SF6分解產(chǎn)物產(chǎn)生機理和影響因素研究

付麗君，關(guān)艷玲，王 晗

(國網(wǎng)黑龍江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，哈爾濱 150030)

0 引 言

中國電網(wǎng)中普遍應(yīng)用的氣體絕緣開關(guān)設(shè)備包括GIS、SF6斷路器、SF6混合氣體開關(guān)等[1]。缺陷診斷是確保電網(wǎng)安全運行的關(guān)鍵措施之一，大量的事故統(tǒng)計分析表明：設(shè)備內(nèi)部絕緣件缺陷是設(shè)備運行故障的重要來源。運行開關(guān)設(shè)備內(nèi)部固體絕緣件出現(xiàn)的缺陷是動態(tài)發(fā)展的，甚至引起絕緣劣化，缺陷發(fā)展的不同階段，絕緣件會產(chǎn)生不同的氣態(tài)或固態(tài)分解產(chǎn)物。

放電和過熱是SF6設(shè)備常見的兩種主要故障，一般情況下，SF6設(shè)備不會產(chǎn)生具有毒性的氣體，但是當(dāng)SF6設(shè)備出現(xiàn)故障后，大量具有毒性的氣體會伴隨著一系列化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生而產(chǎn)生，比如，大量的硫化物會在絕緣材料高溫?zé)峤鈺r產(chǎn)生，因此，設(shè)備在使用過程中，需要實時監(jiān)測SO2含量及SO2的濃度總量。當(dāng)故障初現(xiàn)時，設(shè)備不會產(chǎn)生大量的SO2，SO2的濃度是隨著分解物的增多而上升的[2-3]，所以分析開關(guān)設(shè)備內(nèi)部絕緣件在局部放電、異常受熱下的分解產(chǎn)物產(chǎn)生機理及影響因素，對設(shè)備運行管理具有重要的指導(dǎo)意義和參考價值。

1 開關(guān)設(shè)備內(nèi)部絕緣件缺陷的分解產(chǎn)物特征組分

當(dāng)SF6開關(guān)設(shè)備內(nèi)部絕緣件出現(xiàn)缺陷時都會產(chǎn)生分解產(chǎn)物特征組分，比如盆式絕緣子沿面放電、機械裂紋、異常發(fā)熱、絕緣拉桿的沿面放電、絕緣件出現(xiàn)微粒放電、裂紋放電和異常發(fā)熱過程。

1)GIS盆式絕緣子不同缺陷產(chǎn)生的SF6氣體分解產(chǎn)物有以下特點：絕緣沿面和尖刺放電缺陷均產(chǎn)生較大含量的CO2和SOF2，及稍少含量的CO和SO2F2；絕緣沿面缺陷均產(chǎn)生了SO2F2和COS，采用鐵電極產(chǎn)生了較大含量的CF4和較小含量的CS2；絕緣缺陷產(chǎn)生的組分多、含量高，采用鐵電極產(chǎn)生的氣體成分及含量比銅電極產(chǎn)生的多。

2)GIS內(nèi)部絕緣件裂紋和沿面放電時分解產(chǎn)物特征組分情況：鋁填料絕緣盆子與SF6氣體發(fā)生反應(yīng)的臨界溫度應(yīng)不高于140 ℃；SO2、H2S、CO2含量在試驗前期保持穩(wěn)定，試驗進行到某個臨界點時，會呈現(xiàn)明顯的增長趨勢，應(yīng)是判斷該反應(yīng)的表征物質(zhì)，此外C2F6可能在該工況的早期對其有響應(yīng)，SO2F2也可能是該反應(yīng)的表征物質(zhì)之一。

3)硅填料盆式絕緣子在穩(wěn)態(tài)電流下的異常發(fā)熱過程分解產(chǎn)物特征組分：硅填料絕緣盆子與SF6氣體發(fā)生反應(yīng)的臨界溫度不高于221 ℃；SO2、CO、CO2含量在試驗前期保持穩(wěn)定，試驗進行到某個臨界點時，會呈現(xiàn)明顯的增長趨勢，是判斷該反應(yīng)的表征物質(zhì)，此外C2F6在該工況的早期對其有響應(yīng)，CS2也可能是該反應(yīng)的表征物質(zhì)之一。

