鄭曉光 鄭 宇 唐 念 李 麗 周文俊
(1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院 廣州 510080 2.武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院 武漢 430072)
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GIS內(nèi)環(huán)氧樹(shù)脂絕緣沿面放電強(qiáng)度與產(chǎn)氣關(guān)聯(lián)規(guī)律的模擬實(shí)驗(yàn)
鄭曉光1鄭 宇2唐 念1李 麗1周文俊2
(1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院 廣州 510080 2.武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院 武漢 430072)
為了解SF6氣體絕緣電氣設(shè)備中環(huán)氧樹(shù)脂固體絕緣沿面放電強(qiáng)度與特征氣體之間的關(guān)聯(lián)規(guī)律,搭建了固體絕緣表面附著銅粉的缺陷模型。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),放電涉及環(huán)氧樹(shù)脂固體絕緣時(shí),不同特征氣體呈現(xiàn)的增長(zhǎng)特性不同;放電強(qiáng)度不同,同一特征氣體的增長(zhǎng)特性也有差異。通過(guò)對(duì)不同特征氣體與CS2含量之間的比值特性研究,發(fā)現(xiàn)在不同放電強(qiáng)度下,特征氣體含量的比值特性不同。對(duì)比在兩種放電強(qiáng)度下產(chǎn)生的特征氣體(如SOF2、SO2、CS2等)的含量、增長(zhǎng)規(guī)律、特征比值等特征量,研究了特征氣體與放電強(qiáng)度之間的關(guān)系及不同特征氣體之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián),為用特征氣體檢測(cè)法診斷設(shè)備內(nèi)部固體絕緣的狀態(tài)提供了新方法。
GIS 固體絕緣 特征氣體 沿面放電 CS2
全封閉氣體絕緣組合電器(Gas Insulated Switchgear,GIS)以SF6氣體作為絕緣介質(zhì),具有結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、運(yùn)行維護(hù)安全可靠等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)[1]。GIS在運(yùn)輸、裝配和長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中其殼體內(nèi)形成自由金屬微粒、懸浮電位體、金屬尖刺、盆式絕緣子表面附著金屬微粒及盆式絕緣子內(nèi)部氣隙等缺陷易導(dǎo)致局部放電[2]。運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明,一旦放電涉及固體絕緣,長(zhǎng)期運(yùn)行下會(huì)導(dǎo)致絕緣崩潰,因此有必要監(jiān)測(cè)GIS內(nèi)的局部放電,特別要弄清放電是否涉及環(huán)氧樹(shù)脂固體絕緣以及放電的嚴(yán)重程度。目前,超高頻法被廣泛用于檢測(cè)GIS內(nèi)的局部放電,但因超高頻法在缺陷模式識(shí)別上的局限,且無(wú)法識(shí)別間歇性放電,故難以準(zhǔn)確判斷放電是否涉及固體絕緣[3]。
近年來(lái),隨著油色譜分析技術(shù)在充油電氣設(shè)備局部放電檢測(cè)上的成功應(yīng)用[4,5],用特征氣體法診斷SF6電氣設(shè)備內(nèi)的絕緣狀態(tài)的研究越來(lái)越廣泛。SF6電氣設(shè)備內(nèi)的局部放電導(dǎo)致SF6氣體分解,分解物與設(shè)備內(nèi)的水分和氧氣反應(yīng)生成SOF2、SO2F2、SO2、HF等氣體,當(dāng)放電涉及環(huán)氧樹(shù)脂材料時(shí)還會(huì)生成CF4等含碳?xì)怏w[6]。特征氣體法通過(guò)檢測(cè)特征氣體的種類、含量和增長(zhǎng)規(guī)律以及不同特征氣體之間的含量比值等特征量來(lái)判斷設(shè)備內(nèi)的放電類型和強(qiáng)度,具有抗干擾能力強(qiáng)、檢測(cè)靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)[7]。但采取何種特征氣體、采用怎樣的診斷判據(jù)等關(guān)鍵問(wèn)題至今在國(guó)際上仍沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。
