不同吸附劑對GIS局部放電特征氣體變化規(guī)律的影響

喬勝亞　周文俊　唐　念　鄭　宇　李　麗

(1.武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院　武漢　430072 2.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院　廣州　510080)

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不同吸附劑對GIS局部放電特征氣體變化規(guī)律的影響

喬勝亞1周文俊1唐念2鄭宇1李麗2

(1.武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院武漢430072 2.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院廣州510080)

為提高化學(xué)診斷法用于氣體絕緣組合電器(GIS)絕緣狀態(tài)判斷的準確度，需評估吸附劑對GIS內(nèi)局部放電產(chǎn)生的特征氣體的吸附特性影響。在小型模擬試驗平臺上設(shè)置針-板電極放電模型，研究了不放置吸附劑、分別放置5A、F-03和KDHF-03吸附劑時GIS局部放電特征氣體的變化規(guī)律。試驗結(jié)果表明：加入吸附劑后，SO2、SOF2、SO2F2、HF四種主要特征氣體的含量有不同程度下降；5A型吸附劑對SOF2、SO2F2的吸附能力明顯弱于F-03和KDHF-03；3種吸附劑對SO2、HF的變化規(guī)律影響基本一致，吸附劑存在時SO2的含量處于定量限范圍，且對HF的吸附率均超過96%。診斷特征量C(SOF2)/C(SO2F2)可有效降低利用化學(xué)診斷法進行GIS絕緣狀態(tài)評估時吸附劑類型帶來的干擾。

化學(xué)診斷法氣體絕緣組合電器局部放電特征氣體吸附劑

0　引言

氣體絕緣組合電器(Gas Insulated Switchgear，GIS)因其占地面積少、運行噪聲小以及可靠性高等突出優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于高壓、超高壓領(lǐng)域[1]。GIS在制造和裝配過程中難免遺留隱藏缺陷，如固定突起、盆式絕緣子粘附金屬粉末等[2]。部分缺陷在常規(guī)試驗中很難發(fā)現(xiàn)，投運后缺陷會逐步發(fā)展，并伴隨著局部放電[3，4]。長期的局部放電會進一步引發(fā)絕緣崩潰和設(shè)備擊穿[5，6]。

目前，國內(nèi)外對GIS內(nèi)部絕緣狀態(tài)的評估主要通過局部放電檢測得以實現(xiàn)[7]。局部放電檢測方法主要有電氣法和化學(xué)診斷法[8]。化學(xué)診斷法通過檢測局部放電過程中GIS內(nèi)復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的特征氣體組分和含量進行放電類型識別和放電程度判斷[9]。與電氣法相比，化學(xué)診斷法因具有不受電磁噪聲和振動干擾、可檢測間歇性放電和定位故障氣室、適用于過熱性故障診斷等一系列優(yōu)點得到廣泛應(yīng)用[10，11]。但是，化學(xué)診斷法在推廣應(yīng)用過程中也會受到一些因素的干擾，如吸附劑對局部放電特征氣體的吸附作用，氣室內(nèi)SF6氣體壓力、微水、微氧含量差異等[12，13]，這些因素均會對利用化學(xué)診斷法進行GIS放電狀態(tài)判斷和絕緣狀況評估時帶來一定的偏差，甚至出現(xiàn)誤判。

GIS中放置吸附劑的主要目的是吸附水分和SF6因放電或過熱而分解產(chǎn)生的有毒氣體，保證運行檢修人員的安全[14]；另一方面，SF6分解產(chǎn)物中SO2、SOF2、SO2F2、HF、H2S、CF4、CS2等特征氣體對診斷GIS內(nèi)的局部放電類型和放電程度至關(guān)重要[15，16]。吸附劑的存在會影響主要特征氣體的變化規(guī)律[17]，不同類型吸附劑對主要特征氣體的吸附能力存在差異，同一種吸附劑對不同特征氣體的吸附能力也不同。因此有必要深入研究不同吸附劑對GIS局部放電特征氣體變化規(guī)律的影響，建立考慮吸附劑影響的故障診斷依據(jù)。

