于東洋， 孫 巍， 劉 洋

(國網(wǎng)黑龍江省電力有限公司科學(xué)研究院，哈爾濱 150030)

●輸變電及特高壓●

126kV GIS 裝置的SF6氣體分解產(chǎn)物試驗(yàn)平臺(tái)的搭建

于東洋， 孫 巍， 劉 洋

(國網(wǎng)黑龍江省電力有限公司科學(xué)研究院，哈爾濱 150030)

為了解決SF6氣體絕緣設(shè)備故障識(shí)別和狀態(tài)評(píng)價(jià)問題，闡述了局放下的SF6氣體分解機(jī)理，建立了126 kV GIS裝置的SF6氣體分解產(chǎn)物試驗(yàn)平臺(tái)，提出了SF6氣體分解物檢測方法，在GIS模擬試驗(yàn)裝置內(nèi)進(jìn)行了局部放電試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，SF6氣體分解物檢測方法能夠準(zhǔn)確檢測、分析絕緣電氣設(shè)備中SF6氣體分解產(chǎn)物的種類和含量變化情況，解決了SF6氣體絕緣設(shè)備故障診斷不準(zhǔn)確、狀態(tài)評(píng)價(jià)缺乏試驗(yàn)依據(jù)等問題，為運(yùn)行設(shè)備突發(fā)故障提供了快速有效的故障定位方法。

GIS裝置；SF6氣體；分解產(chǎn)物；試驗(yàn)平臺(tái)；局部放電

目前，中國110kV及以上電壓等級(jí)的開關(guān)設(shè)備主要采用SF6氣體絕緣設(shè)備，隨著電網(wǎng)規(guī)模發(fā)展，其需求量呈逐年遞增趨勢。SF6氣體具有優(yōu)良的絕緣和滅弧性能，廣泛應(yīng)用于氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備(GIS)、SF6斷路器、互感器等電氣設(shè)備中。從20世紀(jì)70年代起，國內(nèi)外開始關(guān)注絕緣性質(zhì)優(yōu)異的SF6氣體，對(duì)SF6氣體分解機(jī)理、SF6氣體分解產(chǎn)物等方面進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[1-4]研究了電弧作用下SF6氣體組分，提出通過檢測管可實(shí)現(xiàn)對(duì)電氣設(shè)備內(nèi)的氣體組分進(jìn)行現(xiàn)場檢測；文獻(xiàn)[5-7]開展了對(duì)GIS設(shè)備氣體組分及其影響因素，建立了GIS實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)局部放電情況下SF6氣體組分進(jìn)行了研究，并設(shè)計(jì)了尖刺放電和接觸不良放電試驗(yàn)。目前，對(duì)SF6氣體分解產(chǎn)物的檢測方法主要有光譜吸收法、氣相色譜法、檢測管法、電化學(xué)傳感器法等，各種檢測方法和檢測儀器分別針對(duì)不同的氣體分解產(chǎn)物，其檢測原理、精度、量程、使用條件等各不相同，檢測結(jié)果存在很大差異，無法比對(duì)，嚴(yán)重影響SF6氣體分解產(chǎn)物檢測工作的開展。本文建立了126kV GIS裝置的SF6氣體分解產(chǎn)物試驗(yàn)平臺(tái)，并詳細(xì)闡述了SF6氣體分解物檢測方法及在GIS模擬試驗(yàn)裝置內(nèi)進(jìn)行局部放電試驗(yàn)的試驗(yàn)過程。通過準(zhǔn)確檢測、分析絕緣電氣設(shè)備中SF6氣體分解產(chǎn)物的種類和含量變化情況，有效地解決了SF6氣體絕緣設(shè)備故障診斷不準(zhǔn)確、狀態(tài)評(píng)價(jià)缺乏試驗(yàn)依據(jù)等問題，加快了氣體絕緣設(shè)備狀態(tài)檢修進(jìn)程，避免了設(shè)備故障和安全事故，保障了電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 局放下的SF6氣體分解機(jī)理

