郭 伟，祁 炯，刘立华

(1.国网安徽电力公司马鞍山供电公司，安徽 马鞍山 243000；2.国网安徽省电力科学研究院，安徽 合肥 230022；3.北京电力建设公司，北京 100008)

0 引言

目前，国内外通过检测SF6气体分解产物种类及体积分数来发现GIS设备、SF6断路器、变压器、互感器、避雷器、隔离刀闸、套管等设备内部的潜伏性故障，并在设备事故位置定位等方面取得了阶段性进展。与其他表征设备状态的信息(声波、现象、图像、红外、紫外、电气试验等)相比，此监测手段具有不停电、受现场电磁波干扰小、信噪比高、测试速度快、灵敏度高等优点，得到了广泛应用。大量数据表明：检测和监督SF6气体分解产物组分及体积分数含量，对预测设备潜伏性缺陷及故障部位定位，有一定参考和指导价值。

SF6气体作为新型绝缘介质，将其运用到电气设备的时间较晚，其分解机理和化学反应规律还有待进一步研究和认识。目前，国际上尚无权威和统一的分解产物体积分数的质量控制极限、产气速率控制指标、检测周期和规范的测试方法，仍处于积累相关数据和总结经验阶段。在放电和过热的情况下，SF6气体分解出的硫离子和氟离子会和组成设备的电极材料、绝缘材料、设备的密封件以及进入设备内部的空气、水发生复杂的化学反应，产生一系列表征设备故障的特征气体，如SO2，H2S，SOF2，SO2F2，S2F10，S2F10O，SiF4，SF4，HF，CF4，CO，CO2，C3F8等，以及固体粉末MFn(M指金属元素，主要代表为铝、铜、钨)，硫化物、氟化物和碳化物等近百种分解产物。虽然每种分解产物对判断设备内部的潜伏性故障及事故故障的定位有一定的参考价值，但受目前检测仪器的准确度和检测技术水平等制约，很多组分只能作定性描述，不能作定量分析。表征设备故障的特征气体组分和体积分数大小也会因故障发生的位置、气室大小和结构不同，在设备内部吸附剂的吸附作用影响下，随着时间的变化而变化，客观上对设备故障的预判造成了一定的难度。

如何筛选、利用、整合这些信息为评估设备状态提供参考和依据，是当前摆在从事此项工作和研究人员面前的艰巨任务和挑战。根据多年实践经验，通过对许多实际案例进行深入的分析总结，现得出如下结论：在众多的分解产物中，只要能检测到 SO2，SO2F2，HF，CF4，H2S，CO，CO2这7种分解产物中的1种或1种以上分解产物组分以及体积分数，并结合设备的运行工况、电气特性等情况进行综合分析，就能基本判定该气室是否存在潜伏性故障，并对事故后设备故障气室快速定位。

1 理论基础及检测手段

1.1 分解产物中特征气体选择的理论依据

SF6气体绝缘设备内部材料主要由SF6气体和各种固体绝缘材料(环氧树脂、聚四氟乙稀、聚酯乙烯、绝缘纸)及绝缘漆组成，绝缘材料由C，H，O，S，F等元素组成。根据SF6气体的分解机理：设备故障区域内SF6气体在放电(电弧放电、火花放电、局部放电)和过热(温度达500 ℃以上)的情况下，设备内部的SF6气体会发生如式(1)～(5)的反应：

国内外大量的科学试验研究表明：纯净的SF6气体在电弧的作用下会直接分解产生SF4和F2；这2种气体在极短时间内发生复合反应重新生成SF6气体，其复合率高达99.8 %。但实际上，SF6电气设备要完全避免H2O，O2及其他杂质是不可能的。由于SOF2，SOF4，SF4属于中间态产物，含量低、难检出，在实际运用中价值不大，且性质活泼又极不稳定，容易发生水解反应，最终会产生比较稳定的SO2，HF，SO2F2。因此，选取性能稳定且具有代表性的SO2，HF，SO2F2作为SF6绝缘气体的特征分解产物，将SO2，HF作为主要参考对象，SO2F2作为辅助判断，当发生设备大电流放电故障时，SO2必定出现且含量较高。

在实际运用中，将CF4，H2S这2种气体作为固体绝缘材料的主要特征分解产物，将CO，CO2作为辅助判断。根据大量现场实际案例，一般CF4为所有SF6充气电气设备故障的标准产物，尤其是盆式绝缘子。当断路器触头发生烧灼故障时，一定能检出CF4，其CF4含量大小可直接判断设备的绝缘状况。将H2S看作热固性环氧树脂的特征分解产物，出现H2S与否可作为判断设备故障是否涉及固体绝缘材料的重要参考依据。