分子篩型吸附劑因具有較強的吸附能力和吸附選擇性，被大量應(yīng)用于實際運行的GIS中。分子篩型吸附劑是極性吸附劑，對極性分子尤其對水具有很大的親和力，對臨界直徑、形狀、極性、不飽和度等不同的分子有選擇性吸附能力[18]。本文選取5A、F-03和KDHF-03三種常用的分子篩型吸附劑為研究對象，通過在小型試驗平臺上設(shè)置針-板電極模擬固定金屬突出物放電缺陷，研究了局部放電下3種典型吸附劑對SO2、SOF2、SO2F2、HF等主要特征氣體的吸附作用。在此基礎(chǔ)上提出了能有效規(guī)避吸附劑類型的影響的診斷特征量，為建立考慮吸附劑類型影響的化學(xué)診斷法流程奠定了基礎(chǔ)。

1　試驗設(shè)置

1.1模擬試驗平臺

如圖1所示，放電氣室體積為70 L，由不銹鋼材料構(gòu)成，其內(nèi)壁噴涂Teflon涂料以防止內(nèi)壁吸附SF6分解產(chǎn)物。氣室前后兩端安裝石英玻璃觀察窗，以便使用紫外成像儀對內(nèi)部放電狀況進行監(jiān)測。進樣口與DILO B120R21系列回收裝置相連，主要完成進氣、回收、抽真空操作，采樣管路均采用聚四氟乙烯材料(降低管路對HF等分解產(chǎn)物的吸附)。采用YDTW-30 kVA/150 kV工頻無暈試驗變壓器(額定電壓下局放量小于5 pC)。試驗時充入0.4 MPa的SF6氣體，并按實際GIS中吸附劑用量的要求在遠采樣口位置放置108 g(氣室內(nèi)SF6總質(zhì)量的6%)的吸附劑，且吸附劑使用前須放入電熱鼓風(fēng)干燥箱升溫至550～600 ℃保溫2 h活化處理，再隨爐溫降至室溫并稱重，而后迅速放入模擬試驗罐，15 min內(nèi)將放電氣室密封完畢并開始抽真空[19]。

圖1　局部放電模擬試驗平臺示意圖Fig.1　Simulation test platform of partial discharge

各組試驗中嚴格控制干擾變量微水在100～150 μL/L、微氧在0.025%～0.045%的較小區(qū)間內(nèi)變化，試驗過程中定期采集氣樣進行水分和SF6分解組分分析。

1.2局放監(jiān)測

為研究吸附劑變量對特征氣體變化規(guī)律的影響，本文通過調(diào)整電極間距、施加電壓保證多組試驗之間的放電程度基本一致，試驗過程中通過監(jiān)測脈沖電流信號(Conventional Impulse Current，CIC)反映實時放電程度。CIC信號由TWPD-2B多通道數(shù)字式局部放電綜合分析儀進行監(jiān)測。如圖2所示，測試回路采用并聯(lián)接法，其中，C0為耦合電容，Zm為局放分析儀的檢測阻抗。試驗前利用TWPD-02脈沖發(fā)生器進行放電量校準。分析儀檢測頻率為20～400 kHz，檢測靈敏度為1 pC，最高采樣速率20 MHz。通過數(shù)據(jù)處理單元得到放電過程中放電量、放電重復(fù)率及放電能量隨時間的變化規(guī)律。

圖2　局部放電監(jiān)測電路Fig.2　Test circuit of partial discharge

1.3分解組分分析

本文主要采用毛細管柱/TCD-FPD氣相色譜法和氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法對含硫、含碳組分進行定性和定量分析。利用配備熱導(dǎo)檢測器(TCD)和火焰光度檢測器(FPD)串聯(lián)，TCD檢測器適用于定量CF4和空氣，F(xiàn)PD檢測器適用于定量SO2和S2OF10等含硫分解產(chǎn)物。氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法則通過將待測組分的特征荷質(zhì)比與保留時間相結(jié)合，排除了SF6強背景氣體對個別組分的干擾，尤其對SO2F2、H2S和C3F8等采用毛細管柱/TCD-FPD氣相色譜法不能或不易分離的組分具有很好的區(qū)分效果，且能定量低濃度不含硫物質(zhì)，可作為毛細管柱/TCD-FPD氣相色譜法的有效補充。分解組分分析中還加入了對HF的測定，主要通過HFG-6911氟化氫在線分析儀和日本Gastec Corporation的快速檢測管完成，該分析儀基于電化學(xué)傳感器對HF進行定性和定量，檢出限為0.1 ppm，最大測量值30 ppm，超過30 ppm部分利用快速檢測管進行定量。以上幾種方法可實現(xiàn)對SF6主要分解氣體成分的準確檢測。各待測組分對應(yīng)的最佳檢測方式如表1所示。