斷路器發(fā)生局部放電時(shí)，在非平衡條件下電子溫度比氣體溫度高得多，因此局部放電是弱電離氣體的電子主導(dǎo)過程。由于起暈的限制作用，放電內(nèi)部電子的能量很高，SF6局部放電的電子平均能量為5～10eV，超過了SF5-F的鍵能。SF4和其它硫的低氟化物的負(fù)離子形成可產(chǎn)生各種分解產(chǎn)物。

電子的碰撞分離過程會(huì)引起以下反應(yīng)：

e+SF6→SFx+(6-x)F,x<5

(1)

e+SFx→SFx-1+F

(2)

SF6氣體多次分解可能產(chǎn)生其它低硫氟化物，如SF4、SF3和SF2。當(dāng)氣體中或容器表面無雜質(zhì)時(shí)，SF6氣體的分解產(chǎn)物會(huì)快速復(fù)合，即SF4+F2轉(zhuǎn)換為SF6的過程。在氧氣和水分作用下，復(fù)合過程中低硫氟化物與雜質(zhì)反應(yīng)產(chǎn)生硫氟氧化物、HF和金屬氟化物。部分反應(yīng)式為

SF5+OH→SOF4+HF

(3)

SF4+O→SOF2+2F

(4)

SF2+O→SOF2

(5)

SF2+O2→SO2F2

(6)

在電暈放電區(qū)域外，長期存活低硫氟化物間的緩慢反應(yīng)，如SF4和穩(wěn)定的氟氧化物與雜質(zhì)的反應(yīng)進(jìn)一步生成其它類型的化合物，如SO2、SO2F2、SOF2，這些化合物含量取決于母體化合物的含量和各種反應(yīng)的速率常數(shù)，SF4與H2O在溫度350K下的反應(yīng)速率為1.0～2.6×10-19mol/s。

由于局部放電是一個(gè)持續(xù)過程，產(chǎn)生的SF6氣體分解產(chǎn)物也是一個(gè)持續(xù)的累積過程，持續(xù)的局部放電或電暈放電使SF6逐步分解，導(dǎo)致斷路器內(nèi)的分解產(chǎn)物含量累積，從而達(dá)到較大的含量。局部放電下SF6氣體的初級(jí)分解產(chǎn)物為SF4，初級(jí)分解產(chǎn)物與O2與H2O反應(yīng)的產(chǎn)物為HF、F-、SOF2、SO2F2、SO2，初級(jí)分解產(chǎn)物與材料或材料分解產(chǎn)物反應(yīng)的產(chǎn)物為CF4、C2F6、C3F8。 因此，在局部放電下，產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)SF6氣體分解產(chǎn)物主要有SOF2、SOF4、SO2F2、SO2、HF和碳化物等。

2 SF6氣體分解產(chǎn)物試驗(yàn)平臺(tái)的搭建

2.1 試驗(yàn)平臺(tái)

126 kV GIS模擬試驗(yàn)裝置如圖1、圖2所示。126 kV GIS模擬試驗(yàn)裝置有1個(gè)氣室，包括套電纜接頭等，該裝置可設(shè)置多種放電形式，用于SF6氣體分解物特征組分產(chǎn)生規(guī)律、局部放電的相關(guān)性及影響因素的研究。

圖1 126kV GIS放電裝置結(jié)構(gòu)圖(單位：mm)

圖2 126kV GIS放電裝置實(shí)物圖

2.2 試驗(yàn)回路

為達(dá)到模擬運(yùn)行現(xiàn)場放電性缺陷的真實(shí)效果，本文設(shè)計(jì)制造了一套50Hz、126kV可直接升壓的無暈高壓試驗(yàn)電源， 輸出電壓為諧波分量較小的工頻電壓。試驗(yàn)系統(tǒng)自身局放量小，各個(gè)單元之間均設(shè)置隔離變壓器，具有較好的抗干擾性能，試驗(yàn)電源與電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行工況較接近，確保了局放試驗(yàn)的實(shí)用性。

