SF6氣體密度繼電器阻尼油劣化缺陷原因分析

曾曉亮，張 力，安 政，田倩倩，耿 植，蘭新生，劉 曦，王志高，張忠偉，李成輝

(1. 國網四川省電力公司電力科學研究院，四川 成都 610041; 2. 國網四川省電力公司巴中供電公司，四川 巴中 636000;3. 國網四川省電力公司自貢供電公司，四川 自貢 643000; 4. 四川大學分析測試中心，四川 成都 610064)

0 引 言

六氟化硫（SF6）是一種強電負性氣體，具有良好的電氣絕緣性能及優異的滅弧性能，其作為絕緣介質已經廣泛應用于高電壓、大容量電力設備中，如斷路器、電流互感器和氣體絕緣組合電器（GIS）等[1-3]。在SF6電氣設備中，SF6氣體的密度對其絕緣強度和滅弧性能起決定性作用，一旦出現泄漏，密度隨之下降，設備的耐壓強度和斷路器的開斷容量等都會嚴重劣化，可能造成接地或其他絕緣故障[3-4]。

SF6氣體密度繼電器是監測已投運電氣設備內SF6氣體密度的唯一元件，對保證運行開關設備和電力系統的安全運行具有重大意義[5-7]。因此，各級標準中均明確規定，應定期對其進行校驗，確保其正常工作[8-10]。然而SF6氣體密度繼電器例行試驗周期長，部分運行維護人員對SF6密度繼電器的重要性認識不足，不能及時發現相關故障和缺陷，嚴重影響高壓電氣設備和電力系統的安全運行[11-13]。

本文介紹了一起110kV GIS SF6氣體密度繼電器觸點回路故障，分析了發生該處缺陷的主要原因，提出了檢測該缺陷的方法措施，并給出設備運行維護建議。

1 故障概況

2020年11月，國網四川省電力公司某供電公司在某110 kV變電站例行檢修過程中發現某品牌充油型SF6氣體密度繼電器存在缺陷，當SF6氣壓降至告警壓力值和零表壓值時，不能正常發出告警及閉鎖信號。經現場校驗排查，共發現19只密度繼電器存在相同缺陷。據悉，此批次密度繼電器于2012年12月投運，運行年限8年。該套GIS設備運行期間，除發生一次刀閘氣室與斷路器氣室之間的盆式絕緣子漏氣缺陷及斷路器機構箱漏水缺陷外，未發生過其他嚴重缺陷。2014年首檢及2015-2020年定期狀態評價均為正常狀態。

2020年12月，國網四川省電力公司對轄區內供電公司及檢修公司的相同品牌SF6氣體密度繼電器進行缺陷排查。截止2021年4月，共計發現七個供電公司11個變電站451只密度繼電器存在上述缺陷。

2 試驗診斷

2.1 宏觀檢查

如圖1所示，密度繼電器外觀完好，頂部注油口螺帽緊閉無松動，觸點引出線端子外觀良好，無明顯銹蝕痕跡。隨著SF6壓力變化其指針指示值變化平穩、無卡滯，且指針均能歸零。對其二次回路檢查，未發現接線錯誤且電纜芯線無松動和斷線問題。然而，在零表壓狀態下，用萬用表對所有密度繼電器觸點引出線進行檢測，均不能接通。因此可推斷缺陷來自密度繼電器內部觸點回路故障。

圖1 密度繼電器外觀（A）及接線端子（B）

2.2 解體分析

對取回的故障密度繼電器進行解體分析，如圖2所示。旋開頂部螺帽，經泵將填充的阻尼油抽出并儲存于玻璃注射器內，避光常溫保存。取下面罩檢查，內部元件完好無損，觸點處于閉合狀態，觸點引線連接緊固，但金屬觸點及支架表面積聚有大量沉積物（其中A為控制回路，B為金屬觸點，C為金屬支架，D為阻尼油，E為清洗后的金屬支架，對其取樣并避光常溫保存，如圖2所示。

圖2 密度繼電器解體圖片

清除觸點表面的沉積物后，再進行觸點通斷檢測，均能正常接通。此外，還可觀察到阻尼油為綠色透明液體，其中有少量絮狀雜質（圖2（D）），觸點及金屬支架表面有少許金屬銹蝕痕跡（圖2（E））。

