为
| $ e + {\rm{S}}{{\rm{F}}_6} \to {\rm{S}}{{\rm{F}}_5} + {\rm{F}} + e, $ | (1) |
| $ e + {\rm{S}}{{\rm{F}}_6} \to {\rm{S}}{{\rm{F}}_4} + 2{\rm{F}} + e, $ | (2) |
| $ e + {\rm{S}}{{\rm{F}}_6} \to {\rm{S}}{{\rm{F}}_2} + 4{\rm{F}} + e。$ | (3) |
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图 1 PD下SF6气体分解机理 |
如果SF6气体中存在微氧、微水以及金属等，SF6分解-复合的平衡将被破坏，反应生成的F原子、O原子和多种低氟硫化物与电子碰撞产生的能量为其他反应提供了条件[19]，可生成如下的物质：
| $ e + {{\rm{O}}_2} \to {\rm{O}} + {\rm{O}} + e, $ | (4) |
| $ e + {{\rm{H}}_2}{\rm{O}} \to {\rm{O}} + {\rm{OH}} + e, $ | (5) |
| $ {\rm{S}}{{\rm{F}}_5} + {\rm{O}} \to {\rm{SO}}{{\rm{F}}_4} + {\rm{F,}} $ | (6) |
| $ {\rm{S}}{{\rm{F}}_5} + {\rm{OH}} \to {\rm{SO}}{{\rm{F}}_4} + {\rm{HF}}, $ | (7) |
| $ {\rm{S}}{{\rm{F}}_4} + {\rm{O}} \to {\rm{SO}}{{\rm{F}}_2} + 2{\rm{F,}} $ | (8) |
| $ {\rm{S}}{{\rm{F}}_4} + {\rm{OH}} \to {\rm{SO}}{{\rm{F}}_2} + {\rm{HF}} + {\rm{F}}, $ | (9) |
| $ {\rm{S}}{{\rm{F}}_2} + {\rm{O}} \to {\rm{SO}}{{\rm{F}}_2}。$ | (10) |
产生的F与金属材料接触还可发生如下反应：
| $ n{\rm{F}} + {\rm{M}}\left( {金属} \right) \to {\rm{M}}{{\rm{F}}_n}\left( {n = 1 \sim 4} \right)。$ | (11) |
在主气室中各种F化物与微氧和微水接触可发生如下氧化、水解反应：
| $ {\rm{S}}{{\rm{F}}_2} + {{\rm{O}}_2} \to {\rm{S}}{{\rm{O}}_2}{{\rm{F}}_2}, $ | (12) |
| $ 2{\rm{S}}{{\rm{F}}_4} + {{\rm{O}}_2} \to 2{\rm{SO}}{{\rm{F}}_4}, $ | (13) |
| $ {\rm{S}}{{\rm{F}}_4} + {{\rm{H}}_2}{\rm{O}} \to {\rm{SO}}{{\rm{F}}_2} + 2{\rm{HF}}, $ | (14) |
| $ {\rm{SO}}{{\rm{F}}_4} + {{\rm{H}}_2}{\rm{O}} \to {\rm{S}}{{\rm{O}}_2}{{\rm{F}}_2} + 2{\rm{HF,}} $ | (15) |
| $ {\rm{SO}}{{\rm{F}}_2} + {{\rm{H}}_2}{\rm{O}} \to {\rm{S}}{{\rm{O}}_2} + 2{\rm{HF}}。$ | (16) |
当放电涉及有机绝缘材料时，会有CF4生成：
| $ {\rm{F}} + {\rm{F}} \to {{\rm{F}}_2}, $ | (17) |
| $ {\rm{C}} + 2{{\rm{F}}_2} \to {\rm{C}}{{\rm{F}}_4}。$ | (18) |
由以上分析可知，SF6分解生成的主要组分为CF4、SO2F2、SOF4、SOF2、SO2、HF。其中，HF是强酸性物质，极易与设备内的材料反应生成稳定的氟化物，不适合作为表征PD的分解气体，SOF4很不稳定，易水解生成SO2F2，因此选取CF4、SO2F2、SOF2、SO2作为研究PD作用下SF6分解的特征组分。
2 局部放电下SF6分解试验 2.1 SF6气体分解试验系统SF6分解试验系统主要由高压交流无晕试验电源、SF6放电气室[20]、绝缘缺陷模型、检测阻抗、示波器和气相色谱检测系统等组成，如图 2所示。
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图 2 SF6 PD分解试验系统 |
GIS中的PD是由各种绝缘缺陷引起的，笔者针对GIS中2种典型绝缘缺陷，即金属突出物和绝缘子金属污染物，进行SF6 PD分解研究。
