利用SF6氣體分解產(chǎn)物檢測(cè)和診斷GIS絕緣故障

利用SF6氣體分解產(chǎn)物檢測(cè)和診斷GIS絕緣故障

馮霞, 張周勝

(上海電力學(xué)院 電氣工程學(xué)院, 上海200090)

摘要:論述了SF6氣體分解產(chǎn)物檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展歷史、局部放電下SF6氣體的分解機(jī)理、SF6氣體分解產(chǎn)物的常見檢測(cè)方法,以及SF6分解產(chǎn)物與絕緣類型之間的關(guān)系等,結(jié)合最新研究進(jìn)展,提出利用SF6氣體分解組分的含量比值來識(shí)別缺陷類型,進(jìn)而對(duì)設(shè)備內(nèi)部絕緣進(jìn)行故障診斷和狀態(tài)評(píng)估,并指出了下一步需要研究解決的關(guān)鍵問題.

關(guān)鍵詞：SF6氣體; 分解產(chǎn)物; 檢測(cè)技術(shù); 絕緣缺陷

收稿日期：2014-09-24

作者簡(jiǎn)介：通訊馮霞(1990-)，女，在讀碩士，浙江杭州人.主要研究方向?yàn)殡娏υO(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè).E-mail:fengx0208@126.com.

中圖分類號(hào)：TM855.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

收稿日期：2015-01-20

作者簡(jiǎn)介：通訊王真(1980-),女,博士,講師,山東泰安人.主要研究方向?yàn)槿蒎e(cuò)計(jì)算、高層電路可靠性評(píng)估.

DetectingandDiagnosingGISInsulationFaultUsingSF6DecompositionProducts

FENGXia,ZHANGZhousheng

(School of Electrical Engineering, Shanghai University of Electric Power, Shanghai200090, China)

Abstract:The development history of SF6 gas detection technology,SF6 gas decomposition mechanism,common detection methods and the relationship between product and the type of insulation are reviewed.Meanwhile it is proposed to use SF6 gas decomposition component ratio to identify the type of defect,and then to do the fault diagnosis and condition assessment for equipment internal insulation.Finally,it is pointed out that the next step is to solve the problems in combination with the latest research progress.

Keywords:SF6gas; decomposition production; detection technology; insulation defects

SF6氣體是目前最優(yōu)良的絕緣介質(zhì)和滅弧介質(zhì),被廣泛用于斷路器、變壓器、互感器、電纜、GIS站等電氣設(shè)備中.大量研究表明,純凈的SF6氣體無色、無味、無毒,也不燃燒,在常溫常壓下,化學(xué)性能穩(wěn)定,其分子量較大,熱傳導(dǎo)性較差,是負(fù)電性的氣體.而在高溫或放電作用下,SF6會(huì)分解為一些低氟化物,這些分解物又與電極材料、水分、氧氣等進(jìn)一步反應(yīng)組成有毒性及強(qiáng)腐蝕性的化合物,[1-2]這不僅會(huì)對(duì)人體造成嚴(yán)重的危害,而且降低了電氣設(shè)備的絕緣性能,進(jìn)而造成重大的安全事故.

隨著電力工業(yè)的迅速發(fā)展,電氣絕緣設(shè)備的用量不斷增多,傳統(tǒng)的檢測(cè)方法很難監(jiān)督電氣設(shè)備的運(yùn)行情況,導(dǎo)致維修方式的經(jīng)濟(jì)性差,而SF6氣體分解產(chǎn)物檢測(cè)技術(shù)可以進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),并根據(jù)具體設(shè)備的實(shí)際情況確定檢修,實(shí)現(xiàn)“無病不修、有病才修、修必修好”的目的,不僅具有良好的經(jīng)濟(jì)性,而且可以防止由于GIS缺陷而產(chǎn)生局部放電現(xiàn)象,進(jìn)而加速絕緣老化,導(dǎo)致?lián)舸┓烹姷仁鹿实陌l(fā)生,避免造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失.

