局部放電下微水對SF6分解組分的形成及其影響規律

唐 炬 裘吟君 曾福平 袁靜帆 張曉星

（1.重慶大學輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室 重慶 400044 2.海南電力公司 海口 570100）

1 引言

由于六氟化硫（SF6）氣體具有優良的絕緣特性和電負特性，被廣泛應用于氣體絕緣組合電器（Gas Insulated Switchgear，GIS）等電氣設備中[1-3]。正常情況下，SF6氣體是一種化學性質十分穩定的無色、無味、不可燃氣體，但在GIS內部出現局部放電（Partial Discharge，PD）時，SF6會發生不同程度的分解，生成如SF5、SF4和SF3等低氟化物，對于純凈的SF6氣體，絕大部分的低氟化物會復合還原成SF6[4]；但是由于SF6氣體不純或GIS設備密封不嚴等原因，使得SF6氣體中不可避免地會含有微量水分（H2O），它會與這些低氟化物反應，使得這種分解-復合平衡被打破，同時生成更多更復雜的組分，如SOF2、SO2F2、SOF4、SO2、HF、H2S等，其中一些生成物水解后形成的酸性物質，對GIS設備內部固件有腐蝕作用，嚴重時會損壞設備內部固體絕緣，從而降低設備的整體絕緣性能，對設備的安全穩定運行造成威脅[5]。另外，SF6氣體中的微水通常以水蒸氣的形式存在，當溫度降低時，可能在設備內部結露，與內部的各種污染物混合后，附著在固體絕緣子的表面，容易引起沿面放電甚至閃絡。因此，在GIS設備中應嚴格控制水分，GB/T18867—2002[6]和DL/T596—1996[7]對運行中的GIS設備SF6氣體含水量允許值做了嚴格規定，如下表所示。

表 SF6氣體含水量體積分數允許值（20℃時）Tab.Standards of H2O contents in GIS(20℃)

國內外的初步研究結果表明，H2O對PD作用下SF6最終分解組分的種類、含量及其變化規律等均有顯著影響[8,9]。因此，在利用PD作用下SF6氣體的分解特性來評判GIS設備內部PD類型和總體PD程度時[10]，會因H2O含量的不同帶來誤差，甚至出現誤判。但是目前關于微量H2O對PD下SF6分解組分最終生成物形成機理及影響規律的研究還不夠深入，因此，本文利用研制的SF6氣體PD分解試驗平臺，以針-板電極模擬GIS設備中常見的高壓導體突出物絕緣缺陷，通過產生相同強度的PD使SF6氣體發生分解，研究不同H2O含量、不同PD時段下各特征分解組分形成機理和含量變化，為利用SF6氣體分解特性對GIS進行在線監測及故障診斷奠定理論基礎。

2 局部放電下SF6氣體分解與生成物

GIS設備中出現的PD一般屬于低能放電，且設備的溫度不會很快升高，此時引起SF6的分解主要是PD下的電效應。在GIS設備氣室內，各種絕緣缺陷引起的穩定PD都可分為輝光區、離子漂流區和常態氣室區三個區域[11]，如圖1所示。SF6分解機理、生成組分以及穩定含量除與各區域的能量分布、絕緣缺陷有極大關系外，還與H2O等雜質含量有關。

圖1 局部放電下SF6氣體分解機理Fig.1 Decomposition mechanism of SF6 under PD

在PD產生的輝光放電區，由于電場強度較大，呈現出高電場能致使SF6氣體發生分解，生成各種離子團或原子團[12]。輝光放電區的分解反應主要因高能電子的碰撞所致，其表現形式為

在微量H2O存在的情況下，SF6分解生成的低氟化物還原成SF6的平衡將被打破[13]，由H2O產生的OH和O與由反應式（1）和式（2）生成的多種低氟硫化物將進一步發生反應式（3）～式（10），可生成SO2F2、SOF2等特征分解產物[14]。

在主氣室中少量低氟硫化物及以上所產生的生成物與H2O還可發生如下水解反應[15-18]

HF是非常活潑且極不穩定的強酸性物質，容易與GIS設備內部金屬、有機絕緣材料等反應生成穩定的氟化物，其含量會隨著PD時間的增長而減少，因此HF不適合作為SF6分解組分的特征氣體。另外，當PD涉及有機絕緣和金屬材料時，激發出的C還可與F和O發生反應生成CF4和CO2

