126kV GIS 裝置的SF6氣體分解產物試驗平臺的搭建

于東洋， 孫 巍， 劉 洋

(國網黑龍江省電力有限公司科學研究院，哈爾濱 150030)

●輸變電及特高壓●

126kV GIS 裝置的SF6氣體分解產物試驗平臺的搭建

于東洋， 孫 巍， 劉 洋

(國網黑龍江省電力有限公司科學研究院，哈爾濱 150030)

為了解決SF6氣體絕緣設備故障識別和狀態評價問題，闡述了局放下的SF6氣體分解機理，建立了126 kV GIS裝置的SF6氣體分解產物試驗平臺，提出了SF6氣體分解物檢測方法，在GIS模擬試驗裝置內進行了局部放電試驗。試驗結果表明，SF6氣體分解物檢測方法能夠準確檢測、分析絕緣電氣設備中SF6氣體分解產物的種類和含量變化情況，解決了SF6氣體絕緣設備故障診斷不準確、狀態評價缺乏試驗依據等問題，為運行設備突發故障提供了快速有效的故障定位方法。

GIS裝置；SF6氣體；分解產物；試驗平臺；局部放電

目前，中國110kV及以上電壓等級的開關設備主要采用SF6氣體絕緣設備，隨著電網規模發展，其需求量呈逐年遞增趨勢。SF6氣體具有優良的絕緣和滅弧性能，廣泛應用于氣體絕緣金屬封閉開關設備(GIS)、SF6斷路器、互感器等電氣設備中。從20世紀70年代起，國內外開始關注絕緣性質優異的SF6氣體，對SF6氣體分解機理、SF6氣體分解產物等方面進行了研究。文獻[1-4]研究了電弧作用下SF6氣體組分，提出通過檢測管可實現對電氣設備內的氣體組分進行現場檢測；文獻[5-7]開展了對GIS設備氣體組分及其影響因素，建立了GIS實驗平臺，對局部放電情況下SF6氣體組分進行了研究，并設計了尖刺放電和接觸不良放電試驗。目前，對SF6氣體分解產物的檢測方法主要有光譜吸收法、氣相色譜法、檢測管法、電化學傳感器法等，各種檢測方法和檢測儀器分別針對不同的氣體分解產物，其檢測原理、精度、量程、使用條件等各不相同，檢測結果存在很大差異，無法比對，嚴重影響SF6氣體分解產物檢測工作的開展。本文建立了126kV GIS裝置的SF6氣體分解產物試驗平臺，并詳細闡述了SF6氣體分解物檢測方法及在GIS模擬試驗裝置內進行局部放電試驗的試驗過程。通過準確檢測、分析絕緣電氣設備中SF6氣體分解產物的種類和含量變化情況，有效地解決了SF6氣體絕緣設備故障診斷不準確、狀態評價缺乏試驗依據等問題，加快了氣體絕緣設備狀態檢修進程，避免了設備故障和安全事故，保障了電網安全穩定運行。

1 局放下的SF6氣體分解機理

斷路器發生局部放電時，在非平衡條件下電子溫度比氣體溫度高得多，因此局部放電是弱電離氣體的電子主導過程。由于起暈的限制作用，放電內部電子的能量很高，SF6局部放電的電子平均能量為5～10eV，超過了SF5-F的鍵能。SF4和其它硫的低氟化物的負離子形成可產生各種分解產物。

電子的碰撞分離過程會引起以下反應：

e+SF6→SFx+(6-x)F,x<5

(1)

e+SFx→SFx-1+F

(2)

SF6氣體多次分解可能產生其它低硫氟化物，如SF4、SF3和SF2。當氣體中或容器表面無雜質時，SF6氣體的分解產物會快速復合，即SF4+F2轉換為SF6的過程。在氧氣和水分作用下，復合過程中低硫氟化物與雜質反應產生硫氟氧化物、HF和金屬氟化物。部分反應式為

SF5+OH→SOF4+HF

(3)

SF4+O→SOF2+2F

(4)

SF2+O→SOF2

(5)

SF2+O2→SO2F2

(6)

在電暈放電區域外，長期存活低硫氟化物間的緩慢反應，如SF4和穩定的氟氧化物與雜質的反應進一步生成其它類型的化合物，如SO2、SO2F2、SOF2，這些化合物含量取決于母體化合物的含量和各種反應的速率常數，SF4與H2O在溫度350K下的反應速率為1.0～2.6×10-19mol/s。

由于局部放電是一個持續過程，產生的SF6氣體分解產物也是一個持續的累積過程，持續的局部放電或電暈放電使SF6逐步分解，導致斷路器內的分解產物含量累積，從而達到較大的含量。局部放電下SF6氣體的初級分解產物為SF4，初級分解產物與O2與H2O反應的產物為HF、F-、SOF2、SO2F2、SO2，初級分解產物與材料或材料分解產物反應的產物為CF4、C2F6、C3F8。 因此，在局部放電下，產生的穩態SF6氣體分解產物主要有SOF2、SOF4、SO2F2、SO2、HF和碳化物等。

