閆佳文 胡偉濤 郝雪 郭小燕

【摘要】文章闡述了SF6氣體分解物的生成機(jī)理及其特點(diǎn);影響SF6氣體分解物生成的因素;應(yīng)用SF6氣體分解物進(jìn)行電氣設(shè)備故障診斷的情況以及設(shè)備中SF6氣體分解物組分含量監(jiān)控值等問(wèn)題為國(guó)內(nèi)外有關(guān)應(yīng)用電氣設(shè)備內(nèi)SF6氣體分解物進(jìn)行設(shè)備故障診斷提供一定的理論依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】SF6氣體分解物;故障診斷

引言

以SF6氣體作為絕緣介質(zhì)的電氣設(shè)備稱為SF6電氣設(shè)備，其包括斷路器、電壓互感器、電流互感器、避雷器、電容器、變壓器和GIS等。由于SF6氣體不燃不爆，不僅具有穩(wěn)定的化學(xué)性能，而且具有優(yōu)異的電氣性能，自上世紀(jì)80年代后SF6電氣設(shè)備得到廣泛的應(yīng)用，全國(guó)SF6電氣設(shè)備達(dá)數(shù)十萬(wàn)臺(tái)，已成為電力系統(tǒng)的主要設(shè)備。這些設(shè)備的性能好壞直接影響電力生產(chǎn)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。局部放電（PD）在線監(jiān)測(cè)法是對(duì)SF6設(shè)備內(nèi)所存在的絕緣性缺陷進(jìn)行有效地監(jiān)測(cè)及控制的重要方法，但由于在實(shí)際的工作環(huán)境中設(shè)備受到的磁場(chǎng)噪聲干擾太強(qiáng)，因此傳統(tǒng)的局部放電檢測(cè)方法如超聲法雖然在理論上達(dá)到了要求，但無(wú)法取得良好的應(yīng)用效果，而抗干擾能力強(qiáng)的特高頻法（UHF）理論上還存在一定的缺陷，難以實(shí)現(xiàn)絕緣狀態(tài)的準(zhǔn)確判斷。因此，電力系統(tǒng)急需找到一種既能夠滿足技術(shù)要求、又具有良好抗干擾能力和應(yīng)用效果的SF6設(shè)備絕緣狀態(tài)評(píng)估方法。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析表明：SF6氣體中分解產(chǎn)物與內(nèi)部狀態(tài)有一定的關(guān)系，利用SF6氣體中分解產(chǎn)物的組分及其含量，能夠準(zhǔn)確、快速地檢出設(shè)備內(nèi)部故障。本文旨在探討SF6設(shè)備中出現(xiàn)的各種氣體的由來(lái)和可能對(duì)應(yīng)的故障類別及部位。

1.應(yīng)用SF6氣體分解物判斷設(shè)備故障的原理

1.1 SF6電氣設(shè)備各種氣體成分的成因

SF6氣體是所有SF6電氣設(shè)備所共同的絕緣介質(zhì)，其負(fù)電性很強(qiáng)，具有很好的絕緣性能和滅弧性能，是目前理想的絕緣介質(zhì)，起著絕緣、滅弧和冷卻散熱的作用。試驗(yàn)表明，只有當(dāng)溫度高于500℃時(shí)SF6氣體開(kāi)始分解，700℃后才會(huì)明顯裂解（在電弧作用下將快速裂解）主要產(chǎn)生SO2、SOF2和HF。

SF6電氣設(shè)備采用的固體絕緣材料主要有熱固形環(huán)氧樹(shù)脂、聚酯尼龍、聚四氟乙烯、聚 酯乙烯、絕緣紙和絕緣漆等，其由C、H、F、S、O和N等元素構(gòu)成，按其分解溫度及主要產(chǎn)物可分為三類：

（1）熱固形環(huán)氧樹(shù)脂為多種大分子量的混合物，有雙酚型和酚醛型兩類，由C、H、O、S和N等元素構(gòu)成，當(dāng)溫度高于500℃時(shí)開(kāi)始裂解，主要產(chǎn)生H2S、CO、SO2、CF4、NO、NO2和少量低分子烴。

（2）聚四氟乙烯由C、F元素構(gòu)成，當(dāng)溫度高于400℃時(shí)開(kāi)始裂解，主要產(chǎn)生CF4和CO。

（3）聚酯乙烯、聚酯薄膜、絕緣紙和絕緣漆為碳水化合物，由C、H和O等元素構(gòu)成，在130℃時(shí)開(kāi)始裂解，主要產(chǎn)生CO、H2、CO2和低分子烴。

