基于SF6氣體分解產(chǎn)物檢測的潛伏性故障判斷

陳 東，雷詩銘，劉春意，周東平，安建文

（國網(wǎng)湖北省電力有限公司宜昌供電公司，湖北 宜昌443000）

0 引言

SF6氣體設(shè)備因其氣體絕緣性能高、滅弧能力強、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、不易燃易爆、占地面積小，維護工作量少的特點，在電氣設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用［1-5］。然而當(dāng)SF6電氣設(shè)備內(nèi)部因為安裝或操作因素存在潛伏性故障時，在放電和過熱的作用下SF6氣體會分解產(chǎn)生大量氟化物和硫化物，這些分解產(chǎn)物對設(shè)備內(nèi)固體絕緣以及金屬材料有強烈的腐蝕性，如果未及時發(fā)現(xiàn)，電氣設(shè)備存在絕緣擊穿、短路和產(chǎn)生更嚴(yán)重故障的風(fēng)險，嚴(yán)重影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行［6-9］。

目前對電氣設(shè)備進行放電檢測的方法主要包括超聲波檢測、特高頻檢測和SF6分解產(chǎn)物檢測［10-11］，相比于超聲波和特高頻檢測方法，SF6氣體分解產(chǎn)物檢測方法受外界環(huán)境干擾小、靈敏度高、檢測速度快的特點，因此國內(nèi)外都對SF6分解產(chǎn)物檢測法在電氣設(shè)備故障診斷中的應(yīng)用進行了大量的研究，但目前大部分研究和檢測都集中在設(shè)備故障發(fā)生后的分析，對潛伏性故障診斷和研究較少涉及，主要原因在于國內(nèi)尚未規(guī)定SF6分解產(chǎn)物檢測的周期［12-13］，且潛伏性故障持續(xù)的時間不長，難以精確找準(zhǔn)故障發(fā)生的時間。

本文以某110 kVGIS 設(shè)備在SF6氣體分解產(chǎn)物檢測中發(fā)現(xiàn)的潛伏性故障為例，以故障檢測和判斷以及氣室整體分解事實為依據(jù)，分析了故障原因以及故障發(fā)生的過程，對后期其他設(shè)備SF6氣體分解產(chǎn)物檢測試驗有一定的指導(dǎo)意義。

1 SF6氣體分解的理論基礎(chǔ)

正常運行的SF6設(shè)備氣室內(nèi)氣體不會發(fā)生分解，當(dāng)設(shè)備內(nèi)部存在電弧放電或潛伏性放電時，SF6氣體會分解產(chǎn)生SF4和F2。

對斷路器來說，雖在分、合時產(chǎn)生高溫電弧使SF6氣體分解，但由于其分、合速度極快，又有高效的滅弧功能，使分解物又在瞬間復(fù)合成SF6氣體，其復(fù)合率達到99.8%，且氣室內(nèi)部裝有吸附劑，殘留的微量分解產(chǎn)物在一定時間后被吸附，因此正常運行和分、合后的斷路器氣室內(nèi)均不會產(chǎn)生SF6氣體分解產(chǎn)物［14］。對存在放電或過熱等潛伏性故障的氣室來說，SF6氣體持續(xù)分解產(chǎn)生的SF4和F2會與設(shè)備內(nèi)部不可避免存在的O2、H2O、金屬蒸汽進一步發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生組分十分復(fù)雜的多種化合物，其反應(yīng)過程如圖1所示。這些物質(zhì)不僅造成設(shè)備內(nèi)部有機絕緣材料的性能劣化或金屬的腐蝕，致使設(shè)備絕緣性能下降，而且會對電氣設(shè)備和人身帶來嚴(yán)重不良后果。當(dāng)放電或過熱故障嚴(yán)重時，設(shè)備內(nèi)部的固體絕緣材料也會分解產(chǎn)生H2S、CF4和CO等氣體物質(zhì)［15-21］。

圖1 放電情況下SF6氣體分解和還原過程Fig.1 Decomposition and reduction of SF6 gas under discharge condition

基于以上SF6氣體分解機理的研究，可以通過檢測SF6氣體分解產(chǎn)物來判斷設(shè)備內(nèi)部是否存在潛伏性故障，在SF6分解產(chǎn)物中，包含SOF2、SO2F2、SOF4、SO2、H2S、HF 等成分，其中SOF2、SO2F2、SOF4等成分現(xiàn)場檢測難度較大，而SO2、H2S、HF等氣體現(xiàn)場檢測技術(shù)成熟方便，因此可以通過檢測SO2、H2S、HF等氣體來判斷設(shè)備內(nèi)部是否存在潛伏性故障以及這些組分含量的多少初步判斷故障類型。

