氣體雜質對SF6氣體分解產物影響研究

景 皓，常鮮戎，龐先海，孫 袆，高 飛

（1.華北電力大學電氣與電子工程學院，河北保定 071003；2.河北省電力研究院，河北石家莊050021）

氣體雜質對SF6氣體分解產物影響研究

景 皓1，2，常鮮戎1，龐先海2，孫 袆2，高 飛2

（1.華北電力大學電氣與電子工程學院，河北保定 071003；2.河北省電力研究院，河北石家莊050021）

對SF6氣體內的氮氣、水分、氧氣和四氟化碳4種氣體雜質在放電情況下對SF6氣體分解產物的影響進行了詳細的試驗研究。結果表明，在低能量放電情況下，氮氣和四氟化碳含量變化對SF6氣體分解產物影響較小，水分和氧氣雜質能促進SF6氣體分解產物的生成。研究結果為通過SF6分解產物判斷設備故障提供參考。

SF6氣體；氣體雜質；分解產物

目前，SF6（六氟化硫）電氣設備因其體積小、質量輕、容量大、維修量少等優點而廣泛應用于高壓和超高壓領域。某些正在運行的SF6電氣設備存在內部絕緣缺陷，如果不及時發現，可能造成故障，甚至釀成事故。因此及時發現SF6電氣設備內部缺陷或故障，對保證設備和電網的安全運行具有重要意義。SF6氣體在電弧、放電和過熱作用下存在分解現象，通過檢測SF6氣體分解產物的含量，診斷設備內部是否存在缺陷或故障，是SF6電氣設備在線監測和故障診斷的一種有效方法［1－2］。

SF6氣體含有氮氣、氧氣、水分和四氟化碳等雜質，這些雜質對SF6氣體分解產物的含量具有一定影響［2－3］。為準確判斷SF6電氣設備缺陷狀況，切實把握設備運行狀態，研究氣體雜質對SF6氣體分解產物的影響具有重要意義。筆者通過大量試驗，分別研究和分析了氮氣、氧氣、水分和四氟化碳4種氣體雜質在放電情況下對SF6氣體分解產物含量的影響，為SF6電氣設備運行狀態判斷和故障診斷提供參考。

1 試驗裝置及試驗方法

1.1 試驗裝置

試驗裝置如圖1所示。將220V的工頻電壓通過調壓器調壓接到升壓變壓器上，將變壓器輸出的工頻高壓在濾波電感和濾波電容濾波后接在串有保護電阻的針狀電極兩端。試驗在充有SF6氣體的有機玻璃容器里進行，有機玻璃容器為圓柱形罐體，內徑為20cm，長度為100cm。

針－針電極間距為3mm，材料為銅。SF6氣體壓力為0.5MPa時電極間等效阻抗約為400MΩ，串聯保護阻抗為20MΩ，測量電阻為1 000Ω。高壓變壓器輸出的電壓在針－針電極未擊穿前主要分布在針－針電極兩端，通過調壓器調節電極兩端電壓可以有效調節放電量。針－針電極放電后，電流將通過測量電阻，利用示波器采集測量電阻上的電壓信號，對電壓信號進行分析，可以計算出每次放電的放電時間和放電量。

1.2 試驗方法

在電力設備內，絕大部分放電缺陷的放電量都在100pC以下，特別是局部放電的放電量更小。本放電試驗為結合設備現場實際情況，研究低放電量下SF6氣體的分解產物，將最大放電量維持在20pC。

圖1 試驗裝置圖Fig.1 Diagram of experimental facility

本試驗在SF6氣體中混入不同濃度的氣體雜質，充入玻璃容器內，氣壓為0.5MPa。然后通過調壓器升壓，當變壓器升壓至6kV時停止升壓，這時測量電阻上的放電波形如圖2所示。然后將每組試驗維持放電一段時間，停止試驗后抽取SF6氣體樣本，用氣相色譜儀測量SF6氣體分解產物含量。由圖2可知，一個工頻周期約放電30次，正半周期放電次數略多于負半周期。每次放電時間約為0.2μs，最大放電量為20pC，大部分放電量為6～10pC。