1) 金属突出物绝缘缺陷(Needle)。所谓金属突出物是指GIS中可能存在的金属异常突出点(如装配过程中留下的焊疤、检修时遗留的螺丝钉等)，其突出部位分布在电场中形成局部高场强，当局部电场强度大于气体的电离场强时，就会引发局部放电。笔者采用针板电极模拟金属突出物缺陷，如图 3(a)所示，针尖端部曲率半径约为0.3 mm，锥尖角30°，接地板电极直径为60 mm、厚度为10 mm的Bruce电极，材料为黄铜。
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图 3 绝缘缺陷模型 |
2) 绝缘子金属污染物绝缘缺陷(Metal)。所谓绝缘子金属污染物是指SF6设备气室内残留的金属微粒受静电力作用吸附于盆式绝缘子上，使盆式绝缘子表面电场发生畸变，从而引起PD。笔者针对实际检修时发现的盆式绝缘子表面金属污染的特征，并考虑模拟试验的稳定性和规律性，采用圆柱形环氧树脂表面粘贴一定尺寸长方形(5 mm×18 mm)的铜屑，将其放入板电极间。电极与圆柱形绝缘子的接触面抛光粘接，以避免接触面出现明显的气隙放电，如图 3(b)所示。极板电极结构为上述的Bruce电极。圆柱形环氧树脂直径为45 mm，高为25 cm。
2.3 SF6分解气体组分检测气相色谱仪主体选用美国Varian CP-3800型，配备脉冲氦离子化检测器(PDHID)，检测精度可达μL/L级，采用特制CP-Silica毛细管色谱柱(60 m×0.32 mm)，载气为99.999%的高纯氦气。采用程序升温方式，选择载气流速为2 mL/min、载气压力为0.4 MPa，定量环体积为1 mL，以10:1分流方式进样。
在进行组分检测之前，必须用标准气体对气相色谱系统进行标定[21]。笔者用保留时间法定性判断各组分气体色谱峰位置，用标准曲线法定量测定各组分气体含量[22]。
| $ {c_i} = \frac{{{c_{s,i}}}}{{{A_{s,i}}}}{A_i} = {K_i}{A_i}, $ | (26) |
式中:Ai、As, i分别为样品、标样中第i组组分气体峰面积；ci、cs, i分别为样品、标样中第i组组分气体含量；Ki为校正曲线的斜率，即绝对校正因子。测得各特征组分的保留时间如表 1所示，绝对校正因子如表 2所示(试验中，SO2因受烃类影响而出峰异常，未进行定量标定)。
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表 1 各组分的保留时间 |
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表 2 各组分的绝对校正因子 |
首先要测试装置的固有PD特性，即确保未加人工模拟绝缘缺陷时，在试验电压范围内，装置本身要不产生PD。测试得到：装置在充入0.2 MPa SF6后，外施电压40 kV以内无PD产生。试验时，将绝缘缺陷模型置入放电室内，通入SF6反复冲洗腔体，使气室内的空气充分排出，再真空充入0.2 MPa高纯SF6绝缘气体，稳定数小时后，用逐步升压法对缺陷模型施加试验电压，至其产生稳定的PD。试验进行了96 h跟踪，每12 h采集一次SF6混合气体进行组分分析。
3 局部放电信号检测在模拟金属突出物绝缘缺陷实验中，当针板间距为10 mm、外施电压为20 kV时，可用脉冲电流监测系统检测到稳定的PD信号，其PD脉冲平均峰-峰值约为21.6 mV，信号波形如图 4(a)所示。在模拟绝缘子金属污染物绝缘缺陷实验中，当外施电压为16.5 kV时，脉冲电流监测系统可以检测到稳定的PD信号，其PD脉冲平均峰-峰值约为22 mV，信号波形如图 4(b)所示。在实验中，用紫外成像仪对发生的PD进行监测，均能观察到缺陷模型处有稳定紫外光子存在，如图 5所示，说明所设计的绝缘缺陷模型能够产生稳定的PD。
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图 4 PD脉冲波形 |
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图 5 局部放电紫外成像 |
利用气相色谱仪对2种绝缘缺陷试验下SF6气体放电分解组分进行了检测，其色谱图如图 6所示。
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图 6 分解组分色谱图 |
为了对放电前后气体组分进行准确地对比分析，有必要测量试验前SF6新气的杂质含量。测试表明放电前主要杂质气体为CF4和空气，CF4含量为26μL/L，空气含量为30μL/L，其他杂质含量很低, 均可忽略。
