低微水的體積分?jǐn)?shù)對(duì)SF6局部放電及分解特性的影響

鐘理鵬,汲勝昌,劉凱,祝令瑜,王文浩,何文林,董雪松

(1.西安交通大學(xué)電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,710049,西安;2.浙江省電力公司電力科學(xué)研究院,310014,杭州)

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低微水的體積分?jǐn)?shù)對(duì)SF6局部放電及分解特性的影響

鐘理鵬1,汲勝昌1,劉凱1,祝令瑜1,王文浩2,何文林2,董雪松2

(1.西安交通大學(xué)電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,710049,西安;2.浙江省電力公司電力科學(xué)研究院,310014,杭州)

為了研究交流電壓、低體積分?jǐn)?shù)(<1 350×10-6)條件下水分對(duì)SF6氣體局部放電及分解特性的影響,搭建了SF6絕緣電力設(shè)備實(shí)驗(yàn)及檢測(cè)平臺(tái),詳細(xì)描述了金屬突出物缺陷下局部放電量及SOF2、SO2F2、SO2、CO2等4種氣體分解產(chǎn)物隨微水的體積分?jǐn)?shù)的變化規(guī)律。結(jié)果表明,平均局部放電量和總體放電量都隨微水的體積分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì);微水的體積分?jǐn)?shù)的增加對(duì)幾種產(chǎn)物均有促進(jìn)作用,且對(duì)3種含硫產(chǎn)物的促進(jìn)作用強(qiáng)于對(duì)CO2的促進(jìn)作用。氣體產(chǎn)物體積分?jǐn)?shù)比值φ(SOF2+SO2)/φ(SO2F2)隨微水的體積分?jǐn)?shù)的變化表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性,最終穩(wěn)定在3～4之間;φ(SOF2+SO2+SO2F2)/φ(CO2)則隨著φ(H2O)的增加呈現(xiàn)總體增長(zhǎng)的趨勢(shì),其低微水的體積分?jǐn)?shù)下的值在2.5～3之間。因此,SF6氣體分解檢測(cè)法應(yīng)用過程中需要充分考慮微水的體積分?jǐn)?shù)的影響。

SF6氣體絕緣電力設(shè)備;分解特性;氣體分解產(chǎn)物;水分

SF6氣體具有耐電強(qiáng)度高和滅弧性能好等優(yōu)點(diǎn),因此作為絕緣介質(zhì)被廣泛應(yīng)用于氣體絕緣電力設(shè)備中[1]。然而,當(dāng)設(shè)備內(nèi)部因存在絕緣缺陷而發(fā)生局部放電時(shí),SF6氣體可能會(huì)發(fā)生分解,生成SOF2、SO2F2、SO2、CO2等多種產(chǎn)物[2]。研究表明,氣體分解產(chǎn)物的體積分?jǐn)?shù)及變化規(guī)律與設(shè)備內(nèi)部的放電狀況存在關(guān)聯(lián)關(guān)系,可作為設(shè)備絕緣狀況的判斷依據(jù)[3]。

SF6氣體分解產(chǎn)物檢測(cè)是一種可方便、有效地對(duì)SF6絕緣設(shè)備進(jìn)行缺陷及故障診斷的方法,具有不易受現(xiàn)場(chǎng)電磁波干擾、檢測(cè)靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。SF6氣體在局部放電下分解情況早在20世紀(jì)80年代就引起了學(xué)術(shù)界的關(guān)注[4]。21世紀(jì)初開始,國(guó)內(nèi)多個(gè)研究院所及高校也對(duì)此開展了大量研究[5]。結(jié)果表明,SF6放電條件下的分解特性與設(shè)備內(nèi)部的缺陷類型相關(guān),且受到放電能量、微水的體積分?jǐn)?shù)、氣壓等多種因素的影響[6]。在充分考慮這些因素的情況下,可利用其對(duì)SF6絕緣設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行有效評(píng)估。近年來,有學(xué)者提出產(chǎn)物生成速率、產(chǎn)物濃度比值等特征參數(shù),以表征局部放電下SF6的分解特性[7]。SF6絕緣設(shè)備中微水的體積分?jǐn)?shù)有嚴(yán)格的控制,DL/T596—1996、GB50836—2013等國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[8-9]要求在運(yùn)行條件下,滅弧室內(nèi)微水的體積分?jǐn)?shù)應(yīng)低于3×10-4,非滅弧室內(nèi)則應(yīng)低于5×10-4。IEC標(biāo)準(zhǔn)要求微水的體積分?jǐn)?shù)應(yīng)不超過設(shè)備制造廠商規(guī)定,其中法國(guó)阿爾斯通公司要求設(shè)備內(nèi)微水的體積分?jǐn)?shù)應(yīng)低于1×10-3[10]。