目前,在應(yīng)用特征氣體法檢測(cè)SF6電氣設(shè)備內(nèi)局部放電的研究中,國(guó)內(nèi)外學(xué)者多采用由R.J.Van Brunt在20世紀(jì)90年代提出的“區(qū)域反應(yīng)模型”[8,9]。這一模型使用針-板電極,易于模擬電暈放電,但無(wú)法模擬在環(huán)氧樹(shù)脂固體絕緣表面發(fā)生的放電。盡管也有學(xué)者研究過(guò)涉及固體絕緣的放電,卻少見(jiàn)報(bào)道,這主要因?yàn)檠芯空咭恢币詠?lái)采用CF4或其他不含碳?xì)怏w(如H2S等[10])當(dāng)作特征氣體來(lái)反映涉及固體絕緣的放電,然而SF6新氣中不可避免地會(huì)存在CF4,對(duì)檢測(cè)結(jié)果的干擾大[11],而不含碳?xì)怏w與固體絕緣放電的關(guān)聯(lián)程度還有待考證。由于上述原因,涉及固體絕緣放電的研究一直未有進(jìn)展。GIS內(nèi)的環(huán)氧樹(shù)脂固體絕緣沿面放電的新型特征氣體CS2[12,13]能靈敏地反映涉及固體絕緣的放電,且SF6新氣中一般不會(huì)摻雜CS2,但還未見(jiàn)放電強(qiáng)度與CS2的變化規(guī)律之間的關(guān)系及氣體注意值等方面的報(bào)道。
CS2作為GIS盆式絕緣子放電特征氣體的提出為實(shí)驗(yàn)研究提供了檢測(cè)依據(jù),本文將CS2作為特征氣體重點(diǎn)檢測(cè)。根據(jù)國(guó)內(nèi)外對(duì)GIS內(nèi)涉及環(huán)氧樹(shù)脂固體絕緣沿面放電的研究思路[14,15],在SF6氛圍中搭建表面附著銅粉的缺陷模型,檢測(cè)兩種放電強(qiáng)度下的放電量以及CS2、SOF2、SO2F2、SO2、HF和COS等特征氣體的含量,建立了特征氣體的增長(zhǎng)規(guī)律與環(huán)氧樹(shù)脂固體絕緣沿面放電的嚴(yán)重程度之間的關(guān)聯(lián),實(shí)驗(yàn)結(jié)果可為實(shí)際運(yùn)行檢測(cè)提供參考。
1.1 實(shí)驗(yàn)電路
實(shí)驗(yàn)電路如圖1所示,CX為表面附著銅粉的缺陷模型,銅粉畸變了模型的表面電場(chǎng),從而在模型表面發(fā)生沿面放電。本文采用IEC 60270和GB/T 7354推薦的檢測(cè)方法[16,17]——脈沖電流法檢測(cè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的實(shí)時(shí)放電量。圖1中C0為耦合電容器,額定電壓150 kV,電容值500 pF,Zm為TWPD-2B PD綜合分析儀自帶的耦合裝置。保護(hù)電阻采用水電阻,阻值為1 MΩ,實(shí)驗(yàn)變壓器高壓側(cè)額定電壓150 kV,低壓側(cè)額定電壓380 V,額定容量30 kV·A。PD綜合分析儀的最大采樣頻率20 MHz,檢測(cè)頻率20~400 kHz,量程內(nèi)非線性誤差5%,檢測(cè)范圍0.1 pC~10 μC。
圖1 實(shí)驗(yàn)電路圖1—自耦變壓器;2—隔離變壓器;3—無(wú)暈試驗(yàn)變壓器;4—保護(hù)電阻Fig.1 Test Circuit
1.2 缺陷模型
缺陷模型如圖2所示,在底面直徑25 mm、高35 mm的環(huán)氧樹(shù)脂絕緣棒表面均勻涂上環(huán)氧樹(shù)脂并灑上銅粉,同時(shí)在絕緣棒上下表面均勻涂上適量環(huán)氧樹(shù)脂,以使絕緣棒與電極之間接觸緊密。缺陷模型設(shè)置好后經(jīng)干燥處理,放入實(shí)驗(yàn)氣室。氣室容積70 L,內(nèi)壁涂有特氟龍涂料以防分解氣體與內(nèi)壁反應(yīng),其構(gòu)造如圖3所示。
