论文部分内容阅读
【摘要】文章阐述了SF6气体分解物的生成机理及其特点;影响SF6气体分解物生成的因素;应用SF6气体分解物进行电气设备故障诊断的情况以及设备中SF6气体分解物组分含量监控值等问题为国内外有关应用电气设备内SF6气体分解物进行设备故障诊断提供一定的理论依据。
【关键词】SF6气体分解物;故障诊断
引言
以SF6气体作为绝缘介质的电气设备称为SF6电气设备，其包括断路器、电压互感器、电流互感器、避雷器、电容器、变压器和GIS等。由于SF6气体不燃不爆，不仅具有稳定的化学性能，而且具有优异的电气性能，自上世纪80年代后SF6电气设备得到广泛的应用，全国SF6电气设备达数十万台，已成为电力系统的主要设备。这些设备的性能好坏直接影响电力生产的安全经济运行。局部放电（PD）在线监测法是对SF6设备内所存在的绝缘性缺陷进行有效地监测及控制的重要方法，但由于在实际的工作环境中设备受到的磁场噪声干扰太强，因此传统的局部放电检测方法如超声法虽然在理论上达到了要求，但无法取得良好的应用效果，而抗干扰能力强的特高频法（UHF）理论上还存在一定的缺陷，难以实现绝缘状态的准确判断。因此，电力系统急需找到一种既能够满足技术要求、又具有良好抗干扰能力和应用效果的SF6设备绝缘状态评估方法。
经统计分析表明：SF6气体中分解产物与内部状态有一定的关系，利用SF6气体中分解产物的组分及其含量，能够准确、快速地检出设备内部故障。本文旨在探讨SF6设备中出现的各种气体的由来和可能对应的故障类别及部位。
1.应用SF6气体分解物判断设备故障的原理
1.1 SF6电气设备各种气体成分的成因
SF6气体是所有SF6电气设备所共同的绝缘介质，其负电性很强，具有很好的绝缘性能和灭弧性能，是目前理想的绝缘介质，起着绝缘、灭弧和冷却散热的作用。试验表明，只有当温度高于500℃时SF6气体开始分解，700℃后才会明显裂解（在电弧作用下将快速裂解）主要产生SO2、SOF2和HF。
SF6电气设备采用的固体绝缘材料主要有热固形环氧树脂、聚酯尼龙、聚四氟乙烯、聚 酯乙烯、绝缘纸和绝缘漆等，其由C、H、F、S、O和N等元素构成，按其分解温度及主要产物可分为三类：
（1）热固形环氧树脂为多种大分子量的混合物，有双酚型和酚醛型两类，由C、H、O、S和N等元素构成，当温度高于500℃时开始裂解，主要产生H2S、CO、SO2、CF4、NO、NO2和少量低分子烃。
（2）聚四氟乙烯由C、F元素构成，当温度高于400℃时开始裂解，主要产生CF4和CO。
（3）聚酯乙烯、聚酯薄膜、绝缘纸和绝缘漆为碳水化合物，由C、H和O等元素构成，在130℃时开始裂解，主要产生CO、H2、CO2和低分子烃。
1.2 表征SF6电气设备内部绝缘材料分解的特征气体及常态值
据国外资料报道，SF6电气设备内部故障时产生的硫化物、氟化物和碳化物有近百种。在深入研究内部绝缘材料的裂解机理和对各种故障实例进行统计分析后可知：
（1）SF6分解的特征气体为SO2、SOF2和HF，电气设备在正常运行过程中其各个气体成分的含量为：SO2≤0.5（μL/L）、SOF2≤0.5（μL/L）、HF≤0.2（μL/L）;
（2）热固型环树脂分解的特征气体为H2S，电气设备在正常运行过程中其各个气体成分的含量为：H2S≤0.2（μL/L）
（3）聚酯乙烯、绝缘纸和绝缘漆分解的特征气体为CO，电气设备在正常运行过程中其各个气体成分的含量为：CO≤50（μL/L）
（4）聚四氟乙烯分解的特征气体为CF4，且电气设备在正常运行过程中其各个气体成分的含量为：CF4≤100（μL/L）
从上述得知，当SF6电气设备内部存在故障时，故障区域的SF6气体和固体绝缘材料在热和电的作用下将裂解产生SO2、SOF2、H2S、CO、HF和CF4等特征气体，这些分解产物将缓慢地溶解、扩散到SF6气体中， SF6气体中分解产物与内部故障有一定的关系，因此检测这些特征组分的含量便可诊断出设备内部故障。
1.3 SF6电气设备分解产物的检测方法
