SF6分解產物檢測在GIS故障診斷中的應用

郭 偉，劉韌強，蔣成杰，朱元杰，邱 剛，周福好

(1.國網安徽省電力公司馬鞍山供電公司，安徽 馬鞍山 243000；2.國網安徽省電力公司淮北供電公司，安徽 淮北 235000)

SF6分解產物檢測在GIS故障診斷中的應用

郭 偉1，劉韌強2，蔣成杰1，朱元杰1，邱 剛1，周福好1

(1.國網安徽省電力公司馬鞍山供電公司，安徽 馬鞍山 243000；2.國網安徽省電力公司淮北供電公司，安徽 淮北 235000)

介紹了一例110 kV GIS設備發生故障跳閘之后，檢測人員通過對SF6氣體分解產物中的SO2+SOF2，H2S，CO等成分含量的檢測，快速地查找到故障點所在的氣室位置。通過對SF6氣體分解產物形成機理的分析和研究，得出運用SF6氣體分解產物成分檢測技術，不僅可以診斷設備故障的位置，也可以成為檢測設備狀態的一種有效手段，利用這一技術為設備的故障診斷和狀態檢修提供有力的科學支撐。

絕緣缺陷；母線故障；六氟化硫；分解產物；診斷方法

0 引言

SF6氣體具有很好的化學穩定性和優異的電氣性能，被廣泛應用于GIS(Gas Insulated Switchgear，氣體絕緣全密封組合電器)中。但因GIS的設計、材質和工藝等原因使其內部出現絕緣缺陷和導電桿連接不良等問題，進而產生局部放電，造成SF6氣體分解和固體絕緣材料裂解。當局部放電累積到一定程度時，缺陷會變大，并進一步發展成設備故障，導致事故發生，影響電力生產的正常進行。

GIS由斷路器、隔離開關、接地開關、避雷器、互感器、套管、母線、連接件和出線終端等部分組成，這些設備或部件全部封閉在接地的金屬母線筒中。如果某一設備或部件出現問題，將直接影響GIS的安全運行。

目前對SF6電氣設備的試驗方法主要有電氣法和化學法。電氣法一般需在停電時才能使用，而且試驗電壓低、電流小，難以檢出設備的早期隱患；化學法中常用SF6純度、濕度檢測和檢漏，這些方法只能評價安裝維護工藝，與內部故障沒有直接關系。通過分析SF6電氣設備氣體中SO2+SOF2，H2S，CO等分解產物的含量，可以快速、準確地檢測出GIS內部故障。

1 SF6氣體分解產物的形成機理

在GIS內部存在放電的情況下，SF6氣體分解和還原過程的化學反應式如下：

上述反應式中，C代表碳元素，M代表Al，Ag，Wu，Cu等金屬元素，CFn代表CF4，C3F8等氣體分解產物，MFn代表產生的固體粉末物質AlF3，AgF，WuF6，CuF2等。

由于放電形式的不同，SF6分解產物的種類和組分也有所不同。

(1) 在電弧作用下，分解產物主要是SO2，H2S，SOF2及HF等。

(2) 在火花放電中，分解產物主要是SO2，H2S，SOF2及HF等，但與電弧作用下生成物之間的比值有所變化。

(3) 在電暈放電中，分解產物為SO2及HF。

(4) 在放電和熱分解以及水分作用下，氣體分解產物為SOF2，SO2，HF和SO2F2。

(5) 當故障涉及固體絕緣材料時，還會產生CF4，H2S，CO及CO2等。

實踐表明，以SO2和H2S氣體組分作為判斷被檢測設備是否存在故障的特征分解產物，可準確、快速診斷設備內部缺陷和檢測設備的潛伏性故障。

由于組成GIS的斷路器動觸頭及其拉桿、隔離開關導電桿等的主要成分為Al，Ag，Wu，Cu等金屬元素，當氣室內發生局部放電時，在高溫電弧的作用下，SF6氣體不僅自身會發生分解和復合，其分解產物與金屬元件及SF6氣體中的雜質3者之間還會發生一系列的化學反應。

