基于SF6氣體分解產(chǎn)物檢測的設(shè)備狀態(tài)判斷

郭 偉，祁 炯，劉立華

(1.國網(wǎng)安徽電力公司馬鞍山供電公司，安徽 馬鞍山 243000；2.國網(wǎng)安徽省電力科學(xué)研究院，安徽 合肥 230022；3.北京電力建設(shè)公司，北京 100008)

0 引言

目前，國內(nèi)外通過檢測SF6氣體分解產(chǎn)物種類及體積分?jǐn)?shù)來發(fā)現(xiàn)GIS設(shè)備、SF6斷路器、變壓器、互感器、避雷器、隔離刀閘、套管等設(shè)備內(nèi)部的潛伏性故障，并在設(shè)備事故位置定位等方面取得了階段性進展。與其他表征設(shè)備狀態(tài)的信息(聲波、現(xiàn)象、圖像、紅外、紫外、電氣試驗等)相比，此監(jiān)測手段具有不停電、受現(xiàn)場電磁波干擾小、信噪比高、測試速度快、靈敏度高等優(yōu)點，得到了廣泛應(yīng)用。大量數(shù)據(jù)表明：檢測和監(jiān)督SF6氣體分解產(chǎn)物組分及體積分?jǐn)?shù)含量，對預(yù)測設(shè)備潛伏性缺陷及故障部位定位，有一定參考和指導(dǎo)價值。

SF6氣體作為新型絕緣介質(zhì)，將其運用到電氣設(shè)備的時間較晚，其分解機理和化學(xué)反應(yīng)規(guī)律還有待進一步研究和認(rèn)識。目前，國際上尚無權(quán)威和統(tǒng)一的分解產(chǎn)物體積分?jǐn)?shù)的質(zhì)量控制極限、產(chǎn)氣速率控制指標(biāo)、檢測周期和規(guī)范的測試方法，仍處于積累相關(guān)數(shù)據(jù)和總結(jié)經(jīng)驗階段。在放電和過熱的情況下，SF6氣體分解出的硫離子和氟離子會和組成設(shè)備的電極材料、絕緣材料、設(shè)備的密封件以及進入設(shè)備內(nèi)部的空氣、水發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生一系列表征設(shè)備故障的特征氣體，如SO2，H2S，SOF2，SO2F2，S2F10，S2F10O，SiF4，SF4，HF，CF4，CO，CO2，C3F8等，以及固體粉末MFn(M指金屬元素，主要代表為鋁、銅、鎢)，硫化物、氟化物和碳化物等近百種分解產(chǎn)物。雖然每種分解產(chǎn)物對判斷設(shè)備內(nèi)部的潛伏性故障及事故故障的定位有一定的參考價值，但受目前檢測儀器的準(zhǔn)確度和檢測技術(shù)水平等制約，很多組分只能作定性描述，不能作定量分析。表征設(shè)備故障的特征氣體組分和體積分?jǐn)?shù)大小也會因故障發(fā)生的位置、氣室大小和結(jié)構(gòu)不同，在設(shè)備內(nèi)部吸附劑的吸附作用影響下，隨著時間的變化而變化，客觀上對設(shè)備故障的預(yù)判造成了一定的難度。

如何篩選、利用、整合這些信息為評估設(shè)備狀態(tài)提供參考和依據(jù)，是當(dāng)前擺在從事此項工作和研究人員面前的艱巨任務(wù)和挑戰(zhàn)。根據(jù)多年實踐經(jīng)驗，通過對許多實際案例進行深入的分析總結(jié)，現(xiàn)得出如下結(jié)論：在眾多的分解產(chǎn)物中，只要能檢測到 SO2，SO2F2，HF，CF4，H2S，CO，CO2這7種分解產(chǎn)物中的1種或1種以上分解產(chǎn)物組分以及體積分?jǐn)?shù)，并結(jié)合設(shè)備的運行工況、電氣特性等情況進行綜合分析，就能基本判定該氣室是否存在潛伏性故障，并對事故后設(shè)備故障氣室快速定位。

1 理論基礎(chǔ)及檢測手段

1.1 分解產(chǎn)物中特征氣體選擇的理論依據(jù)

SF6氣體絕緣設(shè)備內(nèi)部材料主要由SF6氣體和各種固體絕緣材料(環(huán)氧樹脂、聚四氟乙稀、聚酯乙烯、絕緣紙)及絕緣漆組成，絕緣材料由C，H，O，S，F(xiàn)等元素組成。根據(jù)SF6氣體的分解機理：設(shè)備故障區(qū)域內(nèi)SF6氣體在放電(電弧放電、火花放電、局部放電)和過熱(溫度達(dá)500 ℃以上)的情況下，設(shè)備內(nèi)部的SF6氣體會發(fā)生如式(1)～(5)的反應(yīng)：