目前SF6分解產(chǎn)物主要的檢測方法有檢測管法、電化學(xué)傳感器法、氣相色譜法、色譜—質(zhì)譜聯(lián)用法、紅外光譜法等，這些檢測方法各異，適用于不同場所和不同分解產(chǎn)物的檢測［22-23］。其中電化學(xué)傳感器法因其靈敏度高、檢測快、耗氣量少、方便攜帶的特點廣泛應(yīng)用于現(xiàn)場SF6氣體分解產(chǎn)物的檢測。另外，SF6氣體分解產(chǎn)物在線監(jiān)測可以實現(xiàn)SF6設(shè)備內(nèi)部潛伏性故障的實時監(jiān)測，但該方式現(xiàn)場布置復(fù)雜，且存在影響設(shè)備正常運行的風(fēng)險［24-27］。

2 潛伏性故障檢測實例

2.1 檢測及判斷過程

2019年10月31日，某公司在某220 kVGIS變電站進行SF6分解產(chǎn)物現(xiàn)場檢測，當(dāng)檢測工作進行到110 kV某間隔刀閘氣室時，發(fā)現(xiàn)該氣室中SO2含量遠超注意值，為保證測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，檢測人員隨后又對該氣室進行了多次追蹤檢測，檢測結(jié)果如表1所示。

表1 SF6氣體分解產(chǎn)物檢測結(jié)果Table 1 Detection results of SF6 gas decomposition products

根據(jù)《輸變電設(shè)備狀態(tài)檢修試驗規(guī)程》和《國家電網(wǎng)公司變電檢測管理規(guī)定》對SF6氣體分解產(chǎn)物的要求，該刀閘氣室中SO2成分已遠超注意值1 μL/L，初步判定該刀閘氣室內(nèi)部存在放電故障，由于分解產(chǎn)物中幾乎不存在H2S，CO含量也處于正常范圍內(nèi)，因此判斷放電故障并未涉及到固體絕緣材料。值得注意的是，第一次檢測出少量H2S，而后續(xù)均未檢測出的原因可能是氣室內(nèi)部故障放電量不大，只產(chǎn)生少量H2S 被吸附劑吸附，也可能是由于SO2含量過大對H2S傳感器產(chǎn)生了干擾；而SO2含量在停電后減少的原因在于氣室內(nèi)部吸附劑吸收了部分SO2。

為了進一步確定該刀閘氣室內(nèi)部的故障情況，對該氣室進行局部放電帶電檢測，主要包括超聲波檢測、特高頻檢測，經(jīng)檢測，超聲波檢測未發(fā)現(xiàn)明顯放電信號，特高頻檢測發(fā)現(xiàn)微小放電信號，疑似有電暈放電或者絕緣子污穢放電發(fā)生，由于局部放電檢測的信號微弱，判斷氣室內(nèi)部存在輕微的放電或過熱故障。

經(jīng)過研究，決定對該間隔氣室進行整體更換，在停電過程中，發(fā)現(xiàn)該刀閘在操作時發(fā)現(xiàn)無法分閘，二次檢修人員對現(xiàn)場情況進行檢查，發(fā)現(xiàn)合閘接觸器已經(jīng)動作，將刀閘的控制電源暫時斷開讓接觸器復(fù)歸后再合上電機電源和操作電源，運維人員再次進行操作，電機電源空開依然跳閘，現(xiàn)場沒有聽到該刀閘機構(gòu)箱內(nèi)有電機轉(zhuǎn)動的聲音，再一次確定了氣室內(nèi)部存在故障。

通過對SF6分解產(chǎn)物檢測結(jié)果、局部放電檢測結(jié)果和刀閘無法拉開的綜合分析與判斷，推測該刀閘氣室內(nèi)部存在潛伏性放電故障，長期的放電導(dǎo)致刀閘結(jié)構(gòu)改變從而無法拉開。

2.2 解體檢查過程

故障氣室整體更換后在廠家無塵車間進行了解體和異常分析，該氣室開蓋后發(fā)現(xiàn)殼體內(nèi)上部均勻分布有SF6分解產(chǎn)物，完全打開后ABC 三相動觸頭側(cè)均有分解產(chǎn)物，A相動觸頭座上部最多，如圖2所示。仔細觀察后未發(fā)現(xiàn)氣室固體絕緣材料存在放電或過熱的痕跡，因此也證實了SF6氣體分解產(chǎn)物數(shù)據(jù)分析得出的結(jié)論。