2 事故跳閘經過及現場分析情況

某220 kV變電站110 kV GIS，型號為ZF10-126 G，出廠日期為2012-11-02，于2013-06-05投運。2013-08-02T02:11，110 kV母差保護動作，造成I母母線整段停電。

故障發生后，生產廠專業人員到達現場檢查，未發現110 kV GIS整體外觀有明顯異常工況痕跡。之后化驗人員對SF6氣體進行成分分析，發現1號主變7011刀閘母線側氣室內SF6氣體主要分解產物成分含量異常，如表1所示，其中SO2含量達到102.34 μL/L，H2S含量達到9.21 μL/L；其他氣室數據正常。

根據國家電網公司Q/GDW1896—2013《SF6氣體分解產物檢測技術現場應用導則》，分解產物參考指標如表2所示。依據表2，診斷出該氣室存在嚴重的放電故障;因檢測出的H2S氣體含量較高，初步判斷放電故障與固體絕緣的分解有關。

表1 故障氣室SF6氣體主要分解產物成分含量 μL/L

表2 SF6氣體分解產物組分、檢測指標和評價結果μL/L

3 事故處理措施

事故該變電站專業人員迅速與設備生產廠家聯系后，決定將該三工位隔離開關及與其對接的部分主母線拆卸后運回廠內檢修，待返廠檢修合格后再運回現場進行安裝對接。

2013-08-03，專業人員在現場對故障部位的三工位隔離開關、主母線殼體與導體進行了拆卸，并對拆卸后的工程對接面進行緊急處理，同時將拆卸下來的三工位隔離開關、主母線殼體與導體運回制造廠檢查、分析。

4 設備現場拆檢情況

(1) 三工位開關內部導體B相導電桿與電連接對接位置處有明顯燒損現象，同時B相導電桿與電連接對接處縫隙較大，現場對此處的連接螺栓擰動時發現螺栓未緊固。

(2) 三工位隔離開關內部A相與C相導電桿表面都有明顯融蝕痕跡，但A相與C相導電桿與絕緣拉桿動觸頭對接良好，無縫隙和燒損痕跡。

(3) 三工位隔離開關的底部有白色粉末。

(4) 三工位開關其余部位未見明顯異常。

5 設備返廠拆檢情況

設備返廠后，廠家專業人員對運回部件進行了拆卸和檢查。經檢查，未發現從現場運回的4段殼體間的內部導體及殼體內部有異常，遂對導體擦拭后重新組裝，試驗測試合格。在拆卸三工位隔離開關內部導體時，A相與C相導體拆解均無異常，但B相導電桿與電連接處不能完全拆卸，有1組螺栓因為變形嚴重已經無法拆解。

三工位隔離開關內部導體具體情況為：B相電連接與導體對接處有比較嚴重的燒損，表面已經變黑且有缺損現象；A相與C相導電桿表面有明顯的熔蝕痕跡；A相與C相電連接無燒損；三相導體另一側與觸座對接部位無損壞。

5 故障原因分析

根據三工位隔離開關在現場的拆檢結果，并結合返廠拆解結果，分析故障原因如下。

(1) 在設備現場對接安裝過程中，未將B相三工位隔離開關的觸頭與導電桿的連接螺栓擰緊，使得對接導體的壓接力不夠，接觸電阻大，在長時間帶電運行后，對接導體處的溫度升高，接觸電阻隨之升高，接觸電阻的升高又會導致連接部位的溫度更快速地升高，如此造成惡性循環。

當導體連接處的溫度超過導體熔點后，導體熔化，使內部電場失穩，以致發生畸變，先引起B相與A相之間發生放電擊穿，再導致三相之間放電擊穿。導體之間的放電擊穿引起熔化的導體熔液飛濺，以致在三工位內部發生熱噴現象。