然而,微水的體積分?jǐn)?shù)在標(biāo)準(zhǔn)控制范圍內(nèi)的變動(dòng)仍會(huì)對(duì)SF6的放電分解特性造成顯著影響。Brunt等提出當(dāng)O2或H2O的體積分?jǐn)?shù)低于1%時(shí),氧氟硫化產(chǎn)物的體積分?jǐn)?shù)不會(huì)發(fā)生明顯的變化,但研究?jī)H僅涉及不同微氧體積分?jǐn)?shù)的影響[11]。唐炬等提出SO2F2、SOF2兩種產(chǎn)物的體積分?jǐn)?shù)隨微水的體積分?jǐn)?shù)的增加而增加,但研究中所設(shè)置的微水的體積分?jǐn)?shù)(150×10-6～9 500×10-6)遠(yuǎn)高于實(shí)際設(shè)備中的允許值。文獻(xiàn)[12]表明,微水的體積分?jǐn)?shù)較低時(shí)(<600×10-6),對(duì)CO2、CF4等產(chǎn)物體積分?jǐn)?shù)的影響比高水分條件下更為顯著,因此有必要對(duì)低水分條件下的影響規(guī)律做進(jìn)一步研究。Ding等針對(duì)低體積分?jǐn)?shù)條件下(<2 500×10-6)水分對(duì)SF6氣體分解特性的影響進(jìn)行了研究,關(guān)注了SO2F2、S2OF10、SO2等3種產(chǎn)物的變化規(guī)律,但缺少了對(duì)SOF2、CO2等常見分解產(chǎn)物的研究[13]。

本文搭建了缺陷參數(shù)可調(diào)、內(nèi)壁噴涂聚四氟乙烯涂層、體積為90 L的放電氣室,在建立高檢測(cè)精度及準(zhǔn)確度氣體檢測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,研究了低體積分?jǐn)?shù)條件下(<1 500×10-6),水分對(duì)SF6放電分解特性的影響規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 氣體放電分解模擬實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)氣路連接如圖1所示,系統(tǒng)主要由氣體供給、放電模擬氣室、氣體分析系統(tǒng)等3部分構(gòu)成。SF6氣體體積分?jǐn)?shù)達(dá)到99.999%,微水的體積分?jǐn)?shù)<5×10-6,滿足GB/T12022—2006對(duì)工業(yè)SF6的各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)要求[14]。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)氣路連接圖

放電模擬氣室容積為90 L,側(cè)壁配備了直徑為20 mm的石英玻璃窗,以觀測(cè)內(nèi)部的放電情況。氣室內(nèi)壁噴涂一層聚四氟乙烯以減少氣室與器壁之間的水分交換。每次實(shí)驗(yàn)前需將放電氣室充氣后靜置24 h,放電氣室通過聚四氟乙烯管、不銹鋼閥門與SF6氣瓶、真空泵、氣相色譜儀及微水儀等相連。

氣室中配置了可拆卸且距離在5～40 mm可調(diào)的金屬突出物缺陷,結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)如圖2所示,其中針尖曲率半徑約為0.2 mm。本文研究中高電壓針電極與板電極之間的間距設(shè)置為20 mm,當(dāng)充裝氣壓為0.3 MPa、微水的體積分?jǐn)?shù)為381×10-6時(shí),局部放電起始電壓為25 kV。