國內(nèi)外大量的科學(xué)試驗研究表明：純凈的SF6氣體在電弧的作用下會直接分解產(chǎn)生SF4和F2；這2種氣體在極短時間內(nèi)發(fā)生復(fù)合反應(yīng)重新生成SF6氣體，其復(fù)合率高達(dá)99.8 %。但實際上，SF6電氣設(shè)備要完全避免H2O，O2及其他雜質(zhì)是不可能的。由于SOF2，SOF4，SF4屬于中間態(tài)產(chǎn)物，含量低、難檢出，在實際運用中價值不大，且性質(zhì)活潑又極不穩(wěn)定，容易發(fā)生水解反應(yīng)，最終會產(chǎn)生比較穩(wěn)定的SO2，HF，SO2F2。因此，選取性能穩(wěn)定且具有代表性的SO2，HF，SO2F2作為SF6絕緣氣體的特征分解產(chǎn)物，將SO2，HF作為主要參考對象，SO2F2作為輔助判斷，當(dāng)發(fā)生設(shè)備大電流放電故障時，SO2必定出現(xiàn)且含量較高。

在實際運用中，將CF4，H2S這2種氣體作為固體絕緣材料的主要特征分解產(chǎn)物，將CO，CO2作為輔助判斷。根據(jù)大量現(xiàn)場實際案例，一般CF4為所有SF6充氣電氣設(shè)備故障的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)物，尤其是盆式絕緣子。當(dāng)斷路器觸頭發(fā)生燒灼故障時，一定能檢出CF4，其CF4含量大小可直接判斷設(shè)備的絕緣狀況。將H2S看作熱固性環(huán)氧樹脂的特征分解產(chǎn)物，出現(xiàn)H2S與否可作為判斷設(shè)備故障是否涉及固體絕緣材料的重要參考依據(jù)。

1.2 分解產(chǎn)物檢測方法及檢測儀器

SF6氣體分解產(chǎn)物種類繁多，性質(zhì)各異，給檢測體積分?jǐn)?shù)帶來很大的困難。氣相色譜法(GC)中可作參照物的標(biāo)準(zhǔn)樣品較少，給物質(zhì)定性帶來很大的難度；色譜-質(zhì)譜聯(lián)合法(GC-MS)的檢測方法中，色譜對復(fù)雜組分分離能力強，質(zhì)譜對未知痕量成分定性準(zhǔn)確，鑒別未知峰能力強，但對使用人員的技術(shù)素質(zhì)和操作水平及實驗室環(huán)境等要求極高，普及率極低。其他檢測方法：氣體檢測管法、氣體電化學(xué)傳感器法、紅外光譜法、核磁共振法等各有優(yōu)劣，均具有一定的局限性，難以全面推廣運用。

根據(jù)現(xiàn)場的實際情況和基層生產(chǎn)單位測試人員的現(xiàn)狀，使用SP-Ⅴ便攜式色譜儀就基本能解決上述問題。這種儀器操作簡單、攜帶方便、受外界環(huán)境干擾影響小、準(zhǔn)確度高。SP-Ⅴ便攜式色譜儀采用氣相色譜法分析原理和氣體電化學(xué)傳感器法分析原理相結(jié)合的檢測方法，其技術(shù)參數(shù)見表1，能夠在短時間內(nèi)快速檢測到SO2，H2S，SO2F2，HF，CF4，CO，CO2，C3F8等常見分解產(chǎn)物，方便適用，基本可滿足檢測需要。

2 分解產(chǎn)物的相關(guān)參考值

目前，國內(nèi)外雖未頒布SF6氣體分解產(chǎn)物的種類和體積分?jǐn)?shù)注意值的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和執(zhí)行規(guī)則，但是研究人員對大量的仿真模擬試驗和實際故障進行總結(jié)和分析，認(rèn)為HF是SF6氣體在過熱和放電情況下第1個生成的特征分解產(chǎn)物，CO主要是固體有機絕緣件長期放電過熱的特征分解產(chǎn)物。通過驗證：HF及CO對評估SF6電氣設(shè)備的狀態(tài)和預(yù)測今后發(fā)展趨勢及設(shè)備發(fā)生事故后進行故障定位具有重要的指導(dǎo)意義。SF6氣體分解產(chǎn)物國內(nèi)外相關(guān)參考技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