1.2 分解产物检测方法及检测仪器

SF6气体分解产物种类繁多，性质各异，给检测体积分数带来很大的困难。气相色谱法(GC)中可作参照物的标准样品较少，给物质定性带来很大的难度；色谱-质谱联合法(GC-MS)的检测方法中，色谱对复杂组分分离能力强，质谱对未知痕量成分定性准确，鉴别未知峰能力强，但对使用人员的技术素质和操作水平及实验室环境等要求极高，普及率极低。其他检测方法：气体检测管法、气体电化学传感器法、红外光谱法、核磁共振法等各有优劣，均具有一定的局限性，难以全面推广运用。

根据现场的实际情况和基层生产单位测试人员的现状，使用SP-Ⅴ便携式色谱仪就基本能解决上述问题。这种仪器操作简单、携带方便、受外界环境干扰影响小、准确度高。SP-Ⅴ便携式色谱仪采用气相色谱法分析原理和气体电化学传感器法分析原理相结合的检测方法，其技术参数见表1，能够在短时间内快速检测到SO2，H2S，SO2F2，HF，CF4，CO，CO2，C3F8等常见分解产物，方便适用，基本可满足检测需要。

2 分解产物的相关参考值

目前，国内外虽未颁布SF6气体分解产物的种类和体积分数注意值的技术标准和执行规则，但是研究人员对大量的仿真模拟试验和实际故障进行总结和分析，认为HF是SF6气体在过热和放电情况下第1个生成的特征分解产物，CO主要是固体有机绝缘件长期放电过热的特征分解产物。通过验证：HF及CO对评估SF6电气设备的状态和预测今后发展趋势及设备发生事故后进行故障定位具有重要的指导意义。SF6气体分解产物国内外相关参考技术标准如表2所示。

3 案例分析

3.1 案例1

某公司在开展超声波局部放电的普查过程中，发现220 kV GIS设备258间隔PT气室B相存在局部放电量异常故障，随即利用SP-Ⅴ便携式SF6气体分解产物色谱仪对该间隔(气室相通)进行气体分解成分检测。测试数据结果显示：该间隔不仅存在约2 μL/L的HF气体，CF4含量也大于运行设备正常值(<200 μL/L)2倍。随后，对该间隔三相连通气室进行隔离，对PT气室B相每2周进行1次超声波局放(AE)检测和SF6气体分解产物体积分数跟踪分析检测，观察放电发展趋势。通过连续2个月的跟踪监测，在加强监测期间内，其放电程度和分解气体体积分数增长数值逐渐趋于稳定，B相潜伏性放电故障未出现急剧式增长。B相气室SF6气体体积分数的测试数据如表3所示。

表1 SP-Ⅴ便携式色谱仪技术参数

表2 实测SF6气体分解产物体积分数的参考值 μL/L

表3 B相气室SF6气体体积分数的测试数据 μL/L

从表3数据可知：

(1) 作为表征SF6电气设备故障的特征分解产物，HF气体最早生成并被检出，这说明该设备存在一定程度的潜伏性放电故障。但HF气体含量较低，在后续监测过程中又突然消失，且SO2，H2S，SO2F2一直未被检出，这种现象表明该气室故障程度不严重，放电量不大，产气量也不大；同时也表明气体可能被设备内部安放的吸附剂所吸附；

(2) CF4含量高(＞400 μL/L)，超过运行设备正常值2倍，这说明该气室存在涉及固体绝缘材料的放电性故障；

(3) CO，CO2被检出，辅助说明故障与固体绝缘材料存在一定的关联；CF4含量未呈现增大趋势，说明该故障未扩大。

综合气体分解产物体积分数的变化情况进行分析，初步诊断为气室存在悬浮电位放电，但放电程度较轻。为避免故障继续发展造成事故停电，工作人员决定停运设备进行检修处理。经停电解体检查，发现用于固定屏蔽铝板的2颗绝缘螺栓杆，在设备运行过程中因振动或发热等不明原因发生脱落断裂，并同螺母一起掉于气室内造成悬浮电位放电。

3.2 案例2

某公司在某次110 kV断路器SF6气体分解产物普查中，检测出分解产物SO2，HF及CO组分含量异常，SO2体积分数含量达到70 μL/L，其余组分的分解产物体积分数含量未被检出，检测结果如表4所示。次日复测后的检测数据未发生太大变化。