圖2 環(huán)氧樹(shù)脂絕緣棒表面附著銅粉模型Fig.2 The defect model of copper attached to the solid epoxy resin
1.3 特征氣體的檢測(cè)方法
本文檢測(cè)的特征氣體包括SOF2、SO2、SO2F2、CS2、COS和HF等,其中COS氣體首次在實(shí)驗(yàn)中被檢測(cè)到。用日本GASTEC公司生產(chǎn)的NO.17 HF快速檢測(cè)管檢測(cè)HF,檢測(cè)管由一支內(nèi)裝顯色指示劑及外壁印有濃度刻度的玻璃管組成。當(dāng)被測(cè)氣體通過(guò)管內(nèi)指示劑時(shí)發(fā)生顯色化學(xué)反應(yīng),可通過(guò)變色線直接讀出氣體的濃度。檢測(cè)管的檢測(cè)范圍為0.25~100 μL/L。除HF以外的氣體均用島津GC-MS 2010plus氣質(zhì)聯(lián)用儀檢測(cè)。
圖3 SF6實(shí)驗(yàn)氣室的構(gòu)造Fig.3 The structure of SF6 test chamber
1.4 標(biāo)準(zhǔn)氣體的配置
氣質(zhì)聯(lián)用儀采用峰面積外標(biāo)法計(jì)算分解氣體的含量,計(jì)算公式為
式中:CS為標(biāo)準(zhǔn)氣體的濃度;AS為標(biāo)準(zhǔn)氣體對(duì)應(yīng)的峰面積數(shù)值;AX為待測(cè)氣體的峰面積數(shù)值;K為校正因子(correction factor)。以氦氣(He)作為背景氣體來(lái)配置標(biāo)氣,計(jì)算出校正因子,如表1所示。
表1 標(biāo)準(zhǔn)氣體的配置
1.5 局放儀的校準(zhǔn)結(jié)果
局放校準(zhǔn)儀可產(chǎn)生特定放電量和放電頻率的脈沖,50 pC/500 Hz的放電脈沖校準(zhǔn)波形如圖4所示,從圖中可看出清晰的放電脈沖。在實(shí)驗(yàn)時(shí),局放儀可根據(jù)校準(zhǔn)結(jié)果自動(dòng)計(jì)算出放電量。實(shí)驗(yàn)室背景放電量為22 pC。
圖4 局放儀校準(zhǔn)波形(50 pC/500 Hz)Fig.4 PD Analyzer calibration waveform (50 pC/500 Hz)
2.1 實(shí)驗(yàn)步驟
實(shí)驗(yàn)分兩組,第1組持續(xù)加壓24 h,控制電壓為20 kV,使放電強(qiáng)度相對(duì)較弱,絕緣棒不發(fā)生閃絡(luò)。第2組實(shí)驗(yàn)在第1組的基礎(chǔ)上更換SF6新氣,提高實(shí)驗(yàn)電壓至30 kV,使放電強(qiáng)度相對(duì)較強(qiáng),加壓12 h后絕緣棒仍未閃絡(luò),繼續(xù)升高電壓至50 kV,維持不變,加壓至第17 h時(shí)絕緣棒發(fā)生閃絡(luò),結(jié)束實(shí)驗(yàn)。GIS內(nèi)通常充以0.3~0.5 MPa的SF6作為絕緣介質(zhì),若提高壓強(qiáng),需要充入更多的SF6,為節(jié)省實(shí)驗(yàn)成本,模擬實(shí)驗(yàn)采用的充氣壓強(qiáng)為0.3 MPa。實(shí)驗(yàn)取氣量很小,可保證SF6氣體壓強(qiáng)基本不變。根據(jù)SF6電氣設(shè)備實(shí)驗(yàn)安全防護(hù)細(xì)則的要求[18],實(shí)驗(yàn)按以下步驟進(jìn)行:
1)把設(shè)置好銅粉的缺陷模型經(jīng)干燥處理后放入實(shí)驗(yàn)氣室,密封氣室,用真空泵將氣室抽真空至0.02 Pa并保持10 min,用SF6新氣沖洗實(shí)驗(yàn)氣室3次,充入SF6新氣至表壓為0.3 MPa,靜置1 h。
2)檢測(cè)新氣中的水分含量和雜質(zhì)氣體含量,檢查實(shí)驗(yàn)電路無(wú)誤后,對(duì)局放綜合分析儀進(jìn)行校準(zhǔn)。
3)緩慢升高電壓直至絕緣棒發(fā)生放電,為加速實(shí)驗(yàn)進(jìn)程,在達(dá)到起始放電電壓(17.8 kV)后繼續(xù)升高電壓,然后維持電壓不變;第1組實(shí)驗(yàn)中,維持電壓在20 kV;第2組實(shí)驗(yàn)中,緩慢升高電壓至30 kV并維持電壓不變,12 h后發(fā)現(xiàn)絕緣棒仍未閃絡(luò),繼續(xù)緩慢升高電壓至50 kV并維持電壓不變,直至閃絡(luò)。