圖2 金屬突出物缺陷結(jié)構(gòu)尺寸圖

局部放電檢測(cè)采用基于脈沖電流法的局部放電在線絕緣診斷系統(tǒng),可以獲取平均放電量、最大放電量、放電能量、放電相位等信息。放電檢測(cè)實(shí)驗(yàn)電路如圖3所示,其中U為實(shí)驗(yàn)電源,T1為調(diào)壓器,T2為100 kV的無局放實(shí)驗(yàn)變壓器,R為100 kΩ的保護(hù)水電阻,EVM為靜電電壓表,C0為400 pF的耦合電容,Rt為局放儀檢測(cè)阻抗。

圖3 實(shí)驗(yàn)電路接線圖

1.2 氣體檢測(cè)分析系統(tǒng)

采用華愛GC9760B氣相色譜儀對(duì)氣體分解產(chǎn)物進(jìn)行檢測(cè)分析,該儀器配備了4個(gè)切換閥、5根色譜柱以及2個(gè)脈沖放電氦離子檢測(cè)器。載氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.999%的He,并經(jīng)純化器在高溫下進(jìn)一步純化。儀器內(nèi)置4個(gè)柱爐,均采用恒定溫度,分別為50 ℃、120 ℃、60 ℃、65 ℃,通過調(diào)節(jié)柱爐溫度可以調(diào)整各產(chǎn)物的出峰時(shí)間,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)各產(chǎn)物之間的有效分離。系統(tǒng)以并聯(lián)工作的方式對(duì)H2、O2、N2、CF4、CO2、SO2F2、SOF2、SO2、H2S、CS2等多種氣體進(jìn)行精確檢測(cè)分析,并分A、B兩個(gè)通道在信息終端上進(jìn)行顯示,如圖4所示。主要分解產(chǎn)物的出峰時(shí)間如表1所示。

表1 主要分解產(chǎn)物的出峰時(shí)間

(a)A通道

(b)B通道圖4 產(chǎn)物標(biāo)準(zhǔn)色譜圖

采用LX600 SF6水分測(cè)量?jī)x對(duì)實(shí)驗(yàn)氣室內(nèi)的微水的體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行檢測(cè),精度可達(dá)1×10-7,滿足實(shí)驗(yàn)需求。

2 水分對(duì)局部放電特性的影響

2.1 放電重復(fù)性分析

每隔1 h采集一次放電信息,并將此時(shí)刻的放電電荷量作為前1 h的平均放電電荷量計(jì)算出隨時(shí)間不斷累積的放電電荷量。1 h的放電電荷量為

(1)

式中:n為該時(shí)刻檢測(cè)系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的樣品容量;qi為采集樣品每個(gè)點(diǎn)的放電電荷量;N為放電重復(fù)率。為了驗(yàn)證金屬突出物缺陷下的放電重復(fù)性,先統(tǒng)一實(shí)驗(yàn)條件,測(cè)量12 h放電過程中的放電電荷量,結(jié)果如圖5所示。圖中,實(shí)驗(yàn)1的條件:電壓為50 kV,氣壓為0.3 MPa,微水的體積分?jǐn)?shù)為617×10-6,針-板間距為20 mm;實(shí)驗(yàn)2的條件:電壓為50 kV,氣壓為0.3 MPa,微水的體積分?jǐn)?shù)為681×10-6,針-板間距為20 mm。可以看出,實(shí)驗(yàn)結(jié)果的重復(fù)性良好,放電穩(wěn)定后兩組數(shù)據(jù)的最大差值不超過5%,說明本文實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)有較好的穩(wěn)定性。

圖5 實(shí)驗(yàn)放電重復(fù)性研究

2.2 微水的體積分?jǐn)?shù)對(duì)局部放電量的影響及分析

設(shè)置外施電壓為50 kV,充裝氣壓為0.3 MPa,針-板間距為20 mm,同時(shí)設(shè)置5組微水的體積分?jǐn)?shù),即147×10-6、347×10-6、681×10-6、909×10-6和1 340×10-6,并對(duì)金屬突出物缺陷引起的SF6放電分解進(jìn)行12 h的實(shí)驗(yàn)研究。

針對(duì)每一組實(shí)驗(yàn),第i小時(shí)平均放電量Qi可以由式(1)計(jì)算,整體平均局部放電量為

(2)

