不同電極材料下GIS絕緣子表面爬電放電SF6分解組分比值特性分析

沈 渡 屈江江

（華北電力大學(xué)，北京102206）

1 局部放電時(shí)SF1氣體分解原理

SF6氣體作為優(yōu)良的絕緣介質(zhì)已廣泛應(yīng)用于氣體絕緣組合電器（簡(jiǎn)稱GIS）中。在正常情況下，SF6化學(xué)性質(zhì)十分穩(wěn)定、不易分解，但在GIS設(shè)備內(nèi)部出現(xiàn)絕緣缺陷并引發(fā)局部放電時(shí)，SF6氣體會(huì)發(fā)生分解，生成微量的分解氣體［1］。

局部放電下陡脈沖強(qiáng)電場(chǎng)激發(fā)的高能電子碰撞SF6分子，引起SF6氣體分解。

e＋SF6→SFX＋（6－X）F，X ＝1～5

e＋SFX→SFX－1＋F

絕大部分初級(jí)分解產(chǎn)物SFX（X＝1，2，…，5）會(huì)快速?gòu)?fù)合為SF6分子，但放電氣室內(nèi)部不可避免存在的水分、氧氣等雜質(zhì)會(huì)與低氟硫化物SFX（X＝1，2，…，5）進(jìn)一步發(fā)生反應(yīng)，生成CF4、SO2F2、SOF2、SO2和SOF4等產(chǎn)物［2］。

如果放電區(qū)域周圍存在含碳材料（如不銹鋼金屬電極、固體絕緣材料等），氣室中的F 原子和O 原子還會(huì)與含碳材料釋放出的C原子發(fā)生反應(yīng)，生成CF4和CO2等產(chǎn)物。在高溫條件下，C原子還會(huì)和CO2反應(yīng)生成CO［3］。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)概述

整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由GIS實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀⒓訅貉b置、SF6組分分析裝置、局放監(jiān)測(cè)裝置組成。如圖1 所示，GIS 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)為三相共體設(shè)備，絕緣等級(jí)為110kV，共分為6 個(gè)氣室。氣室之間采用封閉式盆式絕緣子分隔，且每個(gè)氣室上設(shè)有取氣口和氣壓表。其中豎立的兩個(gè)氣室從上到下分別為6#和5# 氣室。SF6組分分析裝置使用華愛(ài)GC9760B 氣相色譜儀。

圖1 GIS實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ屯庥^圖

3 GIS絕緣缺陷物理模型構(gòu)建

在5#、6#氣室分別使用鐵絲和銅絲設(shè)置了盆式絕緣子沿面樹枝爬電缺陷，電極一端固定在均壓環(huán)與絕緣子之間，另一端緊密接觸絕緣子表面。鐵絲對(duì)地凈空距離為60mm，對(duì)地沿面距離為63mm。銅絲對(duì)地凈空距離為51mm，對(duì)地沿面距離為63mm。銅絲已經(jīng)過(guò)打磨處理。

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取與數(shù)據(jù)處理

本實(shí)驗(yàn)中采用的是高純SF6氣體（純度為99.999%）。本文對(duì)充入放電氣室后的SF6氣體做了檢測(cè)，測(cè)量結(jié)果如下：5#氣室CO2含量為1.589 5ppm，CF4含量為1.489 5ppm；6#氣室CO2含量為1.577 1ppm，CF4含量為1.476 2ppm。

盡量保證局放量在一個(gè)恒定數(shù)值，并通過(guò)調(diào)節(jié)電壓來(lái)保證局放量。實(shí)驗(yàn)采用三相共同加壓方式，并監(jiān)測(cè)總體局放量，保持實(shí)驗(yàn)電壓在31～35kV 之間，5# 和6# 氣室的局放量在800～1 300pC之間，兩個(gè)氣室SF6氣壓都是3.5 MPa。進(jìn)行240h的持續(xù)加壓，利用氣相色譜跟蹤測(cè)量SF6放電分解氣體（每12～24h采集一次樣品），分析得到SF6局放分解氣體的定性定量結(jié)果。

