氣體雜質(zhì)對(duì)SF6氣體分解產(chǎn)物影響研究

景 皓，常鮮戎，龐先海，孫 袆，高 飛

（1.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，河北保定 071003；2.河北省電力研究院，河北石家莊050021）

氣體雜質(zhì)對(duì)SF6氣體分解產(chǎn)物影響研究

景 皓1，2，常鮮戎1，龐先海2，孫 袆2，高 飛2

（1.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，河北保定 071003；2.河北省電力研究院，河北石家莊050021）

對(duì)SF6氣體內(nèi)的氮?dú)?、水分、氧氣和四氟化?種氣體雜質(zhì)在放電情況下對(duì)SF6氣體分解產(chǎn)物的影響進(jìn)行了詳細(xì)的試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，在低能量放電情況下，氮?dú)夂退姆己孔兓瘜?duì)SF6氣體分解產(chǎn)物影響較小，水分和氧氣雜質(zhì)能促進(jìn)SF6氣體分解產(chǎn)物的生成。研究結(jié)果為通過(guò)SF6分解產(chǎn)物判斷設(shè)備故障提供參考。

SF6氣體；氣體雜質(zhì)；分解產(chǎn)物

目前，SF6（六氟化硫）電氣設(shè)備因其體積小、質(zhì)量輕、容量大、維修量少等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于高壓和超高壓領(lǐng)域。某些正在運(yùn)行的SF6電氣設(shè)備存在內(nèi)部絕緣缺陷，如果不及時(shí)發(fā)現(xiàn)，可能造成故障，甚至釀成事故。因此及時(shí)發(fā)現(xiàn)SF6電氣設(shè)備內(nèi)部缺陷或故障，對(duì)保證設(shè)備和電網(wǎng)的安全運(yùn)行具有重要意義。SF6氣體在電弧、放電和過(guò)熱作用下存在分解現(xiàn)象，通過(guò)檢測(cè)SF6氣體分解產(chǎn)物的含量，診斷設(shè)備內(nèi)部是否存在缺陷或故障，是SF6電氣設(shè)備在線(xiàn)監(jiān)測(cè)和故障診斷的一種有效方法［1－2］。

SF6氣體含有氮?dú)?、氧氣、水分和四氟化碳等雜質(zhì)，這些雜質(zhì)對(duì)SF6氣體分解產(chǎn)物的含量具有一定影響［2－3］。為準(zhǔn)確判斷SF6電氣設(shè)備缺陷狀況，切實(shí)把握設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，研究氣體雜質(zhì)對(duì)SF6氣體分解產(chǎn)物的影響具有重要意義。筆者通過(guò)大量試驗(yàn)，分別研究和分析了氮?dú)狻⒀鯕?、水分和四氟化?種氣體雜質(zhì)在放電情況下對(duì)SF6氣體分解產(chǎn)物含量的影響，為SF6電氣設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)判斷和故障診斷提供參考。

1 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置如圖1所示。將220V的工頻電壓通過(guò)調(diào)壓器調(diào)壓接到升壓變壓器上，將變壓器輸出的工頻高壓在濾波電感和濾波電容濾波后接在串有保護(hù)電阻的針狀電極兩端。試驗(yàn)在充有SF6氣體的有機(jī)玻璃容器里進(jìn)行，有機(jī)玻璃容器為圓柱形罐體，內(nèi)徑為20cm，長(zhǎng)度為100cm。

針－針電極間距為3mm，材料為銅。SF6氣體壓力為0.5MPa時(shí)電極間等效阻抗約為400MΩ，串聯(lián)保護(hù)阻抗為20MΩ，測(cè)量電阻為1 000Ω。高壓變壓器輸出的電壓在針－針電極未擊穿前主要分布在針－針電極兩端，通過(guò)調(diào)壓器調(diào)節(jié)電極兩端電壓可以有效調(diào)節(jié)放電量。針－針電極放電后，電流將通過(guò)測(cè)量電阻，利用示波器采集測(cè)量電阻上的電壓信號(hào)，對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行分析，可以計(jì)算出每次放電的放電時(shí)間和放電量。

1.2 試驗(yàn)方法

在電力設(shè)備內(nèi)，絕大部分放電缺陷的放電量都在100pC以下，特別是局部放電的放電量更小。本放電試驗(yàn)為結(jié)合設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，研究低放電量下SF6氣體的分解產(chǎn)物，將最大放電量維持在20pC。