5組不同微水的體積分?jǐn)?shù)下的平均局部放電量如表2所示。

表2 不同微水的體積分?jǐn)?shù)下的平均局部放電量

圖6 總放電量隨微水的體積分?jǐn)?shù)的變化

由表2可知,隨著微水的體積分?jǐn)?shù)的增加,氣室內(nèi)放電的平均局部放電量呈現(xiàn)出先下降后增長(zhǎng)的趨勢(shì)。本文還計(jì)算了不同微水的體積分?jǐn)?shù)下的總放電量,它隨時(shí)間的變化規(guī)律如圖6所示。由圖6可知,當(dāng)微水的體積分?jǐn)?shù)從147×10-6上升至347×10-6時(shí),總放電電荷量呈現(xiàn)下降趨勢(shì),這與文獻(xiàn)[6]的結(jié)果相似,隨后總放電量會(huì)隨著微水的體積分?jǐn)?shù)的增加而增加。

當(dāng)空間中的電場(chǎng)強(qiáng)度一定時(shí),電子崩的起始和發(fā)展與具體的氣體組成成分直接相關(guān)。SF6氣體中微量微水的體積分?jǐn)?shù)變化時(shí),其放電特性發(fā)生改變的原因可能有兩個(gè)方面。

一方面,電子沿電場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)時(shí),電子總數(shù)為

(3)

式中:α為電子電離系數(shù);β為電子附著系數(shù)。如果微水的體積分?jǐn)?shù)的變化可以顯著改變氣體組分的電離系數(shù)或附著系數(shù),則氣體的放電特性也會(huì)隨之發(fā)生改變。

Chantry等認(rèn)為混合氣體組分的總體電離系數(shù)值是各組分氣體電離系數(shù)的加權(quán)和[15],即

am=η1a1+η2a2+…+ηnan

(4)

式中:η1、η2、…、ηn等為各組分的體積占比;α1、α2、…、αn為各組分的電離系數(shù)。純凈SF6中加入少量H2O后,電離系數(shù)為

a=(1-η)aSF6+ηaH2O

(5)

式中:η為水在氣體組分中的體積占比。當(dāng)水占比由η1升至η2時(shí),電離系數(shù)為

a1=(1-η1)aSF6+η1aH2O

(6)

a2=(1-η2)aSF6+η2aH2O

(7)

由于微水的體積分?jǐn)?shù)變化而引起的電離系數(shù)改變值為

(8)

假設(shè)微水的體積分?jǐn)?shù)增加300×10-6,即η2-η1=3×10-4、aH2O/aSF6=100時(shí),電離系數(shù)的相對(duì)改變量Δa=0.029 7,該值不足以對(duì)放電電子崩的形成和發(fā)展過程產(chǎn)生實(shí)質(zhì)影響。實(shí)際上,雖然H2O的電離系數(shù)高于SF6,但二者數(shù)值應(yīng)處于一個(gè)數(shù)量級(jí),因此電離系數(shù)的改變量會(huì)更小。也就是說,微量的H2O遠(yuǎn)不足以使電離系數(shù)發(fā)生大的改變。

文獻(xiàn)[16]認(rèn)為,形成一個(gè)電子崩的概率為

(9)

對(duì)于純凈的SF6,初始電子主要來源于SF6分子及離子之間的碰撞分離,即

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

3 微水的體積分?jǐn)?shù)對(duì)主要產(chǎn)物的影響

3.1 微水的體積分?jǐn)?shù)對(duì)(SOF2+SO2)的影響

由分解產(chǎn)物的形成過程可知,SOF2和SO2兩種產(chǎn)物都源自于輝光區(qū)域中的低氟硫化物SF4,SO2的體積分?jǐn)?shù)通常情況下都比較小。因此,本文統(tǒng)一考慮這兩種分解產(chǎn)物體積分?jǐn)?shù)的變化規(guī)律。不同時(shí)刻下,(SOF2+SO2)的體積分?jǐn)?shù)隨φ(H2O)的變化趨勢(shì)如圖7所示。

圖7 不同微水的體積分?jǐn)?shù)下(SOF2+SO2)的等加壓時(shí)間曲線

由上圖可發(fā)現(xiàn),(SOF2+SO2)的體積分?jǐn)?shù)與微水的體積分?jǐn)?shù)呈顯著正相關(guān)關(guān)系,分析原因如下。

