H2O對尖端放電缺陷下SF6分解產物含量的影響

王紹安 ，何彥良，邵先軍，徐 華，沈智偉，孫安邦，張冠軍

（1.國網浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014；2.西安交通大學電力設備電氣絕緣國家重點實驗室，西安 710049；3.國網浙江省電力有限公司，杭州 310007）

0 引言

GIS（氣體絕緣金屬封閉開關）因其檢修方便、使用壽命長、占地面積小等優點得到廣泛使用[1-2]。作為目前GIS設備中的主要絕緣氣體，SF6物化性質穩定，通常情況下不易分解，但是由于GIS內部總存在不同類型的缺陷，在GIS的運行過程中，缺陷處可能產生局部放電。在局部放電的作用下，SF6氣體可能分解產生低氟化物，由于設備內部水分或氧氣會與低氟化物發生一系列水解或氧化反應，產生一系列副產物，如SOF2，SO2F2，SO2，CF4，C2F6，CO2，HF，H2S等[3-4]。這些副產物不但會降低SF6氣體的絕緣性能，同時HF與H2S也會對GIS內部造成一定的腐蝕，縮短設備壽命。因此，可以通過對SF6分解組分的分析來判斷GIS內部發生的絕緣缺陷，從而有效避免故障的擴大。

針對基于SF6分解組分分析方法在GIS局部放電缺陷中的研究工作已經取得了一些成果。R.J.Van Brunt等[5]提出了SF6放電分解的“區域反應模型”，得到了不同區域中的主要反應過程，解釋了SF6放電分解機理。唐炬、張曉星等[6-8]模擬了SF6在局部放電下的分解過程，對氣壓、微水、微氧等影響因素下分解產物含量、產生速率及比值進行了系統分析，并得到了相應結論。鐘理鵬等[9]描述了金屬突出物缺陷下局部放電量與SOF2，SO2F2，SO2及CO2等4種分解產物隨水分含量的變化規律，得到了水分對分解產物生成起促進作用。齊波等[10]研究了GIS中不同類型局部放電下氣體分解產物的變化，說明了分解產物與放電程度的關系。然而，目前研究大多停留在實驗室模擬環境，而針對電網現場工況下缺陷產生和檢測的研究還較為缺乏。

本文搭建了252 kV真型GIS故障仿真實驗平臺，對GIS內部發生尖端放電缺陷時，不同微水含量下SF6氣體分解狀況進行了實驗研究，分析了典型分解產物隨放電時間和微水含量的變化規律，給出了尖端放電缺陷特征氣體的判斷依據，為現場工況GIS尖端放電缺陷的診斷提供了幫助。

1 實驗平臺和方法

1.1 實驗平臺

為了準確模擬實際GIS現場工況，建立了一套252 kV真型GIS故障仿真實驗平臺，如圖1所示。該平臺包括252kV GIS實驗腔體、調壓系統、特高頻局部放電信號標定裝置、局部放電檢測儀、真空泵以及廢氣回收裝置。其中，GIS實驗腔體內外直徑分別為29.8 cm和30.6 cm，高壓導管外直徑為9 cm，盆式絕緣子厚度為5 cm，整個GIS模型包括8個實驗腔室、套管、電壓互感器、電流互感器、充電式耦合電容器及隔離開關等實際電力部件。采用基于脈沖電流法和特高頻法的局部放電在線監測系統對腔室內放電情況進行檢測，可以實時獲取平均放電量、放電能量、放電相位等信息。

圖1 GIS故障仿真實驗平臺示意

在已搭建的GIS故障仿真實驗平臺上加入氣相色譜儀、露點儀，構成SF6氣體分解組分檢測系統，如圖2所示。實驗中所使用SF6氣體純度為99.999%，氧氣體積分數小于400×10-6，實驗段放電模擬氣室體積為70 L，側壁配備了直徑為10 cm的石英玻璃窗，以觀測內部的放電情況。

圖2 SF6氣體分解產物檢測系統示意

實驗腔體段缺陷具體位置如圖3所示，尖端缺陷設置在高壓導管表面，距離采氣口40 cm，其中尖端材料為不銹鋼，針長33 mm，針尖曲率半徑為20μm，針尖距離腔體頂部70 mm，結構尺寸參數如圖4所示。