長(zhǎng)期以來,國內(nèi)外對(duì)SF6氣體分解產(chǎn)物檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了大量的研究,主要通過紅外光譜及激光成像技術(shù)來檢測(cè)SF6氣體的組分,[3-6]但目前有關(guān)SF6氣體分解的研究主要集中在分解產(chǎn)物的種類和檢測(cè)技術(shù)上,缺乏利用SF6分解組分來診斷GIS故障的研究.

1SF6氣體分解產(chǎn)物檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展歷史

自WILHELMGottfrid于1672年在實(shí)驗(yàn)室成功發(fā)現(xiàn)了人工的電火花現(xiàn)象后,氣體放電的相關(guān)研究得到了迅速發(fā)展.而氣體放電研究為SF6放電分解的相關(guān)研究奠定了基礎(chǔ).20世紀(jì)40年代后,SF6放電分解的相關(guān)研究開始發(fā)展起來.SCHOMB W C等人于1949年最早發(fā)現(xiàn)了SF6氣體的放電分解現(xiàn)象,實(shí)驗(yàn)者認(rèn)為其分解產(chǎn)物可能為低氟硫化物,但未作進(jìn)一步研究.[7]其后EDESOND采用紅外技術(shù)研究了SF6氣體的分解產(chǎn)物,發(fā)現(xiàn)SF2為其主要產(chǎn)物,并含少許SOF2和SiF4.[3]GERUSIMOVB和SIDORKINAT利用紅外光譜技術(shù),發(fā)現(xiàn)SF6的分解產(chǎn)物主要成分為SOF4和SO2F2,未發(fā)現(xiàn)SOF2.[8]BECHERW和MASSONNEJ利用紅外光譜儀發(fā)現(xiàn)電弧放電下SF6極易分解為SF4和SOF2.[4]KUSUMOTOS利用紅外吸收光譜法檢測(cè)到產(chǎn)物中含有HF.[6]

在國內(nèi),馬虹斌和邱毓昌利用氣相色譜法得出SF6產(chǎn)物中含有SO2和SOF2.[9]孟慶紅和唐炬采取不同的檢測(cè)手段,較全面地分析了不同絕緣缺陷及不同分析設(shè)備對(duì)SF6分析結(jié)果的影響.[10]2012年至今,關(guān)于微水微氧及一些吸附劑對(duì)局部放電下SF6分解特征組分的含量大小及變化規(guī)律的影響的研究也不少.[11-12]國內(nèi)外大量研究表明,利用紅外光譜法可以定量研究SF6的分解產(chǎn)物,其中定量的方法有遺傳算法、最小二乘法、蟻群算法等.[13]與此同時(shí),SF6氣體分解組分的檢測(cè)方法也得到了進(jìn)一步的發(fā)展,利用SF6分解產(chǎn)物來診斷絕緣缺陷引起了電力科研工作者的高度重視.

2局部放電下SF6氣體分解原理

純凈的SF6氣體化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,而設(shè)備一旦出現(xiàn)故障,SF6氣體會(huì)發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng).引起SF6分解的主要原因有電弧放電、火花放電、電暈放電和過熱分解.而引起SF6生成分解物的因素主要有以下4個(gè).

(1)電弧能量的影響.電弧能量的增大會(huì)提高氣體分解物的生成率.

(2)電極材料的影響.其中,在鋁電極下SF6氣體分解物數(shù)量最多,氧化鎘最低.

(3)水分和氧氣的影響.SF6氣體分解物的組分受水分和氧氣的影響極大，在放電作用下,會(huì)產(chǎn)生如下反應(yīng):

SOF2+H2O—SO2+2HF

SO2+H2O—H2SO3

SOF4+H2O—SO2F2+2HF

(4)設(shè)備中絕緣材料的影響.在過熱條件下,設(shè)備中常用的絕緣固體材料炭化,導(dǎo)致產(chǎn)物中CO和CO2氣體的含量隨之增加.[14]

文獻(xiàn)[15]提出了“區(qū)域反應(yīng)模型”,即以針-板電極模型來反應(yīng)局部放電機(jī)理,如圖1所示.