3 案例分析

3.1 案例1

某公司在開展超聲波局部放電的普查過程中，發(fā)現(xiàn)220 kV GIS設(shè)備258間隔PT氣室B相存在局部放電量異常故障，隨即利用SP-Ⅴ便攜式SF6氣體分解產(chǎn)物色譜儀對該間隔(氣室相通)進行氣體分解成分檢測。測試數(shù)據(jù)結(jié)果顯示：該間隔不僅存在約2 μL/L的HF氣體，CF4含量也大于運行設(shè)備正常值(<200 μL/L)2倍。隨后，對該間隔三相連通氣室進行隔離，對PT氣室B相每2周進行1次超聲波局放(AE)檢測和SF6氣體分解產(chǎn)物體積分?jǐn)?shù)跟蹤分析檢測，觀察放電發(fā)展趨勢。通過連續(xù)2個月的跟蹤監(jiān)測，在加強監(jiān)測期間內(nèi)，其放電程度和分解氣體體積分?jǐn)?shù)增長數(shù)值逐漸趨于穩(wěn)定，B相潛伏性放電故障未出現(xiàn)急劇式增長。B相氣室SF6氣體體積分?jǐn)?shù)的測試數(shù)據(jù)如表3所示。

表1 SP-Ⅴ便攜式色譜儀技術(shù)參數(shù)

表2 實測SF6氣體分解產(chǎn)物體積分?jǐn)?shù)的參考值 μL/L

表3 B相氣室SF6氣體體積分?jǐn)?shù)的測試數(shù)據(jù) μL/L

從表3數(shù)據(jù)可知：

(1) 作為表征SF6電氣設(shè)備故障的特征分解產(chǎn)物，HF氣體最早生成并被檢出，這說明該設(shè)備存在一定程度的潛伏性放電故障。但HF氣體含量較低，在后續(xù)監(jiān)測過程中又突然消失，且SO2，H2S，SO2F2一直未被檢出，這種現(xiàn)象表明該氣室故障程度不嚴(yán)重，放電量不大，產(chǎn)氣量也不大；同時也表明氣體可能被設(shè)備內(nèi)部安放的吸附劑所吸附；

(2) CF4含量高(＞400 μL/L)，超過運行設(shè)備正常值2倍，這說明該氣室存在涉及固體絕緣材料的放電性故障；

(3) CO，CO2被檢出，輔助說明故障與固體絕緣材料存在一定的關(guān)聯(lián)；CF4含量未呈現(xiàn)增大趨勢，說明該故障未擴大。

綜合氣體分解產(chǎn)物體積分?jǐn)?shù)的變化情況進行分析，初步診斷為氣室存在懸浮電位放電，但放電程度較輕。為避免故障繼續(xù)發(fā)展造成事故停電，工作人員決定停運設(shè)備進行檢修處理。經(jīng)停電解體檢查，發(fā)現(xiàn)用于固定屏蔽鋁板的2顆絕緣螺栓桿，在設(shè)備運行過程中因振動或發(fā)熱等不明原因發(fā)生脫落斷裂，并同螺母一起掉于氣室內(nèi)造成懸浮電位放電。

3.2 案例2

某公司在某次110 kV斷路器SF6氣體分解產(chǎn)物普查中，檢測出分解產(chǎn)物SO2，HF及CO組分含量異常，SO2體積分?jǐn)?shù)含量達(dá)到70 μL/L，其余組分的分解產(chǎn)物體積分?jǐn)?shù)含量未被檢出，檢測結(jié)果如表4所示。次日復(fù)測后的檢測數(shù)據(jù)未發(fā)生太大變化。

表4 某110 kV斷路器SF6氣體分解產(chǎn)物檢測數(shù)據(jù) μL/L

考慮到分解產(chǎn)物中含有SO2和HF，且SO2體積分?jǐn)?shù)含量很大，H2S和CF4未被檢出，初步懷疑是設(shè)備內(nèi)部存在局部放電現(xiàn)象使SF6氣體分解，排除設(shè)備內(nèi)部固體絕緣材料故障。由于SO2含量很大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過GB/T8905—2012《六氟化硫電氣設(shè)備中氣體管理和檢測導(dǎo)則》等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，而最近一次跳閘后檢測SO2+SO2F2含量不大于2.0 μL/L，認(rèn)定為“危急缺陷”級別。停電解體檢查，發(fā)現(xiàn)該設(shè)備拉桿連接處孔銷配合出現(xiàn)縫隙、配合尺寸超公差，孔徑變大、孔銷變細(xì)。孔銷之間的懸浮電位引起局部放電分解SF6氣體，產(chǎn)生SO2和HF等產(chǎn)物。

3.3 案例3

某公司220 kV GIS母差保護動作，228號間隔發(fā)生故障，工作人員立刻對隔離開關(guān)2281故障氣室和隔離開關(guān)2282正常氣室進行分解產(chǎn)物氣體體積分?jǐn)?shù)檢測，檢測結(jié)果如表5所示。