表1　SF6氣體組分分析方法優(yōu)化組合Tab.1　Optimized combination of SF6 gas compositions analysis method

2　試驗結(jié)果

針-板電極局部放電模擬試驗共分為氣室內(nèi)不放置吸附劑、分別放置5A、F-03、KDHF-03吸附劑4種工況。針-板電極距離調(diào)至11 mm，針尖曲率半徑為0.2 mm，板電極直徑為75 mm，每組試驗持續(xù)24 h，加壓方式為恒定50 kV，每2 h在線取樣進行氣體組分分析。試驗過程中對放電狀態(tài)和水分含量等其他變量進行實時監(jiān)測，保證在相同條件下研究不同吸附劑對特征氣體的變化規(guī)律影響。每種工況試驗進行兩次，兩次試驗的放電特征和氣體分析結(jié)果保持基本一致。

2.1局放監(jiān)測結(jié)果

局放儀可每秒記錄一次放電數(shù)據(jù)，無吸附劑試驗時典型放電量2D圖及整個過程放電3D圖如圖3所示，可以看出放電狀態(tài)保持穩(wěn)定，放電相位主要在180°～270°之間，其他3組試驗也保持上述趨勢。將實時監(jiān)測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，可得到4種工況下放電量、放電重復(fù)率、放電能量的平均值變化規(guī)律，如表2所示。4種工況下表征放電程度的幾個關(guān)鍵參數(shù)均在一定范圍內(nèi)變化，放電程度較強且持續(xù)穩(wěn)定，重復(fù)率較好，適于研究吸附劑單一變量對SF6局部放電分解產(chǎn)物變化規(guī)律的影響。紫外成像儀的定期觀測結(jié)果也說明了4種工況下放電程度的穩(wěn)定性，放電過程中紫外光子數(shù)基本在600～800之間變化，典型的紫外成像圖如圖4所示。

表2　4組試驗放電狀態(tài)對比Tab.2　The comparison of discharge status among four groups of tests

圖3　放電狀態(tài)監(jiān)測Fig.3　Partial discharge condition monitoring

圖4　典型紫外成像圖Fig.4　Typical UV image

2.2特征氣體的變化規(guī)律

通過對重復(fù)性試驗過程中的分解氣體組分進行分析，得到不放置吸附劑及分別放置不同類型吸附劑情況下分解產(chǎn)物的變化規(guī)律，4種工況下均可檢測到SO2、SOF2、SO2F2、HF等特征氣體，不同吸附劑對主要特征氣體的吸附能力也各不相同，采用吸附率這一參數(shù)表征吸附劑對各主要特征氣體的吸附能力大小，吸附率為

(1)

式中，P1為不放置吸附劑時特征氣體產(chǎn)生量，ppm；P2為放置吸附劑時特征氣體產(chǎn)生量，ppm。

1)SOF2和SO2F2的變化規(guī)律

如圖5、圖6所示，無吸附劑時，SOF2和SO2F2的含量迅速增加，且SOF2的增長速率大于SO2F2；加入吸附劑后，兩者的增長速率明顯下降。其中，KDHF-03對SOF2吸附效果最好，F(xiàn)-03略弱于KDHF-03，5A對SOF2的吸附能力最差。而KDHF-03與F-03對SO2F2的吸附能力基本相同，5A對SO2F2的吸附能力明顯下降。分析其原因，由于3種吸附劑的孔徑均大于SOF2和SO2F2的分子動力學(xué)直徑，因此，3種吸附劑主要通過物理吸附直接吸收大量SOF2和SO2F2；5A的孔徑一般在0.49～0.55 nm，約為F-03和KDHF-03的1/2，所以在吸附尺寸較大的分子上KDHF-03和F-03占有明顯優(yōu)勢。另外，SOF2和SO2F2的主要生成途徑中均需要H2O的參與，如式(2)、式(3)所示，3種吸附劑較強的吸水能力在一定程度上阻斷了SOF2和SO2F2的生成途徑，這也是導(dǎo)致兩者生成量下降的重要原因。