SF6、H2O在放電區(qū)域受電子碰撞后,會(huì)生成低氟硫化物以及OH、O等高活性粒子,即

(16)

(17)

(18)

而SF4會(huì)進(jìn)一步反應(yīng)生成SOF2,主要生成途徑為

(19)

可見水在SOF2的形成過程中起著至關(guān)重要的作用,當(dāng)微水的體積分?jǐn)?shù)升高后,一方面會(huì)直接促進(jìn)生成更多的SOF2,另一方面發(fā)生如下反應(yīng)

(20)

(21)

上述兩個(gè)反應(yīng)消耗了一部分F原子,從而促進(jìn)式(16)的發(fā)展。研究表明,SF4和SF2是相對(duì)較穩(wěn)定的兩種低氟硫化物,而生成SF4所需要的能量又比SF2低。因此,微水的體積分?jǐn)?shù)的增加會(huì)提高放電區(qū)域內(nèi)SF4的體積分?jǐn)?shù),從而使得φ(SOF2)的值增加。

SO2主要來源于SOF2的水解反應(yīng),即

(22)

此外,由圖6可知,SF6/H2O混合氣體中微水的體積分?jǐn)?shù)的變化還會(huì)影響局部放電量。由于局部放電能量與放電量呈正相關(guān)關(guān)系,因此微水的體積分?jǐn)?shù)高于347×10-6后,區(qū)域中的放電能量會(huì)隨之增加,即φ(H2O)的增加會(huì)促進(jìn)式(16)～(18)生成更多的SF4及OH,φ(SOF2)與φ(SO2)的值也隨之增大。

采用漂浮育苗方式育苗。適宜的基質(zhì)配方為泥炭土75%，珍珠巖12.5%，蛭石12.5%。播種時(shí)間為2月中旬左右。對(duì)棚室、育苗池、育苗穴盤等設(shè)施消毒滅菌后，按照種子∶浮沙∶燒磚灰=1∶5∶10的比例混合播種。穴播的播種量每穴控制在4～8粒。播種前2～3天注入池水，池水深5厘米左右，然后關(guān)閉棚室進(jìn)行增溫，溫度控制在25～28攝氏度，最高溫度不超過32攝氏度，播種到出苗期間濕度保持85%左右。池水要使用潔凈的地下水或飲用水，酸堿度(pH)值以6.5～6.8為宜，并用硫酸銅進(jìn)行殺菌[9]。

3.2 微水的體積分?jǐn)?shù)對(duì)SO2F2的影響

φ(SO2F2)隨φ(H2O)在不同時(shí)刻下的變化規(guī)律如圖8所示?？梢园l(fā)現(xiàn),φ(H2O)對(duì)φ(SO2F2)具有顯著影響,二者之間呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。

圖8 不同微水的體積分?jǐn)?shù)下SO2F2的等加壓時(shí)間曲線

此外,隨著φ(H2O)的增加,它對(duì)φ(SO2F2)的促進(jìn)作用越來越顯著,不同微水的體積分?jǐn)?shù)下SO2F2的等加壓時(shí)間曲線最終呈現(xiàn)“半喇叭”形狀。

Vanbrunt通過同位素標(biāo)定法研究認(rèn)為,SO2F2主要經(jīng)SF2與O2反應(yīng)生成,即

(23)

其中SF2主要由式(16)生成,該反應(yīng)的速率與區(qū)域中的放電能量存在直接關(guān)系,因此SO2F2的生成主要與放電能量相關(guān),而由前文可知放電能量還與微水的體積分?jǐn)?shù)存在聯(lián)系。圖9所示為φ(SO2F2)在不同微水的體積分?jǐn)?shù)下隨放電時(shí)間的變化規(guī)律,可以發(fā)現(xiàn),隨著微水的體積分?jǐn)?shù)的增高,其對(duì)φ(SO2F2)的促進(jìn)作用明顯增強(qiáng)。