1.2 表征SF6電氣設(shè)備內(nèi)部絕緣材料分解的特征氣體及常態(tài)值

據(jù)國(guó)外資料報(bào)道，SF6電氣設(shè)備內(nèi)部故障時(shí)產(chǎn)生的硫化物、氟化物和碳化物有近百種。在深入研究?jī)?nèi)部絕緣材料的裂解機(jī)理和對(duì)各種故障實(shí)例進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析后可知：

（1）SF6分解的特征氣體為SO2、SOF2和HF，電氣設(shè)備在正常運(yùn)行過(guò)程中其各個(gè)氣體成分的含量為：SO2≤0.5（μL/L）、SOF2≤0.5（μL/L）、HF≤0.2（μL/L）;

（2）熱固型環(huán)樹(shù)脂分解的特征氣體為H2S，電氣設(shè)備在正常運(yùn)行過(guò)程中其各個(gè)氣體成分的含量為：H2S≤0.2（μL/L）

（3）聚酯乙烯、絕緣紙和絕緣漆分解的特征氣體為CO，電氣設(shè)備在正常運(yùn)行過(guò)程中其各個(gè)氣體成分的含量為：CO≤50（μL/L）

（4）聚四氟乙烯分解的特征氣體為CF4，且電氣設(shè)備在正常運(yùn)行過(guò)程中其各個(gè)氣體成分的含量為：CF4≤100（μL/L）

從上述得知，當(dāng)SF6電氣設(shè)備內(nèi)部存在故障時(shí)，故障區(qū)域的SF6氣體和固體絕緣材料在熱和電的作用下將裂解產(chǎn)生SO2、SOF2、H2S、CO、HF和CF4等特征氣體，這些分解產(chǎn)物將緩慢地溶解、擴(kuò)散到SF6氣體中， SF6氣體中分解產(chǎn)物與內(nèi)部故障有一定的關(guān)系，因此檢測(cè)這些特征組分的含量便可診斷出設(shè)備內(nèi)部故障。

1.3 SF6電氣設(shè)備分解產(chǎn)物的檢測(cè)方法

由于SF6電氣設(shè)備內(nèi)部早期故障的能量低、范圍小、濃度小、SF6氣體分子量大、設(shè)備內(nèi)部壓力高，氣體密度大，溫差小，流動(dòng)性很差，因此，若簡(jiǎn)單的從設(shè)備中取出幾十毫升氣體進(jìn)行測(cè)試，所檢測(cè)的數(shù)據(jù)大都低于本體實(shí)際濃度，難以檢出潛伏性故障。因此，SF6電氣設(shè)備分解產(chǎn)物現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)只能采用流動(dòng)檢測(cè)的電化學(xué)法。即采用靈敏度較高、穩(wěn)定性好、反應(yīng)速度快、耗氣量少的電化學(xué)傳感器，對(duì)SF6設(shè)備進(jìn)行內(nèi)部故障檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)氣體進(jìn)入傳感器后與電解質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在電極間產(chǎn)生與其濃度相應(yīng)的電信號(hào)。

2.應(yīng)用SF6氣體分解物判斷設(shè)備的故障類型及部位

SF6電氣設(shè)備內(nèi)部故障主要有兩種類型：放電性故障及過(guò)熱性故障，其中放電性故障又包括電暈放電、火花放電、電弧放電，過(guò)熱性故障包括低溫過(guò)熱、中溫過(guò)熱及高溫過(guò)熱。如圖1所示：

圖1

通過(guò)對(duì)SF6設(shè)備長(zhǎng)期檢測(cè)和各種故障分析后，我們將內(nèi)部常見(jiàn)的故障部位歸納為以下六種：

（1）導(dǎo)電金屬對(duì)地放電，這類故障主要表現(xiàn)為SF6氣體中的導(dǎo)電顆粒和絕緣子、拉桿缺陷引起導(dǎo)電桿對(duì)地放電，故障能量大，會(huì)產(chǎn)生大量SOz、SOF2、HS、HF。

（2）懸浮電位放電，這類故障通常表現(xiàn)為斷路器動(dòng)觸頭與絕緣拉桿間接觸不良或TA二次引出線電容屏上部的固定螺絲松動(dòng)引起插銷(xiāo)兩側(cè)金屬（或螺帽）與螺桿間懸浮電位放電，故障能量不大，一般只有sF6分解產(chǎn)物，主要生成S02、HF、H2S。