4)定期在線檢測(cè)分解氣體,同時(shí)用局放儀記錄實(shí)時(shí)放電量。
2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
兩組實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的特征氣體的含量如表2和表3所示。由于氣室內(nèi)外存在水分濃度差,外部水分不可避免會(huì)滲透到內(nèi)部,更換SF6新氣時(shí),氣室內(nèi)的濕度也會(huì)發(fā)生變化,因而無(wú)法保證兩組實(shí)驗(yàn)的水分含量完全一樣。但兩組實(shí)驗(yàn)的水分含量均小于GIS設(shè)備無(wú)電弧分解物時(shí)的水分含量運(yùn)行允許值(≤500 μL/L),可忽略水分差異對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響。由表2和表3可看出,兩組實(shí)驗(yàn)檢測(cè)到的特征氣體的種類不完全相同,但在兩組實(shí)驗(yàn)中均可檢測(cè)到SOF2、CS2和SO23種氣體。特征氣體的變化趨勢(shì)如圖5~圖7所示。SOF2和其余幾種氣體的含量差別較大,為直觀表示,將SOF2含量的變化情況單獨(dú)制圖(圖7)。第2組實(shí)驗(yàn)中檢測(cè)到羰基硫氣體(COS),通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)氣體對(duì)其定量,但第2組實(shí)驗(yàn)中未檢測(cè)到SO2F2。兩組實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,取出絕緣棒,發(fā)現(xiàn)其表面被嚴(yán)重電蝕,可看到明顯的閃絡(luò)痕跡。在第2組實(shí)驗(yàn)中,第14 h時(shí)才檢測(cè)到HF,含量為7.5 μL/L,第17 h閃絡(luò)后含量增加到20 μL/L。兩組實(shí)驗(yàn)中的放電量變化情況如圖8所示。
表2 模型不發(fā)生閃絡(luò)時(shí)特征氣體的含量
注:此組實(shí)驗(yàn)中氣室內(nèi)水分含量為341.7 μL/L
表3 模型發(fā)生閃絡(luò)時(shí)特征氣體的含量
注:此組實(shí)驗(yàn)中氣室內(nèi)水分含量為128.3 μL/L
圖5 不發(fā)生閃絡(luò)時(shí)特征氣體的含量Fig.5 Concentration of characteristic gases when flashover didn’t occur on the model
圖6 發(fā)生閃絡(luò)時(shí)特征氣體的含量Fig.6 Concentration of characteristic gases when flashover occurred on the model
圖7 兩組實(shí)驗(yàn)中SOF2的含量Fig.7 Concentration of SOF2 during the two tests
圖8 兩組實(shí)驗(yàn)中放電量的變化情況Fig.8 Discharge capacity during the two tests
3.1 放電量的變化特性
當(dāng)電壓較低時(shí),放電量變化幅度較??;當(dāng)電壓較高時(shí),放電量迅速增加,最終導(dǎo)致絕緣棒閃絡(luò)。第1組實(shí)驗(yàn)中,放電量始終在0~450 pC范圍內(nèi)變化,在10~16 h時(shí)放電量甚至接近0,說(shuō)明此時(shí)放電已趨于平緩。但由于實(shí)驗(yàn)氣室內(nèi)的放電條件極不穩(wěn)定,導(dǎo)致只要電壓發(fā)生微小變化就能重新產(chǎn)生放電。圖中偶爾可見(jiàn)放電量突增的現(xiàn)象,這是電荷累積到一定程度時(shí)產(chǎn)生的放電脈沖所致。整個(gè)過(guò)程中的平均放電量為74 pC。第2組實(shí)驗(yàn)中,放電量大致在2~18 nC范圍內(nèi)變化,前12 h電壓大致保持在30 kV,放電量變化不明顯,12 h后電壓加到50 kV,放電量顯著增大并且持續(xù)增加,直至絕緣棒閃絡(luò),整個(gè)過(guò)程的平均放電量為5.08 nC。