圖1　 SF 6氣體分解原理

在該模型下,當(dāng)施加外部電壓時(shí),針電極尖端會(huì)產(chǎn)生放電現(xiàn)象,從而使電子與SF6分子發(fā)生碰撞,使SF6氣體分解,產(chǎn)生一系列低氟化物,低氟化物又與氣室內(nèi)的H2O和O2反應(yīng)產(chǎn)生一些化合物,其主要產(chǎn)物包括:SOF2,SOF4,SO2F2,CF4,SO2,HF,CO,CO2,CH4,SF4,S2F10等.其分解過程如圖2所示.

圖2　 SF 6氣體分解過程

3SF6氣體分解產(chǎn)物檢測(cè)方法

迄今為止,國內(nèi)外SF6分解產(chǎn)物類型與含量的檢測(cè)方法主要有紅外吸收光譜法、氣相色譜法、檢測(cè)管法、核磁共振波譜分析、氣體傳感器法等.[16]

(1)紅外吸收光譜法實(shí)際應(yīng)用中通常采用傅里葉紅外光譜儀,可利用紅外光譜鑒定氣體組分,通過吸收強(qiáng)度推測(cè)物質(zhì)含量,且無需氣體分離,可形成在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng).其缺點(diǎn)是會(huì)產(chǎn)生吸收峰的交叉干擾,從而影響檢測(cè)結(jié)果.

(2)氣相色譜法將氣體通入有吸附劑的色譜柱,混合氣體分離并逐個(gè)進(jìn)入檢測(cè)器形成色譜峰,從而進(jìn)行檢測(cè)和記錄.目前應(yīng)用比較廣泛,但檢測(cè)時(shí)間較長(zhǎng),無法實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè).

(3)檢測(cè)管法將氣體流過檢測(cè)管,使管內(nèi)顏色改變,從而根據(jù)顏色及其長(zhǎng)短辨別氣體分解組分與含量.該方法簡(jiǎn)便但大部分產(chǎn)物無對(duì)應(yīng)檢測(cè)管.

(4)核磁共振波譜法原子核吸收射頻輻射引起核自旋能級(jí)躍遷產(chǎn)生波譜從而識(shí)別氣體組分.該方法能檢測(cè)出多種低氟化物,但造價(jià)昂貴,且有些原子核不能產(chǎn)生核磁共振波譜.

(5)氣體傳感器法氣體通過傳感器引起表面電阻率的變化,從而檢測(cè)產(chǎn)物類型及含量.該方法易實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè),但仍有重要組分不能檢測(cè).

目前，SF6氣體分解產(chǎn)物檢測(cè)技術(shù)已在不少電廠得到了應(yīng)用.2007年,廣東省電力公司對(duì)其下屬的220 kV以上的SF6組合電器GIS共3 770個(gè)氣室的氣體雜質(zhì)體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行了全面普查,用電化學(xué)法測(cè)量SO2和H2S的體積分?jǐn)?shù),并采用日本島津GC-14C氣相色譜儀檢測(cè)到CF4,CO2,SOF2,SO2F2的體積分?jǐn)?shù),為判定GIS故障提供了依據(jù).[6]

2012年,惠州某變電站通過對(duì)氣體組分的檢測(cè)發(fā)現(xiàn)SO2和H2S等特征氣體超標(biāo),及時(shí)發(fā)現(xiàn)并排除了GIS故障.

文獻(xiàn)[17]指出,2010年某電廠220kV母聯(lián)斷路器跳閘,廠用電系統(tǒng)供電中斷,為此通過檢測(cè)SF6氣體中的分解產(chǎn)物判斷GIS氣室是否存在故障.結(jié)果發(fā)現(xiàn),SF6氣體中含有因放電故障產(chǎn)生的SO2氣體,且濃度達(dá)到40 μL/L,在此基礎(chǔ)上確定并排除了GIS故障.