（3）導(dǎo)電桿的連接接觸不良，當(dāng)故障點(diǎn)溫度超過(guò)500℃時(shí)，sF6和周?chē)腆w絕緣材料開(kāi)始熱分解; 當(dāng)溫度達(dá)700℃以上時(shí)，動(dòng)靜觸頭、導(dǎo)電桿連接處、梅花觸頭包箍會(huì)蠕變斷裂，引起觸頭融化脫落、絕緣材料分解。其主要分解產(chǎn)物為SO2、HF、H S。

（4）互感器、變壓器匝間、層間和套管電容屏短路，互感器、變壓器匝層間和套管電容屏短路。內(nèi)部故障時(shí)，故障區(qū)域的sF6、聚酯乙烯、紙、漆等絕緣材料會(huì)裂解，主要產(chǎn)生SO2、SOF2、HF、cO和低分子烴。

（5）斷路器重燃，斷路器正常開(kāi)斷時(shí)，電弧一般在一個(gè)周波內(nèi)熄滅，當(dāng)滅弧介質(zhì)不正?；螂娏鞑贿^(guò)零時(shí)，電弧不能熄滅，會(huì)灼傷滅弧室和觸頭。此時(shí)，SF6和聚四氟乙烯分解，主要產(chǎn)生S02、SOF2、HF。

（6）斷路器斷口并聯(lián)電阻、電容內(nèi)部短路，斷口的并聯(lián)電阻、電容因質(zhì)量不佳而引起短路，使sF6裂解，主要產(chǎn)生S02、SOF2、HF。

因此，只需要總結(jié)歸納出各類氣體成分的含量特征，即可對(duì)SF6電氣設(shè)備的故障類別及部位做出初步判斷。

3.判斷標(biāo)準(zhǔn)及檢測(cè)周期

根據(jù)搜集到的數(shù)萬(wàn)臺(tái)次檢測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，設(shè)備正常時(shí)的分解產(chǎn)物含量如表1所示。

表1

檢測(cè)周期建議按電壓等級(jí)按表2所示進(jìn)行：

表2

設(shè)備名稱 檢測(cè)周期 備注（以下情況必須檢測(cè)）

30kV及以下設(shè)備 新設(shè)備投運(yùn)半年內(nèi)檢測(cè)1次 （1）新設(shè)備或大修后設(shè)備投運(yùn)前必須檢測(cè)

（2）發(fā)生近區(qū)短路斷路器跳閘

（3）受過(guò)電壓嚴(yán)重沖擊

（4）設(shè)備有異常聲響，有強(qiáng)磁場(chǎng)

（5）局部放電異常

110kV-220kV設(shè)備

（含65kV） （1）新設(shè)備投運(yùn)半年內(nèi)檢測(cè)1次

（2）每2-3年檢測(cè)1次

330-1000kV設(shè)備 （1）新設(shè)備投運(yùn)3個(gè)月內(nèi)檢測(cè)1次

（2）每1-2年檢測(cè)1次

4.結(jié)束語(yǔ)

在應(yīng)用SF6氣體成分分析設(shè)備內(nèi)部故障時(shí)，我們還應(yīng)當(dāng)從以下幾方面著手：“一看”（看分解產(chǎn)物的組分種類和濃度是否超過(guò)正常值）、“二比”（與上次比較分解產(chǎn)物的組分種類和濃度是否有變化，與相鄰氣室比較分解產(chǎn)物的組分種類和濃度）、“三了解”（設(shè)備的結(jié)構(gòu)、氣室大小、排氣口至本體的距離，運(yùn)行情況，嚴(yán)重沖擊和設(shè)備是否有異常聲響及強(qiáng)烈電磁場(chǎng)等，設(shè)備的檢修、氣體質(zhì)量、電氣試驗(yàn)、繼電保護(hù)動(dòng)作和故障錄波情況）。

應(yīng)用SF6氣體可以對(duì)電氣設(shè)備故障狀態(tài)通過(guò)特征氣體的體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行判斷，但是，SF6氣體由于設(shè)備發(fā)熱而造成在分解時(shí)溫度較高，存在一定的滯后性，所以故障和缺陷僅靠檢測(cè)SF6氣體的分解物是不夠的，下一步應(yīng)該做好對(duì)有關(guān)雜質(zhì)組分含量的監(jiān)控值的確立。

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作者簡(jiǎn)介：

閆佳文（1980—），男，碩士，工程師，主要從事電氣試驗(yàn)、電氣設(shè)備在線監(jiān)測(cè)與故障診斷等方面的研究。

胡偉濤（1977—），男，碩士，工程師，主要從事電氣試驗(yàn)、電氣設(shè)備在線監(jiān)測(cè)與故障診斷、電氣設(shè)備狀態(tài)檢修及新能源在電力系統(tǒng)應(yīng)用等方面的研究。