郭 偉，劉韌強(qiáng)，蔣成杰，朱元杰，邱 剛，周福好

(1.國(guó)網(wǎng)安徽省電力公司馬鞍山供電公司，安徽 馬鞍山 243000；2.國(guó)網(wǎng)安徽省電力公司淮北供電公司，安徽 淮北 235000)

SF6分解產(chǎn)物檢測(cè)在GIS故障診斷中的應(yīng)用

郭 偉1，劉韌強(qiáng)2，蔣成杰1，朱元杰1，邱 剛1，周福好1

(1.國(guó)網(wǎng)安徽省電力公司馬鞍山供電公司，安徽 馬鞍山 243000；2.國(guó)網(wǎng)安徽省電力公司淮北供電公司，安徽 淮北 235000)

介紹了一例110 kV GIS設(shè)備發(fā)生故障跳閘之后，檢測(cè)人員通過(guò)對(duì)SF6氣體分解產(chǎn)物中的SO2+SOF2，H2S，CO等成分含量的檢測(cè)，快速地查找到故障點(diǎn)所在的氣室位置。通過(guò)對(duì)SF6氣體分解產(chǎn)物形成機(jī)理的分析和研究，得出運(yùn)用SF6氣體分解產(chǎn)物成分檢測(cè)技術(shù)，不僅可以診斷設(shè)備故障的位置，也可以成為檢測(cè)設(shè)備狀態(tài)的一種有效手段，利用這一技術(shù)為設(shè)備的故障診斷和狀態(tài)檢修提供有力的科學(xué)支撐。

絕緣缺陷；母線故障；六氟化硫；分解產(chǎn)物；診斷方法

0 引言

SF6氣體具有很好的化學(xué)穩(wěn)定性和優(yōu)異的電氣性能，被廣泛應(yīng)用于GIS(Gas Insulated Switchgear，氣體絕緣全密封組合電器)中。但因GIS的設(shè)計(jì)、材質(zhì)和工藝等原因使其內(nèi)部出現(xiàn)絕緣缺陷和導(dǎo)電桿連接不良等問(wèn)題，進(jìn)而產(chǎn)生局部放電，造成SF6氣體分解和固體絕緣材料裂解。當(dāng)局部放電累積到一定程度時(shí)，缺陷會(huì)變大，并進(jìn)一步發(fā)展成設(shè)備故障，導(dǎo)致事故發(fā)生，影響電力生產(chǎn)的正常進(jìn)行。

GIS由斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、接地開(kāi)關(guān)、避雷器、互感器、套管、母線、連接件和出線終端等部分組成，這些設(shè)備或部件全部封閉在接地的金屬母線筒中。如果某一設(shè)備或部件出現(xiàn)問(wèn)題，將直接影響GIS的安全運(yùn)行。

目前對(duì)SF6電氣設(shè)備的試驗(yàn)方法主要有電氣法和化學(xué)法。電氣法一般需在停電時(shí)才能使用，而且試驗(yàn)電壓低、電流小，難以檢出設(shè)備的早期隱患；化學(xué)法中常用SF6純度、濕度檢測(cè)和檢漏，這些方法只能評(píng)價(jià)安裝維護(hù)工藝，與內(nèi)部故障沒(méi)有直接關(guān)系。通過(guò)分析SF6電氣設(shè)備氣體中SO2+SOF2，H2S，CO等分解產(chǎn)物的含量，可以快速、準(zhǔn)確地檢測(cè)出GIS內(nèi)部故障。

1 SF6氣體分解產(chǎn)物的形成機(jī)理

在GIS內(nèi)部存在放電的情況下，SF6氣體分解和還原過(guò)程的化學(xué)反應(yīng)式如下：

上述反應(yīng)式中，C代表碳元素，M代表Al，Ag，Wu，Cu等金屬元素，CFn代表CF4，C3F8等氣體分解產(chǎn)物，MFn代表產(chǎn)生的固體粉末物質(zhì)AlF3，AgF，WuF6，CuF2等。