3.2 特征氣體的增長(zhǎng)特性
GIS內(nèi)環(huán)氧樹(shù)脂固體絕緣沿面放電十分不穩(wěn)定,易出現(xiàn)間歇性放電,實(shí)驗(yàn)難以準(zhǔn)確控制放電強(qiáng)度。因此,本文只研究了兩種放電強(qiáng)度下的情況,由圖8可知,每組實(shí)驗(yàn)中的放電量會(huì)隨時(shí)間變化。
由圖5和圖6可知,SOF2、SO2和CS2在兩組實(shí)驗(yàn)中呈現(xiàn)出不同的增長(zhǎng)規(guī)律,在第1組實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)為“上凸型”增長(zhǎng),增長(zhǎng)速率越來(lái)越慢;在第2組實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)為“下凸型”增長(zhǎng),增長(zhǎng)速率越來(lái)越快。出現(xiàn)“上凸型”增長(zhǎng)的主要原因是:第1組實(shí)驗(yàn)的放電能量不致使絕緣子閃絡(luò),部分銅粉在放電時(shí)被清除掉,或在電場(chǎng)力的作用下脫離絕緣棒表面。隨著銅粉不斷被消耗,電場(chǎng)分布變得相對(duì)均勻,放電強(qiáng)度逐漸減弱,此時(shí)缺陷絕緣棒呈現(xiàn)“自愈”特性。當(dāng)電壓超過(guò)絕緣棒的閃絡(luò)電壓(或缺陷程度超過(guò)運(yùn)行電壓下的最大缺陷程度)時(shí),放電強(qiáng)度逐漸增大,直至絕緣棒閃絡(luò),特征氣體的含量會(huì)迅速增加,呈現(xiàn)“下凸型”增長(zhǎng),此時(shí)缺陷絕緣棒呈現(xiàn)出不可自恢復(fù)特性且其絕緣性能迅速降低。在實(shí)際運(yùn)行中,發(fā)現(xiàn)特征氣體出現(xiàn)這種類型的增長(zhǎng)時(shí)應(yīng)特別注意。
對(duì)比實(shí)驗(yàn)過(guò)程中各特征氣體的含量和增長(zhǎng)速率(增長(zhǎng)曲線切線的斜率),可發(fā)現(xiàn)在相同條件下不同特征氣體的含量和增長(zhǎng)速率存在差異,說(shuō)明不同特征氣體對(duì)局部放電的“敏感程度”不同。如果定義含量或增長(zhǎng)速率大的特征氣體對(duì)放電更敏感,上述特征氣體對(duì)放電的敏感程度由高到低依次為:SOF2>SO2>SO2F2(低放電量情況下)>CS2>COS(高放電量情況下)。
3.3 特征氣體與放電之間的關(guān)系
在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),環(huán)氧樹(shù)脂固體絕緣放電有特殊性,即放電量波動(dòng)大、易出現(xiàn)間歇放電,但特征氣體的增長(zhǎng)趨勢(shì)較穩(wěn)定。圖9給出了強(qiáng)弱放電強(qiáng)度兩組實(shí)驗(yàn)下,氣體含量比值和放電量比值之間的關(guān)系。兩組實(shí)驗(yàn)中的放電量、特征氣體的含量之間差異太大,采用比值可以直觀了解。圖9中比值的意義在于,若設(shè)較弱放電時(shí)的情況為1,則比值的大小反映了較強(qiáng)放電時(shí)的情況。由此可直觀比較放電量與特征氣體含量之間的關(guān)系。放電量比值的變化反映了相對(duì)放電強(qiáng)度的變化,此時(shí)觀察氣體含量比值的變化情況,可得到特征氣體與放電之間的關(guān)系。由圖9知,特征氣體的含量比值與放電量比值的變化情況并不一致,氣體含量比值的變化相對(duì)穩(wěn)定,而放電量比值具有較大的波動(dòng)性,但兩者的總體變化趨勢(shì)大致相同。盡管14 h后放電量比值下降較多,但仍比10 h之前的大。這是因?yàn)樘卣鳉怏w的含量變化具有“累積效應(yīng)”,氣體含量不會(huì)因?yàn)榉烹娡蛔兌蛔儯蚨鴼怏w含量比值隨時(shí)間變化相對(duì)穩(wěn)定;本文所研究的模型中,放電具有很大的隨機(jī)性,導(dǎo)致放電量比值局部波動(dòng)較大。