圖2 SF6分解產(chǎn)物分布圖Fig.2 Distribution of decomposition products of SF6

隨后對動觸頭和控制動觸頭活動的絕緣撥叉進行了解體，發(fā)現(xiàn)動觸頭上的插銷局部變細，三相均存在不同程度的燒損，如圖3所示，控制動觸頭活動的絕緣撥叉金屬嵌件均有半圓弧狀燒損，以A相最為嚴(yán)重，如圖4所示，絕緣撥叉上固定的等電位舌簧也被燒損變短，如圖5所示。

圖3 插銷燒損圖Fig.3 Burning loss diagram of bolt

圖4 絕緣撥叉燒損圖Fig.4 Burning loss diagram of insulation drawing

2.3 故障產(chǎn)生過程

在刀閘分、合過程中，絕緣撥叉帶動動觸頭活動，其中絕緣撥叉與帶電的動觸頭通過插銷進行接觸，為保證二者間可靠接通，絕緣撥叉金屬嵌件上還裝有舌簧，這樣即使絕緣撥叉與動觸頭不接觸，也可通過舌簧與動觸頭接觸，保證等電位連通，如圖6所示。

圖5 等電位舌簧燒損圖Fig.5 Burning loss diagram of equipotential tongue spring

圖6 絕緣撥叉、舌簧及插銷安裝圖Fig.6 Installtion drawing of insulating drawing,spring and bolt

然而，在該氣室中，絕緣撥叉的舌簧、絕緣撥叉同時與插銷存在電接觸不良，產(chǎn)生懸浮電位，引起舌簧、插銷、絕緣撥叉存在不同程度的燒蝕，在持續(xù)的局放過程中，產(chǎn)生SF6分解產(chǎn)物，絕緣撥叉內(nèi)側(cè)平面燒損形成半圓弧狀凹坑，插銷卡在凹坑內(nèi)，無法自由滑動，造成分閘卡滯。經(jīng)過分析認(rèn)為本次故障產(chǎn)生的原因在于廠內(nèi)安裝時舌簧偏離或不到位，在設(shè)備的操作或者運行時電動力的振動，造成舌簧接觸不良引發(fā)懸浮放電并不斷加重，導(dǎo)致絕緣撥叉、舌簧和插銷的燒損。

2.4 案例總結(jié)

通過研究電網(wǎng)設(shè)備狀態(tài)檢測技術(shù)應(yīng)用典型案例集和SF6氣體檢測設(shè)備生產(chǎn)廠家收集的故障案例［28-29］，可以將SF6氣體設(shè)備常見的潛伏性故障分為放電和過熱故障。放電故障包括放電能量較小、持續(xù)時間較長的局部或電暈放電和放電能量較大、持續(xù)時間較短的火花或電弧放電。過熱故障主要表現(xiàn)為導(dǎo)電桿連接接觸不良，接觸不良使導(dǎo)電接觸電阻增大，導(dǎo)致故障點溫度過高。

3 結(jié)語

應(yīng)用SF6分解產(chǎn)物檢測方法發(fā)現(xiàn)一起GIS 設(shè)備潛伏性故障，成功避免了設(shè)備故障的進一步發(fā)展，保證了電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行，通過檢測SF6電氣設(shè)備中的分解產(chǎn)物種類以及含量來診斷電氣設(shè)備故障對于及時發(fā)現(xiàn)潛伏性故障并處理具有重要意義。

目前GIS設(shè)備內(nèi)部潛伏性故障判斷主要依賴于特高頻和超聲波檢測，利用SF6氣體分解產(chǎn)物成分來診斷設(shè)備內(nèi)部潛伏性故障還未常態(tài)化，大多數(shù)情況下僅應(yīng)用于故障后的故障定位，且目前還沒有權(quán)威的氣體分解產(chǎn)物的分析和判斷導(dǎo)則，現(xiàn)有的規(guī)程也只是粗略地規(guī)范了含量和成分的參考值，因此有必要把SF6氣體分解產(chǎn)物檢測作為SF6設(shè)備帶電檢測的常態(tài)化工作，不斷積累數(shù)據(jù)和經(jīng)驗，不斷完善SF6分解產(chǎn)物檢測工作。