气体绝缘组合电器SF6分解产物检测中典型影响因素研究

2018-09-08牛浩，邱悦

浙江电力 2018年8期

牛浩，邱悦

（浙江浙能嘉华发电有限公司，浙江嘉兴 314201）

0 引言

SF6（六氟化硫）是目前公认最为理想的气体绝缘介质和灭弧介质，具有强电负性，常温常压下化学性能非常稳定[1-2]。近年来，基于SF6气体绝缘介质的封闭式电气设备已经在电力系统中得到了非常广泛的应用[3-4]，包括GIS（气体绝缘组合电器）、GIL（气体绝缘输电线路）、C-GIS（气体绝缘开关柜）等在内的气体绝缘装备具有一系列的优点，例如占地面积小、维护周期长、运行可靠性高、不受地理环境条件影响等[5]。目前，SF6电气设备已经与以绝缘油为介质的电气设备在电力系统中具有同等重要的地位[6-7]。

GIS在制造和装配过程中难免遗留隐藏缺陷，如固定突起、盆式绝缘子粘附金属粉末等[8]。部分缺陷在常规试验中很难发现，投运后缺陷会逐步发展并伴随着局部放电[9]。长期的局部放电会进一步引发绝缘崩溃和设备击穿。

目前，国内外对GIS内部绝缘状态的评估主要通过局部放电检测得以实现[9]。局部放电检测方法主要有电气法和化学诊断法[10]。化学诊断法通过检测局部放电过程中GIS内复杂的化学反应产生的特征气体组分和含量进行放电类型识别和放电程度判断[11-13]。与电气法相比，化学诊断法因具有不受电磁噪声和振动干扰，可检测间歇性放电和定位故障气室、适用于过热性故障诊断等一系列优点得到广泛应用[14]。

化学诊断法在推广应用过程中也会受到一些因素的干扰，如吸附剂对局部放电特征气体的吸附作用[15]，气室内SF6微水含量差异、检测容器吸附等[16-17]，这些因素均会对利用化学诊断法进行GIS放电状态判断和绝缘状况评估时带来一定的偏差，甚至出现误判[18]。

以下通过设置部分放电模拟试验和静置试验，系统研究了特富龙涂料、气室微水含量及吸附剂3种典型因素对SF6分解产物变化规律的影响，在此基础上提出了降低化学诊断法干扰因素影响的绝缘缺陷监测手段，进而提高了化学诊断法的准确度。

1 试验设置

1.1 模拟试验平台

如图1所示，放电气室体积为70 L，由不锈钢材料构成，其内壁喷涂特富龙涂料防止内壁吸附SF6分解产物。气室前后两端安装石英玻璃观察窗，以便使用紫外成像仪对内部放电状况进行监测。进样口与DILO B120R21系列回收装置相连，主要完成进气、回收、抽真空操作，采样管路均采用聚四氟乙烯材料（降低管路对HF等分解产物的吸附）。采用YDTW-30 kVA/150 kV工频无晕试验变压器（额定电压下局放量小于5 pC）。试验时充入0.4 MPa的SF6气体。

图1 局部放电模拟试验平台示意

1.2 分解组分分析

通过系统的分析、比较和设计，本研究采用一种基于毛细管柱的TCD（热导检测器）和FPD（火焰光度检测器）串联的气相色谱定量分析SF6分解产物检测方法。在确定色谱柱、检测器和气体流路的基础上，通过多次调整气体流量、分流比、程序升温模式和检测器参数等系统参数，进行大量实际样品检测实验，最终确定了毛细管柱/TCD-FPD气相色谱法用于SF6分解产物分析时的最优参数组合，如表1所示。该方法可实现对 SO2， SO2F2， S2OF10， CF4和 H2S 等主要分解产物的精确检测。

表1 毛细管柱/TCD-FPD气相色谱法操作参数

2 特富龙涂料对于分解产物吸附性的研究

现场的GIS属于一个封闭运行的系统，暂时未能实现分解气体的在线检测。为了诊断其内部的绝缘状况，需要对其内的分解气体的种类含量进行检测。通常采用取样瓶取一定量的气样带回实验室进行检测。取样瓶一般由不锈钢制作而成，其对分解气体存在吸附作用，影响了检测结果的准确性。需要找到一种方法，使得GIS内部或者取样瓶内部不吸附分解气体。下面通过在SF6放电气室喷涂特富龙涂料，并对其对分解气体的吸附效应进行研究。