隨后，對其他故障密度繼電器進行了同樣拆解步驟，并對觸點電阻及通斷情況進行了測試。選取一只正常密度繼電器為對照組，對其余故障密度繼電器內部觸點不通進行深入分析。根據金屬支架表面沉積物不同情況以及阻尼油顏色等，共選取具有代表性的3只故障密度繼電器進行后續實驗及分析，解體情況如表1所示。

表1 對照組（1號）及三只故障密度繼電器解體情況

2.3 化學成分分析

阻尼油在使用過程中受到光、電、熱、氧氣、水分、酸和金屬離子催化等作用，將會加速其氧化變質產生油泥以及引起金屬元件的腐蝕[13-14]。油品的氧化過程是其和氧作用的一個復雜過程，氧化的結果是產物分子量不斷增大，結構也趨向復雜，最終形成膠質、油泥、積碳等沉淀物[15-16]。為深入分析故障密度繼電器阻尼油變質及產生沉積物的原因，進行了微水、酸值等指標以及化學成分分析，結果如表2所示。

表2 阻尼油理化指標及化學成分分析

表2結果表明，與1號油品相比，2-4號油品的微水、酸值和銅離子含量均明顯偏高。2-4號油品微水含量雖然相對較高，但都符合NB/SH/T 0454—2018《特種精密儀表油規范》和 SH/T 0138—94《10號儀表油》的油品質量要求。然而，2-4號油品中酸值約 2 mg KOH/g，為規定值的10～100倍，均嚴重超標。由于SF6氣體密度繼電器內阻尼油相關研究數據較少報道，而變壓器油的成分分析較為成熟，因此借鑒相關分析方法進一步對比研究。其中，運行中變壓器油酸值≤0.10 mg KOH/g[17]，當酸值升到 0.2 mg KOH/g以上或 pH值＜3.8時，油質劣化顯著，會有較多油泥產生。因此，阻尼油的酸值嚴重超標，可能是加速沉積物產生的主要原因。此外，油品中的酸值含量較高，將會對金屬支架及金屬觸點材料產生一定腐蝕（圖2E），因此2-4號油品中銅離子含量明顯增加。

紅外光譜及紫外可見光譜進一步證實了3號油樣的老化變質，如圖3所示。其中在1 717 cm–1處強的紅外吸收峰為羰基的吸收峰，表明油品中可能存在有機酸等物質；3號阻尼油截止吸收波長紅移近100 nm且在585～650 nm之間有一紫外吸收峰，導致3號油樣呈現綠色，發色物來源可能為阻尼油中添加的抗氧化劑的氧化產物[18]。

圖3 1號和3號阻尼油的光譜表征

油泥經溶劑清洗、真空干燥后，采用X射線光電子能譜（XPS）測試其金屬元素種類及含量。測試結果表明油泥中含有微量的銅等金屬，與油品中金屬元素測試結果一致，進一步證實了酸腐蝕金屬觸點及銅合金支架產生銅等金屬離子，加速了油品的老化變質和沉積物的產生。

3 故障原因分析

本次發生缺陷的SF6氣體密度繼電器，采用內部灌裝阻尼油的方式對其內部元件進行減振。通過解體分析和化學試驗，結果表明阻尼油在運行過程中可能受到光、熱和受潮等因素影響，導致其酸值嚴重超標（約10～100倍），油中酸進一步腐蝕金屬觸點和支架產生了痕量銅離子。在酸和痕量金屬離子的催化作用下，加速了阻尼油的老化以及沉積物的產生。此外，金屬觸點間的直流電場加速了沉積物在觸點表面的聚集，導致觸點電阻急劇增加，阻斷發出告警及閉鎖信號。

4 結束語

本次SF6氣體密度繼電器觸點回路故障，暴露出充油抗振型密度繼電器在阻尼油劣化的情況下，會發生因觸點表面積聚沉積物而不能正常發出低氣壓告警信號的缺陷。由于早期的SF6氣體密度繼電器多采用內部充阻尼油的措施來抗振，電網中還可能存在類似的潛伏性缺陷，對電網的安全運行有較大的威脅，因此提出以下處理建議和改進措施：

1）建議對所有充油抗振型SF6密度繼電器的觸點導通情況進行一次專項排查，對存在問題的密度繼電器更換成無油型密度繼電器，對暫時不存在問題的密度繼電器加強運行監督。

2）加強對SF6氣體密度繼電器的運行和檢修管理，嚴格按照周期及校驗項目對其進行定期校驗。

3）在檢修周期制定上，統籌考慮斷路器安裝環境情況（如戶外），優化斷路器檢修周期，同時將SF6氣體密度繼電器更換納入斷路器中期檢修管理。