4)絕緣件微粒放電分解產(chǎn)物特征組分：自由微粒放電缺陷下，CO2、SOF2和SO2F2為自由微粒放電缺陷下的主要特征分解產(chǎn)物，SO2隨著放電的進行并沒有明顯的變化。同樣條件下的兩種自由微粒放電分解產(chǎn)物種類相同，含量變化均呈增加的趨勢，但同一種產(chǎn)物在兩種幾乎同樣的條件下其產(chǎn)值卻有較大的差別，這是由于自由微粒放電存在較大的分散性所致。CO2可能來自于不銹鋼電極，也可能是環(huán)氧樹脂絕緣材料在局放過程中釋放出的活性C原子與雜質(zhì)O或H2O反應(yīng)得來。兩種含硫產(chǎn)物中SOF2的產(chǎn)物濃度高于SO2F2，SOF2可能主要由SF4水解生成，而SO2F2的生成可能主要是由SF2與O2反應(yīng)得來。固定微粒放電下的分解產(chǎn)物中除了有CO2、SOF2和SO2F2生成以外，還檢測到了一種新的產(chǎn)物CF4，并且CF4是在固定微粒放電下放電電壓較高時產(chǎn)生的，因此推斷C來自于環(huán)氧樹脂絕緣材料的裂解。

2 絕緣件缺陷下分解產(chǎn)物的產(chǎn)生機理

2.1 局部放電缺陷

美國學(xué)者R. J. VanBrunt等人提出的“區(qū)域反應(yīng)模型”對SF6的局部放電分解機理的解釋更加有幫助，具體如圖1所示。SF6氣室內(nèi)的放電區(qū)域主要包括三個區(qū)域：輝光區(qū)、離子漂移區(qū)以及主氣室。可以看出，三個區(qū)域存在的物理化學(xué)過程存在明顯差異[2,4-6]。SF6分解成初級產(chǎn)物SFx的過程主要發(fā)生在輝光區(qū)。初級分解產(chǎn)物SFx(x=1,2,…5)中，SF5和SF3等不穩(wěn)定，而SF2和SF4具有對稱結(jié)構(gòu)，相對穩(wěn)定，所以SF4和SF2為輝光放電區(qū)內(nèi)SF6的主要分解產(chǎn)物。而SF6分解生成SF4所需的能量較生成SF2的低，所以SF4含量更大。SF5雖然不穩(wěn)定，但是SF6最容易分解為SF5，而SF5會反應(yīng)生成SOF4，進一步生成SO2F2，所以SF5的生成也會影響SO2F2的生成。在主氣室內(nèi)主要是SF4、SF2和SOF4等與水分氧氣的雜質(zhì)反應(yīng)，生成較穩(wěn)定的分解組分SO2F2和SOF2等，SO2F2和SOF2是局部放電作用下SF6分解生成的主要穩(wěn)定產(chǎn)物。

圖1 局部放電下SF6氣體分解機理

如果放電區(qū)域周圍存在含碳材料(如不銹鋼金屬電極、固體絕緣材料等)，氣室中的F原子和O原子還會與含碳材料釋放出的C原子發(fā)生反應(yīng)，生成CF4和CO2等產(chǎn)物[4-6]。在高溫條件下，C原子還會和CO2反應(yīng)生成CO[7]。

2.2 異常發(fā)熱缺陷

SF6氣體在正常條件下具有熱穩(wěn)定性，同時在500 ℃以下不活潑，但是即使電氣設(shè)備是在常溫中運行的，在GIS設(shè)備內(nèi)部也會產(chǎn)生一些高溫點。這些點的出現(xiàn)是由于能量需求的增加或者是電氣接觸不良，如果這些點在局限的區(qū)域內(nèi)其溫度在200 ℃附近甚至更高時，SF6氣體會與一些金屬發(fā)生反應(yīng)，生成金屬氟化物和金屬硫化物等產(chǎn)物。SF6分子通過熱作用的助力開始分離，金屬、有機絕緣材料、水分或者氧氣等會與SF6反應(yīng)產(chǎn)生分解產(chǎn)物，除了氟化物和硫化物在金屬外殼表面形成外，還發(fā)現(xiàn)了氣體分解組分SO2，水分對于SO2的形成具有顯著的影響[8]。溫度未達到300 ℃時，金屬和有機材料的表面受到侵蝕，主要原因是碳或硫的氧化物與SF6氣體發(fā)生反應(yīng)。溫度達到350 ℃時，產(chǎn)生大量SO2氣體。溫度達到400 ℃時，開始產(chǎn)生 H2S氣體，450 ℃時，HF和SOF2是主要產(chǎn)物，600 ℃是SF6氣體分解臨界溫度，此時，分解產(chǎn)物主要是SF4和SF2[9]。有機材料與S接觸時通常會產(chǎn)生H2S氣體，高溫會對反應(yīng)起到催化加速的作用。