由于SF6电气设备内部早期故障的能量低、范围小、浓度小、SF6气体分子量大、设备内部压力高，气体密度大，温差小，流动性很差，因此，若简单的从设备中取出几十毫升气体进行测试，所检测的数据大都低于本体实际浓度，难以检出潜伏性故障。因此，SF6电气设备分解产物现场检测只能采用流动检测的电化学法。即采用灵敏度较高、稳定性好、反应速度快、耗气量少的电化学传感器，对SF6设备进行内部故障检测，当检测气体进入传感器后与电解质发生化学反应，在电极间产生与其浓度相应的电信号。
2.应用SF6气体分解物判断设备的故障类型及部位
SF6电气设备内部故障主要有两种类型：放电性故障及过热性故障，其中放电性故障又包括电晕放电、火花放电、电弧放电，过热性故障包括低温过热、中温过热及高温过热。如图1所示：
图1
通过对SF6设备长期检测和各种故障分析后，我们将内部常见的故障部位归纳为以下六种：
（1）导电金属对地放电，这类故障主要表现为SF6气体中的导电颗粒和绝缘子、拉杆缺陷引起导电杆对地放电，故障能量大，会产生大量SOz、SOF2、HS、HF。
（2）悬浮电位放电，这类故障通常表现为断路器动触头与绝缘拉杆间接触不良或TA二次引出线电容屏上部的固定螺丝松动引起插销两侧金属（或螺帽）与螺杆间悬浮电位放电，故障能量不大，一般只有sF6分解产物，主要生成S02、HF、H2S。
（3）导电杆的连接接触不良，当故障点温度超过500℃时，sF6和周围固体绝缘材料开始热分解; 当温度达700℃以上时，动静触头、导电杆连接处、梅花触头包箍会蠕变断裂，引起触头融化脱落、绝缘材料分解。其主要分解产物为SO2、HF、H S。 （4）互感器、变压器匝间、层间和套管电容屏短路，互感器、变压器匝层间和套管电容屏短路。内部故障时，故障区域的sF6、聚酯乙烯、纸、漆等绝缘材料会裂解，主要产生SO2、SOF2、HF、cO和低分子烃。
（5）断路器重燃，断路器正常开断时，电弧一般在一个周波内熄灭，当灭弧介质不正常或电流不过零时，电弧不能熄灭，会灼伤灭弧室和触头。此时，SF6和聚四氟乙烯分解，主要产生S02、SOF2、HF。
（6）断路器断口并联电阻、电容内部短路，断口的并联电阻、电容因质量不佳而引起短路，使sF6裂解，主要产生S02、SOF2、HF。
因此，只需要总结归纳出各类气体成分的含量特征，即可对SF6电气设备的故障类别及部位做出初步判断。
3.判断标准及检测周期
根据搜集到的数万台次检测数据统计，设备正常时的分解产物含量如表1所示。
表1
检测周期建议按电压等级按表2所示进行：
表2
设备名称 检测周期 备注（以下情况必须检测）
30kV及以下设备 新设备投运半年内检测1次 （1）新设备或大修后设备投运前必须检测
（2）发生近区短路断路器跳闸
（3）受过电压严重冲击
（4）设备有异常声响，有强磁场
（5）局部放电异常
110kV-220kV设备
（含65kV） （1）新设备投运半年内检测1次
（2）每2-3年检测1次
330-1000kV设备 （1）新设备投运3个月内检测1次
（2）每1-2年检测1次
4.结束语
在应用SF6气体成分分析设备内部故障时，我们还应当从以下几方面着手：“一看”（看分解产物的组分种类和浓度是否超过正常值）、“二比”（与上次比较分解产物的组分种类和浓度是否有变化，与相邻气室比较分解产物的组分种类和浓度）、“三了解”（设备的结构、气室大小、排气口至本体的距离，运行情况，严重冲击和设备是否有异常声响及强烈电磁场等，设备的检修、气体质量、电气试验、继电保护动作和故障录波情况）。
应用SF6气体可以对电气设备故障状态通过特征气体的体积分数进行判断，但是，SF6气体由于设备发热而造成在分解时温度较高，存在一定的滞后性，所以故障和缺陷仅靠检测SF6气体的分解物是不够的，下一步应该做好对有关杂质组分含量的监控值的确立。
参考文献
[1]左新宇.利用SF6分解物检测GIS内部局部放电故障[J].电气安全，2012，31（7）：74-76.