2 SF6氣體分解產物試驗平臺的搭建

2.1 試驗平臺

126 kV GIS模擬試驗裝置如圖1、圖2所示。126 kV GIS模擬試驗裝置有1個氣室，包括套電纜接頭等，該裝置可設置多種放電形式，用于SF6氣體分解物特征組分產生規律、局部放電的相關性及影響因素的研究。

圖1 126kV GIS放電裝置結構圖(單位：mm)

圖2 126kV GIS放電裝置實物圖

2.2 試驗回路

為達到模擬運行現場放電性缺陷的真實效果，本文設計制造了一套50Hz、126kV可直接升壓的無暈高壓試驗電源， 輸出電壓為諧波分量較小的工頻電壓。試驗系統自身局放量小，各個單元之間均設置隔離變壓器，具有較好的抗干擾性能，試驗電源與電網實際運行工況較接近，確保了局放試驗的實用性。

圖3 局部放電試驗回路線路圖

在試驗中，本文采用基于脈沖電流法局部放電測量系統同步檢測126kVGIS試驗平臺產生的局放量，設計了無局放限流電阻，確保試驗系統背景噪聲小于5 PC。采用XD2102E數字式局部放電檢測儀測量局放量，試驗回路如圖3、圖4所示。

圖4 局部放電試驗回路實物圖

2.3 間隙布置

根據空氣和SF6氣體間的間隙預放電試驗，本文在GIS模擬裝置中設置了棒板放電間隙，材質均為銅，板電極半徑R=21.5mm，棒狀電極半徑R=6mm，如圖5所示。在間隙放電時，通過調節電壓控制局放量，使局放量能達到預期值，電暈保持時間長，放電可控性得到改善。隙距離為5.0mm，試驗產生的局放量控制在2000 pC范圍之內。

圖5 電極示意圖(單位：mm)

3 SF6氣體分解物檢測方法

3.1 電化學傳感器方法

電化學氣體傳感器是一種化學傳感器，按照工作原理可分為恒電位電解式電化學傳感器、伽伐尼電池式氣體傳感器、離子電極式氣體傳感器、電量式氣體傳感器等多種類型，不同類型的傳感器針對不同的氣體組分進行檢測，本文研究的SF6氣體分解物組分檢測主要采用恒電位電解式電化學傳感器。

恒電位電解式電化學傳感器技術是利用被測氣體在高溫催化劑作用下發生化學反應，從而改變傳感器輸出電信號的原理，確定被測氣體成分及其含量。該傳感器由傳感電極(工作電極)和反電極組成，并由一個薄電解層隔開。氣體先通過微小的毛管型開孔與傳感器發生反應，經過憎水屏障，到達傳感電極表面。此方法允許適量氣體與傳感電極發生反應，以產生足夠的電信號輸出，同時防止電解質漏出傳感器。傳感電極采用氧化或還原機理，針對被測氣體而設計的電極材料可催化氣體與電極反應。在連接兩電極間的電阻上流過與被測氣體濃度成正比的電流，測量該電流或相應的電壓信號即可確定氣體含量。對特定氣體來說，設定電位由其固有的氧化還原電位決定，但又隨電解時作用電極的材質、電解質的種類不同而變化。電解電流和氣體濃度之間的關系式為

I=(nFADC)/δ

(7)

式中：I為電解電流；n為每1mol氣體產生的電子數；F為法拉第常數；A為氣體擴散面積；D為擴散系數；C為電解質溶液中電解的氣體濃度；δ為擴散層的厚度。在同一傳感器中，n、F、A、D及δ是一定的，所以電解電流與氣體濃度成正比。

3.2 氣象色譜法

氣相色譜法是以惰性氣體(載氣)為流動相，以固體吸附劑或涂漬有固定液的固體載體為固定相的柱色譜分離技術，配合熱導檢測器(TCD)、火焰光度檢測器(FPD)、電子捕獲檢測器(ECD)和氫火焰離子化檢測器(FID)等，可對氣體樣品中的硫化物、含鹵素化合物和電負性化合物等物質靈敏響應，其檢測精度較高，主要用于實驗室測試分析。

采用氣相色譜法分析氣體絕緣設備中的SF6氣體分解產物，由于硫化物與SF6氣體的保留時間接近，可能被SF6的色譜峰湮沒，使色譜儀的檢測精度降低。通過合理配置檢測器、設計氣體進樣系統等可有效改善檢測效果。近年來研制的脈沖火焰光度檢測器(PFPD)和氦離子化檢測器(PDD)等新型檢測器對硫化物的響應靈敏度較高，檢測精度達到ng/g(ppb)級。同時，對氣體管路、閥和接頭等色譜儀配件進行鈍化處理，以消除硫化物在氣路中的吸附，檢測氣體絕緣設備中SF6氣體的痕量組分，可對CO、CO2、CF4、H2S、SO2F2、SOF2、SO2和SOF10等組分進行定性和定量。