2.1 试验布置

喷涂后特富龙涂料的实验室模拟器内部如图2所示。对喷涂特富龙涂料后的模拟器进行分解气体的吸附效应实验研究，步骤如下：

（1）选择一种故障气体冲入实验室模拟器内部。压力维持在0.3 MPa。充入之前先检测故障气体的成分检测结果SO2值为137.0 μL/L，SO2F2值为 875.2 μL/L， CS2值为 1.82 μL/L， S2OF10值为14.6 μL/L， CF4为 496 μL/L。选择上述 5 种典型气体主要基于两个方面考虑：

一方面，上述5种气体均为主要的含硫和含碳分解产物。

图2 喷涂后特富龙涂料的实验室模拟器内部

另一方面，上述分解产物中CF4与CS2可基本看作非极性分子（CS2有弱极性），SO2F2为弱极性分子，SO2为极性分子，S2OF10属于大分子物质，因此5种典型分解产物具有代表性。

（2）每24 h检测1次实验室模拟器内部的气体含量情况。

2.2 试验结果

上述试验重复3次进行，试验结论基本一致。典型试验结果如表2所示。可发现试验周期内（72 h）在模拟器基本不吸附分解气体。为了保证现场GIS检测的可靠性，可对现场用所有的取样瓶内部喷涂上特富龙涂料。从而降低取样瓶管壁对特征气体的吸附作用，进而增加检测结果用于判断设备绝缘状态的准确性。

表2 故障气体在特富龙内壁的模拟器中的含量变化μL/L

通过上述试验研究发现，GIS内壁或者取样瓶内壁通常会吸附一定量的分解气体，造成检测结果可能不能反映GIS内的真实情况。通过喷涂特富龙涂料能较好的解决该问题。实验室模拟罐喷涂特富龙涂料后，冲入一定量的标准气体，每隔一段时间对模拟罐内气体进行检测分析，发现分解气体的含量并未出现明显的变化。电晕放电试验后静止24 h后的气体分析结果和试验结束时的结果基本一致，也说明了在喷涂了特富龙涂料后，内壁不吸收分解气体。

3 微水含量对于试验结果的影响试验

在前期的试验中，发现吸附剂的存在对试验结果影响较大。吸附剂的主要作用在于吸水，但由于其不选择性，也吸附了放电产生的SF6分解产物，最终导致检测结果和实际产生分解产物的结果相差较大。为明确水分对于放电产生的分解产物的影响。在此研究了不同水分含量条件下SF6分解产物的变化规律。

3.1 试验布置

在所有放电类型中，电晕放电是最容易控制的。因此将采用14 mm的针板间隙模拟电晕放电，并控制不同的水分含量，检测分解产物随时间的变化关系。为了使得结果更有说服力，每组试验均在相同条件下重复3次。试验电极布置如图3所示。

图3 不同水分含量电晕放电的电极布置

试验分为3组。每组的水分含量分别为176.4 μL/L， 392.2 μL/L， 1 596 μL/L。试验过程中充入相同气压0.2 MPa的SF6气体，试验电压维持在25 kV。试验过程中采用脉冲电流法检测局部放电程度，因针-板电极放电类型稳定，24 h试验周期内3组试验条件下放电程度接近，根据脉冲电流法实时监测结果，视在放电量维持在200～220 pC，放电重复率维持在3 500～4 000次/s；因此可排除放电程度带来的微小差异对研究微水含量与分解产物变化规律的影响；试验结束后的24 h重复检测气体1次。由于放电分解产物类型与放电缺陷设置类型有直接关系，在本次实验中针-板电极放电主要生成 SO2， SO2F2， SOF2， S2OF10，不涉及固体绝缘缺陷，因此不生成含碳分解产物如CF4，CS2等，而SO2相当一部分有SOF2水解得到。特别地，此处研究其他几种因素对分解产物变化规律影响时是基于静置条件（不涉及放电），因此，可以对几种相同的气体进行研究和对比，而研究微水影响是基于放电模拟实际工况下得到的，而分解产物的类型与设置放电缺陷类型有直接关联，此处设计的针-板放电类型下本身就不产生CF4与CS2这两种分解产物，因此，在研究微水影响时重点关注 SO2，SO2F2，S2OF10这 3种分解产物。