[2]赵小勇.SF6放电分解气体组分分析[J].电气技术，2013（1）：
75-76，86.
[3]张丽娜，陈永义，梁桂州.关于GIS和sF 断路器的现场检测方法[J].高压电器，2001，37（3）：47-48.
[4]蔡巍，黄韬颖，李帆.动态离子分析在sF6电气绝缘设备诊断中的应用[J].华北电力技术，2006（1）：31-35.
[5]孙红，胡伟涛，白彦坤.利用SO2、H2S含量诊断分析SF6电气设备内部放电故障[J].电工技术，2012（12）：62-63.
[6]DL/T 596-1996电力设备预防性试验规程[S].
作者简介：
闫佳文（1980—），男，硕士，工程师，主要从事电气试验、电气设备在线监测与故障诊断等方面的研究。
胡伟涛（1977—），男，硕士，工程师，主要从事电气试验、电气设备在线监测与故障诊断、电气设备状态检修及新能源在电力系统应用等方面的研究。
【关键词】SF6气体分解物;故障诊断
引言
以SF6气体作为绝缘介质的电气设备称为SF6电气设备，其包括断路器、电压互感器、电流互感器、避雷器、电容器、变压器和GIS等。由于SF6气体不燃不爆，不仅具有稳定的化学性能，而且具有优异的电气性能，自上世纪80年代后SF6电气设备得到广泛的应用，全国SF6电气设备达数十万台，已成为电力系统的主要设备。这些设备的性能好坏直接影响电力生产的安全经济运行。局部放电（PD）在线监测法是对SF6设备内所存在的绝缘性缺陷进行有效地监测及控制的重要方法，但由于在实际的工作环境中设备受到的磁场噪声干扰太强，因此传统的局部放电检测方法如超声法虽然在理论上达到了要求，但无法取得良好的应用效果，而抗干扰能力强的特高频法（UHF）理论上还存在一定的缺陷，难以实现绝缘状态的准确判断。因此，电力系统急需找到一种既能够满足技术要求、又具有良好抗干扰能力和应用效果的SF6设备绝缘状态评估方法。
经统计分析表明：SF6气体中分解产物与内部状态有一定的关系，利用SF6气体中分解产物的组分及其含量，能够准确、快速地检出设备内部故障。本文旨在探讨SF6设备中出现的各种气体的由来和可能对应的故障类别及部位。
1.应用SF6气体分解物判断设备故障的原理
1.1 SF6电气设备各种气体成分的成因
SF6气体是所有SF6电气设备所共同的绝缘介质，其负电性很强，具有很好的绝缘性能和灭弧性能，是目前理想的绝缘介质，起着绝缘、灭弧和冷却散热的作用。试验表明，只有当温度高于500℃时SF6气体开始分解，700℃后才会明显裂解（在电弧作用下将快速裂解）主要产生SO2、SOF2和HF。
SF6电气设备采用的固体绝缘材料主要有热固形环氧树脂、聚酯尼龙、聚四氟乙烯、聚 酯乙烯、绝缘纸和绝缘漆等，其由C、H、F、S、O和N等元素构成，按其分解温度及主要产物可分为三类：
（1）热固形环氧树脂为多种大分子量的混合物，有双酚型和酚醛型两类，由C、H、O、S和N等元素构成，当温度高于500℃时开始裂解，主要产生H2S、CO、SO2、CF4、NO、NO2和少量低分子烃。
（2）聚四氟乙烯由C、F元素构成，当温度高于400℃时开始裂解，主要产生CF4和CO。
