GIS典型放電條件下SF6氣體分解產物與故障能量和故障類型對應關系研究

何 清，鄧萬婷，王 偉，胡丹暉，劉 帆，胡 然

（1.國網湖北省電力有限公司電力科學研究院，湖北 武漢 430077；2.國網湖北省電力有限公司，湖北 武漢 430077）

0 引言

SF6氣體絕緣組合電器（Gas Insulated Switch gear，GIS）以其占地面積少、無油化、維護量小、安全性高等優點廣泛應用于電力、交通、煤礦等領域。但由于該類設備在生產制造、加工安裝以及運行維護過程中都不可避免先天或后天產生某類絕緣缺陷，從而導致設備發生嚴重故障危害電網及人身安全［1-3］。自GIS 投運以來絕緣事故頻發，據不完全統計，異物放電占故障統計的30%，盆子絕緣故障超過10%，由GIS絕緣故障導致的直接和間接損失不可估量。研究表明，通過檢測GIS 氣室中SF6氣體分解的特定成組的故障特征氣體可對GIS 內存在的故障缺陷進行大致的分析與判斷［7-10］。

本文選擇在GIS 內部出現的4 種典型局部放電故障類型開展SF6氣體分解產物與故障類型及故障能量研究。研究表明，在GIS內部金屬突出物、自由導電微粒、絕緣子表面污穢和絕緣子外氣隙4 種典型局部放電故障模型下SF6氣體分解產生的SO2F2、SOF2、SO2、CF4、CO25種特征故障氣體在總含氣量、氣體組分含量比值以及產氣速率等方面均有所差異。因此，提出利用4種典型故障下SF6氣體分解產生的5種特征氣體對GIS設備內部局部放電故障進行判斷和識辨的方法。

1 GIS典型局部放電故障下SF6氣體分解機理

SF6設備長期帶電運行，在設備內部出現帶電微粒、毛刺或絕緣污損等，導致設備發生局部放電，局部放電產生的電熱效應會導致GIS 內絕緣材料的老化，從而進一步加速故障的發展，最終導致貫穿性絕緣事故的發生［11-12］。

在SF6局部放電中，電子的平均能量為5 eV～10 eV，而SF5-F的結合能為3.5 eV～4.0 eV，電子的碰撞可導致SF6氣體分解，是局放發生時SF6分解的主要原因。局部放電雖為低能量放電，但是在其產生的輝光區內，電子的溫度遠遠高于周圍環境的溫度［13］。

在輝光區內，SF6分子被電子碰撞生成SF5、SF4、SF3、SF2和SF等低氟硫化物，SF6中的H2O和H2也因電子碰撞裂解生成O和OH，這些粒子在中心區域發生復雜化學反應，最終生成可檢測到的穩定SF6氣體分解產物。當放電涉及有機絕緣材料或不銹鋼材料時，O 會與材料的C 反應生成CO2，F 與材料中的C 反應生成CF4。圖1 給出了SF6氣體分解原理及區域反應模型［13-14］。

圖1 SF6氣體分解機理Fig.1 Decomposition mechanism of SF6

由SF6分解機理可知，SF6在放電條件下生成的主要氣體組分有：CF4、CO2、SO2F2、SOF2、SOF4、SO2、CS2、HF 和H2S 等，其中，HF 是強酸物質，極易與設備內部材料發生反應；SOF4不穩定，易發生水解反應生成SO2F2，故HF 和SOF4不適合選作表征局部放電的特征組分。因此，本文選擇對SO2F2、SOF2、SO2、CF4、CO25種SF6組分進行GC/MS分析，這5種氣體也是實驗室比較容易檢測到的氣體組分。

2 實驗條件及檢測方法

2.1 實驗平臺

研究所用的SF6局部放電分解實驗平臺如圖2 所示，圖2（a）中，調壓器（T1：0～380 V）和變壓器（T2：50 kVA/100 kV）給電路提供交流高壓。保護電阻（R1：20 kΩ，R2：20 kΩ）限制缺陷擊穿時的電流，保護整個實驗平臺。電容分壓器（Cv：高壓臂電容為500 pF，低壓臂電容為0.5 μF）測量變壓器提供的交流電壓，電阻分壓器（Rv：高壓臂電阻為220 MΩ，低壓臂電阻為22 kΩ）測量施加到缺陷兩端的電壓。耦合電容（Ck：500 pF/100 kV）給脈沖電流提供高頻低阻通道，經無感檢測阻抗（Zm：50 Ω）轉換成電壓信號，由示波器（DSO：泰克DPO 7254C）顯示與存儲。放電氣室圖2（b）由不銹鋼材料制成，體積為60 L，密閉性良好。采用氣相色譜質譜聯用儀（島津QP-2010Ultra GC/MS）檢測SF6分解組分的種類和含量。