圖1 試驗(yàn)裝置圖Fig.1 Diagram of experimental facility

本試驗(yàn)在SF6氣體中混入不同濃度的氣體雜質(zhì)，充入玻璃容器內(nèi)，氣壓為0.5MPa。然后通過(guò)調(diào)壓器升壓，當(dāng)變壓器升壓至6kV時(shí)停止升壓，這時(shí)測(cè)量電阻上的放電波形如圖2所示。然后將每組試驗(yàn)維持放電一段時(shí)間，停止試驗(yàn)后抽取SF6氣體樣本，用氣相色譜儀測(cè)量SF6氣體分解產(chǎn)物含量。由圖2可知，一個(gè)工頻周期約放電30次，正半周期放電次數(shù)略多于負(fù)半周期。每次放電時(shí)間約為0.2μs，最大放電量為20pC，大部分放電量為6～10pC。

圖2 6kV時(shí)放電波形Fig.2 Discharge wave of 6kV

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 氮?dú)獾挠绊?/h3>

氮?dú)庠赟F6新氣中含量為250×10－6～350×10－6（體積分?jǐn)?shù)，下同），在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行中氮?dú)獾暮繒?huì)更高。本試驗(yàn)通過(guò)在SF6氣體中混入不同濃度的氮?dú)?，然后在放電作用下進(jìn)行試驗(yàn)來(lái)研究氮?dú)鈱?duì)SF6分解產(chǎn)物的影響。本試驗(yàn)選擇4組含有氮?dú)怆s質(zhì)的SF6氣體，氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)分別為326×10－6，0.5%，1%和2%，SF6氣體其他雜質(zhì)含量滿(mǎn)足IEC標(biāo)準(zhǔn)和中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

每組試驗(yàn)放電24h后，抽取氣體樣本，測(cè)量結(jié)果如表1所示。分析表1可知，4組不同含氮量的SF6氣體分解產(chǎn)物差別很小，考慮到放電試驗(yàn)的難以重復(fù)性，測(cè)量數(shù)據(jù)的微弱差別在試驗(yàn)誤差的允許范圍之內(nèi)。由此判斷在低能量放電作用下，氮?dú)鈱?duì)SF6氣體的分解產(chǎn)物影響很小。

表1 不同氮?dú)夂肯耂F6分解產(chǎn)物Tab.1 Decomposed products SF6gas under different content of N2

自然條件下，氮?dú)馐潜容^穩(wěn)定的，N≡N分開(kāi)需要大量能量，氮?dú)夥纸獾臒岱磻?yīng)方程式如式（1）所示。

SF6氣體在放電作用下會(huì)發(fā)生分解，熱反應(yīng)方程式［3－4］如式（2）、式（3）所示。

由式（1）—式（3）可知，SF6和SF4的分解都比氮?dú)庵苯臃纸飧尤菀?，所以SF6氣體抑制了氮?dú)庠诜烹娮饔孟碌姆纸?。在SF6局部放電中，電子的平均能量為5～10eV［4－5］，SF6分解成SF4需要的能量一般為6.5～7eV，氮?dú)夥纸庑枰哪芰恳话銥?0～10.5eV?？梢?jiàn)只有較強(qiáng)放電時(shí)，能量較大的電子才能使氮?dú)夥纸?。因此，SF6氣體中的微量氮?dú)庠诘头烹娔芰繒r(shí)難以分解，對(duì)SF6氣體分解產(chǎn)物影響很小。

2.2 水分的影響

水分是SF6電器設(shè)備內(nèi)危害最大的雜質(zhì)。在SF6新氣中水分的含量較小，一般小于40×10－6（體積分?jǐn)?shù)），但在運(yùn)行設(shè)備中含水量一般較高，所以運(yùn)行中對(duì)氣體監(jiān)督的主要目的是對(duì)含水量進(jìn)行測(cè)定和控制。SF6氣體含水量過(guò)高會(huì)影響電器設(shè)備的安全運(yùn)行，主要表現(xiàn)在3個(gè)方面。1）水分的存在影響氣體分解物的生成；2）水分和酸性分解產(chǎn)物在一起會(huì)腐蝕材料，破壞絕緣結(jié)構(gòu)，加劇局部放電；3）水分在低溫下會(huì)在固體絕緣表面形成凝露，降低絕緣強(qiáng)度，導(dǎo)致事故的發(fā)生。

本試驗(yàn)選擇3組含有水分雜質(zhì)的SF6氣體，水分體積分?jǐn)?shù)分別為36×10－6，280×10－6和4 200×10－6，SF6氣體其他雜質(zhì)含量滿(mǎn)足IEC標(biāo)準(zhǔn)和中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。含有不同水分值的SF6氣體在放電試驗(yàn)下的分解產(chǎn)物如表2所示。由表2可知，隨著水分含量的升高，SF6氣體分解物總含量大幅度增加，其中SO2＋SOF2和H2S的含量增加幅度較大，SO2F2增加趨勢(shì)較緩。