圖3 局部放電試驗(yàn)回路線路圖

在試驗(yàn)中，本文采用基于脈沖電流法局部放電測量系統(tǒng)同步檢測126kVGIS試驗(yàn)平臺(tái)產(chǎn)生的局放量，設(shè)計(jì)了無局放限流電阻，確保試驗(yàn)系統(tǒng)背景噪聲小于5 PC。采用XD2102E數(shù)字式局部放電檢測儀測量局放量，試驗(yàn)回路如圖3、圖4所示。

圖4 局部放電試驗(yàn)回路實(shí)物圖

2.3 間隙布置

根據(jù)空氣和SF6氣體間的間隙預(yù)放電試驗(yàn)，本文在GIS模擬裝置中設(shè)置了棒板放電間隙，材質(zhì)均為銅，板電極半徑R=21.5mm，棒狀電極半徑R=6mm，如圖5所示。在間隙放電時(shí)，通過調(diào)節(jié)電壓控制局放量，使局放量能達(dá)到預(yù)期值，電暈保持時(shí)間長，放電可控性得到改善。隙距離為5.0mm，試驗(yàn)產(chǎn)生的局放量控制在2000 pC范圍之內(nèi)。

圖5 電極示意圖(單位：mm)

3 SF6氣體分解物檢測方法

3.1 電化學(xué)傳感器方法

電化學(xué)氣體傳感器是一種化學(xué)傳感器，按照工作原理可分為恒電位電解式電化學(xué)傳感器、伽伐尼電池式氣體傳感器、離子電極式氣體傳感器、電量式氣體傳感器等多種類型，不同類型的傳感器針對(duì)不同的氣體組分進(jìn)行檢測，本文研究的SF6氣體分解物組分檢測主要采用恒電位電解式電化學(xué)傳感器。

恒電位電解式電化學(xué)傳感器技術(shù)是利用被測氣體在高溫催化劑作用下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而改變傳感器輸出電信號(hào)的原理，確定被測氣體成分及其含量。該傳感器由傳感電極(工作電極)和反電極組成，并由一個(gè)薄電解層隔開。氣體先通過微小的毛管型開孔與傳感器發(fā)生反應(yīng)，經(jīng)過憎水屏障，到達(dá)傳感電極表面。此方法允許適量氣體與傳感電極發(fā)生反應(yīng)，以產(chǎn)生足夠的電信號(hào)輸出，同時(shí)防止電解質(zhì)漏出傳感器。傳感電極采用氧化或還原機(jī)理，針對(duì)被測氣體而設(shè)計(jì)的電極材料可催化氣體與電極反應(yīng)。在連接兩電極間的電阻上流過與被測氣體濃度成正比的電流，測量該電流或相應(yīng)的電壓信號(hào)即可確定氣體含量。對(duì)特定氣體來說，設(shè)定電位由其固有的氧化還原電位決定，但又隨電解時(shí)作用電極的材質(zhì)、電解質(zhì)的種類不同而變化。電解電流和氣體濃度之間的關(guān)系式為

I=(nFADC)/δ

(7)

式中：I為電解電流；n為每1mol氣體產(chǎn)生的電子數(shù)；F為法拉第常數(shù)；A為氣體擴(kuò)散面積；D為擴(kuò)散系數(shù)；C為電解質(zhì)溶液中電解的氣體濃度；δ為擴(kuò)散層的厚度。在同一傳感器中，n、F、A、D及δ是一定的，所以電解電流與氣體濃度成正比。

3.2 氣象色譜法

氣相色譜法是以惰性氣體(載氣)為流動(dòng)相，以固體吸附劑或涂漬有固定液的固體載體為固定相的柱色譜分離技術(shù)，配合熱導(dǎo)檢測器(TCD)、火焰光度檢測器(FPD)、電子捕獲檢測器(ECD)和氫火焰離子化檢測器(FID)等，可對(duì)氣體樣品中的硫化物、含鹵素化合物和電負(fù)性化合物等物質(zhì)靈敏響應(yīng)，其檢測精度較高，主要用于實(shí)驗(yàn)室測試分析。