SF4+H2O→SOF2+2HF

(2)

SOF4+H2O→SO2F2+2HF

(3)

通過式(1)計算出試驗結(jié)束時(24 h)3種吸附劑對SO2F2和SOF2的吸附率，如表3所示，3種吸附劑對SO2F2的吸附率均小于對SOF2。SOF2的極性較強，而SO2F2屬于弱極性分子，分子篩中的結(jié)構(gòu)水一般以羥基的形式與金屬原子等相連。由于這些覆蓋于吸附劑表面的羥基具有一定程度的極性，會優(yōu)先吸附極性分子，造成了對兩種分子吸附率的差異。

圖5　3種吸附劑對SOF2的變化規(guī)律影響Fig.5　The influence of three kinds of adsorbents on SOF2

圖6　3種吸附劑對SO2F2的變化規(guī)律影響Fig.6　The influence of three kinds of adsorbents on SO2F2表3　不同吸附劑對SOF2和SO2F2的吸附率比較Tab.3　The comparison of adsorption rates of SOF2 and SO2F2 among different adsorbents

分解產(chǎn)物吸附率(%)5AF-03KDHF-03SOF249.0279.0986.86SO2F240.1477.1579.07

2)SO2的變化規(guī)律

圖7　3種吸附劑對SO2的變化規(guī)律影響Fig.7　The influence of three kinds of adsorbents on SO2

3)HF的變化規(guī)律

大量理論研究表明，GIS局部放電過程中會產(chǎn)生HF。目前，HF的生成機理研究中最為公認的是文獻[20]提出的區(qū)域反應(yīng)模型，如圖8所示。

圖8　區(qū)域反應(yīng)模型Fig.8　Model of SF6 reaction in different areas

區(qū)域反應(yīng)模型研究結(jié)果表明：無論在輝光放電區(qū)還是在主氣室區(qū)均有多條途徑生成HF，HF是一種重要的局部放電分解產(chǎn)物。另有研究表明，電極材料中Cu-Wu合金在放電時生成的WF6和WOF4與H2O反應(yīng)也會生成HF[21]。但由于HF化學(xué)性質(zhì)活潑、檢測手段有限及HF腐蝕檢測設(shè)備等原因，以往的試驗研究對局部放電下HF這一重要分解產(chǎn)物的關(guān)注較少。由于HF在GIS氣室內(nèi)產(chǎn)生后會腐蝕氣室內(nèi)壁、盆式絕緣子等固體材料導(dǎo)致GIS絕緣狀況惡化，實際生產(chǎn)中為保證SF6氣體品質(zhì)以及防止HF含量超標增加GIS運行風(fēng)險，運行人員通過便攜式裝備對HF進行定期檢測，而這種離線的檢測方式在應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)HF的案例極少，廣東電網(wǎng)公司歷次普查和放電故障氣室追蹤中均未發(fā)現(xiàn)HF。為解釋理論上已證實HF在放電條件下會大量生成而實際GIS檢測不到HF，且HF這一局部放電分解產(chǎn)物是否可作為特征氣體用于絕緣監(jiān)測也未做出明確判斷，在試驗過程中加入了對HF的在線檢測。