圖9 不同微水的體積分?jǐn)?shù)下φ(SO2F2) 隨放電時(shí)間的變化

由圖6可知,微水的體積分?jǐn)?shù)從147×10-6上升至681×10-6的過程中,總放電量呈現(xiàn)先下降再上升的趨勢(shì),但數(shù)值上總體差距不大。因此,如圖10所示,在此微水的體積分?jǐn)?shù)區(qū)間內(nèi),φ(SO2F2)的變動(dòng)范圍較小。隨后,放電量隨φ(H2O)的增加持續(xù)增加,且增長(zhǎng)速率變大。當(dāng)微水的體積分?jǐn)?shù)從681×10-6上升至1 340×10-6時(shí),φ(SO2F2)也隨之增長(zhǎng),且增長(zhǎng)量更明顯。

比較圖6與圖9,總體放電量隨微水的體積分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)出先下降后增長(zhǎng)的趨勢(shì),而φ(SO2F2)則隨φ(H2O)的增加持續(xù)增加。這是因?yàn)?除反應(yīng)式(23)所述的生成途徑外,SO2F2還可表示為

(24)

(25)

(26)

φ(H2O)可以增加放電區(qū)域中OH、O等的含量,促進(jìn)SOF4的生成,從而導(dǎo)致φ(SO2F2)增長(zhǎng)。

(27)

(28)

3.3 微水的體積分?jǐn)?shù)對(duì)CO2的影響

不同微水的體積分?jǐn)?shù)下CO2的等加壓時(shí)間曲線如圖10所示。由圖10可知,4h后φ(CO2)在φ(H2O)為1 340×10-6時(shí)的值總是高于其在φ(H2O)為147×10-6時(shí)的值,即φ(CO2)隨φ(H2O)的增加呈現(xiàn)出總體增長(zhǎng)的趨勢(shì),這與文獻(xiàn)[20]的結(jié)果相似。該產(chǎn)物體積分?jǐn)?shù)的增長(zhǎng)趨勢(shì)并不穩(wěn)定,與水分之間的正相關(guān)系數(shù)明顯低于幾種含硫產(chǎn)物。

圖10 不同微水的體積分?jǐn)?shù)下CO2的等加壓時(shí)間曲線

針對(duì)金屬突出物缺陷,生成CO2所需的C主要來自于高壓不銹鋼針電極。由于不銹鋼中的C含量很低,供應(yīng)C的能力很有限,CO2的產(chǎn)生速率主要受到放電區(qū)域內(nèi)C含量的影響。根據(jù)Vanbrunt等提出的SF6分解三區(qū)域模型[21],C主要生成于能量較高的輝光區(qū)域,其生成量受到輝光區(qū)域體積以及局部放電能量的影響。輝光區(qū)域體積主要受到針尖電場(chǎng)強(qiáng)度及氣室充裝氣壓的影響,而本文研究中外施電壓與充裝氣壓始終維持在恒定值,輝光區(qū)域體積應(yīng)當(dāng)保持不變,φ(CO2)隨φ(H2O)的變化主要是由局部放電能量的變化引起的。由上文可知,放電能量隨微水的體積分?jǐn)?shù)增加總體呈增長(zhǎng)趨勢(shì),因此φ(CO2)隨著φ(H2O)的上升也表現(xiàn)出總體增長(zhǎng)趨勢(shì)。此外,當(dāng)氣室內(nèi)存在微量水分時(shí),電極表面可能會(huì)吸附水分,從而使其釋放C所需要的能量發(fā)生改變,因此φ(CO2)隨φ(H2O)的上升并未表現(xiàn)出穩(wěn)定增長(zhǎng)趨勢(shì)。