圖2 實驗平臺Fig.2 SF6 Discharge simulation experimental platform

2.2 放電模型

研究采用了4種放電典型故障模型。

2.2.1 金屬突出物缺陷

GIS 中的金屬突出物缺陷通常是由設備工藝不佳、裝配損傷和運行摩擦等原因造成。由于突出物尖端曲率半徑小，導致突出物周圍電場發生畸變，從而使得局部電場集中而產生局部放電故障。對于金屬突出物故障的放電形式主要為局部電暈放電，試驗模型如圖3所示。

圖3 金屬突出物缺陷物理模型Fig.3 Physical model of metal protrusion defect

2.2.2 自由導電微粒缺陷

微粒缺陷是由于設備在制造、運輸、安裝和運行等過程中產生金屬微粒。在設備運行過程中，金屬微粒在電場中會感應出電荷，由于其質量一般很小，在電場力作用下會發生移位和跳動，如果微粒數量足夠多、跳動范圍足夠大，可能在高壓導體和外殼之間形成導電通路，從而造成設備故障［9-11］，試驗模型如圖4所示。

圖4 微粒缺陷物理模型Fig.4 Physical model of particle defect

2.2.3 絕緣子沿面缺陷

由于安裝或開關開合時產生的微量金屬微粒或雜質在電壓作用下會產生運動，其跳動過程中會沾附到絕緣子表面，其中有些微?；螂s質會因沾附比較牢固，從而固定在絕緣子表面，隨著設備運行時間越久，固定在絕緣子表面的金屬微粒和雜質越多，最終形成污穢類缺陷。金屬微粒在電場中會感應出電荷，污穢缺陷的形成導致電荷積聚，當電荷積聚到一定程度后，會使絕緣子表面電場發生嚴重畸變，從而引發局部放電故障［12-14］，試驗模型如圖5所示。

圖5 污穢缺陷物理模型Fig.5 Physical model of contamination defect

2.2.4 絕緣子外氣隙缺陷

由于金屬電極與絕緣子環氧樹脂兩者間熱膨脹系數不同，在熱脹冷縮條件下，電極與絕緣子之間可能會形成微小氣隙，形成氣隙缺陷。SF6氣體的介電常數比環氧樹脂小，在交流電壓作用下氣隙承擔的電壓大于固體絕緣介質，而SF6的耐受電壓低于固體絕緣介質，因此導致氣隙中的SF6氣體擊穿形成局部放電，試驗模型如圖6所示。

圖6 氣隙缺陷物理模型Fig.6 Physical model of gap defect

2.3 氣體分解產物檢測方法

GC 分析方法［15］：進樣體積為1 ml；進樣口溫度為220 ℃；進樣模式為分流進樣；分流比為10∶1；流量控制模式為壓力控制；進樣口壓力為55 kPa；柱流量為1.2 mL/min；吹掃流量為3.0 mL/min；柱箱溫度采用程序升溫方式，在0 min～7.5 min 內保持35 ℃恒溫，然后以70 ℃/min 的速率升溫至105 ℃并保持10 min，最后以100 ℃/min的速率升溫至250 ℃并保持2 min。

MS 分析方法：離子源溫度為200 ℃；進樣接口溫度為220 ℃；溶劑延遲時間為0.1 min；檢測器電壓為0.1 kV；檢測器掃描模式為SIM（離子掃描）；保留時間偏移范圍為±0.069 min；參考離子相對強度偏差值為20%；離子源和檢測器在3.8 min～8.19 min 與17 min～20 min兩個時間段內打開，其余時間段內關閉。

根據上述GC/MS 分析方法，得到SF6分解組分的保留時間如表1所示，TIC圖如圖7所示。

表1 SF6分解組分的保留時間Table 1 Retention time of SF6 by-products

圖7 檢測標準氣體的TIC圖Fig.7 TIC diagram of detecting standard gas

2.4 放電能量檢測方法

采用《IEC 60270：2015 局部放電測量》推薦的脈沖電流法進行局部放電信號檢測及放電量校正，其中，校正脈沖發生器可以輸出已知電荷量的脈沖信號，耦合電容給脈沖信號提供高頻低阻通道，經檢測阻抗轉換成電壓信號，再由示波器顯示和存儲，最后通過強制過零線性擬合方法得到放電量校正曲線。實驗選擇的脈沖發生器為JF-2006 型校正脈沖發生器，可以輸出電荷量為5 pC、50 pC、100 pC和500 pC 4種脈沖信號，選擇的示波器為泰克DPO 7254C 示波器，如圖8所示。