圖3 尖端缺陷設置位置示意

圖4 尖端缺陷結構尺寸示意

1.2 氣體檢測分析方法

實驗采用華愛GC9760B氣相色譜儀對氣體分解產物進行檢測分析，該型號色譜儀為目前現場實測常用色譜儀。儀器由5個切換閥、6根色譜柱和2個PDD（脈沖放電氦離子檢測器）組成，內置恒溫控制的4個柱爐和純化器，且溫度分別為60℃，120℃，60℃，50℃和132℃，搭配質量分數為99.999%的He作為載氣。該色譜儀通過調節柱爐溫度來調整各產物的出峰時間，從而實現對各產物之間的有效分離，可以對H2，O2，N2，CF4，CO2，SO2F2，SO2，H2S和CS2等多種氣體進行精確檢測分析，并分為A，B 2個通道輸出分析檢測結果。圖5分別給出了A，B通道在標準氣體樣品下主要分解產物的出峰情況，表1給出了主要分解產物的出峰時間。

圖5 主要產物標氣出峰情況

1.3 具體實驗方法

本次實驗中實驗段腔體內部充氣壓力均為0.45 MPa，環境溫度為常溫25℃左右，選取152×10-6，314×10-6，800×10-6，1 423×10-6和2 002×10-6等5種微水含量進行實驗。具體實驗步驟如下：

（1）清洗氣室。將氣室抽真空后充入純度為99.999%的SF6新氣，然后再將其抽真空，重復此過程2次，達到清洗目的。

（2）注入實驗氣體。在真空狀態下向腔體注入實驗所需的H2O，靜置30 min，待H2O充分氣化后注入SF6至0.45 MPa，再靜置12 h，使H2O與SF6混合均勻。

（3）微水檢測。使用露點儀測量實驗氣體中H2O的含量，若H2O含量不符合實驗要求，則返回第（1）步；若H2O含量達到實驗要求，則先通過色譜儀分析記錄放電前腔體內氣體組分含量。

表1 主要產物出峰時間

（4）加壓檢測。采用逐步升壓法將實驗電壓升至可以觀測到穩定的特高頻放電信號[11]，記錄此時實驗電壓為局放起始電壓U0，并記錄平均放電量Q0；將實驗電壓調至1.5U0，在該電壓下進行7 h連續局部放電分解實驗，并通過局部放電在線監測系統監測腔體內的放電情況。

（5）記錄數據。每隔1 h從取氣口抽取SF6放電分解樣氣，進行組分定量分析并實時記錄。

2 實驗結果及分析

2.1 CO隨放電時間的變化趨勢

不同微水含量實驗組下，局部放電起始電壓U0在20.5～21.5 kV變化，為了保證放電能量統一，取U0為21 kV，并將實驗電壓升高至31.5 kV，平均放電量為75 pC。

在持續的交流電壓放電作用下，不同微水含量下CO的生成量隨放電時間的變化趨勢見圖6。

圖6 不同φ（H2O）下φ（CO）隨放電時間的變化規律

由圖6可知，在不同微水含量的放電環境下都會產生CO，且CO的含量在放電后期會出現一定的負相關性，但整體變化情況波動較大。

本次實驗選取的金屬突出物材料為含碳不銹鋼，在局部放電作用下，高速的帶電粒子會撞擊不銹鋼針的表面釋放出游離態的C原子，并且由于GIS內部含有微量的O2與H2O，這些分子同樣也會被帶電粒子撞擊產生游離態的O原子，因此涉及到CO的主要反應過程如下[12]：

CO含量在放電后期的負相關性表示在實驗環境下，式（2）的反應速率大于式（1），這是因為CO2較CO來說更加穩定，由分子軌道理論解釋，CO的2個電子存在于反鍵上，能量更高。而事實上CO2與放電時間表現出較好的正相關性。

至于未曾檢測到以往實驗[7，9]中常見的硫酰化合物的原因，在實驗后對所設置的金屬針尖缺陷進行了能量分析，如圖7所示，并且檢測到了FeS2。這說明在本次實驗條件下，在硫酰化物生成前游離的S原子被針尖所吸附，如果延長放電時間或增大O2含量，則容易檢測到硫?；锏漠a生。