圖2 6kV時放電波形Fig.2 Discharge wave of 6kV

2 試驗結果及分析

2.1 氮氣的影響

氮氣在SF6新氣中含量為250×10－6～350×10－6（體積分數，下同），在現場運行中氮氣的含量會更高。本試驗通過在SF6氣體中混入不同濃度的氮氣，然后在放電作用下進行試驗來研究氮氣對SF6分解產物的影響。本試驗選擇4組含有氮氣雜質的SF6氣體，氮氣體積分數分別為326×10－6，0.5%，1%和2%，SF6氣體其他雜質含量滿足IEC標準和中國國家標準。

每組試驗放電24h后，抽取氣體樣本，測量結果如表1所示。分析表1可知，4組不同含氮量的SF6氣體分解產物差別很小，考慮到放電試驗的難以重復性，測量數據的微弱差別在試驗誤差的允許范圍之內。由此判斷在低能量放電作用下，氮氣對SF6氣體的分解產物影響很小。

表1 不同氮氣含量下SF6分解產物Tab.1 Decomposed products SF6gas under different content of N2

自然條件下，氮氣是比較穩定的，N≡N分開需要大量能量，氮氣分解的熱反應方程式如式（1）所示。

SF6氣體在放電作用下會發生分解，熱反應方程式［3－4］如式（2）、式（3）所示。

由式（1）—式（3）可知，SF6和SF4的分解都比氮氣直接分解更加容易，所以SF6氣體抑制了氮氣在放電作用下的分解。在SF6局部放電中，電子的平均能量為5～10eV［4－5］，SF6分解成SF4需要的能量一般為6.5～7eV，氮氣分解需要的能量一般為10～10.5eV?？梢娭挥休^強放電時，能量較大的電子才能使氮氣分解。因此，SF6氣體中的微量氮氣在低放電能量時難以分解，對SF6氣體分解產物影響很小。

2.2 水分的影響

水分是SF6電器設備內危害最大的雜質。在SF6新氣中水分的含量較小，一般小于40×10－6（體積分數），但在運行設備中含水量一般較高，所以運行中對氣體監督的主要目的是對含水量進行測定和控制。SF6氣體含水量過高會影響電器設備的安全運行，主要表現在3個方面。1）水分的存在影響氣體分解物的生成；2）水分和酸性分解產物在一起會腐蝕材料，破壞絕緣結構，加劇局部放電；3）水分在低溫下會在固體絕緣表面形成凝露，降低絕緣強度，導致事故的發生。

本試驗選擇3組含有水分雜質的SF6氣體，水分體積分數分別為36×10－6，280×10－6和4 200×10－6，SF6氣體其他雜質含量滿足IEC標準和中國國家標準。含有不同水分值的SF6氣體在放電試驗下的分解產物如表2所示。由表2可知，隨著水分含量的升高，SF6氣體分解物總含量大幅度增加，其中SO2＋SOF2和H2S的含量增加幅度較大，SO2F2增加趨勢較緩。

表2 不同水分含量下SF6分解產物Tab.2 Decomposed products SF6gas under different content of H2O

在水分含量較大時，SF6氣體分解的SF4，S2F2等不穩定的氣體雜質與水分發生反應，反應式如式（4）和式（5）所示。由式（5）可知，水分含量較大時，直接促成H2S生成。由式（4）和式（5）生成的SOF2是不穩定的物質，其繼續與SF6氣體中的水分和氧氣等雜質發生反應，反應式如式（6）和式（7）所示。由式（6）可知，水分含量較大時，促成SO2含量的增加；由式（7）可知，因水分含量增大，SOF2含量增加，在氧氣含量一定的情況下，SO2F2含量也有一定程度的增加。

水分易參與SF6氣體的分解主要有以下幾個原因［5－6］：1）水分子分解為 H 和 OH 需要的能量小于SF6分解成SF4的能量，水分解的熱化學方程式如式（8）所示。水分子分解為H和OH需要4.5～5eV，小于SF6分解成SF4需要的6.5～7eV；2）OH與SF6分解物結合為放熱反應，如式（9）和式（10）所示，這樣水分解物和SF6分解物反應后更加促進反應進行；3）水作為極性分子，易與SF6氣體分解出來的氟原子結合，且釋放能量，加劇反應的進行，如式（11）所示。