HF的變化規(guī)律如圖9所示。無吸附劑時，在放電過程中HF的生成速率很大，在20 h時其含量已經(jīng)超過檢測管的量程；但試驗結(jié)束后72 h內(nèi)HF含量降為零。加入吸附劑后，HF的產(chǎn)生量大大降低，3種吸附劑對HF的吸附能力基本相同，吸附率均超過96%，試驗結(jié)束后6 h內(nèi)HF含量降為零。在GIS局部放電過程中及放電結(jié)束后，氣室內(nèi)吸附劑的存在是導(dǎo)致分解產(chǎn)物HF含量大量下降的最主要原因。HF屬于小分子，在幾種分解產(chǎn)物中極性最強，而3種分子篩對強極性分子會優(yōu)先吸附。HF化學(xué)性質(zhì)活潑，還可與電極材料、Al2O3等發(fā)生反應(yīng)被消耗掉一部分。

圖9　3種吸附劑對HF的變化規(guī)律影響Fig.9　The influence of three kinds of adsorbents on HF

試驗結(jié)果同時表明，吸附劑存在條件下局部放電達到一定程度且放電正在持續(xù)時，即HF的產(chǎn)生速率大于消耗速率時，也會檢測到氣室內(nèi)HF含量的增加。無論是否放置吸附劑，放電一旦停止，HF會很快被消耗掉，吸附劑的存在加速了HF的消耗進程。所以，氣室內(nèi)發(fā)生持續(xù)的強局部放電時，即使放電本身產(chǎn)生的大量HF被吸附和消耗，仍然可以在放電發(fā)生時檢測到HF的明顯增長。

綜上所述，實現(xiàn)運行GIS中HF的在線監(jiān)測具有重要意義，既可以用于判斷運行GIS氣室是否正在發(fā)生強局部放電，也可通過其實時含量評估SF6氣體品質(zhì)，降低因其腐蝕絕緣材料而帶來的運行風(fēng)險。

3　診斷特征量的提取

基于油色譜分析的三比值法在對變壓器等充油電氣設(shè)備故障類型和故障程度診斷中得到廣泛應(yīng)用，與利用特征氣體絕對值進行絕緣狀況判斷相比，比值法可有效降低特征氣體的產(chǎn)氣速率和產(chǎn)氣量干擾因素的影響，提高化學(xué)診斷法的準確度。借助油色譜分析中比值法的成功實踐經(jīng)驗，本文在研究過程中也探索了主要特征氣體比值的變化規(guī)律和應(yīng)用的可能性。

前期的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，無吸附劑情況下利用C(SO2F2)/C(SO2)這一比值可反映局部放電的程度，比值越小，放電程度越嚴重[22，23]。仍采用這一比值對吸附劑存在情況下的試驗結(jié)果進行處理，如圖10所示，在試驗過程放電程度基本一致的前提下，4種工況下這一比值結(jié)果出現(xiàn)了較大差異，分散性較大。其中5A與無吸附劑兩種試驗條件下比值結(jié)果相近，F(xiàn)-03 與KDHF-03兩種吸附劑的比值隨時間的變化呈基本一致的趨勢。且加入吸附劑后SO2的生成量很少，定量上的誤差會增大。采用這一比值用于放電程度診斷時，在不同吸附劑類型條件下會出現(xiàn)較大偏差，無法反映設(shè)備的實際絕緣狀態(tài)。

圖10　4種工況下C(SO2F2)/C(SO2)隨時間的變化規(guī)律Fig.10　The variation of C(SO2F2)/C(SO2) under four kinds of operation conditions

為有效降低利用化學(xué)診斷法進行GIS絕緣狀態(tài)評估時吸附劑類型帶來的干擾，采用C(SOF2)/C(SO2F2)代替C(SO2F2)/C(SO2)作為新的診斷特征量，如圖11所示，可以發(fā)現(xiàn)這一比值除在放電初期(0～8 h)有一定分散度外最終趨于穩(wěn)定，放電程度基本相同的試驗條件下，該比值4種工況下隨時間的變化趨勢也保持一致，比值均在3～5之間。該比值出現(xiàn)一致性的原因主要是：F-03和KDHF-03兩種吸附劑對SOF2和SO2F2的吸附差異性較小，比值基本相同；而5A對兩者的吸附率較F-03和KDHF-03均下降了約50%，因此在比值上也保持基本一致的趨勢。采用新的比值C(SOF2)/C(SO2F2)既可以在很大程度上降低吸附劑對放電程度判斷的影響，又可以有效規(guī)避吸附劑類型對放電程度判斷的干擾。但該比值在不同放電程度下及不同放電類型下的變化規(guī)律還有待于進一步研究挖掘。