由于放電形式的不同，SF6分解產(chǎn)物的種類(lèi)和組分也有所不同。

(1) 在電弧作用下，分解產(chǎn)物主要是SO2，H2S，SOF2及HF等。

(2) 在火花放電中，分解產(chǎn)物主要是SO2，H2S，SOF2及HF等，但與電弧作用下生成物之間的比值有所變化。

(3) 在電暈放電中，分解產(chǎn)物為SO2及HF。

(4) 在放電和熱分解以及水分作用下，氣體分解產(chǎn)物為SOF2，SO2，HF和SO2F2。

(5) 當(dāng)故障涉及固體絕緣材料時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生CF4，H2S，CO及CO2等。

實(shí)踐表明，以SO2和H2S氣體組分作為判斷被檢測(cè)設(shè)備是否存在故障的特征分解產(chǎn)物，可準(zhǔn)確、快速診斷設(shè)備內(nèi)部缺陷和檢測(cè)設(shè)備的潛伏性故障。

由于組成GIS的斷路器動(dòng)觸頭及其拉桿、隔離開(kāi)關(guān)導(dǎo)電桿等的主要成分為Al，Ag，Wu，Cu等金屬元素，當(dāng)氣室內(nèi)發(fā)生局部放電時(shí)，在高溫電弧的作用下，SF6氣體不僅自身會(huì)發(fā)生分解和復(fù)合，其分解產(chǎn)物與金屬元件及SF6氣體中的雜質(zhì)3者之間還會(huì)發(fā)生一系列的化學(xué)反應(yīng)。

2 事故跳閘經(jīng)過(guò)及現(xiàn)場(chǎng)分析情況

某220 kV變電站110 kV GIS，型號(hào)為ZF10-126 G，出廠日期為2012-11-02，于2013-06-05投運(yùn)。2013-08-02T02:11，110 kV母差保護(hù)動(dòng)作，造成I母母線整段停電。

故障發(fā)生后，生產(chǎn)廠專(zhuān)業(yè)人員到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)檢查，未發(fā)現(xiàn)110 kV GIS整體外觀有明顯異常工況痕跡。之后化驗(yàn)人員對(duì)SF6氣體進(jìn)行成分分析，發(fā)現(xiàn)1號(hào)主變7011刀閘母線側(cè)氣室內(nèi)SF6氣體主要分解產(chǎn)物成分含量異常，如表1所示，其中SO2含量達(dá)到102.34 μL/L，H2S含量達(dá)到9.21 μL/L；其他氣室數(shù)據(jù)正常。

根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司Q/GDW1896—2013《SF6氣體分解產(chǎn)物檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用導(dǎo)則》，分解產(chǎn)物參考指標(biāo)如表2所示。依據(jù)表2，診斷出該氣室存在嚴(yán)重的放電故障;因檢測(cè)出的H2S氣體含量較高，初步判斷放電故障與固體絕緣的分解有關(guān)。

表1 故障氣室SF6氣體主要分解產(chǎn)物成分含量 μL/L

表2 SF6氣體分解產(chǎn)物組分、檢測(cè)指標(biāo)和評(píng)價(jià)結(jié)果μL/L

3 事故處理措施

事故該變電站專(zhuān)業(yè)人員迅速與設(shè)備生產(chǎn)廠家聯(lián)系后，決定將該三工位隔離開(kāi)關(guān)及與其對(duì)接的部分主母線拆卸后運(yùn)回廠內(nèi)檢修，待返廠檢修合格后再運(yùn)回現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行安裝對(duì)接。

2013-08-03，專(zhuān)業(yè)人員在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)故障部位的三工位隔離開(kāi)關(guān)、主母線殼體與導(dǎo)體進(jìn)行了拆卸，并對(duì)拆卸后的工程對(duì)接面進(jìn)行緊急處理，同時(shí)將拆卸下來(lái)的三工位隔離開(kāi)關(guān)、主母線殼體與導(dǎo)體運(yùn)回制造廠檢查、分析。

4 設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)拆檢情況

(1) 三工位開(kāi)關(guān)內(nèi)部導(dǎo)體B相導(dǎo)電桿與電連接對(duì)接位置處有明顯燒損現(xiàn)象，同時(shí)B相導(dǎo)電桿與電連接對(duì)接處縫隙較大，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)此處的連接螺栓擰動(dòng)時(shí)發(fā)現(xiàn)螺栓未緊固。

(2) 三工位隔離開(kāi)關(guān)內(nèi)部A相與C相導(dǎo)電桿表面都有明顯融蝕痕跡，但A相與C相導(dǎo)電桿與絕緣拉桿動(dòng)觸頭對(duì)接良好，無(wú)縫隙和燒損痕跡。