2.3 氧氣的影響

氧氣在新氣中的體積分數一般不超過100×10－6，設備投入運行后由于各種原因會使內部的氧氣含量增大。氧氣的化學性質比較活潑，容易和其他氣體生成化合物。在SF6的氣體分解物中，大部分分解產物都含有氧元素，這些氧元素有些來自SF6氣體中的氧氣雜質，有些來自含有氧元素的絕緣材料的分解。本試驗選擇4組含有氧氣雜質的SF6氣體，氧氣體積分數分別為92×10－6，0.5%，1%和2%，SF6氣體其他雜質含量滿足IEC標準和中國國家標準。

含有不同含量氧氣的SF6氣體在放電試驗下的分解產物如表3所示。由表3可知，氧氣體積分數由92×10－6增至0.5%時，在同樣的放電時間和放電強度下，SO2F2含量明顯提高，（SO2＋SOF2）和H2S分解含量有所降低；對比氧體積分數為0.5%，1%和2%下SF6氣體分解產物可知，分解產物含量差別很小，在試驗誤差的允許范圍之內，推測這和氧氣的飽和有關。

表3 不同氧氣含量下SF6分解產物Tab.3 Decomposed products SF6gas under different content of O2

氧氣含量較大時，部分SF6氣體分解產生的SF4直接與氧氣發生反應，如式（12）所示。反應生成的SOF4與水分發生水解反應，生成SOF2和腐蝕性極強的HF，如式（13）所示。由于SOF4與水分發生反應，在水分一定的情況下，抑制了式（4）—式（6）的進行，降低了（SO2＋SOF2）和 H2S分解物的生成含量。

氧氣非常順利地參與SF6氣體的分解反應得益于氧氣的鍵能并非太高，氧氣的熱化學反應方程式如式（14）所示。比較式（14）、式（2）和式（3）可知，氧氣的分解比SF6分解成SF4或SF4分解成SF2需要更少的能量。在SF6局部放電中，電子的平均能量為5～10eV，氧氣的分解大概需要5eV，而SF6分解成SF4或SF4分解成SF2需要6.5～7eV［4－5］。由此可見，局部放電中能量較小的電子就能促使氧氣分解，能量中等的電子才能使SF6分解。

另外，SF6氣體分解產生的SF4，SF3和SF2等粒子與氧原子反應均是放熱反應，如式（15）—式（17）所示［6］。

可見，SF6氣體內氧氣的存在加劇了SF6氣體的分解，破壞了SF4向SF6的復合，促使了SF6氣體分解產物的生成，所以電器設備內應該盡量減少氧氣的含量。

2.4 四氟化碳的影響

四氟化碳在SF6新氣中的含量大約為100×10－6（體積分數），它是在SF6制造中伴隨產生的。本試驗選擇3組含有四氟化碳雜質的SF6氣體，四氟化碳的體積分數分別為106×10－6，0.5%和1%，SF6氣體其他雜質含量滿足IEC標準和中國國家標準。表4為尖端放電情況時不同四氟化碳含量下SF6氣體的分解產物。

表4 不同四氟化碳含量下SF6分解產物Tab.4 Decomposed products SF6gas under different content of CF4

由表4可以看出，含有106×10－6四氟化碳的SF6氣體和含有0.5%或1%四氟化碳的SF6氣體在同樣放電條件下分解產物差別不大，考慮到放電試驗難以重復，測量數據的微弱差別應在試驗誤差允許的范圍之內。表4數據結果說明，在低能放電條件下四氟化碳對SF6分解產物的影響是有限的。四氟化碳的熱解方程式如式（18）和式（19）所示［7－8］。四氟化碳失去2個氟原子需要的能量為9.5～10eV，而SF6失去2個氟原子需要的能量為6.5～7eV，可見CF4相比SF6更加穩定。由此可知，四氟化碳對SF6氣體分解產物的影響較小。