初步研究發現，SOF2和SO2F2是SF6氣體在PD下生成的主要特征氣體。同時，SOF4主要形成于PD中，且極易水解并生成SO2F2。因此，本文主要選擇化學性質相對穩定，且能反映GIS絕緣狀況的CF4、CO2、SO2F2和SOF2作為PD下SF6氣體特征分解組分進行分析研究，其中CF4和CO2可作為反映固體絕緣材料性能的指標，SO2F2和SOF2可反映SF6氣體絕緣劣化的程度。

3 SF6局部放電分解試驗

3.1 SF6分解試驗系統

試驗在已研制的SF6氣體放電分解實驗裝置上進行[19]，試驗接線如圖2所示，用針-板電極（距離為1.0cm）模擬GIS設備中常見的高壓導體金屬突出物絕緣缺陷。外施試驗電壓控制在能使缺陷模型產生穩定的PD，但不超過設備固有起始PD電壓Ug。對PD使SF6氣體發生分解生成的組分混合樣氣選用Varian CP—3800氣相色譜分析儀進行定量測定。色譜分析儀采用99.999%以上的高純He作為載氣，使用填充柱（Porapak QS）和特制毛細柱（CP-Sil5CB 60mtr×0.32mm）并聯工作方式（其工作條件為流速2ml/min、柱溫恒溫40℃、進樣量1mL和分流比10∶1），并配備雙脈沖式He離子檢測器（PDHID，檢測精度可達0.01×10-6），能夠有效分離并檢測PD作用下SF6氣體的主要分解組分CF4、CO2、SO2F2、SOF2等。

圖2 SF6放電分解實驗接線圖Fig.2 Test wiring diagram

3.2 放電氣室中水分含量測量

在GIS氣室中，H2O不僅僅存在于SF6氣體中，其內部固體表面也會吸附微量的H2O，這部分H2O會逐步慢速釋放，很難通過短時間抽真空完全排除，因此，GIS設備內部總體水分應包括氣相和固相兩種水分，固相水分釋放到氣相中是一個放熱過程，氣相水分吸附到固相中是一個吸熱過程[20]，由此可見氣室溫度會直接影響微水的測量。所以，DL/T596—1996[7]中規定對SF6氣體的水分測量需采用20℃時的體積比分數來表示。

由于GIS設備內部氣體的H2O含量要達到平衡需要一定穩定時間，為了獲取該時間值以便實驗的開展，首先對PD分解實驗裝置中H2O含量穩定平衡時間開展試驗研究，在相同條件下做了兩種試驗：一種是用SF6新氣在真空下對放電室沖洗3次以除去各種雜質氣體，再向氣室充入0.2MPa的SF6新氣；另一種是在氣室內壁涂少量水膜（不形成水滴）后，同樣用SF6新氣在真空下沖洗3次后向氣室充入0.2MPa的SF6新氣。使用DMP-10精密露點儀測量混合氣體的微水體積分數，記錄下兩種情況氣室中H2O含量變化，并將記錄數據換算至20℃時體積比分數，實驗結果如圖3所示。可以看出兩種情況下氣室里的H2O含量均在0～24h增長較快，之后飽和趨勢明顯，且充氣48h后SF6氣體中H2O含量基本達到穩定，24h后H2O含量可以達到穩定值的93%以上。為此，在進行微水含量測定的試驗時，無論放電氣室內壁是否經過處理，都需放置24h以上，且按照IEEE所給的標準[21]將測試數據換算至20℃時體積比分數。

圖3 GIS內部氣體的水分含量隨時間變化Fig.3 Gas moisture vs time in GIS

為了模擬GIS設備內部在H2O正常和超標情況下SF6的分解情況，本文共對520×10-6、1 550×10-6、3 280×10-6、4 940×10-6、8 000×10-6、10 200×10-6、11 540×10-6（體積分數）7種H2O含量的SF6氣體進行了PD分解試驗。

3.3 試驗方法及步驟

試驗按照以下步驟進行：

（1）測試裝置固有PD起始電壓Ug和缺陷PD起始電壓Ud。經測試，當放電室充入0.2MPa高純SF6時，實驗裝置的Ug為45kV，放置人工模擬缺陷（針-板電極，間距d=10mm）后PD起始電壓為15kV，本文在有人工模擬缺陷時外施電壓為24kV。

（2）試驗前用乙醇清洗氣室內壁和人工缺陷模型，之后將人工缺陷放入氣室中，用SF6新氣在真空下對放電室沖洗3次以除去各種雜質氣體，在氣室內壁涂上不同量的純凈水，以達到模擬GIS中不同微水含量，在真空下注入SF6新氣直至氣室內氣壓為0.2MPa，并靜置24h使氣室中的H2O達到平衡。

