淺析應用SF6氣體分解物判斷設備故障

閆佳文 胡偉濤 郝雪 郭小燕

【摘要】文章闡述了SF6氣體分解物的生成機理及其特點;影響SF6氣體分解物生成的因素;應用SF6氣體分解物進行電氣設備故障診斷的情況以及設備中SF6氣體分解物組分含量監控值等問題為國內外有關應用電氣設備內SF6氣體分解物進行設備故障診斷提供一定的理論依據。

【關鍵詞】SF6氣體分解物;故障診斷

引言

以SF6氣體作為絕緣介質的電氣設備稱為SF6電氣設備，其包括斷路器、電壓互感器、電流互感器、避雷器、電容器、變壓器和GIS等。由于SF6氣體不燃不爆，不僅具有穩定的化學性能，而且具有優異的電氣性能，自上世紀80年代后SF6電氣設備得到廣泛的應用，全國SF6電氣設備達數十萬臺，已成為電力系統的主要設備。這些設備的性能好壞直接影響電力生產的安全經濟運行。局部放電（PD）在線監測法是對SF6設備內所存在的絕緣性缺陷進行有效地監測及控制的重要方法，但由于在實際的工作環境中設備受到的磁場噪聲干擾太強，因此傳統的局部放電檢測方法如超聲法雖然在理論上達到了要求，但無法取得良好的應用效果，而抗干擾能力強的特高頻法（UHF）理論上還存在一定的缺陷，難以實現絕緣狀態的準確判斷。因此，電力系統急需找到一種既能夠滿足技術要求、又具有良好抗干擾能力和應用效果的SF6設備絕緣狀態評估方法。

經統計分析表明：SF6氣體中分解產物與內部狀態有一定的關系，利用SF6氣體中分解產物的組分及其含量，能夠準確、快速地檢出設備內部故障。本文旨在探討SF6設備中出現的各種氣體的由來和可能對應的故障類別及部位。

1.應用SF6氣體分解物判斷設備故障的原理

1.1 SF6電氣設備各種氣體成分的成因

SF6氣體是所有SF6電氣設備所共同的絕緣介質，其負電性很強，具有很好的絕緣性能和滅弧性能，是目前理想的絕緣介質，起著絕緣、滅弧和冷卻散熱的作用。試驗表明，只有當溫度高于500℃時SF6氣體開始分解，700℃后才會明顯裂解（在電弧作用下將快速裂解）主要產生SO2、SOF2和HF。

SF6電氣設備采用的固體絕緣材料主要有熱固形環氧樹脂、聚酯尼龍、聚四氟乙烯、聚 酯乙烯、絕緣紙和絕緣漆等，其由C、H、F、S、O和N等元素構成，按其分解溫度及主要產物可分為三類：

（1）熱固形環氧樹脂為多種大分子量的混合物，有雙酚型和酚醛型兩類，由C、H、O、S和N等元素構成，當溫度高于500℃時開始裂解，主要產生H2S、CO、SO2、CF4、NO、NO2和少量低分子烴。

（2）聚四氟乙烯由C、F元素構成，當溫度高于400℃時開始裂解，主要產生CF4和CO。

（3）聚酯乙烯、聚酯薄膜、絕緣紙和絕緣漆為碳水化合物，由C、H和O等元素構成，在130℃時開始裂解，主要產生CO、H2、CO2和低分子烴。

1.2 表征SF6電氣設備內部絕緣材料分解的特征氣體及常態值

據國外資料報道，SF6電氣設備內部故障時產生的硫化物、氟化物和碳化物有近百種。在深入研究內部絕緣材料的裂解機理和對各種故障實例進行統計分析后可知：

（1）SF6分解的特征氣體為SO2、SOF2和HF，電氣設備在正常運行過程中其各個氣體成分的含量為：SO2≤0.5（μL/L）、SOF2≤0.5（μL/L）、HF≤0.2（μL/L）;

（2）熱固型環樹脂分解的特征氣體為H2S，電氣設備在正常運行過程中其各個氣體成分的含量為：H2S≤0.2（μL/L）

（3）聚酯乙烯、絕緣紙和絕緣漆分解的特征氣體為CO，電氣設備在正常運行過程中其各個氣體成分的含量為：CO≤50（μL/L）

（4）聚四氟乙烯分解的特征氣體為CF4，且電氣設備在正常運行過程中其各個氣體成分的含量為：CF4≤100（μL/L）

從上述得知，當SF6電氣設備內部存在故障時，故障區域的SF6氣體和固體絕緣材料在熱和電的作用下將裂解產生SO2、SOF2、H2S、CO、HF和CF4等特征氣體，這些分解產物將緩慢地溶解、擴散到SF6氣體中， SF6氣體中分解產物與內部故障有一定的關系，因此檢測這些特征組分的含量便可診斷出設備內部故障。