3.2 试验结果

每组的3次试验结果都显示出了相同的趋势。为了便于说明规律，取其中1次结果进行对比。试验结果如图4所示，其中C表示不同气体浓度，由图4可得以下结论：

（1）不同水分含量下，电晕放电SO2和SO2F2的关系保持一致。SO2F2的含量高于SO2的含量。

（2）水分含量越高，分解产物的产量越高。

（3）低水分含量的电晕放电下，S2OF10不容易产生。

试验结果表明，无论是低水分环境还是高水分环境，不同分解产物间的趋势保持了一致。电晕放电下，主要的分解产物有SO2和SO2F2，随着放电时间的增长，含量逐渐升高；但水分含量影响了分解产物出现的时间和绝对含量，水分含量越高，分解产物被检出的时间更快，含量更高。水分含量越高，分解产物产生的速率越快。因此，有必要对设备内部的水分进行控制。

4 吸附剂对SF6分解产物的影响

由于运行设备中广泛存在吸附剂，吸附剂的存在对SF6分解产物会产生一定程度的影响。为了明确吸附剂对电气设备潜伏性缺陷产生的SF6分解产物的影响程度，以便更有效的通过SF6分解产物的浓度判断电气设备潜伏性缺陷，进行了相关的模拟试验。

4.1 试验布置

图4 不同水分含量下分解产物随时间的变化规律

在实验室模拟器中放置现场中常用的F-03型分子筛吸附剂，再充入0.4 MPa的不同浓度的故障气体，其中吸附剂的放置量约为气体重量的6%。对比检测不同浓度在吸附剂工况下分解产物随时间的变化规律，探寻吸附剂对不同气体产物的吸附能力。

4.2 试验结果

不同浓度的分解产物在吸附剂作用下的含量变化关系如图5—图9所示。其中C表示不同气体浓度。

吸附剂对于 SO2F2，SO2，S2OF10这 3种含硫产物影响较大，特别的对于SO2，在120 h内含量由超过563 μL/L被吸附至0 μL/L。但吸附剂对于CF4的吸附能力最小，整个试验过程中CF4几乎不受吸附剂影响，CS2由于属于直线性分子，且存在一定的极性，且其分子动力学直径也小于F-03型吸附剂的孔径，因此存在一定的吸附作用，但对CS2的吸附能力明显弱于对SO2F2，SO2，S2OF10的吸附剂能力。

图5 不同浓度的SO2在吸附剂作用下的含量变化规律

图6 不同浓度的SO2F2在吸附剂作用下的含量变化规律

图7 不同浓度的S2OF10在吸附剂作用下的含量变化规律

图8 不同浓度的CF4在吸附剂作用下的含量变化规律

图9 不同浓度的CS2在吸附剂作用下的含量变化规律

鉴于吸附剂对于SF6分解产物SO2F2，SO2，S2OF10有较强的吸附作用，在利用气体组分分析判断GIS的故障或缺陷时，要考虑吸附剂的影响。如果某GIS气室中SO2F2和SO2的含量明显的持续增大，则该设备中肯定存在缺陷，如果某GIS气室中SO2F2和SO2的含量并不明显增长，也不能说明该GIS中不存在缺陷，可能此时由该缺陷所导致的SF6分解生成的速度小于吸附剂的吸附速度。吸附剂对于SF6分解产物CF4和CS2的吸附作用并不显著，因此，在涉及固体绝缘材料损伤的GIS缺陷判断中利用CF4和CS2作为判断指标有一定的优势。需要特别说明的是CF4在SF6新气中也不同程度存在（制造环节不可避免产生），因此对判断绝缘状态会有一定干扰。而CS2只有在GIS涉及固体绝缘缺陷条件下才会产生。