（3）用HY-YF氧氣分析儀進行測定，使放電氣室中的空氣含量滿足IEC60480—2004標準要求；用DMP-10精密露點儀測量水分含量，以保證在不同H2O含量下進行試驗。

（4）對人工缺陷模型施加試驗電壓，使缺陷模型產生持續穩定的PD，PD下的脈沖電流信號通過檢測阻抗和數字存儲示波器（模擬頻帶1GHz，采集率20GHz，存儲深度48MB）進行監測和記錄，并保持每次試驗條件相同。

（5）每隔8h采集一次SF6放電分解組分樣氣，進行色譜含量分析，共進行48h氣體分解試驗。

4 試驗結果分析

當H2O含量不同時，SF6在PD作用下均有CF4生成，但總體含量較少，如圖4所示。在一定PD時間下，隨著H2O含量的增加，CF4組分含量不斷減少，說明H2O的增加阻礙了CF4的生成。分析其原因：CF4中C主要來源于PD區域附近固體有機絕緣材料的釋放，與PD強度有一定關系，當PD強度一定且位置固定時，C的含量變化不大；F由SF6在電子的撞擊下分解產生，其化學性質活潑，可以與金屬等反應生成穩定的化合物；C和F在高能放電區才易結合，而本氣室的固體有機絕緣材料沒有位于PD高能區，因此，CF4總生成量較少。當有H2O存在時，化學性質活潑的F更容易與H2O相結合發生復雜的化學反應，使得F漂移出PD高能區與C發生反應的概率減少，所以H2O的增加會阻礙CF4的生成。

圖4 不同H2O含量下CF4含量變化情況Fig.4 CF4 in comparison after different H2O contents

在一定PD試驗時間下，CO2組分含量的變化隨H2O含量的關系如圖5所示。可以看出無論H2O含量的高低，CO2的生成量都較CF4高，且CO2組分含量隨著H2O含量的增加總體呈現增大趨勢，且有一定分散性，即H2O濃度對CO2的生成規律有一定的影響，原因是固體絕緣材料釋放出的C與H2O分解得到的O結合生成CO2，固體絕緣材料釋放出的C有限，并要參與生成CF4等其他含C氣體，且O主要是在PD高能區通過反應式（3）和式（4）產生，而該區域中由于反應式（1）的大量進行，含有豐富的F，所以此時所生成的O更容易與化學性質活潑的F相結合，生成含氧的硫氟化物的組分，而不易漂移出PD高能區與C結合。因此，H2O對CO2的生成有一定的影響，但影響不大。在不同H2O含量下，SO2F2和SOF2的生成對比情況分別如圖6和圖7所示，可以看出，在一定PD時間下，SO2F2和SOF2的產氣量隨H2O含量的增長呈倒U型曲線，即H2O含量的增加對SO2F2和SOF2的生成有先促進后抑制的作用。當H2O含量小于8 000×10-6時，在相同PD時間和H2O含量下，SOF2的產氣量均高于SO2F2的產氣量，且SOF2和SO2F2的產氣量都隨H2O含量的增加而增加；當H2O含量大于8 000×10-6時，其產氣量都隨H2O含量的增加而減少。

圖5 不同H2O含量下CO2含量變化情況Fig.5 CO2 in comparison after different H2O contents

圖6 不同H2O含量下SO2F2含量變化情況Fig.6 SO2F2 in comparison after different H2O contents

圖7 不同H2O含量下SOF2含量變化情況Fig.7 SOF2 in comparison after different H2O contents

在不同H2O含量下，將同一PD時間的SO2F2濃度與SOF2濃度相比，得到φ（SO2F2）/φ（SOF2）與H2O含量的變化情況，如圖8所示。可以看出，在同一個PD時間下，隨著H2O濃度的增加，φ（SO2F2）/φ（SOF2）先減小后增大，呈U型曲線規律，即H2O對SOF2的促進和抑制作用均強于SO2F2。

由于輝光放電區SF6主要的分解產物是容易復合的SF5，而SF2、SF4占未復合分解產物的絕大部分，比較穩定，SOF2主要由SF2、SF3和SF4在放電輝光區與O和OH反應生成，如反應式（7）～式（10）；SO2F2主要由SF5與O和OH反應生成的SOF4及之后的水解反應生成，如反應式（5）、式（6）和式（12）。少量SF4等分子團向主氣室游離，在PD區域外發生式（11）的反應，生成少量SOF2。因此當H2O含量為520×10-6時，SOF2的產氣量高于SO2F2，此時φ（SO2F2）/φ（SOF2）小于1。

