SF6氣體絕緣設備的放電特性試驗研究

雷 蕾（國網陜西省電力公司商洛供電公司，陜西 商洛 726000）

0 引 言

目前，我國工業化進程發展迅速，逐漸完成了從手工制造業向自動化生產線的轉型。自動化生產離不開機械設備，而機械設備的動力來源是電能。隨著設備的增多，電能的使用量逐年增加，弊端逐漸顯現。雖然電能有效提高了工廠生產的效率，但是電能增加也嚴重威脅著設備本身。傳統的生產設備并不具備絕緣功能，當某處電纜發生漏電時，會直接損毀設備，嚴重時出現爆炸。因此，對設備絕緣性能的研究尤為重要。

1 絕緣設備發展概述和試驗前的相關準備

1.1 設備發展概況相關介紹

隨著經濟的快速發展，我國逐漸完成由農業大國向工業大國的轉型，各類電氣設備在工業生產中得到了大量普及，有效提高了生產效率，為我國工廠的自動化生產做出了巨大貢獻。自動生產依靠電能為機械設備提供動力，因此必須做好設備的絕緣工作，有效提高生產過程的安全性。氣體絕緣設備能夠提高機械設備的絕緣性能，且具有諸多優點：占空間小、操作簡單；投資成本較低，工作性能優越；不會產生較大噪聲，節能環?！，F階段，我國氣體絕緣設備的發展已經取得了巨大進步，但是在實際生產過程中還存在放電、漏電現象，需要相關研究人員盡快改進和完善。

1.2 試驗前的準備工作

1.2.1 方案確定

在確定方案前要做好相應的準備工作，要系統認識了解SF6氣體組成、性質和特點，并整理其發展歷程，明確我國對該氣體檢測過程中存在的不足，然后根據其分解產物準備相應的試驗樣品，最后匯總所有信息，設計初步的試驗方案。

該項試驗又分為若干小試驗，通過控制變量法進行每一個缺陷下的設備放電模擬試驗。試驗需要準備的儀器有仿真模擬儀器、放電測試裝置、光譜分析裝置以及納米傳感裝置等。在確定相關設備后，系統規劃試驗方案，并合理調整試驗細節。

1.2.2 原理分析和傳感器的選擇

在試驗原理上，需要著重掌握以下兩方面內容：紅外線測量原理和氣相色譜測量原理。前者通過光線分束器將光一分為二，通過改變光照方向產生相應的光程差。當兩束光在不同方向上進行反射時，回程會經過氣體檢測池，從而達到檢測氣體各項數據的目的。后者通過色譜柱實現對氣體的檢測。色譜柱的主要作用是將氣體按照其性質分離成不同的色帶，檢測其通過色帶的信息，將檢測信息傳回系統控制終端[1]。

選用傳感器時要嚴格按照國家標準，在經濟條件允許的范圍內，盡可能選擇頻率較高的傳感器，提升檢測結果精度。在該項試驗中，可供選擇的傳感器有兩種——圓板式傳感器和錐形傳感器。這兩種傳感器都有自身獨特的優勢，前者具有較強的靈敏性，擁有極快的傳輸速度，后者與整個系統的阻抗相吻合，工作效率能夠達到最大。試驗中，要根據實際情況選擇合適的傳感器。

1.2.3 模型初步組建和相關材料收集

一切工作就緒，開始組建試驗模型的雛形。試驗中的每個小試驗都要組建相應的模型，約有七八種試驗，如毛刺缺陷、金屬微粒以及固體顆粒物等。組建模型時要注意外界環境對試驗結果的影響，如溫度、濕度等因素。此外，需要做好相關記錄，以保證試驗數據的精確性。在組建模型的同時，需要搜集每個小試驗需要的數據，并對數據加以分析和整理，從而選出最恰當的氣體產物進行試驗。最后，需要對相關儀器進行空載啟動，并記錄相關數據，校核精度存在問題的儀器。

2 毛刺缺陷條件下試驗

2.1 試驗內容

需要建立毛刺缺陷模型，該缺陷通常存在于金屬尖端。利用控制變量法，對電壓、氣壓以及含水量分別進行控制，在發生變化的同時記錄相關數據。該項試驗以陶罐體作為模型，利用其空腔中的毛刺開展試驗。毛刺需要兩極通電，兩電極材料分別為鎢和圓弧不銹鋼，且兩電極分布在同一軸線上。毛刺缺陷試驗主要以陶罐體的下部分為主要試驗部位，因此進行圖紙設計時要重點設計下罐體。

2.2 毛刺試驗步驟

該試驗大致分為三個階段。第一階段，控制電壓。首先將陶罐體中的氣體抽空，并維持該狀態，使放電腔的液體氣化向外擴散，有效推動試驗的進行。其次，充入定量氣壓，將電壓作為變量有序變化，而工作人員需要記錄每一時間段的電壓變化。最后，待試驗完成后，利用光譜分析法和氣象色譜儀處理數據，并繪制相應的曲線圖。第二階段，控制氣壓。與上階段相同，將罐體抽空后，施加一定量的電壓額氣壓，并在該電壓下間隔相等時間記錄PRPD譜圖，并用文中提到的方法分析處理數據，之后不斷改變氣壓重復上述過程。第三階段，控制含水量。前面的步驟都與上述階段類似，但在對數據處理后需要加入一定的硅膠，放置一段時間后，重復相關步驟。