表4 某110 kV断路器SF6气体分解产物检测数据 μL/L

考虑到分解产物中含有SO2和HF，且SO2体积分数含量很大，H2S和CF4未被检出，初步怀疑是设备内部存在局部放电现象使SF6气体分解，排除设备内部固体绝缘材料故障。由于SO2含量很大，远远超过GB/T8905—2012《六氟化硫电气设备中气体管理和检测导则》等标准规定，而最近一次跳闸后检测SO2+SO2F2含量不大于2.0 μL/L，认定为“危急缺陷”级别。停电解体检查，发现该设备拉杆连接处孔销配合出现缝隙、配合尺寸超公差，孔径变大、孔销变细。孔销之间的悬浮电位引起局部放电分解SF6气体，产生SO2和HF等产物。

3.3 案例3

某公司220 kV GIS母差保护动作，228号间隔发生故障，工作人员立刻对隔离开关2281故障气室和隔离开关2282正常气室进行分解产物气体体积分数检测，检测结果如表5所示。

从表5数据可知：

(1) 故障气室检出SO2及HF气体且其含量较大，这表明该气室发生过大电流放电故障；

(2) CF4被检出且含量高，这说明故障涉及固体绝缘材料；

(3) 解体气室发现有大量的白色粉末，盆式绝缘子、筒壁内呈现烧焦的痕迹，粉末可能是A l，Cu的氟化物。该事故发生的原因是：导电杆接触不良引起严重过热，金属熔化后造成绝缘子烧伤，最终导致对地放电。

表5 SF6气体积分数的检测数据 μL/L

4 结束语

检测SO2，H2S，CF4，HF等SF6气体分解产物，可准确、快速地诊断设备内部存在的潜伏性故障。由于发生故障时，SF6气体具有复杂的理化性质及其分解产物的多样性、多变性及复杂性，与变压器油色谱分析相比较，此种检测方法正处在发展阶段中，仅靠分解产物种类及体积分数含量易造成误判、漏判，因此在诊断时要运用“组合拳”，在实践中积累数据和经验，并注意下面几个问题。

(1) 应用SP-Ⅴ便携式色谱仪及其他SF6气体分解产物测试仪进行现场检测时，要综合多种分解产物气体组分 (SO2，SO2F2，HF，CF4，H2S，CO，CO2)的数据，进行横向、纵向分析比较。

(2) 以电气试验、特高频、超声波以及SF6气体分解产物等检测手段为代表的检测项目，对设备的状态评估、故障诊断都有非常重要的参考作用，在诊断过程中要综合运用电-声-气等不同的诊断技术。

(3) 在设备的普查过程中，一旦发现SF6气体分解产物气体组分含量异常，一定要同时检测相邻气室(或相)的SF6气体分解产物气体组分含量，重点对比相邻气室(或相)的CF4含量是否异常。若异常，则怀疑设备内部绝缘材料存在缺陷；若无异常，则怀疑是电极尖刺放电缺陷，包括沿面放电、悬浮电位放电、零件连接不紧、局部放电、套管分解产物异常等。

(4) 由于设备内部吸附剂的吸附作用，会检测不到某些表征故障特征的微量气体(SO2，HF，H2S等)，这对设备的准确诊断造成一定的干扰。因此，一旦发现设备出现故障，应及时赶到现场迅速检测气体成分，避免错过最佳的检测时机。试验研究表明：吸附剂对分解产物吸附速率的大小顺序大致是：SO2≈HF≈H2S＞CO2≈CF4≈C3F8。吸附剂对CF4，CO2，CO，C3F8的吸附能力微弱，影响甚微，对这些组分具有积累和记忆效应；吸附剂对SO2，HF，H2S的吸附能力较强，在很短时间内可将设备内的分解产物降低很多。

1 郭 伟．气体分解产物应用于SF6电气设备故障查找的分析[J]．绝缘材料，2012，45(4)：69-72.

2 袁 平，付汉江，袁先亮．便携式色谱仪在六氟化硫电气设备故障检测中的应用研究[J]．华中电力，2010，23(6)：48-53.

3 苏镇西，赵 也．设备吸附剂对SF6气体分解产物检测结果影响的试验研究[J]．高压电器，2013，49(6)：26-31.

4 张晓星，姚 尧，唐 炬，等．SF6放电分解产物组分分析的现状和发展[J]．高电压技术，2008，34(4)：664-747.