4.1 兩氣室相同分解組分的對(duì)比關(guān)系

把兩氣室相同組分的含量扣除初始含量后放在一起，然后進(jìn)行曲線擬合，得到變化規(guī)律，如圖2所示。

圖2 兩氣室氣體組分含量的對(duì)比

兩個(gè)氣室CO2和CF4含量都隨放電時(shí)間的延長(zhǎng)而增長(zhǎng)，并且呈現(xiàn)飽和趨勢(shì)。其中5#氣室的CO2和CF4生成量和增長(zhǎng)速率都比6#氣室大，5#氣室的SO2F2和SOF2生成量比6#氣室多。從原理上看，CO2和CF4的產(chǎn)生來(lái)源可能為鐵絲和盆式絕緣子環(huán)氧樹脂有機(jī)材料，而銅絲生成的碳元素比鐵絲少，并且6#氣室的放電量可能沒(méi)有5#氣室大。可見(jiàn)用氣體組分含量并不能直觀區(qū)別出兩種電極材料。

4.2 兩氣室分解組分比值的對(duì)比關(guān)系

本文選擇c（SOF2）/c（SO2F2）和c（CF4＋CO2）/c（SOF2＋SO2F2）兩組組分含量比值作為識(shí)別四種絕緣缺陷的特征量，因?yàn)檫@兩組組分含量比值具有明確的物理意義。c（SOF2）/c（SO2F2）的值可用來(lái)表征PD能量的大小，c（CF4＋CO2）/c（SOF2＋SO2F2）的值可用來(lái)表征絕緣材料和金屬材料的劣化程度。

如圖3所示，6#氣室的放電缺陷c（SOF2）/c（SO2F2）和c（CF4＋CO2）/c（SOF2＋SO2F2）含量比5# 氣室大，且數(shù)值大小區(qū)分度高，可見(jiàn)用氣體組分含量能直觀區(qū)別出兩種電極材料。

圖3 兩氣室組分比值的對(duì)比

5 結(jié)論

（1）分析了PD 引起SF6氣體發(fā)生分解的機(jī)理，當(dāng)電極材料為鐵和銅時(shí)，穩(wěn)定的氣體分解產(chǎn)物都有CO2、CF4、SO2F2、SOF2，并且其含量都隨著放電時(shí)間的延長(zhǎng)而有所增加。

（2）當(dāng)電極材料為鐵時(shí)，CO2、CF4、SO2F2、SOF2的氣體組分含量都比當(dāng)電極材料為銅時(shí)要高，這是因?yàn)殡姌O材料為鐵時(shí)，能夠分解出更多的碳元素，并且放電量也比較大，但是不能直觀區(qū)別出兩種電極材料。

（3）兩種電極材料的c（SOF2）/c（SO2F2）和c（CF4＋CO2）/c（SOF2＋SO2F2）兩種組分含量比值的特性有著明顯差距，其中當(dāng)電極材料為銅時(shí)，這兩種組分含量比值比電極材料為鐵時(shí)要大得多，因此可以用這兩種組分含量比值來(lái)區(qū)分沿GIS盆式絕緣子表面爬電放電電極材料的不同。

［1］唐炬，胡瑤，裘吟君，等.兩種局部放電類型下SF6分解組分檢測(cè)及特性分析［J］.重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，36（1）：55－61.

［2］張曉星，姚堯，唐炬，等.SF6放電分解氣體組分分析的現(xiàn)狀和發(fā)展［J］.高電壓技術(shù)，2008，34（4）：664－669，747.

［3］連鴻松.根據(jù)SF6氣體分解產(chǎn)物診斷電氣設(shè)備故障［J］.福建電力與電工，2005，25（3）：21－24.