圖7 不銹鋼針尖表面元素分析

2.2 CO2隨放電時間的變化趨勢

在同樣強度的局部放電作用下，CO2在不同微水含量下隨放電持續時間的變化趨勢見圖8。

圖8 不同φ（H2O）下φ（CO2）隨放電時間的變化規律

可以發現在7 h的局部放電作用下，CO2含量在誤差范圍內與放電時間呈現出總體增長的趨勢，但是表現出了一定的分散性，產生這種線性正相關性的原因在2.1節中已經解釋說明。與放電前相比，不同微水含量下φ（CO2）在放電7 h后增加了6～20倍。

在相同放電時間下CO2含量隨H2O含量的增加也呈現出增大的趨勢，即φ（CO2）在高微水情況下明顯要多于低微水情況。這是因為在水分含量較大的環境中，較容易發生以下反應過程：

游離態的C原子與O原子通過反應式（4）結合生成CO2，但是由于C原子還要參與CF4與C2F6的生成，以及O原子與活性極高的F原子容易反應產生含氧的硫氟化物，因此造成了CO2含量的一定分散性。

2.3 CF4隨放電時間的變化趨勢

在7 h相同強度的局放作用下，CF4在不同微水含量下隨放電持續時間的變化趨勢見圖9。

圖9 不同φ（H2O）下φ（CF4）隨放電時間的變化規律

由圖9可以觀察到，對于不同微水含量的SF6氣體，CF4含量隨放電時間的變化波動較大。在放電后期，CF4含量達到了一定平衡，其生成量幾乎沒有明顯變化，并且在不同微水含量下CF4的平衡量大致相近，約為1.5×10-6。

CF4的生成并不是通過C原子與F原子一步反應形成的，其生成需要通過如下反應[12]：

這些中間產物的反應活性極高，容易與氣體環境中因為帶電粒子撞擊而產生的游離態H原子及O原子產生一系列反應[13-14]，生成CO2，HF等產物。這些反應導致中間產物CF，CF2，CF3在與F原子結合生成CF4之前被消耗，導致CF4平衡含量低于CO與CO2。

2.4 C2F6隨放電時間的變化趨勢

圖10給出了C2F6在不同微水含量下隨放電時間的變化趨勢。

圖10 不同φ（H2O）下φ（C2F6）隨放電時間的變化規律

與φ（CO2）變化規律相似，φ（C2F6）隨放電時間的變化趨勢呈現良好的正相關性，且H2O含量對C2F6的生成量影響并不明顯，這表明O原子與H原子并沒有參與C2F6及其中間產物的生成。事實上C2F6的形成涉及2.3節中所述及的CF，CF2，CF3等原子團，這些原子團與游離的高能F原子結合形成C2F6，這也解釋了為何CF4含量在一定放電時間后開始減少。此外可以觀察到，C2F6的生成量極大，整體增加范圍在700×10-6～1 000×10-6，因此可以用作表征缺陷出現時的判斷依據。

3 結論

（1）現場工況GIS發生尖端放電缺陷時，在短時連續氣體組分檢測下，并未發現明顯含硫產物生成，而可檢出分解產物主要有CO，CO2，CF4及C2F6等4種含碳化合物。

（2）隨著放電時間延長，CO含量存在一定減小趨勢，但變化波動較大，而CO2含量則隨放電時間呈現出較好正相關性。這2種產物出現相反的趨勢是由于兩者的生成存在一定的競爭關系，CO與O原子結合生成CO2的反應速率更高，CO2更加穩定。另外，在一定的放電時間下，CO隨H2O含量增長的變化規律并不明顯，CO2則呈現出總體增大的趨勢。

（3）C2F6受微水含量影響較小，其含量隨放電時間增加而增加，生成量極大，因此可以將C2F6及CO2作為GIS內部尖端放電缺陷的判據。CF4含量隨放電時間的變化波動較大，并無明顯規律，可與CO一并作為尖端放電缺陷產生的輔助判據。