表2 不同水分含量下SF6分解產(chǎn)物Tab.2 Decomposed products SF6gas under different content of H2O

在水分含量較大時(shí)，SF6氣體分解的SF4，S2F2等不穩(wěn)定的氣體雜質(zhì)與水分發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)式如式（4）和式（5）所示。由式（5）可知，水分含量較大時(shí)，直接促成H2S生成。由式（4）和式（5）生成的SOF2是不穩(wěn)定的物質(zhì)，其繼續(xù)與SF6氣體中的水分和氧氣等雜質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)式如式（6）和式（7）所示。由式（6）可知，水分含量較大時(shí)，促成SO2含量的增加；由式（7）可知，因水分含量增大，SOF2含量增加，在氧氣含量一定的情況下，SO2F2含量也有一定程度的增加。

水分易參與SF6氣體的分解主要有以下幾個(gè)原因［5－6］：1）水分子分解為 H 和 OH 需要的能量小于SF6分解成SF4的能量，水分解的熱化學(xué)方程式如式（8）所示。水分子分解為H和OH需要4.5～5eV，小于SF6分解成SF4需要的6.5～7eV；2）OH與SF6分解物結(jié)合為放熱反應(yīng)，如式（9）和式（10）所示，這樣水分解物和SF6分解物反應(yīng)后更加促進(jìn)反應(yīng)進(jìn)行；3）水作為極性分子，易與SF6氣體分解出來(lái)的氟原子結(jié)合，且釋放能量，加劇反應(yīng)的進(jìn)行，如式（11）所示。

2.3 氧氣的影響

氧氣在新氣中的體積分?jǐn)?shù)一般不超過(guò)100×10－6，設(shè)備投入運(yùn)行后由于各種原因會(huì)使內(nèi)部的氧氣含量增大。氧氣的化學(xué)性質(zhì)比較活潑，容易和其他氣體生成化合物。在SF6的氣體分解物中，大部分分解產(chǎn)物都含有氧元素，這些氧元素有些來(lái)自SF6氣體中的氧氣雜質(zhì)，有些來(lái)自含有氧元素的絕緣材料的分解。本試驗(yàn)選擇4組含有氧氣雜質(zhì)的SF6氣體，氧氣體積分?jǐn)?shù)分別為92×10－6，0.5%，1%和2%，SF6氣體其他雜質(zhì)含量滿(mǎn)足IEC標(biāo)準(zhǔn)和中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

含有不同含量氧氣的SF6氣體在放電試驗(yàn)下的分解產(chǎn)物如表3所示。由表3可知，氧氣體積分?jǐn)?shù)由92×10－6增至0.5%時(shí)，在同樣的放電時(shí)間和放電強(qiáng)度下，SO2F2含量明顯提高，（SO2＋SOF2）和H2S分解含量有所降低；對(duì)比氧體積分?jǐn)?shù)為0.5%，1%和2%下SF6氣體分解產(chǎn)物可知，分解產(chǎn)物含量差別很小，在試驗(yàn)誤差的允許范圍之內(nèi)，推測(cè)這和氧氣的飽和有關(guān)。

表3 不同氧氣含量下SF6分解產(chǎn)物Tab.3 Decomposed products SF6gas under different content of O2

氧氣含量較大時(shí)，部分SF6氣體分解產(chǎn)生的SF4直接與氧氣發(fā)生反應(yīng)，如式（12）所示。反應(yīng)生成的SOF4與水分發(fā)生水解反應(yīng)，生成SOF2和腐蝕性極強(qiáng)的HF，如式（13）所示。由于SOF4與水分發(fā)生反應(yīng)，在水分一定的情況下，抑制了式（4）—式（6）的進(jìn)行，降低了（SO2＋SOF2）和 H2S分解物的生成含量。

氧氣非常順利地參與SF6氣體的分解反應(yīng)得益于氧氣的鍵能并非太高，氧氣的熱化學(xué)反應(yīng)方程式如式（14）所示。比較式（14）、式（2）和式（3）可知，氧氣的分解比SF6分解成SF4或SF4分解成SF2需要更少的能量。在SF6局部放電中，電子的平均能量為5～10eV，氧氣的分解大概需要5eV，而SF6分解成SF4或SF4分解成SF2需要6.5～7eV［4－5］。由此可見(jiàn)，局部放電中能量較小的電子就能促使氧氣分解，能量中等的電子才能使SF6分解。