2.3 試驗結論

無論是哪一種試驗，分解產物相同。紅外光譜分析下，會多出SOF4氣體。控制變量是電壓時，紅外光譜分析法可以直接得出相關柱狀圖，隨著電壓的不斷增高，SF6氣體分解越徹底，得到的產物濃度也會不斷增加?？刂谱兞渴菤鈮簳r，隨著氣壓的不斷升高，SF6氣體分解程度越低，得到的分解產物濃度越稀?？刂谱兞渴呛繒r，水分的增加能夠有效提高SO2的濃度，其他分解產物隨水分增加變化不大。

3 其他缺陷條件下試驗的相關分析

3.1 火花放電試驗

該試驗模擬強放電現象，控制變量和毛刺缺陷相似，唯一不同是需要將電極端末端磨平，以減小損耗?；鸹ǚ烹娫囼炐枰B續的交流電作支撐，且需要每0.5 h進行降壓采氣操作，同時記錄相關數據。試驗時分別進行氣相測量、超聲測量以及高頻測量，并記錄相關過程，經過相應數據處理和分析，繪制精確的曲線圖。SO2F2和CS2是放電的主要產物，放電能夠將氣體徹底分解得到大量的分解氣體，同時釋放大量能量使得頻譜圖波動較為劇烈[2]。

3.2 顆粒物缺陷下的相關試驗

該試驗是分析固體顆粒物對氣體分解的影響，主要控制變量有顆粒物數量和氣壓。在試驗中通常用銅片代替顆粒物，將試驗模型進行充真空并維持此狀態，然后加入定量的氣壓和電壓，之后可通過控制銅片的多少和氣壓高低進行檢測。大量重復試驗表明，SOF4氣體是該試驗下的分解產品，與顆粒物數量和氣壓成正比關系，即顆粒越多，氣壓越高，分解氣體的濃度就越大。

3.3 絕緣子劃痕下的相關試驗

此試驗中，絕緣子表面劃痕的多少是決定SF6氣體放電能力的關鍵因素。經過一系列的試驗測量可知，該條件的分解產物是CO2，且隨著時間的推移，分解氣體逐漸呈現出線性增加趨勢。無論是紅外光測量、氣相測量還是高頻測量，它的分解氣體都隨反應的進行不斷增加。

3.4 螺絲松動引起設備過熱的相關試驗

該缺陷條件下可能引起模型設備發熱，當溫度升高到一定程度時，模型內部的電爐絲會發生熔斷現象，從而造成機械設備故障。針對引起的過熱缺陷，需要控制電爐絲溫度的高低，在試驗過程中間隔相等的時間記錄數據。試驗中電爐絲溫度的變化是由低到高依次遞增的，試驗完成后將分解氣體經氣相色譜儀分析處理，即可畫出相應曲線。需注意，分解氣體種類較多，必須仔細分析。分解氣體的濃度和溫度變化呈現線性關系，即溫度越高，分解物濃度越大。

3.5 螺絲松動導致懸浮電位變化的相關試驗

懸浮電位缺陷試驗是模擬GIS在設備內部的運行情況，當螺絲出現松動時，設備內部線路可能會出現接觸不良，從而導致懸浮電位發生變化。在組裝試驗設備時，要在松動螺絲附近安裝正負電極板，用來監測設備電壓的變化情況。該電極板與測量裝置相連通，可直接記錄電位變化數據。經過氣相色譜儀對數據的處理分析可知，分解氣體種類繁雜，且隨著懸浮電位的增加，分解產物逐漸減少。

3.6 其他缺陷的試驗

除上述試驗外，絕緣設備的缺陷還包括受潮缺陷和設備內部吸附劑對放電特性的影響。進行試驗時，通常將毛刺和受潮缺陷組合起來研究放電特性。試驗曲線成U型分布，即在試驗初期和末期分解氣體濃度較大[3]。吸附劑往往對放電性能的影響不大。通過不同吸附劑對氣體分解的研究可看出，吸附劑的存在不利于氣體分解。

4 結 論

綜上所述，通詳細介紹SF6氣體絕緣設備試驗前的準備工作、毛刺缺陷對放電特性的影響以及其他缺陷存在時的放電試驗，使人們對其有了系統的認識和了解。工業生產中，設備的絕緣程度越高，生產過程的安全保障越大。上述試驗氣體放電性能高低是依靠分解產物濃度判斷的，濃度越高，放電性越強。通過試驗可判斷影響絕緣性能的主要缺陷，需對其進行改進，進一步提高生產的安全性。