圖11　4種工況下C(SOF2)/C(SO2F2)隨時間的變化規(guī)律Fig.11　The variation of C(SOF2)/C(SO2F2) under four kinds of operation conditions

4　結(jié)論

1)無吸附劑時，針-板電極局部放電過程中主要生成SO2、SOF2、SO2F2和HF四種特征氣體。加入吸附劑后，各局部放電特征氣體含量有不同程度下降。KDHF-03和F-03兩種吸附劑對主要特征氣體均具有很強的吸附能力，F(xiàn)-03對SOF2的吸附能力略弱于KDHF-03，5A對SOF2和SO2F2的吸附能力明顯小于KDHF-03和F-03。3種吸附劑分別對SO2和HF的變化規(guī)律影響基本一致。

2)由于不同吸附劑對SO2、SOF2、SO2F2等特征氣體的吸附能力不同，吸附劑存在時，局部放電過程中三者之間的變化規(guī)律出現(xiàn)明顯差異。原有診斷特征量C(SO2F2)/C(SO2)在放電程度基本相同時出現(xiàn)較大分散性，研究發(fā)現(xiàn)的新診斷特征量C(SOF2)/C(SO2F2)在不同工況下均呈現(xiàn)較好的一致性，可有效降低利用化學(xué)診斷法進行GIS絕緣狀態(tài)評估時吸附劑類型帶來的干擾。

3)HF是一種重要的局部放電分解產(chǎn)物，吸附劑的存在導(dǎo)致HF的含量大幅度下降，3種吸附劑對HF吸附率均超過96%，且吸附劑加速了放電停止后HF的消失進程。因此，現(xiàn)有的HF離線檢測方式很難有效檢測到HF。

4)實現(xiàn)運行GIS中HF的在線監(jiān)測既可以用于判斷運行GIS氣室是否正在發(fā)生強局部放電，也可通過其實時含量評估SF6氣體品質(zhì)，降低因其腐蝕絕緣材料而帶來的運行風(fēng)險。

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Effects of Different Adsorbents on the Evolving Law of Target Gases Under Partial Discharges in GIS

Qiao Shengya1Zhou Wenjun1Tang Nian2Zheng Yu1Li Li2

(1.School of Electrical EngineeringWuhan UniversityWuhan430072China 2.Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Co.Ltd Guangzhou510080China)

To improve the accuracy of the chemical diagnosis method used for estimating the insulation status in the gas insulated switchgear (GIS)，it is important to assess effects of adsorbents on the evolving law of target gases under partial discharges in GIS.Different conditions，including without adsorbent and adding three different kinds of adsorbents (5A，F(xiàn)-03 and KDHF-03) separately，are taken into consideration to study the variation of target gases under partial discharges in GIS based on a needle-plate model on a small simulation test platform.The result shows that the contents of the four major target gases，i.e. SO2，SOF2，SO2F2and HF，will decrease at different levels after adding adsorbents.The adsorption amount of SOF2，SO2F2by 5A is eminently less than that by F-03 and KDHF-03.Effects of different adsorbents on SO2and HF are almost the same.The adsorption rates on HF are all more than 96%，while the amount of SO2is with in the limit of quantification of gas analysis system after adding three different adsorbents.The factorC(SOF2)/C(SO2F2) is proposed as a new diagnostic characteristic for partial discharges，which could reduce the influence of different adsorbents on assessing insulation condition by chemical diagnosis method in GIS.

Chemical diagnosis method，gas insulated switchgear，partial discharge，target gases，adsorbents

2015-02-05改稿日期2015-05-11

TM855

喬勝亞男，1991年生，碩士研究生，研究方向為SF6電氣設(shè)備潛伏性缺陷診斷。

E-mail：396349222@qq.com(通信作者)

周文俊男，1959年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為高電壓與絕緣測試技術(shù)、防雷與接地技術(shù)。

E-mail：2267122615@qq.com