4SF6氣體分解產(chǎn)物的類型與GIS內(nèi)部絕緣缺陷之間的關(guān)系

GIS內(nèi)部缺陷主要包括金屬突出物、自由導(dǎo)電微粒、絕緣子表面污穢、絕緣子氣隙等.當(dāng)這些缺陷在電應(yīng)力下產(chǎn)生局部放電時(shí),均會(huì)產(chǎn)生SOF2,SO2F2,CF4,CO2,SOF4,SO2,HF等氣體.[18]為區(qū)分各類缺陷,需進(jìn)一步檢測(cè)各個(gè)組分的含量來進(jìn)行判斷.研究表明,在金屬突出物缺陷下,分解氣體的主要有SOF2,SO2F2,CF4,CO2,其特征分解組分按含量排序?yàn)镾OF2>SO2F2>CO2>CF4.隨著放電時(shí)間的延長(zhǎng),CO2和SOF2的含量顯著增加,而CF4含量未大幅增長(zhǎng).在絕緣子表面污穢缺陷下,各種特征分解組分的含量排序?yàn)镾OF2>SO2F2>CF4>CO2,且CF4的含量隨放電時(shí)間的延長(zhǎng)而增加.而在金屬突出物及絕緣子表面污穢缺陷下,隨著放電時(shí)間的延長(zhǎng),SOF2/SO2F2含量比值有穩(wěn)定增長(zhǎng)的趨勢(shì).在自由導(dǎo)電微粒缺陷下,特征分解組分按含量排序?yàn)镾OF2>CF4>CO2>SO2F2,在該類缺陷下,當(dāng)放電劇烈時(shí),SOF2和 SO2F2的含量差距會(huì)明顯增大.在絕緣子氣隙缺陷下,各種特征分解組分按含量排序?yàn)镾O2F2>CO2>SOF2>CF4,且該類缺陷放電后期,CO2會(huì)急劇增加.

通過SF6分解物組分的檢測(cè)，可以對(duì)部分故障進(jìn)行判斷,而對(duì)于運(yùn)行著的GIS設(shè)備的內(nèi)部缺陷缺乏相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)及依據(jù),因此需要進(jìn)一步研究不同缺陷與特征組分之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,以指導(dǎo)GIS設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)和故障診斷.為更進(jìn)一步區(qū)分各類缺陷所產(chǎn)生的分解特性,筆者認(rèn)為可進(jìn)一步分析和比對(duì)SF6分解組分的含量比值及其隨時(shí)間變化的情況,從而識(shí)別缺陷類型.

5結(jié)語

隨著智能電網(wǎng)的提出,智能化在線監(jiān)測(cè)越來越受到研究者的關(guān)注.目前,利用SF6氣體分解產(chǎn)物識(shí)別運(yùn)行中的GIS設(shè)備缺陷缺乏相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)及依據(jù),建立智能化在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作還在進(jìn)一步的研究中.同時(shí),還有一些關(guān)鍵問題需要解決:如SF6分解氣體成分復(fù)雜、種類繁多、含量較小、穩(wěn)定性差,因此需篩選具有代表性的分解氣體組分作為特征量進(jìn)行研究;SF6分解特性的影響因素較多,如水分、氧氣、吸附劑、電極材料等,對(duì)于這些影響因素需要提出相應(yīng)的校正方法,以進(jìn)一步提高識(shí)別缺陷類型的準(zhǔn)確性;檢測(cè)SF6氣體分解產(chǎn)物類型及含量的技術(shù)有待進(jìn)一步提高,可以采用組合檢測(cè)手段進(jìn)行氣體組分的在線監(jiān)測(cè),以提高在線監(jiān)測(cè)的可能性、實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性.

因此,今后應(yīng)著眼于對(duì)SF6分解組分的定量研究,并重點(diǎn)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的研究,利用工程現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)來驗(yàn)證相關(guān)方法的有效性,并進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn),切實(shí)提高在線監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性.

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(編輯胡小萍)

DOI：10.3969/j.issn.1006-4729.2015.04.013

E-mail:wangzhenqq@gmail.com.