圖8 SF6放電分解試驗原理圖Fig.8 Schematic of SF6 decomposition experiment under discharge

SF6氣體絕緣設備氣室內部由絕緣缺陷引起的局部放電在放電幅值、相位分布以及放電頻率上都存在一定的統計性，且與缺陷的類型直接相關。因此，在監測放電量以及將其與SF6分解組分進行關聯時，需對放電量進行統計測量，以便更好地揭示放電量與SF6分解組分的內在關聯關系。選用單次放電量平均值（QAVG），以及放電重復率統計值Nˉ這兩個基本特征參量來描述局部放電程度。另外，由于局部放電的持續作用對SF6的分解有累積效應，即局部放電脈沖幅值、放電頻率以及放電持續時間均會影響SF6分解組分含量及產氣速率，若只采用單次放電量與分解組分關聯，則無法全面、準確地揭示局部放電強度與分解組分之間的內在聯系。因此，本文提出采用每秒平均放電量QSEC來反映不同局部放電強度下SF6的分解情況，即QSEC與分解特性進行關聯，其定義公式如下：

Qsec=Qavg·Nˉ （1）

運用SF6分解特性對GIS 進行故障辨識和局部放電程度評估時，僅根據特征組分的含量信息很難準確評估GIS 的絕緣狀態，還需要考慮特征組分的產氣速率，因為產氣速率能夠直接反映絕緣缺陷的類型、能量消耗、嚴重程度和發展趨勢等。因此，本文選擇有效產氣速率RRMS作為特征量，進一步研究特征組分形成過程與局部放電程度之間的關系，RRMS定義如下：

式（2）中，Raj（x）為SF6分解組分x在第j個測量間隔內的絕對產氣速率，單位為ppm/d。因為本文每組實驗進行96 h，前后兩次測量的時間間隔為12 h，所以每組實驗會有8 個測量間隔。絕對產氣速率Ra（x）定義如下：

式（3）中，C1（x）為前次測得組分x的含量，單位為ul/L；C2（x）為本次測得組分x的含量；Δt為兩次組分檢測的時間間隔，本文取Δt=12 h。

3 試驗結果

3.1 SF6分解氣體組分含量與放電電壓之間的關系

試驗研究表明，4種典型故障下，SF6分解氣體組分含量與放電電壓之間的關系如下。

1）4 種故障缺陷模型下，SOF2都是檢測到的主要分解產物。在相同放電電壓下，4 種故障缺陷模型中生成的氣體總量順序是，金屬突出物＞絕緣子表面污穢＞自由導電顆粒＞絕緣子外氣隙，產生氣體總量大小與施加電壓大小成正比。

2）在金屬突出物故障缺陷模型中，典型故障特征氣體為SOF2、SO2F2和CO2，這3種氣體總量可達到其它兩種氣體總量的100～250 倍；在自由導電顆粒故障缺陷模型中，典型故障特征氣體為SOF2，SOF2氣體含量可達到其它四種氣體總量的2～6 倍；在絕緣子表面污穢和絕緣子外氣隙故障缺陷模型中，典型故障特征氣體均為SOF2和CO2，這兩種氣體總量可分別達到其它3種氣體總量的6倍和3倍，但生成同樣多的故障特征氣體，絕緣子外氣隙所需的電壓比絕緣子表面污穢高得多。

3）在絕緣子污移和氣隙兩種故障缺陷下，5 種氣體組分的生成大小順序一致，均為SO2＜SO2F2＜CF4＜CO2＜SOF2；而金屬突出物缺陷和自由導電微粒缺陷下5種氣體組分的生成大小順序則略有不同，分別為CF4＜SO2＜CO2＜SO2F2＜SOF2和CF4＜SO2F2＜SO2＜CO2＜SOF2。CO2和CF4氣體的占比大小可以反應故障是否涉及固體絕緣介質。

4）當φSOF2/（SO2F2+SO2）＜3 或φ［SO2/SOF2］＜0.03時，故障類型可能為金屬突出物故障；當φSOF2/（SO2F2+SO2）＞8或φ［SO2/SOF2］∈（0.04-0.06）時，故障類型可能為自由導電微粒故障；當5＜φSOF2/（SO2F2+SO2）＜8 或φ［SO2F2/CO2］＜0.2 時，故障類型可能為絕緣子表面污穢故障；當φ［SOF2/（SO2F2+SO2）］＜4或φ［CF4/CO2］＞0.5時，故障類型可能為絕緣子外氣隙故障。

圖9-圖12 給出了4 種典型故障在不同放電電壓下，96 h SF6分解氣體組分含量。

圖9 金屬突出物缺陷Fig.9 Metal protrusion defect

圖10 自由導電微粒缺陷Fig.10 Freely conducting particle defect

圖12 絕緣子外氣隙缺陷Fig.12 Air gap defect outside insulator

3.2 SF6分解組分產氣速率與放電程度的關聯特性

試驗研究表明，在所有4 種缺陷模型下隨著每秒平均放電量Qsec的增大，SF6分解組分的有效產氣速率RRMS均不斷增大。通過對相同每秒平均放電量QSEC下四種故障模型的5 種故障特征氣體有效產氣速率RRM開展分析，可知：