圖8 φ（SO2F2）/φ（SOF2）隨不同H2O含量的變化情況Fig.8 φ（SO2F2）/φ（SOF2）in comparison under different H2O contents

當SF6中H2O含量逐漸增多時，SF6電負性能下降，放電氣室內絕緣強度降低，PD頻率變大，使SF6分解加劇生成更多的低氟化物參與反應，此時H2O對SO2F2和SOF2的生成有促進作用，且當H2O含量升高時，SF2、SF3和SF4更容易捕捉到O和OH，而SO2F2增長速率不如SOF2，隨著H2O含量增加，φ（SO2F2）/φ（SOF2）逐漸減小。

當H2O含量大量增加達到8 000×10-6時，由于SOF2容易水解，氣室里開始大量發生如式（13）的水解反應使SOF2產氣量開始減少；而SO2F2相對較穩定，且H2O增加使生成SO2F2的反應加強，SO2F2繼續增加，φ（SO2F2）/φ（SOF2）曲線開始上翹。

當H2O進一步增大時，SOF2水解加劇，其產氣量大大減少。此時H2O含量很大，由于氣體硫化物都具有一定的溶水性，SO2F2氣體開始被吸收，且隨著H2O含量的增加，吸收作用增強，因此SO2F2的產量也開始降低。但其減少速度遠小于SOF2的減少速度，φ（SO2F2）/φ（SOF2）逐漸增加。

為了比較同一H2O含量下φ（SO2F2）/φ（SOF2）隨PD時間的變化特性，在同一H2O含量下，將對應PD時間時的SO2F2和SOF2濃度相比，得到φ（SO2F2）/φ（SOF2）與PD時間的變化情況，如圖9所示。可以看出，當H2O含量小于等于8 000×10-6時，隨著PD時間的增長，該比值逐漸減小；當H2O含量大于8 000×10-6時，該比值則隨著PD時間的增加而增加。

圖9 φ（SO2F2）/ φ（SOF2）隨不同PD時間的變化情況Fig.9 φ（SO2F2）/ φ（SOF2）in comparison under different discharge time

當H2O含量小于等于8 000×10-6時，隨著PD時間的增加，生成SOF2的化學方程式（7）～式（10）反應速率增加，即使有水解存在，其增加量大于水解量，且增幅大于SO2F2，所以φ（SO2F2）/φ（SOF2）隨PD時間的增加而增加；當H2O含量大于8 000×10-6后，SOF2的水解大大加強，隨著PD時間的增加，增加量逐漸減少，而SO2F2盡管有一部分被H2O吸收，但是相對更加穩定，沒有大量減少，相比SOF2的減少量要少得多，即φ（SO2F2）/φ（SOF2）隨PD時間的增加而增加。因此隨著H2O的加入使得特征比值C（SO2F2）/C（SOF2）發生了變化，進而影響了利用比值法診斷故障的準確性，甚至造成誤診。

5 結論

（1）由于溫度對SF6氣體的微水測量有較大影響，測試時要進行溫度校正。同時，為提高工作效率，測量剛注入SF6新氣的GIS設備微水含量時，需要至少靜置24h，才能使測量值達到穩定值的93%以上。

（2）如果固體有機絕緣材料與PD高能區域的位置一定，因電離釋放出的C與F和O結合生成CF4和CO2是有限的。在一定PD時間下，CO2總的含量高于CF4，且隨H2O含量的增加，CF4含量迅速減少并趨于穩定，而CO2含量有所增大，但總含量變化不大，且有一定分散性。

（3）在一定PD時間下，SO2F2和SOF2的產氣量隨H2O含量的增長呈現倒U型曲線，即H2O對SO2F2和SOF2的生成有先促進后抑制的作用，且H2O對SOF2的促進和抑制作用強于對SO2F2。當H2O含量較低時，隨著PD時間的延長，φ（SO2F2）/φ（SOF2）逐漸減小并趨于飽和，當H2O含量較高時，該比值逐漸增加。

（4）由于H2O對SF6在PD下分解生成的各特征組分含量均有一定的影響，且變化規律各不相同，在利用SF6分解組分含量及其比值的變化規律來診斷GIS絕緣故障時，必須同時測定SF6中H2O的含量并對其影響加以校正才能得到正確的判斷。

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