（3）聚酯乙烯、聚酯薄膜、绝缘纸和绝缘漆为碳水化合物，由C、H和O等元素构成，在130℃时开始裂解，主要产生CO、H2、CO2和低分子烃。
1.2 表征SF6电气设备内部绝缘材料分解的特征气体及常态值
据国外资料报道，SF6电气设备内部故障时产生的硫化物、氟化物和碳化物有近百种。在深入研究内部绝缘材料的裂解机理和对各种故障实例进行统计分析后可知：
（1）SF6分解的特征气体为SO2、SOF2和HF，电气设备在正常运行过程中其各个气体成分的含量为：SO2≤0.5（μL/L）、SOF2≤0.5（μL/L）、HF≤0.2（μL/L）;
（2）热固型环树脂分解的特征气体为H2S，电气设备在正常运行过程中其各个气体成分的含量为：H2S≤0.2（μL/L）
（3）聚酯乙烯、绝缘纸和绝缘漆分解的特征气体为CO，电气设备在正常运行过程中其各个气体成分的含量为：CO≤50（μL/L）
（4）聚四氟乙烯分解的特征气体为CF4，且电气设备在正常运行过程中其各个气体成分的含量为：CF4≤100（μL/L）
从上述得知，当SF6电气设备内部存在故障时，故障区域的SF6气体和固体绝缘材料在热和电的作用下将裂解产生SO2、SOF2、H2S、CO、HF和CF4等特征气体，这些分解产物将缓慢地溶解、扩散到SF6气体中， SF6气体中分解产物与内部故障有一定的关系，因此检测这些特征组分的含量便可诊断出设备内部故障。
1.3 SF6电气设备分解产物的检测方法
由于SF6电气设备内部早期故障的能量低、范围小、浓度小、SF6气体分子量大、设备内部压力高，气体密度大，温差小，流动性很差，因此，若简单的从设备中取出几十毫升气体进行测试，所检测的数据大都低于本体实际浓度，难以检出潜伏性故障。因此，SF6电气设备分解产物现场检测只能采用流动检测的电化学法。即采用灵敏度较高、稳定性好、反应速度快、耗气量少的电化学传感器，对SF6设备进行内部故障检测，当检测气体进入传感器后与电解质发生化学反应，在电极间产生与其浓度相应的电信号。
2.应用SF6气体分解物判断设备的故障类型及部位
SF6电气设备内部故障主要有两种类型：放电性故障及过热性故障，其中放电性故障又包括电晕放电、火花放电、电弧放电，过热性故障包括低温过热、中温过热及高温过热。如图1所示：
图1
通过对SF6设备长期检测和各种故障分析后，我们将内部常见的故障部位归纳为以下六种：
（1）导电金属对地放电，这类故障主要表现为SF6气体中的导电颗粒和绝缘子、拉杆缺陷引起导电杆对地放电，故障能量大，会产生大量SOz、SOF2、HS、HF。
（2）悬浮电位放电，这类故障通常表现为断路器动触头与绝缘拉杆间接触不良或TA二次引出线电容屏上部的固定螺丝松动引起插销两侧金属（或螺帽）与螺杆间悬浮电位放电，故障能量不大，一般只有sF6分解产物，主要生成S02、HF、H2S。
（3）导电杆的连接接触不良，当故障点温度超过500℃时，sF6和周围固体绝缘材料开始热分解; 当温度达700℃以上时，动静触头、导电杆连接处、梅花触头包箍会蠕变断裂，引起触头融化脱落、绝缘材料分解。其主要分解产物为SO2、HF、H S。 （4）互感器、变压器匝间、层间和套管电容屏短路，互感器、变压器匝层间和套管电容屏短路。内部故障时，故障区域的sF6、聚酯乙烯、纸、漆等绝缘材料会裂解，主要产生SO2、SOF2、HF、cO和低分子烃。