相比于金屬性過熱，固體絕緣件過熱所產(chǎn)生的氣體分解產(chǎn)物種類、數(shù)量都與金屬性過熱下有明顯的差異。金屬性過熱下，主要氣體分解產(chǎn)物為SOF2、SO2、CO和CO2。其中CO和CO2中C的來源為高溫下不銹鋼表面釋放出的活性C，而在固體絕緣件過熱下，不僅SF6氣體參與到了過熱分解的反應(yīng)當(dāng)中，而且高溫下固體絕緣件的裂化和分解也導(dǎo)致了分解產(chǎn)物的多樣性，除了包含大量的SOF2、SO2、CO和CO2，還有新的氣體產(chǎn)物生成，如CH4、H2S、COS以及CF4。

3 絕緣件缺陷產(chǎn)生分解產(chǎn)物的影響因素

3.1 局部放電缺陷

固定金屬微粒放電下氣壓對SF6分解產(chǎn)物的影響，如圖2所示。可以看出，高壓強下，SF6氣體局部放電起始電壓升高，不利于電暈的產(chǎn)生，限制了放電能量，分解產(chǎn)物產(chǎn)量相應(yīng)減小，CO2、CF4、SOF2+SO2和SO2F2的產(chǎn)量均隨氣壓的增加而降低。

圖2 局部放電下氣壓對分解產(chǎn)物的影響

3.2 異常發(fā)熱缺陷

在絕對壓強為0.5 MPa，過熱故障溫度為300 ℃，無吸附劑的條件下進行固體絕緣件過熱下SF6分解實驗，并保持氣室內(nèi)初始含水量一致。對比0.3 MPa和0.5 MPa下各分解產(chǎn)物產(chǎn)量，可以發(fā)現(xiàn)各項分解產(chǎn)物H2、CO、CH4、CO2、H2S、COS、SOF2+SO2的產(chǎn)量均隨著氣壓的增加而增加。此外，當(dāng)SF6壓強增大時，還檢測到了新的生成產(chǎn)物CS2。

3.3 吸附劑對分解產(chǎn)物檢測的影響

為吸附SF6氣體中的水分、雜質(zhì)和分解產(chǎn)物，一般在SF6電氣設(shè)備中裝有吸附劑，這樣會對設(shè)備故障的判定產(chǎn)生影響。理想狀態(tài)下，吸附劑KDHF-03對SF6分解產(chǎn)物中的SO2和SOF2氣體的吸附速率會隨著時間的推移逐漸減小，最后趨于零。分析可能原因：

1)容器內(nèi)氣體分子數(shù)量隨著吸附劑作用時間延長而減少，分子運動速度變慢，離吸附劑較遠(yuǎn)的氣體分子移動到吸附劑附近需要一定時間，導(dǎo)致分解產(chǎn)物的含量下降速度變慢；

2)吸附劑的吸附能力隨著吸附時間和吸附SO2氣體濃度的增加而減弱[10]；

3)當(dāng)吸附劑吸附一定量的SO2以及SOF2氣體后肯定會達到飽和狀態(tài)，或者將SO2以及SOF2氣體完全吸收[11]。

4 結(jié) 語

SF6開關(guān)設(shè)備的盆式絕緣子絕緣沿面、機械裂紋、異常發(fā)熱、絕緣拉桿的沿面放電、絕緣件出現(xiàn)微粒放電、裂紋放電和異常發(fā)熱過程都會產(chǎn)生內(nèi)部絕緣件缺陷的分解產(chǎn)物特征組分。闡述了局部放電缺陷和異常發(fā)熱缺陷時的分解產(chǎn)物的產(chǎn)生機理。分析了局部放電缺陷、異常發(fā)熱缺陷、吸附劑對分解產(chǎn)物的影響。