熱噴使得高溫熔液飛濺至另外2相導電桿的位置，造成A，C相導電桿表面被熔蝕。三相導體相互間的放電擊穿引起三相短路以及對地短路，進而引起I母整段停電。同時因為B相導體是起始燒損部位，電連結與導體連接處產生了比較嚴重的燒損變形現象。

(2) B相三工位隔離開關的觸頭與導電桿的連接處螺栓未擰緊，2者之間存在間隙，觸頭與導體之間產生懸浮電位。在運行電壓和電動力的作用下，懸浮放電發生的電弧放電，以及短路故障時發生的電弧放電使SF6氣體發生分解。SF6氣體的分解產物再與金屬蒸氣如Al，Ag，Wu蒸氣等進一步化合生成AlF3，AgF，WuF6等金屬化合物白色粉末，覆蓋在設備內部元件上。對三工位隔離開關內的白色粉末進行X熒光元素成分分析，其分析結果如表3所示。

表3 三工位隔離開關內的的白色粉末成分分析結果

6 結束語

(1) 通過上述案例的分析結果得出：SF6氣體分解產物(H2S，SO2，SOF2等)檢測法是判斷設備故障位置和設備潛伏性缺陷的重要方法之一，該方法具有定位準確、靈敏度高、方便快捷、受現場環境干擾小等優點，應用前景很廣。

(2) GIS對設計、絕緣材料的選材、零部件加工的精度及組裝工藝等要求極高，應選派實踐經驗豐富、技術精湛、責任心強的人員進行駐廠監造和驗收，不放過任何一個細節，確保設備不帶病出廠。

(3) 目前國內GIS采用單元運輸、現場組裝的安裝方式，由于GIS內部空間狹小，對其在制造、組裝、運輸及安裝等過程中的任何一個細節控制不嚴，都會給設備留下安全隱患。因此，產品在廠內組裝及現場安裝過程中，應嚴格按照安裝作業指導書的規定作業，提高安裝質量和設備的可靠性，以消除人為因素造成的現場運行問題。

(4) GIS現場安裝完畢后應按照設備交接試驗規定進行各項試驗，其中交流耐壓試驗是檢測電氣設備絕緣強度最直接的方法，能有效地發現電氣設備存在的各類絕緣缺陷(包括包裝、運輸、儲存和安裝調試中的損壞，整體受潮等)。氣體分解產物檢測法、超聲波局放試驗及超高頻局放試驗可以發現設備內部接觸不良或松動、顆粒及異物、高壓導體尖刺等放電性缺陷，為GIS缺陷診斷及故障排除提供有力的技術支持。

1 國家電網公司科技部．Q/GDW 1896—2013 SF6氣體分解產物檢測技術現場應用導則[S].北京：中國電力出版社，2013．

2 季嚴松，王承玉，楊 韌，等．SF6氣體分解產物檢測技術及其在GIS設備故障診斷中的應用[J].高壓電氣，2011，47(2):100-103.

3 毛建坤，湯會增，洪西凱，等．SF6氣體分解物組份檢測法在GIS局部放電故障診斷中的應用[J].電氣技術，2016，17(8):99-102.

來稿日期：2016-11-20。

郭 偉(1970—)，男，工程師、技師，主要從事油、氣檢測與監督，高壓電氣設備故障診斷及在線裝置研究等工作，email：lrq8710@163.com。

劉韌強(1970—)，男，高級技師，主要從事電力系統油、氣設備檢測與監督工作。

蔣成杰(1968—)，男，高級技師，主要從事高壓電氣設備檢修、維護等工作。

朱元杰(1991—)，男，工程師，主要從事高壓電氣設備檢修、維護等工作。

邱 剛(1968—)，男，助理工程師，主要從事變電設備直流系統的檢修及維護工作。

周福好(1972—)，男，助理工程師，主要從事變電設備直流系統的檢修及維護工作。