(3) 三工位隔離開(kāi)關(guān)的底部有白色粉末。

(4) 三工位開(kāi)關(guān)其余部位未見(jiàn)明顯異常。

5 設(shè)備返廠拆檢情況

設(shè)備返廠后，廠家專(zhuān)業(yè)人員對(duì)運(yùn)回部件進(jìn)行了拆卸和檢查。經(jīng)檢查，未發(fā)現(xiàn)從現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)回的4段殼體間的內(nèi)部導(dǎo)體及殼體內(nèi)部有異常，遂對(duì)導(dǎo)體擦拭后重新組裝，試驗(yàn)測(cè)試合格。在拆卸三工位隔離開(kāi)關(guān)內(nèi)部導(dǎo)體時(shí)，A相與C相導(dǎo)體拆解均無(wú)異常，但B相導(dǎo)電桿與電連接處不能完全拆卸，有1組螺栓因?yàn)樽冃螄?yán)重已經(jīng)無(wú)法拆解。

三工位隔離開(kāi)關(guān)內(nèi)部導(dǎo)體具體情況為：B相電連接與導(dǎo)體對(duì)接處有比較嚴(yán)重的燒損，表面已經(jīng)變黑且有缺損現(xiàn)象；A相與C相導(dǎo)電桿表面有明顯的熔蝕痕跡；A相與C相電連接無(wú)燒損；三相導(dǎo)體另一側(cè)與觸座對(duì)接部位無(wú)損壞。

5 故障原因分析

根據(jù)三工位隔離開(kāi)關(guān)在現(xiàn)場(chǎng)的拆檢結(jié)果，并結(jié)合返廠拆解結(jié)果，分析故障原因如下。

(1) 在設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)對(duì)接安裝過(guò)程中，未將B相三工位隔離開(kāi)關(guān)的觸頭與導(dǎo)電桿的連接螺栓擰緊，使得對(duì)接導(dǎo)體的壓接力不夠，接觸電阻大，在長(zhǎng)時(shí)間帶電運(yùn)行后，對(duì)接導(dǎo)體處的溫度升高，接觸電阻隨之升高，接觸電阻的升高又會(huì)導(dǎo)致連接部位的溫度更快速地升高，如此造成惡性循環(huán)。

當(dāng)導(dǎo)體連接處的溫度超過(guò)導(dǎo)體熔點(diǎn)后，導(dǎo)體熔化，使內(nèi)部電場(chǎng)失穩(wěn)，以致發(fā)生畸變，先引起B(yǎng)相與A相之間發(fā)生放電擊穿，再導(dǎo)致三相之間放電擊穿。導(dǎo)體之間的放電擊穿引起熔化的導(dǎo)體熔液飛濺，以致在三工位內(nèi)部發(fā)生熱噴現(xiàn)象。

熱噴使得高溫熔液飛濺至另外2相導(dǎo)電桿的位置，造成A，C相導(dǎo)電桿表面被熔蝕。三相導(dǎo)體相互間的放電擊穿引起三相短路以及對(duì)地短路，進(jìn)而引起I母整段停電。同時(shí)因?yàn)锽相導(dǎo)體是起始燒損部位，電連結(jié)與導(dǎo)體連接處產(chǎn)生了比較嚴(yán)重的燒損變形現(xiàn)象。

(2) B相三工位隔離開(kāi)關(guān)的觸頭與導(dǎo)電桿的連接處螺栓未擰緊，2者之間存在間隙，觸頭與導(dǎo)體之間產(chǎn)生懸浮電位。在運(yùn)行電壓和電動(dòng)力的作用下，懸浮放電發(fā)生的電弧放電，以及短路故障時(shí)發(fā)生的電弧放電使SF6氣體發(fā)生分解。SF6氣體的分解產(chǎn)物再與金屬蒸氣如Al，Ag，Wu蒸氣等進(jìn)一步化合生成AlF3，AgF，WuF6等金屬化合物白色粉末，覆蓋在設(shè)備內(nèi)部元件上。對(duì)三工位隔離開(kāi)關(guān)內(nèi)的白色粉末進(jìn)行X熒光元素成分分析，其分析結(jié)果如表3所示。