1）CF4氣體在絕緣子表面污穢缺陷下的有效產氣速率RRM最大，其次是絕緣子外氣隙故障。表明在涉及固體絕緣故障時，CF4的有效產氣速率RRM大于金屬類故障缺陷。

2）SO2F2、SOF2、SO2、CO24 種氣體的有效產氣速率RRM從大到小依次為金屬突出物＞絕緣子表面污穢＞絕緣子外氣隙＞自由導電顆粒。表明相同故障能量下，金屬突出物各特征氣體產生的速率最快。

3）除金屬突出物故障外，其余3 種故障模型下產生的SO2F2和SO2差別較小，均小于1。

3.3 SF6分解組分含量與放電程度的關聯特性

試驗研究表明，所有4 種缺陷模型下隨著每秒平均放電量Qsec的增大，SF6分解組分的氣體含量均不斷增大。通過對相同試驗電壓下4 種故障模型SF6氣體分解產物含量開展分析，可知：

1）相同施加電壓下，4 種故障模型的每秒平均放電量Qsec從大到小依次為絕緣子表面污穢＞自由導電微粒＞絕緣子外氣隙＞金屬突出物。

2）相同施加電壓下，4種故障模型SF6氣體分解物氣體總含量從大到小依次為金屬突出物＞絕緣子表面污穢＞自由導電微粒＞絕緣子外氣隙。

3）CF4氣體在絕緣子表面污穢缺陷下的絕對產氣量最大，其次是絕緣子外氣隙故障。表明在涉及固體絕緣故障時，CF4的絕對產氣速率大于金屬類故障缺陷。

在金屬突出物缺陷下，SO2F2、SO2、CF4的RRMS隨QSEC增加幾乎呈線性增長，表明由金屬突出物缺陷形成的放電較為穩定。SOF2、CO2的RRMS則在Qse達到一定值時趨于飽和增長，可能是由于氣室中的O2和H2O反應降低導致反應變緩。

在微粒缺陷下，SO2F2、CO2、SO2、CF4、SOF25 種特征氣體的RRMS均隨QSEC的增加幾乎呈線性增長。在絕緣子氣隙缺陷下，SO2F2、CO2、SO2、CF4、SOF25 種特征氣體的RRMS均隨QSEC的增加呈飽和增長。

在絕緣子污穢缺陷下，SO2F2的RRMS均隨QSEC的增加幾乎呈線性增長，其它4 種氣體則在達到一定Qse值時趨于飽和增長，且CO2和SOF2的RRMS均隨QSEC變化趨勢幾乎完全一致。圖13-圖16 給出了4種典型故障缺陷下SF6分解組分RRMS與Qsec關系曲線。

圖13 金屬突出物缺陷下SF6分解組分RRMS與Qsec關系曲線Fig.13 Relation curve between RRMS and Qsec of SF6 decomposition components under metal protrusion defect

圖14 微粒缺陷下SF6分解組分RRMS與Qsec關系曲線Fig.14 Relation curve between RRMS and Qsec of SF6 decomposition components under particle defect

圖15 污穢缺陷下SF6分解組分RRMS與Qsec關系曲線Fig.15 Relation curve between RRMS and Qsec of SF6 decomposition components under contamination defect

圖16 氣隙缺陷下SF6分解組分RRMS與Qsec關系曲線Fig.16 Relation curve between RRMS and Qsec of SF6 decomposition components under air gap defect

4 結語

本文對GIS 4種典型放電條件下SF6氣體分解產物與故障能量以及故障類型三者對應關系開展研究。提出利用SO2F2、CO2、SO2、CF4、SOF25 種特征氣體的組份、比值判斷GIS內可能出現的故障類型的方法，提出利用有效產氣速率RRMS與每秒平均放電量QSEC關系來判斷放電程度及故障類型的方法，并得到以下試驗結論：

1）4 種故障缺陷模型下，SOF2都是檢測到的主要分解產物。在相同放電電壓下，4 種故障缺陷模型中生成的氣體總量順序是，金屬突出物＞絕緣子表面污穢＞自由導電顆粒＞絕緣子外氣隙，產生氣體總量大小與施加電壓大小成正比。

2）相同施加電壓下，4 種故障模型的每秒平均放電量Qsec從大到小依次為絕緣子表面污穢＞自由導電微粒＞絕緣子外氣隙＞金屬突出物。

3）CF4氣體在絕緣子表面污穢缺陷下的絕對產氣量最大，其次是絕緣子外氣隙故障，表明在涉及固體絕緣故障時，CF4的絕對產氣速率大于金屬類故障缺陷。

4）CO2和CF4氣體的占比大小可以反應故障是否涉及固體絕緣介質。