圖9 氣體含量比值和放電量比值之間的關(guān)系Fig.9 Relationship between the ratio of concentration of gases and that of the discharge
3.4 不同特征氣體之間的比值特性
變壓器油色譜分析中常使用特征氣體之間的比值作為特征量來(lái)研究放電類型和嚴(yán)重程度,文獻(xiàn)[19]也采用比值作為特征量,并引入聚類分析證明了比值法比單純用特征氣體的含量作為特征量的效果更好。特征氣體的產(chǎn)生不是孤立的,某種特征氣體的產(chǎn)生和其他特征氣體之間存在內(nèi)在關(guān)聯(lián)。因此,本文根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)研究了SO2、SOF2、SO2F2以及COS等特征氣體與CS2含量之間的關(guān)聯(lián)程度和比值特性。用皮爾遜相關(guān)系數(shù)來(lái)衡量其他特征氣體的含量與CS2的含量之間的關(guān)聯(lián)程度。序列對(duì)(Xi,Yi)(其中i=1,2,…,N)間的相關(guān)系數(shù)為
表4 CS2與其他特征氣體間的相關(guān)檢驗(yàn)
由相關(guān)檢驗(yàn)結(jié)果可知,當(dāng)放電涉及固體絕緣時(shí),CS2的含量與其他幾種特征氣體的含量之間均顯著相關(guān),這說(shuō)明當(dāng)產(chǎn)生CS2時(shí),同時(shí)產(chǎn)生其他幾種特征氣體。可以從物理角度解釋這種相關(guān)性:沿面放電的放電區(qū)域會(huì)與SF6氣體接觸,因此會(huì)產(chǎn)生SOF2、SO2等其他幾種特征氣體;CS2的含量增長(zhǎng)時(shí),說(shuō)明沿面放電過(guò)程在持續(xù),其他幾種特征氣體會(huì)在與SF6氣體接觸的放電區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生。
特征氣體含量的增加是電效應(yīng)與熱效應(yīng)共同作用的結(jié)果。當(dāng)氣室內(nèi)持續(xù)放電和發(fā)熱時(shí),特征氣體的含量將持續(xù)增加;隨著放電缺陷的減小或消失,氣體增長(zhǎng)速率會(huì)逐漸減小直至為0,此時(shí)有可能產(chǎn)生誤判。為了消除“累積效應(yīng)”的影響,更準(zhǔn)確地反映放電的發(fā)展趨勢(shì),引入其他特征氣體與CS2含量的比值,如將SOF2與CS2含量的比值記為r(SOF2/CS2)。相關(guān)檢驗(yàn)的結(jié)果也是引入比值的理論基礎(chǔ),在環(huán)氧樹(shù)脂固體絕緣放電時(shí),其他特征氣體與CS2含量之間具有顯著相關(guān)性,故選擇比值來(lái)反映這種相關(guān)性。兩組實(shí)驗(yàn)中,其他特征氣體與CS2含量之間的比值隨時(shí)間的變化趨勢(shì)如圖10所示。
圖10 兩組實(shí)驗(yàn)的特征氣體與CS2的比值特性圖Fig.10 The characteristics of ratio between other characteristic gases and CS2
從圖10a可看出,在第1組實(shí)驗(yàn)中,r(SOF2/CS2)在20~40變化,且大致呈現(xiàn)遞減趨勢(shì),這主要是因?yàn)殡妷狠^低,隨著銅粉在放電中被消耗,放電越來(lái)越弱,導(dǎo)致SOF2的增長(zhǎng)速率越來(lái)越??;r(SO2/CS2)和r(SO2F2/CS2)在0~5變化,前者大致呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)而后者大致呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)。在10~12 h的某一時(shí)刻,r(SO2/CS2)=r(SO2F2/CS2),此后r(SO2/CS2)>r(SO2F2/CS2),這是因?yàn)殡S著放電過(guò)程的發(fā)展,SOF2會(huì)部分水解生成SO2,當(dāng)SOF2的含量增大時(shí)會(huì)加速水解過(guò)程。