1.3 SF6電氣設備分解產物的檢測方法

由于SF6電氣設備內部早期故障的能量低、范圍小、濃度小、SF6氣體分子量大、設備內部壓力高，氣體密度大，溫差小，流動性很差，因此，若簡單的從設備中取出幾十毫升氣體進行測試，所檢測的數據大都低于本體實際濃度，難以檢出潛伏性故障。因此，SF6電氣設備分解產物現場檢測只能采用流動檢測的電化學法。即采用靈敏度較高、穩定性好、反應速度快、耗氣量少的電化學傳感器，對SF6設備進行內部故障檢測，當檢測氣體進入傳感器后與電解質發生化學反應，在電極間產生與其濃度相應的電信號。

2.應用SF6氣體分解物判斷設備的故障類型及部位

SF6電氣設備內部故障主要有兩種類型：放電性故障及過熱性故障，其中放電性故障又包括電暈放電、火花放電、電弧放電，過熱性故障包括低溫過熱、中溫過熱及高溫過熱。如圖1所示：

圖1

通過對SF6設備長期檢測和各種故障分析后，我們將內部常見的故障部位歸納為以下六種：

（1）導電金屬對地放電，這類故障主要表現為SF6氣體中的導電顆粒和絕緣子、拉桿缺陷引起導電桿對地放電，故障能量大，會產生大量SOz、SOF2、HS、HF。

（2）懸浮電位放電，這類故障通常表現為斷路器動觸頭與絕緣拉桿間接觸不良或TA二次引出線電容屏上部的固定螺絲松動引起插銷兩側金屬（或螺帽）與螺桿間懸浮電位放電，故障能量不大，一般只有sF6分解產物，主要生成S02、HF、H2S。

（3）導電桿的連接接觸不良，當故障點溫度超過500℃時，sF6和周圍固體絕緣材料開始熱分解; 當溫度達700℃以上時，動靜觸頭、導電桿連接處、梅花觸頭包箍會蠕變斷裂，引起觸頭融化脫落、絕緣材料分解。其主要分解產物為SO2、HF、H S。

（4）互感器、變壓器匝間、層間和套管電容屏短路，互感器、變壓器匝層間和套管電容屏短路。內部故障時，故障區域的sF6、聚酯乙烯、紙、漆等絕緣材料會裂解，主要產生SO2、SOF2、HF、cO和低分子烴。

（5）斷路器重燃，斷路器正常開斷時，電弧一般在一個周波內熄滅，當滅弧介質不正常或電流不過零時，電弧不能熄滅，會灼傷滅弧室和觸頭。此時，SF6和聚四氟乙烯分解，主要產生S02、SOF2、HF。

（6）斷路器斷口并聯電阻、電容內部短路，斷口的并聯電阻、電容因質量不佳而引起短路，使sF6裂解，主要產生S02、SOF2、HF。

因此，只需要總結歸納出各類氣體成分的含量特征，即可對SF6電氣設備的故障類別及部位做出初步判斷。

3.判斷標準及檢測周期

根據搜集到的數萬臺次檢測數據統計，設備正常時的分解產物含量如表1所示。

表1

檢測周期建議按電壓等級按表2所示進行：

表2

設備名稱 檢測周期 備注（以下情況必須檢測）

30kV及以下設備 新設備投運半年內檢測1次 （1）新設備或大修后設備投運前必須檢測

（2）發生近區短路斷路器跳閘

（3）受過電壓嚴重沖擊

（4）設備有異常聲響，有強磁場

（5）局部放電異常

110kV-220kV設備

（含65kV） （1）新設備投運半年內檢測1次

（2）每2-3年檢測1次

330-1000kV設備 （1）新設備投運3個月內檢測1次

（2）每1-2年檢測1次

4.結束語

在應用SF6氣體成分分析設備內部故障時，我們還應當從以下幾方面著手：“一看”（看分解產物的組分種類和濃度是否超過正常值）、“二比”（與上次比較分解產物的組分種類和濃度是否有變化，與相鄰氣室比較分解產物的組分種類和濃度）、“三了解”（設備的結構、氣室大小、排氣口至本體的距離，運行情況，嚴重沖擊和設備是否有異常聲響及強烈電磁場等，設備的檢修、氣體質量、電氣試驗、繼電保護動作和故障錄波情況）。

應用SF6氣體可以對電氣設備故障狀態通過特征氣體的體積分數進行判斷，但是，SF6氣體由于設備發熱而造成在分解時溫度較高，存在一定的滯后性，所以故障和缺陷僅靠檢測SF6氣體的分解物是不夠的，下一步應該做好對有關雜質組分含量的監控值的確立。

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[6]DL/T 596-1996電力設備預防性試驗規程[S].

作者簡介：

閆佳文（1980—），男，碩士，工程師，主要從事電氣試驗、電氣設備在線監測與故障診斷等方面的研究。

胡偉濤（1977—），男，碩士，工程師，主要從事電氣試驗、電氣設備在線監測與故障診斷、電氣設備狀態檢修及新能源在電力系統應用等方面的研究。