采用氣相色譜法分析氣體絕緣設(shè)備中的SF6氣體分解產(chǎn)物，由于硫化物與SF6氣體的保留時(shí)間接近，可能被SF6的色譜峰湮沒，使色譜儀的檢測精度降低。通過合理配置檢測器、設(shè)計(jì)氣體進(jìn)樣系統(tǒng)等可有效改善檢測效果。近年來研制的脈沖火焰光度檢測器(PFPD)和氦離子化檢測器(PDD)等新型檢測器對(duì)硫化物的響應(yīng)靈敏度較高，檢測精度達(dá)到ng/g(ppb)級(jí)。同時(shí)，對(duì)氣體管路、閥和接頭等色譜儀配件進(jìn)行鈍化處理，以消除硫化物在氣路中的吸附，檢測氣體絕緣設(shè)備中SF6氣體的痕量組分，可對(duì)CO、CO2、CF4、H2S、SO2F2、SOF2、SO2和SOF10等組分進(jìn)行定性和定量。

氣相色譜儀的檢測器為并聯(lián)的TCD、FPD檢測器，色譜柱為GsBP-GASPRO，氣路流程如圖6所示。

色譜儀設(shè)置及其參數(shù)如下：

GC柱流為3 mL/min；進(jìn)樣口溫度為100℃；檢測器溫度為TCD(250℃)，F(xiàn)PD(280℃)；分流進(jìn)樣方式為分流比9；進(jìn)樣量為250 μL；程序升溫為30℃保持6 min，升溫速率15℃/min升至220℃，保持2min。

4 局部放電試驗(yàn)過程

在GIS模擬試驗(yàn)裝置內(nèi)進(jìn)行局部放電試驗(yàn)，使水分和空氣含量符合運(yùn)行規(guī)程要求。本文應(yīng)用氣相色譜和電化學(xué)傳感器方法檢測試驗(yàn)后產(chǎn)生的SF6氣體分解產(chǎn)物組分及含量，從而為檢測試驗(yàn)產(chǎn)生的SF6氣體分解產(chǎn)物含量變化趨勢奠定基礎(chǔ)。

4.1 電氣試驗(yàn)方法

在局部放電試驗(yàn)之前，設(shè)置研究需要的缺陷模式，選取試驗(yàn)的SF6壓力，試驗(yàn)前測量氣體中的空氣和水分含量，達(dá)到實(shí)際斷路器的運(yùn)行合格水平范圍內(nèi)。若達(dá)不到要求，則重新更換氣體，經(jīng)過24h平衡后重新測量，氣體壓力和水分都達(dá)到要求后，再進(jìn)行電氣試驗(yàn)。

圖6 氣相色譜流程示意圖

檢查高壓試驗(yàn)設(shè)備連接狀態(tài)，確認(rèn)接地是否可靠，對(duì)局部放電儀進(jìn)行校準(zhǔn)，各項(xiàng)條件均符合試驗(yàn)要求后，開始加壓進(jìn)行局部放電試驗(yàn)，主要試驗(yàn)步驟如下：

1)用人工控制方式進(jìn)行升壓，電壓由零電位起始，緩慢升高。

2)到達(dá)起始放電電壓時(shí)，暫停升壓，根據(jù)局放儀在線顯示數(shù)據(jù)，仔細(xì)調(diào)節(jié)電位，達(dá)到穩(wěn)定的局部放電量。

3)為確保試驗(yàn)產(chǎn)生穩(wěn)定的局部放電量，需隨時(shí)調(diào)節(jié)放電的電位值，連續(xù)記錄電位值和局部放電量。

4)記錄試驗(yàn)時(shí)間，在設(shè)定的局部放電量下保持放電時(shí)間1h。

5)降壓至零電位，用傳感器法檢測SF6分解物，同時(shí)氣體取樣至氣相色譜儀進(jìn)行氣體分析。

6)取樣結(jié)束后，按照1)～5)的升壓程序，繼續(xù)局部放電試驗(yàn)，每次試驗(yàn)需連續(xù)放電8h以上。

4.2 氣體試驗(yàn)方法

4.2.1 氣體分析方法

SF6分解產(chǎn)物檢測使用電化學(xué)傳感器檢測儀、氣相色譜(GC)分析方法和色質(zhì)(GC/MS)聯(lián)用分析方法進(jìn)行定性和定量，在升壓之前，要進(jìn)行基礎(chǔ)氣體測量。在試驗(yàn)過程中每間隔1h氣體取樣1次，檢測SF6分解物組分及其含量。