4.2 特征组分检测结果为得到各特征组分含量随时间的变化关系，实验进行了96 h，在96 h的PD试验中，每12 h采集一次分解气体，共采集了8次分解气体。扣除放电前的CF4含量，对检测数据进行曲线拟合，得到各特征组分的变化规律如图 7所示。2种典型绝缘缺陷产生PD下SF6分解的产物中均检测到了CF4、SO2F2、SOF2。各组分的含量均随放电时间的延长而增加，但变化趋势有明显的差异。
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图 7 分解组分的含量 |
图 7(a)是2种绝缘缺陷下CF4的变化趋势，可以看出，在金属突出物绝缘缺陷试验中，CF4含量增加缓慢，且很快趋于饱和，而在绝缘子金属污染物绝缘缺陷试验中，CF4始终保持增长趋势，且随PD时间的增长有加快趋势。初步判断CF4中C的来源是装置内部有机绝缘材料，由于前者套管离绝缘缺陷的PD高能量区较远，引发绝缘材料释放的C含量较少，且增量变化不大。而后者环氧树脂绝缘材料处于PD的高能量区，引发绝缘材料释放的C含量较多，且增量变化较大，导致随PD时间的增长CF4含量不断增加。
SF6在高低E/N下都可分解出SF5，该分子团与杂质反应生成的氟氧化物水解成最终的稳定组分SO2F2。图 7(b)是2种绝缘缺陷PD下SO2F2的变化趋势，其含量均随放电时间的增长呈饱和趋势增加。但在金属突出物绝缘缺陷模型试验下，随着放电时间增长，SO2F2含量明显高于绝缘子金属污染物绝缘缺陷模型的试验。原因是前者放电稳定，放电能量较大，使SF6自身分解速度加快，且由于O、OH等元素的存在，使SF6分解-复合得平衡不断被打破，从而增大了SO2F2的产气速率和总含量。
图 7(c)是2种绝缘缺陷下SOF2的变化趋势。可以看出，金属突出物绝缘缺陷模型下，SOF2增长趋势明显，而绝缘子金属污染物绝缘缺陷模型下，SOF2产气量增长缓慢，且很快趋于饱和，前者SOF2的含量大大高于后者，且2种绝缘缺陷下，SOF2的含量都高于其他分解组分。原因是在金属突出物绝缘缺陷试验下，PD能量集中，SF6在高电场能作用下分解出较多的SF2、SF4分子团，两者在辉光区与O和OH结合生成了更多的SOF2组分。
综上所述，在2种典型绝缘缺陷模型下产生的PD都能够引起SF6气体发生分解，但各组分的生成量和增长趋势存在明显的差异。
5 2种缺陷下分解气体含量比值由上述分析可知，2种不同绝缘缺陷下SF6分解气体的含量及增长规律具有明显差异，可以作为识别不同绝缘缺陷的特征，但由于同一绝缘缺陷其分解气体的含量也是随时间变化的，且变化幅度非常大，因此直接将分解气体的含量作为识别不同绝缘缺陷的特征量具有较大的弊端。由于分解气体的比值不包含量纲，为此，笔者分析了2种绝缘缺陷下各分解气体的含量比值随时间的变化趋势，如图 8所示。
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图 8 组分含量的比值 |
由图 8(a)可以看出，总体上，金属突出物缺陷下φ(SOF2)/φ(SO2F2)的值要大于绝缘子金属污染缺陷，绝缘子金属污染缺陷下φ(SOF2)/φ(SO2F2)的值保持在一个较为稳定的水平，而金属突出物缺陷下φ(SOF2)/φ(SO2F2)的值变化范围较大；由图 8(b)可以看出，金属突出物缺陷下φ(SO2F2)/φ(CF4)的比值也比绝缘子金属污染缺陷大，且随时间的增长而增长，最后维持在一个较为稳定的水平，而绝缘子金属污染缺陷下φ(SO2F2)/φ(CF4)的值始终保持在一个稳定的水平。由图 8(c)可以看出，金属突出物缺陷下φ(SOF2)/φ(CF4)的值要远远高于金属突出物缺陷，且随着时间的增长逐渐增长，而绝缘子金属污染缺陷下φ(SOF2)/φ(CF4)的值保持在一个稳定的范围之内。由以上分析可以看出，2种缺陷下分解组分的含量比值具有明显的差异，可以将这些比值用来作为识别不同绝缘缺陷的特征量。
6 结论1) 分析了PD引起SF6气体发生分解的机理，当SF6气体中存在微水、微氧、固体绝缘材料时，稳定的气态衍生物有CF4、SO2F2、SOF4、SOF2、SO2、HF等，同时阐明了气相色谱检测系统的检测方法，为进行SF6在PD作用下分解气体定性定量研究奠定了基础。
2) 成功模拟了2种典型绝缘缺陷产生的PD下SF6气体的分解，对SF6气体分解组分进行了96 h跟踪测量，在2种缺陷下SF6分解物中均检测到了CF4、SO2F2、SOF2，但2种缺陷下这些分解气体的变化规律具有明显的差异。
3) 金属突出物绝缘缺陷放电能量集中且放电稳定，SO2F2和SOF2增长率大，总含量高，而绝缘子金属污染物绝缘缺陷因放电紧靠固体绝缘材料，CF4增长趋势明显，因此，可通过分析SO2F2、SOF2和CF4相对变化速率和总含量大小识别2种绝缘缺陷。
4) 2种绝缘缺陷下，3组分解组分含量比值φ(SOF2)/(SO2F2)、φ(SO2F2)/φ(CF4)和φ(SOF2)/φ(CF4)具有明显的差异，可作为识别2种绝缘缺陷的特征量。
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