3.4 產(chǎn)物體積分?jǐn)?shù)比值隨微水的體積分?jǐn)?shù)的變化規(guī)律

金屬突出物缺陷下的主要穩(wěn)定分解產(chǎn)物包括SOF2、SO2F2、CO2、SO2等4種。輝光區(qū)域中的SF6分子可以經(jīng)電子碰撞逐級(jí)裂解為SF4和SF2等較穩(wěn)定的低氟硫化物,通常認(rèn)為游離到主氣室區(qū)域中的SF4會(huì)最終生成SOF2及SO2,而SF2則更多地生成SO2F2,因此φ(SOF2+SO2)/φ(SO2F2)可以表示主氣室區(qū)域中SF4和SF2的比率。此外,SOF2、SO2和SO2F2等3種含硫產(chǎn)物都直接來源于SF6經(jīng)電子碰撞裂解產(chǎn)生的低氟硫化物,其體積分?jǐn)?shù)都和放電氣室內(nèi)的放電能量存在直接關(guān)系,而形成CO2所需要的C則更多與放電區(qū)域所涉及材料表面狀況或面積有關(guān)。因此,另一種產(chǎn)物體積分?jǐn)?shù)比值φ(SOF2+SO2+SO2F2)/φ(CO2)表征特定放電條件下放電能量與放電所涉及材料表面狀況之間的關(guān)系。圖11和圖12對(duì)比了不同微水的體積分?jǐn)?shù)下兩種分解產(chǎn)物體積分?jǐn)?shù)比值隨時(shí)間的變化規(guī)律。

圖11 φ(SOF2+SO2)/φ(SO2F2)隨時(shí)間的變化規(guī)律

由圖11可知,φ(SOF2+SO2)/φ(SO2F2)的值在放電初始階段先隨加壓時(shí)間逐漸降低,然后趨于穩(wěn)定,9h后穩(wěn)定于3～4之間。隨著該比值逐漸穩(wěn)定之后可以發(fā)現(xiàn),φ(SOF2+SO2)/φ(SO2F2)與φ(H2O)關(guān)系不大,這是由于φ(H2O)的升高會(huì)同時(shí)促進(jìn)SO2F2、SOF2、SO2等幾種產(chǎn)物體積分?jǐn)?shù)的增加,且其增加的趨勢(shì)類似。由圖7、8可知,不同時(shí)刻下,φ(SO2F2)與φ(SOF2+SO2)的等加壓時(shí)間曲線均隨微水的體積分?jǐn)?shù)的增大呈現(xiàn)“半喇叭”形狀。

圖12所示為φ(SOF2+SO2+SO2F2)/φ(CO2)在不同微水的體積分?jǐn)?shù)下隨加壓時(shí)間的變化曲線,可以發(fā)現(xiàn),在加壓初始階段該產(chǎn)物體積分?jǐn)?shù)比值隨放電時(shí)間緩慢上升,然后逐漸穩(wěn)定。

圖12 φ(SOF2+SO2+SO2F2)/φ(CO2) 隨時(shí)間的變化規(guī)律

φ(H2O)的值較低(<681×10-6)時(shí),該比值最終穩(wěn)定于2.5～3之間。不同于φ(SOF2+SO2)/φ(SO2F2),φ(SOF2+SO2+SO2F2)/φ(CO2)的值會(huì)受到φ(H2O)的影響,且隨著φ(H2O)的增加呈現(xiàn)總體增長(zhǎng)的趨勢(shì),這是由于H2O對(duì)含硫產(chǎn)物的促進(jìn)作用明顯高于CO2的緣故。

有關(guān)產(chǎn)物體積分?jǐn)?shù)比值的研究還要觀察其對(duì)不同缺陷類型的識(shí)別度,本文對(duì)比金屬突出物及懸浮電位兩種缺陷以驗(yàn)證所提出產(chǎn)物體積分?jǐn)?shù)比值作為診斷特征量的有效性。當(dāng)外施電壓為60kV、充裝氣壓為0.3MPa、懸浮電位體與高壓電極之間距離為0.3mm時(shí),懸浮電位缺陷下兩種分解產(chǎn)物體積分?jǐn)?shù)比值隨加壓時(shí)間的變化如圖13所示。

圖13 懸浮電位缺陷下分解產(chǎn)物的體積分?jǐn)?shù)比值

SF6分子逐級(jí)裂解為SF4和SF2時(shí),分解生成SF2所需的能量明顯高于SF4,因此放電能量較高的缺陷(如懸浮電位缺陷)應(yīng)該更容易產(chǎn)生較高體積分?jǐn)?shù)的SF2,從而形成更多的SO2F2,φ(SOF2+SO2)/φ(SO2F2)的值會(huì)比低能量缺陷小。如圖13所示,懸浮電位缺陷下φ(SOF2+SO2)/φ(SO2F2)的值穩(wěn)定于1.5～2之間,明顯低于金屬突出物缺陷。