表3 三工位隔離開(kāi)關(guān)內(nèi)的的白色粉末成分分析結(jié)果

6 結(jié)束語(yǔ)

(1) 通過(guò)上述案例的分析結(jié)果得出：SF6氣體分解產(chǎn)物(H2S，SO2，SOF2等)檢測(cè)法是判斷設(shè)備故障位置和設(shè)備潛伏性缺陷的重要方法之一，該方法具有定位準(zhǔn)確、靈敏度高、方便快捷、受現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境干擾小等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景很廣。

(2) GIS對(duì)設(shè)計(jì)、絕緣材料的選材、零部件加工的精度及組裝工藝等要求極高，應(yīng)選派實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)豐富、技術(shù)精湛、責(zé)任心強(qiáng)的人員進(jìn)行駐廠監(jiān)造和驗(yàn)收，不放過(guò)任何一個(gè)細(xì)節(jié)，確保設(shè)備不帶病出廠。

(3) 目前國(guó)內(nèi)GIS采用單元運(yùn)輸、現(xiàn)場(chǎng)組裝的安裝方式，由于GIS內(nèi)部空間狹小，對(duì)其在制造、組裝、運(yùn)輸及安裝等過(guò)程中的任何一個(gè)細(xì)節(jié)控制不嚴(yán)，都會(huì)給設(shè)備留下安全隱患。因此，產(chǎn)品在廠內(nèi)組裝及現(xiàn)場(chǎng)安裝過(guò)程中，應(yīng)嚴(yán)格按照安裝作業(yè)指導(dǎo)書(shū)的規(guī)定作業(yè)，提高安裝質(zhì)量和設(shè)備的可靠性，以消除人為因素造成的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行問(wèn)題。

(4) GIS現(xiàn)場(chǎng)安裝完畢后應(yīng)按照設(shè)備交接試驗(yàn)規(guī)定進(jìn)行各項(xiàng)試驗(yàn)，其中交流耐壓試驗(yàn)是檢測(cè)電氣設(shè)備絕緣強(qiáng)度最直接的方法，能有效地發(fā)現(xiàn)電氣設(shè)備存在的各類(lèi)絕緣缺陷(包括包裝、運(yùn)輸、儲(chǔ)存和安裝調(diào)試中的損壞，整體受潮等)。氣體分解產(chǎn)物檢測(cè)法、超聲波局放試驗(yàn)及超高頻局放試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部接觸不良或松動(dòng)、顆粒及異物、高壓導(dǎo)體尖刺等放電性缺陷，為GIS缺陷診斷及故障排除提供有力的技術(shù)支持。

1 國(guó)家電網(wǎng)公司科技部．Q/GDW 1896—2013 SF6氣體分解產(chǎn)物檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用導(dǎo)則[S].北京：中國(guó)電力出版社，2013．

2 季嚴(yán)松，王承玉，楊 韌，等．SF6氣體分解產(chǎn)物檢測(cè)技術(shù)及其在GIS設(shè)備故障診斷中的應(yīng)用[J].高壓電氣，2011，47(2):100-103.

3 毛建坤，湯會(huì)增，洪西凱，等．SF6氣體分解物組份檢測(cè)法在GIS局部放電故障診斷中的應(yīng)用[J].電氣技術(shù)，2016，17(8):99-102.

來(lái)稿日期：2016-11-20。

郭 偉(1970—)，男，工程師、技師，主要從事油、氣檢測(cè)與監(jiān)督，高壓電氣設(shè)備故障診斷及在線裝置研究等工作，email：lrq8710@163.com。

劉韌強(qiáng)(1970—)，男，高級(jí)技師，主要從事電力系統(tǒng)油、氣設(shè)備檢測(cè)與監(jiān)督工作。

蔣成杰(1968—)，男，高級(jí)技師，主要從事高壓電氣設(shè)備檢修、維護(hù)等工作。

朱元杰(1991—)，男，工程師，主要從事高壓電氣設(shè)備檢修、維護(hù)等工作。

邱 剛(1968—)，男，助理工程師，主要從事變電設(shè)備直流系統(tǒng)的檢修及維護(hù)工作。

周福好(1972—)，男，助理工程師，主要從事變電設(shè)備直流系統(tǒng)的檢修及維護(hù)工作。