（5）断路器重燃，断路器正常开断时，电弧一般在一个周波内熄灭，当灭弧介质不正常或电流不过零时，电弧不能熄灭，会灼伤灭弧室和触头。此时，SF6和聚四氟乙烯分解，主要产生S02、SOF2、HF。
（6）断路器断口并联电阻、电容内部短路，断口的并联电阻、电容因质量不佳而引起短路，使sF6裂解，主要产生S02、SOF2、HF。
因此，只需要总结归纳出各类气体成分的含量特征，即可对SF6电气设备的故障类别及部位做出初步判断。
3.判断标准及检测周期
根据搜集到的数万台次检测数据统计，设备正常时的分解产物含量如表1所示。
表1
检测周期建议按电压等级按表2所示进行：
表2
设备名称 检测周期 备注（以下情况必须检测）
30kV及以下设备 新设备投运半年内检测1次 （1）新设备或大修后设备投运前必须检测
（2）发生近区短路断路器跳闸
（3）受过电压严重冲击
（4）设备有异常声响，有强磁场
（5）局部放电异常
110kV-220kV设备
（含65kV） （1）新设备投运半年内检测1次
（2）每2-3年检测1次
330-1000kV设备 （1）新设备投运3个月内检测1次
（2）每1-2年检测1次
4.结束语
在应用SF6气体成分分析设备内部故障时，我们还应当从以下几方面着手：“一看”（看分解产物的组分种类和浓度是否超过正常值）、“二比”（与上次比较分解产物的组分种类和浓度是否有变化，与相邻气室比较分解产物的组分种类和浓度）、“三了解”（设备的结构、气室大小、排气口至本体的距离，运行情况，严重冲击和设备是否有异常声响及强烈电磁场等，设备的检修、气体质量、电气试验、继电保护动作和故障录波情况）。
应用SF6气体可以对电气设备故障状态通过特征气体的体积分数进行判断，但是，SF6气体由于设备发热而造成在分解时温度较高，存在一定的滞后性，所以故障和缺陷仅靠检测SF6气体的分解物是不够的，下一步应该做好对有关杂质组分含量的监控值的确立。
参考文献
[1]左新宇.利用SF6分解物检测GIS内部局部放电故障[J].电气安全，2012，31（7）：74-76.
[2]赵小勇.SF6放电分解气体组分分析[J].电气技术，2013（1）：
75-76，86.
[3]张丽娜，陈永义，梁桂州.关于GIS和sF 断路器的现场检测方法[J].高压电器，2001，37（3）：47-48.
[4]蔡巍，黄韬颖，李帆.动态离子分析在sF6电气绝缘设备诊断中的应用[J].华北电力技术，2006（1）：31-35.
[5]孙红，胡伟涛，白彦坤.利用SO2、H2S含量诊断分析SF6电气设备内部放电故障[J].电工技术，2012（12）：62-63.
[6]DL/T 596-1996电力设备预防性试验规程[S].
作者简介：
闫佳文（1980—），男，硕士，工程师，主要从事电气试验、电气设备在线监测与故障诊断等方面的研究。
胡伟涛（1977—），男，硕士，工程师，主要从事电气试验、电气设备在线监测与故障诊断、电气设备状态检修及新能源在电力系统应用等方面的研究。