4.2.2 氣體取樣方法

氣體取樣有直接取樣、自動(dòng)取樣設(shè)備和鋼瓶取樣三種方式，前兩種方式的樣品氣體可直接輸入GC進(jìn)行檢測分析，另外采用涂氟鋼瓶同步取樣，保留樣品。當(dāng)SF6分解物檢測異常時(shí)，使用同步取樣的樣品進(jìn)行對(duì)比檢測，連續(xù)試驗(yàn)8h以上。

4.2.3 標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)

為分析試驗(yàn)產(chǎn)生的SF6氣體分解產(chǎn)物組分及含量，使用了下列標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，如表1所示。

5 結(jié) 語

本文建立了126kV GIS裝置的SF6氣體分解產(chǎn)物試驗(yàn)平臺(tái)，并詳細(xì)闡述了SF6氣體分解物檢測方法及在GIS模擬試驗(yàn)裝置內(nèi)進(jìn)行局部放電試驗(yàn)的試驗(yàn)過程。SF6氣體分解物檢測方法能夠檢測試驗(yàn)產(chǎn)生的SF6氣體分解產(chǎn)物含量變化趨勢，解決了SF6氣體絕緣設(shè)備故障診斷不準(zhǔn)確、狀態(tài)評(píng)價(jià)缺乏試驗(yàn)依據(jù)等問題，為設(shè)備的潛伏性故障或缺陷診斷、檢修、更換等提供了依據(jù)，避免了設(shè)備故障和安全事故，保障了電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。本文取得的研究成果為運(yùn)行設(shè)備突發(fā)故障提供了快速有效的故障定位方法，減少了系統(tǒng)停電時(shí)間，提高了檢修效率。

表1 標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)明細(xì)表

Table 1 List of certified reference materials

標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)含量/(μL·L-1)SO2F218SOF231S2OF1032C2F623C3F823SO2101H2S103CO100CO2100CF423AIR19

[1] Van Brunt R J．Production rates for oxy-fluorides SOF2, SO2F2and SOF4in SF6corona discharges[J]．Journal Research of the National Burean of Standards，1985，90(3)：229-253．

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[7] 劉有為，吳立遠(yuǎn)，弓艷朋．GIS 設(shè)備氣體分解物及其影響因素研究[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2009，33(5)：58-61. LIU Youwei, WU Liyuan, GONG Yanpeng. Study on SF6decomposition products of partial discharge and its influencing factors[J]. Power System Technology, 2009, 33(5): 58-61.

(編輯 侯世春)

Construction of test platform of SF6gas decomposition product for 126kV GIS device

YU Dongyang, SUN Wei, LIU Yang

(Electric Power Research Institute of State Grid Heilongjiang Electric Power Co., Ltd., Harbin 150030, China)

In order to solve the problem of SF6gas insulated equipment in fault identification and status evaluation, the SF6gas decomposition mechanism in partial discharge is expounded, test platform of SF6gas decomposition product for 126 kV GIS device is set up, method of detecting SF6gas decomposition is proposed and partial discharge test is taken in the GIS modeling experimental equipment. The test results show that the method of detecting SF6gas decomposition can accurately detect and analyze changes of species and quantity of SF6gas decomposition product in insulated electrical equipment solves the problems of which fault diagnosis is not accurate and state evaluation is lack of experimental basis for SF6gas insulated equipment, providing a rapid and effective method of fault location for emergency equipment failure when in operating.

GIS device; SF6gas; decomposition product; test platform; partial discharge

2017-01-16。

于東洋(1961—)，男，高級(jí)工程師，主要從事電力系統(tǒng)及自動(dòng)化方面的技術(shù)管理工作。

TM403.3

A

2095-6843(2017)02-0132-05