另一方面,懸浮電位缺陷通常是由于設(shè)備內(nèi)部的接觸不良引起的,其放電起始于懸浮地位體表面一些曲率半徑較大的突起部分。因此,懸浮電位缺陷的高能放電區(qū)域體積通常大于金屬突出物缺陷,從而可以提供更多生成CO2所需要的C。對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),φ(SOF2+SO2+SO2F2)/φ(CO2)在懸浮電位缺陷下的值低于其在金屬突出物缺陷下的值。此外,當(dāng)放電涉及絕緣材料時(shí)會(huì)產(chǎn)生高體積分?jǐn)?shù)的CO2,所以φ(SOF2+SO2+SO2F2)/φ(CO2)的值會(huì)更小。綜上所述,本文所提兩種氣體產(chǎn)物體積分?jǐn)?shù)比值可以作為特征參數(shù),來實(shí)現(xiàn)對(duì)SF6絕緣類電力設(shè)備內(nèi)部絕緣缺陷的診斷。

4 結(jié) 論

本文研究了微水的體積分?jǐn)?shù)對(duì)SF6氣體局部放電及分解特性的影響規(guī)律,得出以下主要研究結(jié)論。

(2)水分對(duì)SOF2、SO2F2、SO2和CO2等幾種產(chǎn)物的生成都有促進(jìn)作用,且對(duì)3種含硫產(chǎn)物的促進(jìn)作用強(qiáng)于CO2。SOF2與SO2F2兩種產(chǎn)物在不同微水的體積分?jǐn)?shù)下的等加壓時(shí)間曲線都呈現(xiàn)一個(gè)“半喇叭”形狀。

(3)φ(SOF2+SO2)/φ(SO2F2)隨微水的體積分?jǐn)?shù)表現(xiàn)出了較好的穩(wěn)定性,其值穩(wěn)定于3～4之間;φ(SOF2+SO2+SO2F2)/φ(CO2)則隨微水的體積分?jǐn)?shù)的增加呈總體增長(zhǎng)趨勢(shì),φ(H2O)<681×10-6時(shí),該比值穩(wěn)定于2.5～3之間。此外,兩種產(chǎn)物體積分?jǐn)?shù)比值對(duì)不同缺陷類型具有較好的識(shí)別度,可以作為診斷特征量。

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(編輯 趙煒 杜秀杰)

Influence of H2O on SF6Discharge and Decomposition Characteristics under Low Moisture Conditions

ZHONG Lipeng1,JI Shengchang1,LIU Kai1,ZHU Lingyu1,WANG Wenhao2,HE Wenlin2,DONG Xuesong2

(1. State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China;2. State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute, Hangzhou 310014, China)

In order to study the influence of moisture in low volume fraction (<1 350×10-6) on discharge and decomposition characteristics of SF6, an experimental and testing platform for SF6gas-insulated electrical equipment was designed in this paper. The influence of moisture on the capacity of partial discharge caused by metal protrusions defects and content variation of SOF2、SO2F2、SO2、CO2was observed in detail. The results indicate that average and overall discharge capacity decrease first and then increase with the increase of volume fraction of moisture. H2O will promote the formation of all the four gas-decomposition products, with a stronger influence on the sulfur-containing products than CO2. Besides, the value ofφ(SOF2+SO2)/φ(SO2F2) maintains stable with the variation of moisture, about 3-4 after 9h. The value ofφ(SOF2+SO2+SO2F2)/φ(CO2) presents an overall increasing trend with moisture content and ultimately increases to a stable value about 2.5-3 under low moisture condition. Thus, the detection method of SF6decomposition products should take into account the moisture content.

SF6gas-insulated electrical equipment; decomposition characteristics; decomposition products; moisture

10.7652/xjtuxb201603018

2015-07-04。 作者簡(jiǎn)介:鐘理鵬(1990—),男,博士生;汲勝昌(通信作者),男,教授,博士生導(dǎo)師。

時(shí)間:2015-12-28

http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20151228.1956.010.html

TM835.4

:A

:0253-987X(2016)03-0112-09