氣相色譜儀的檢測器為并聯的TCD、FPD檢測器，色譜柱為GsBP-GASPRO，氣路流程如圖6所示。

色譜儀設置及其參數如下：

GC柱流為3 mL/min；進樣口溫度為100℃；檢測器溫度為TCD(250℃)，FPD(280℃)；分流進樣方式為分流比9；進樣量為250 μL；程序升溫為30℃保持6 min，升溫速率15℃/min升至220℃，保持2min。

4 局部放電試驗過程

在GIS模擬試驗裝置內進行局部放電試驗，使水分和空氣含量符合運行規程要求。本文應用氣相色譜和電化學傳感器方法檢測試驗后產生的SF6氣體分解產物組分及含量，從而為檢測試驗產生的SF6氣體分解產物含量變化趨勢奠定基礎。

4.1 電氣試驗方法

在局部放電試驗之前，設置研究需要的缺陷模式，選取試驗的SF6壓力，試驗前測量氣體中的空氣和水分含量，達到實際斷路器的運行合格水平范圍內。若達不到要求，則重新更換氣體，經過24h平衡后重新測量，氣體壓力和水分都達到要求后，再進行電氣試驗。

圖6 氣相色譜流程示意圖

檢查高壓試驗設備連接狀態，確認接地是否可靠，對局部放電儀進行校準，各項條件均符合試驗要求后，開始加壓進行局部放電試驗，主要試驗步驟如下：

1)用人工控制方式進行升壓，電壓由零電位起始，緩慢升高。

2)到達起始放電電壓時，暫停升壓，根據局放儀在線顯示數據，仔細調節電位，達到穩定的局部放電量。

3)為確保試驗產生穩定的局部放電量，需隨時調節放電的電位值，連續記錄電位值和局部放電量。

4)記錄試驗時間，在設定的局部放電量下保持放電時間1h。

5)降壓至零電位，用傳感器法檢測SF6分解物，同時氣體取樣至氣相色譜儀進行氣體分析。

6)取樣結束后，按照1)～5)的升壓程序，繼續局部放電試驗，每次試驗需連續放電8h以上。

4.2 氣體試驗方法

4.2.1 氣體分析方法

SF6分解產物檢測使用電化學傳感器檢測儀、氣相色譜(GC)分析方法和色質(GC/MS)聯用分析方法進行定性和定量，在升壓之前，要進行基礎氣體測量。在試驗過程中每間隔1h氣體取樣1次，檢測SF6分解物組分及其含量。

4.2.2 氣體取樣方法

氣體取樣有直接取樣、自動取樣設備和鋼瓶取樣三種方式，前兩種方式的樣品氣體可直接輸入GC進行檢測分析，另外采用涂氟鋼瓶同步取樣，保留樣品。當SF6分解物檢測異常時，使用同步取樣的樣品進行對比檢測，連續試驗8h以上。

4.2.3 標準物質

為分析試驗產生的SF6氣體分解產物組分及含量，使用了下列標準物質，如表1所示。

5 結 語

本文建立了126kV GIS裝置的SF6氣體分解產物試驗平臺，并詳細闡述了SF6氣體分解物檢測方法及在GIS模擬試驗裝置內進行局部放電試驗的試驗過程。SF6氣體分解物檢測方法能夠檢測試驗產生的SF6氣體分解產物含量變化趨勢，解決了SF6氣體絕緣設備故障診斷不準確、狀態評價缺乏試驗依據等問題，為設備的潛伏性故障或缺陷診斷、檢修、更換等提供了依據，避免了設備故障和安全事故，保障了電網安全穩定運行。本文取得的研究成果為運行設備突發故障提供了快速有效的故障定位方法，減少了系統停電時間，提高了檢修效率。

表1 標準物質明細表

Table 1 List of certified reference materials

標準物質含量/(μL·L-1)SO2F218SOF231S2OF1032C2F623C3F823SO2101H2S103CO100CO2100CF423AIR19

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(編輯 侯世春)

Construction of test platform of SF6gas decomposition product for 126kV GIS device

YU Dongyang, SUN Wei, LIU Yang

(Electric Power Research Institute of State Grid Heilongjiang Electric Power Co., Ltd., Harbin 150030, China)

In order to solve the problem of SF6gas insulated equipment in fault identification and status evaluation, the SF6gas decomposition mechanism in partial discharge is expounded, test platform of SF6gas decomposition product for 126 kV GIS device is set up, method of detecting SF6gas decomposition is proposed and partial discharge test is taken in the GIS modeling experimental equipment. The test results show that the method of detecting SF6gas decomposition can accurately detect and analyze changes of species and quantity of SF6gas decomposition product in insulated electrical equipment solves the problems of which fault diagnosis is not accurate and state evaluation is lack of experimental basis for SF6gas insulated equipment, providing a rapid and effective method of fault location for emergency equipment failure when in operating.

GIS device; SF6gas; decomposition product; test platform; partial discharge

2017-01-16。

于東洋(1961—)，男，高級工程師，主要從事電力系統及自動化方面的技術管理工作。

TM403.3

A

2095-6843(2017)02-0132-05