從表5數(shù)據(jù)可知：

(1) 故障氣室檢出SO2及HF氣體且其含量較大，這表明該氣室發(fā)生過大電流放電故障；

(2) CF4被檢出且含量高，這說明故障涉及固體絕緣材料；

(3) 解體氣室發(fā)現(xiàn)有大量的白色粉末，盆式絕緣子、筒壁內(nèi)呈現(xiàn)燒焦的痕跡，粉末可能是A l，Cu的氟化物。該事故發(fā)生的原因是：導(dǎo)電桿接觸不良引起嚴(yán)重過熱，金屬熔化后造成絕緣子燒傷，最終導(dǎo)致對地放電。

表5 SF6氣體積分?jǐn)?shù)的檢測數(shù)據(jù) μL/L

4 結(jié)束語

檢測SO2，H2S，CF4，HF等SF6氣體分解產(chǎn)物，可準(zhǔn)確、快速地診斷設(shè)備內(nèi)部存在的潛伏性故障。由于發(fā)生故障時，SF6氣體具有復(fù)雜的理化性質(zhì)及其分解產(chǎn)物的多樣性、多變性及復(fù)雜性，與變壓器油色譜分析相比較，此種檢測方法正處在發(fā)展階段中，僅靠分解產(chǎn)物種類及體積分?jǐn)?shù)含量易造成誤判、漏判，因此在診斷時要運用“組合拳”，在實踐中積累數(shù)據(jù)和經(jīng)驗，并注意下面幾個問題。

(1) 應(yīng)用SP-Ⅴ便攜式色譜儀及其他SF6氣體分解產(chǎn)物測試儀進行現(xiàn)場檢測時，要綜合多種分解產(chǎn)物氣體組分 (SO2，SO2F2，HF，CF4，H2S，CO，CO2)的數(shù)據(jù)，進行橫向、縱向分析比較。

(2) 以電氣試驗、特高頻、超聲波以及SF6氣體分解產(chǎn)物等檢測手段為代表的檢測項目，對設(shè)備的狀態(tài)評估、故障診斷都有非常重要的參考作用，在診斷過程中要綜合運用電-聲-氣等不同的診斷技術(shù)。

(3) 在設(shè)備的普查過程中，一旦發(fā)現(xiàn)SF6氣體分解產(chǎn)物氣體組分含量異常，一定要同時檢測相鄰氣室(或相)的SF6氣體分解產(chǎn)物氣體組分含量，重點對比相鄰氣室(或相)的CF4含量是否異常。若異常，則懷疑設(shè)備內(nèi)部絕緣材料存在缺陷；若無異常，則懷疑是電極尖刺放電缺陷，包括沿面放電、懸浮電位放電、零件連接不緊、局部放電、套管分解產(chǎn)物異常等。

(4) 由于設(shè)備內(nèi)部吸附劑的吸附作用，會檢測不到某些表征故障特征的微量氣體(SO2，HF，H2S等)，這對設(shè)備的準(zhǔn)確診斷造成一定的干擾。因此，一旦發(fā)現(xiàn)設(shè)備出現(xiàn)故障，應(yīng)及時趕到現(xiàn)場迅速檢測氣體成分，避免錯過最佳的檢測時機。試驗研究表明：吸附劑對分解產(chǎn)物吸附速率的大小順序大致是：SO2≈HF≈H2S＞CO2≈CF4≈C3F8。吸附劑對CF4，CO2，CO，C3F8的吸附能力微弱，影響甚微，對這些組分具有積累和記憶效應(yīng)；吸附劑對SO2，HF，H2S的吸附能力較強，在很短時間內(nèi)可將設(shè)備內(nèi)的分解產(chǎn)物降低很多。

1 郭 偉．氣體分解產(chǎn)物應(yīng)用于SF6電氣設(shè)備故障查找的分析[J]．絕緣材料，2012，45(4)：69-72.

2 袁 平，付漢江，袁先亮．便攜式色譜儀在六氟化硫電氣設(shè)備故障檢測中的應(yīng)用研究[J]．華中電力，2010，23(6)：48-53.

3 蘇鎮(zhèn)西，趙 也．設(shè)備吸附劑對SF6氣體分解產(chǎn)物檢測結(jié)果影響的試驗研究[J]．高壓電器，2013，49(6)：26-31.

4 張曉星，姚 堯，唐 炬，等．SF6放電分解產(chǎn)物組分分析的現(xiàn)狀和發(fā)展[J]．高電壓技術(shù)，2008，34(4)：664-747.