從圖10b可看出,r(SOF2/CS2)始終在10~35范圍內(nèi)變化,前14 h維持在10左右,14 h后迅速增大。這是因?yàn)榍?4 h放電相對(duì)穩(wěn)定,SOF2和CS2等氣體的生成較穩(wěn)定,14 h后SOF2的含量迅速增大,CS2的含量增加相對(duì)較慢,導(dǎo)致r(SOF2/CS2)值增大。第2組實(shí)驗(yàn)中基本未檢測(cè)到SO2F2,但檢測(cè)到另一種含C的氣體羰基硫(COS),說(shuō)明當(dāng)放電涉及固體絕緣時(shí),會(huì)產(chǎn)生COS氣體,但COS與CS2相比需要更高的能量才能產(chǎn)生。結(jié)合圖8和圖9可知,在前14 h內(nèi),第2組實(shí)驗(yàn)的放電量約為第1組實(shí)驗(yàn)的50~350倍。在同一組實(shí)驗(yàn)中,不同特征氣體的含量增長(zhǎng)趨勢(shì)類似,因此特征氣體之間的含量比值相對(duì)穩(wěn)定。但在不同組實(shí)驗(yàn)中,放電強(qiáng)度不同,相應(yīng)比值之間差異較大。對(duì)比兩組實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)r(SOF2/CS2)在兩組實(shí)驗(yàn)中存在較大差異,當(dāng)放電較弱時(shí),r(SOF2/CS2)值較大,約為30;當(dāng)放電較強(qiáng)時(shí),r(SOF2/CS2)值較小,約為10,但在固體絕緣崩潰時(shí),SOF2和CS2的含量會(huì)顯著增大,其比值也會(huì)顯著增大。
上述差異不難解釋,r(SOF2/CS2)值具有明確的物理意義,比值反映的是不涉及固體絕緣的放電強(qiáng)度與涉及固體絕緣的放電強(qiáng)度之間的強(qiáng)弱關(guān)系。當(dāng)放電較弱時(shí),盡管SOF2和CS2的含量均低于放電較強(qiáng)時(shí),但此時(shí)涉及固體絕緣的放電所占比例較低,因此CS2的產(chǎn)量很少,r(SOF2/CS2)的值比放電較強(qiáng)時(shí)還要高。文獻(xiàn)[20]對(duì)運(yùn)行中的SF6電氣設(shè)備內(nèi)的分解氣體含量做了統(tǒng)計(jì)分析,發(fā)現(xiàn)SO2體積分?jǐn)?shù)的注意值為3 μL/L。結(jié)合實(shí)驗(yàn)中SO2與CS2之間的比值關(guān)系,可保守預(yù)測(cè)CS2體積分?jǐn)?shù)的注意值約為5 μL/L。
根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果,可得出以下結(jié)論:
1)當(dāng)放電涉及環(huán)氧樹(shù)脂絕緣材料時(shí),會(huì)產(chǎn)生CS2、SOF2、SO2F2、SO2和HF等特征氣體;放電能量較高時(shí),還會(huì)產(chǎn)生COS氣體。不同特征氣體對(duì)放電的敏感程度按由高到低排序?yàn)椋篠OF2>SO2>SO2F2(較低放電量)>CS2>COS(較高放電量)。
2)當(dāng)環(huán)氧樹(shù)脂絕緣表面附著銅粉時(shí),CS2、SOF2、SO2等特征氣體在不同放電強(qiáng)度下呈現(xiàn)不同的增長(zhǎng)規(guī)律:放電強(qiáng)度較小時(shí)會(huì)出現(xiàn)“上凸型”增長(zhǎng),氣體增長(zhǎng)速率越來(lái)越小直至為零;放電嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)“下凸型”增長(zhǎng),氣體增長(zhǎng)速率越來(lái)越大直至絕緣閃絡(luò);環(huán)氧樹(shù)脂固體絕緣放電有特殊性,即放電量波動(dòng)大、易出現(xiàn)間歇放電,但是特征氣體的增長(zhǎng)趨勢(shì)較穩(wěn)定。
3)在相同數(shù)量級(jí)的放電量下,r(SOF2/CS2)值相對(duì)穩(wěn)定;放電強(qiáng)度不同,相應(yīng)r(SOF2/CS2)值之間差異較大。放電量有數(shù)量級(jí)的升高時(shí),r(SOF2/CS2)值總體上呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。可以根據(jù)特征氣體之間的含量比值大小,用一種氣體的注意值來(lái)預(yù)測(cè)另一種氣體的注意值。