3 結 論

對氮氣、氧氣、水分和四氟化碳4種氣體雜質在放電情況下對SF6氣體分解產物含量的影響進行了試驗研究，并對試驗數據進行了分析，得出以下結論。

1）混入不同含量氮氣的SF6氣體在放電作用下分解產物沒有明顯變化，氮氣分解需要的能量遠大于SF6分解成四氟化碳需要的能量，氮氣比SF6氣體在放電情況下更加穩定。SF6氣體中含有微量氮氣對SF6氣體分解產物影響較小。

2）SF6氣體中水分含量升高時，SF6氣體分解物的總含量大幅度增加，其中（SO2＋SOF2）和H2S的含量增加幅度較大，SO2F2含量的增加趨勢較緩?？梢?，SF6氣體中水分含量對SF6氣體分解產物影響較大。

3）SF6氣體中氧氣含量升高時，分解物總含量增加，其中SO2F2含量明顯提高，（SO2＋SOF2）和H2S含量略有降低。SF6氣體中氧氣雜質對SF6氣體分解產物影響較大。

4）SF6氣體中四氟化碳含量升高時，SF6氣體分解產物沒有明顯變化，四氟化碳分解需要的能量大于SF6分解需要的能量，四氟化碳比SF6氣體在放電情況下更加穩定。SF6氣體中含有微量四氟化碳對SF6氣體分解產物影響較小。

［1］張曉星，姚 曉，唐 炬，等.SF6放電分解氣體組分分析的現狀和發展［J］.高電壓技術，2008，34（4）：664－669.

［2］SPILIOPOULOS I.The effects of moisture and gaseous additives on SF6recovery characteristics［J］.European Transactions Electrical Power，2006，16（2）：121－136.

［3］SHOTARO T，HIROSHI K，KOICHI H.SF6gas analysis technique and its application for evaluation of internal conditions in SF6gas equipment［J］.IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems，1981，100（9）：4 196－4 206.

［4］ROTGER M，BOUDON V，LOETE M.The ground state rotational spectrum of SO2F2［J］.Journal of Molecular Spectroscopy，2003，222（2）：172－179.

［5］PRADAYROL C，CASANOVAS A M，AVENTIN C.Production of SO2F2，SOF4，（SOF2＋SF4），S2F10，S2OF10and S2O2F10in SF6and（50－50）SF6－CF4mixtures exposed to negative coronas［J］.Journal of Physics D：Applied Physics，1997，30（9）：1 356－1 369.

［6］DING W.Analysis of PD－generated SF6decomposition gases adsorbed on carbon nanotubes［J］.IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，2006，13（6）：1 200－1 207.

［7］AOKI N，KUMAI K.Decomposition of SF6by Arc，Discharge－Influence of Water，Organic Matter and Electrode Materials upon Arc Decomposition Products of SF6［R］.Japan：Central Research Institute of Electric Power Industry Report E278004，1978.80－86.

［8］SHIH M，LEE W J，CHEN C Y.Decomposition of SF6and H2S mixture in radio frequency plasma environment［J］.Industrical Engineering Chemistry Research，2003，42（13）：2 906－2 912.

Influence of gas impurity on SF6gas decomposed products

JING Hao1，2，CHANG Xian－rong1，PANG Xian－hai2，SUN Yi2，GAO Fei2
（1.School of Electrical and Electronic Engineering，North China Electric Power University，Baoding Hebei 071003，China；2.Hebei Electric Power Research Institute，Shijiazhuang Hebei 050021，China）

The influence of gas impurity including N2，H2O，O2and CF4on SF6gas decomposed products was studied by detailed experiment.The results show that the content of N2or CF4has limited influence on the formation of SF6decomposed products，but H2O or O2has great influence on making SF6decomposed products，in the case of low－energy discharge.The results will provide reference for fault diagnosis of GIS equipments through SF6decomposed products.

SF6gas；gas impurity；decomposed products

TQ125.1＋52

A

1008－1534（2012）03－0141－05

2012－01－15；

2012－03－01

張士瑩

景 皓（1982－），女，河北石家莊人，工程師，主要從事變電配電專業技術方面的研究。