另外，SF6氣體分解產(chǎn)生的SF4，SF3和SF2等粒子與氧原子反應(yīng)均是放熱反應(yīng)，如式（15）—式（17）所示［6］。

可見(jiàn)，SF6氣體內(nèi)氧氣的存在加劇了SF6氣體的分解，破壞了SF4向SF6的復(fù)合，促使了SF6氣體分解產(chǎn)物的生成，所以電器設(shè)備內(nèi)應(yīng)該盡量減少氧氣的含量。

2.4 四氟化碳的影響

四氟化碳在SF6新氣中的含量大約為100×10－6（體積分?jǐn)?shù)），它是在SF6制造中伴隨產(chǎn)生的。本試驗(yàn)選擇3組含有四氟化碳雜質(zhì)的SF6氣體，四氟化碳的體積分?jǐn)?shù)分別為106×10－6，0.5%和1%，SF6氣體其他雜質(zhì)含量滿(mǎn)足IEC標(biāo)準(zhǔn)和中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。表4為尖端放電情況時(shí)不同四氟化碳含量下SF6氣體的分解產(chǎn)物。

表4 不同四氟化碳含量下SF6分解產(chǎn)物Tab.4 Decomposed products SF6gas under different content of CF4

由表4可以看出，含有106×10－6四氟化碳的SF6氣體和含有0.5%或1%四氟化碳的SF6氣體在同樣放電條件下分解產(chǎn)物差別不大，考慮到放電試驗(yàn)難以重復(fù)，測(cè)量數(shù)據(jù)的微弱差別應(yīng)在試驗(yàn)誤差允許的范圍之內(nèi)。表4數(shù)據(jù)結(jié)果說(shuō)明，在低能放電條件下四氟化碳對(duì)SF6分解產(chǎn)物的影響是有限的。四氟化碳的熱解方程式如式（18）和式（19）所示［7－8］。四氟化碳失去2個(gè)氟原子需要的能量為9.5～10eV，而SF6失去2個(gè)氟原子需要的能量為6.5～7eV，可見(jiàn)CF4相比SF6更加穩(wěn)定。由此可知，四氟化碳對(duì)SF6氣體分解產(chǎn)物的影響較小。

3 結(jié) 論

對(duì)氮?dú)?、氧氣、水分和四氟化?種氣體雜質(zhì)在放電情況下對(duì)SF6氣體分解產(chǎn)物含量的影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論。

1）混入不同含量氮?dú)獾腟F6氣體在放電作用下分解產(chǎn)物沒(méi)有明顯變化，氮?dú)夥纸庑枰哪芰窟h(yuǎn)大于SF6分解成四氟化碳需要的能量，氮?dú)獗萐F6氣體在放電情況下更加穩(wěn)定。SF6氣體中含有微量氮?dú)鈱?duì)SF6氣體分解產(chǎn)物影響較小。

2）SF6氣體中水分含量升高時(shí)，SF6氣體分解物的總含量大幅度增加，其中（SO2＋SOF2）和H2S的含量增加幅度較大，SO2F2含量的增加趨勢(shì)較緩?？梢?jiàn)，SF6氣體中水分含量對(duì)SF6氣體分解產(chǎn)物影響較大。

3）SF6氣體中氧氣含量升高時(shí)，分解物總含量增加，其中SO2F2含量明顯提高，（SO2＋SOF2）和H2S含量略有降低。SF6氣體中氧氣雜質(zhì)對(duì)SF6氣體分解產(chǎn)物影響較大。

4）SF6氣體中四氟化碳含量升高時(shí)，SF6氣體分解產(chǎn)物沒(méi)有明顯變化，四氟化碳分解需要的能量大于SF6分解需要的能量，四氟化碳比SF6氣體在放電情況下更加穩(wěn)定。SF6氣體中含有微量四氟化碳對(duì)SF6氣體分解產(chǎn)物影響較小。

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Influence of gas impurity on SF6gas decomposed products

JING Hao1，2，CHANG Xian－rong1，PANG Xian－h(huán)ai2，SUN Yi2，GAO Fei2
（1.School of Electrical and Electronic Engineering，North China Electric Power University，Baoding Hebei 071003，China；2.Hebei Electric Power Research Institute，Shijiazhuang Hebei 050021，China）

The influence of gas impurity including N2，H2O，O2and CF4on SF6gas decomposed products was studied by detailed experiment.The results show that the content of N2or CF4has limited influence on the formation of SF6decomposed products，but H2O or O2has great influence on making SF6decomposed products，in the case of low－energy discharge.The results will provide reference for fault diagnosis of GIS equipments through SF6decomposed products.

SF6gas；gas impurity；decomposed products

TQ125.1＋52

A

1008－1534（2012）03－0141－05

2012－01－15；

2012－03－01

張士瑩

景 皓（1982－），女，河北石家莊人，工程師，主要從事變電配電專(zhuān)業(yè)技術(shù)方面的研究。