4)當(dāng)放電嚴(yán)重時(shí),HF氣體的產(chǎn)生速率大于其反應(yīng)速率,因此可以在實(shí)驗(yàn)中被檢測(cè)到。由于HF氣體具有強(qiáng)腐蝕性,會(huì)腐蝕設(shè)備外殼和絕緣子,因此,當(dāng)診斷出GIS設(shè)備內(nèi)部發(fā)生局部放電時(shí),同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)視設(shè)備中HF氣體的含量。
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Analog Experiment on the Relationship Between the Intensity of Epoxy Solid Insulation Surface Discharge and the Increasing Law of Characteristic Gases in GIS
ZhengXiaoguang1ZhengYu2TangNian1LiLi1ZhouWenjun2
(1.Guangdong Power Grid Co. Ltd. Electric Power Research Institute Guangzhou 510080 China 2.School of Electrical Engineering Wuhan University Wuhan 430072 China)
In order to establish the relationship between the intensity of solid epoxy insulation surface discharge in SF6equipment and the increasing law of characteristic gases,corresponding defect model with copper attached to the surface is set up in this paper.It is found in the experiment that different gases present different growth characteristics,even the same gas takes on different growth characteristics under different discharge strength.The ratio between the concentration of different gases and CS2is studied,which presents totally different characteristics withdifferent levels of discharge.The species,concentration and trends over time of characteristic gases under tow levels of discharge are compared.The gases include SOF2,SO2,CS2etc.,which are generated under two different discharge intensities.By studying the relationship between the gases and the discharge strength,and the inherent relationship between the gases,the state of internal solid insulation can be diagnosed using characteristic gas analysis.
GIS,solid insulation,characteristic gases,creeping discharge,CS2
2014-11-26 改稿日期2015-03-29
TM855
鄭曉光 男,1966年生,碩士,高級(jí)工程師,研究方向?yàn)楦唠妷杭夹g(shù)。
鄭 宇 男,1992年生,碩士研究生,研究方向?yàn)镾F6電氣設(shè)備絕緣在線監(jiān)測(cè)與故障診斷。