SF6氣體含量分析在GIS故障分析判斷中的應(yīng)用

摘 要： 六氟化硫（SF6）氣體在電弧、電火花和電暈放電的作用下會發(fā)生分解，產(chǎn)生二氧化碳（CO2）、四氟化碳（CF4）等分解產(chǎn)物。SF6氣體組分分析（可在設(shè)備帶電狀態(tài)下進(jìn)行）是診斷SF6氣體絕緣設(shè)備內(nèi)部運行情況的一個強有力的手段，據(jù)此可判斷設(shè)備是否故障，并確定故障的具體部位，近年來已有不少成功案例。探討了GIS 中典型放電性故障特征及相應(yīng)的SF6氣體分解產(chǎn)物和分解機理，給出了不同放電類型故障相關(guān)試驗結(jié)果，并對最常見的電暈放電故障給出了放電量與分解產(chǎn)物的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，歸納了不同放電故障下主要氣體分解產(chǎn)物的反應(yīng)方程，并應(yīng)用于一起GIS故障分析，為GIS 潛伏性故障及其故障類型判斷累積經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞： 組合電器； SF6分解物； 故障診斷； 絕緣設(shè)備

中圖分類號： TN911?34； TM213 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）18?0020?03

GIS在城市電網(wǎng)中得到廣泛的應(yīng)用， 目前由于此類設(shè)備的結(jié)構(gòu)和接線方式上的特殊性，傳統(tǒng)的檢測方法很難監(jiān)督其運行狀況， 常規(guī)的SF6氣體的檢測方法僅檢測氣體濕度，無法判斷設(shè)備內(nèi)部是否存在潛伏性故障。SF6氣體在設(shè)備正常的運行情況下均含有一定量雜質(zhì)，當(dāng)設(shè)備內(nèi)部存在故障時，在電弧或高溫的作用下，SF6氣體本身或SF6與設(shè)備內(nèi)部的絕緣材料相互作用會產(chǎn)生一定種類和一定量的雜質(zhì)，通過對雜質(zhì)種類和含量的分析，可以分析并判斷SF6電氣設(shè)備內(nèi)部存在故障的情況。

采用SF6氣體分析技術(shù)判斷設(shè)備內(nèi)部故障，類似于采用絕緣油中溶解氣體分析方法判斷充油設(shè)備內(nèi)部故障，具有無需設(shè)備停電、可及時跟蹤設(shè)備內(nèi)部故障的發(fā)展?fàn)顩r、方法簡便等優(yōu)點[1?2]。

1 GIS設(shè)備中典型放電性故障及SF6氣體產(chǎn)物

GIS 設(shè)備在運輸、儲存和安裝中可能發(fā)生零部件松動， 電極表面刮傷或安裝錯位引起的電極表面缺陷，導(dǎo)電微粒進(jìn)入或工具遺忘在裝置內(nèi)等，這些隱患的存在和發(fā)展會造成設(shè)備內(nèi)部發(fā)生電弧放電、火花放電、電暈或局部放電[3?4]。

筆者針對以上多種類型放電性故障及相關(guān)SF6分解機理分別展開討論。

1.1 放電性故障類型

在SF6氣體絕緣設(shè)備中， 放電性故障是使SF6氣體發(fā)生分解的主要原因。放電形式主要有3 種：電弧放電、火花放電、電暈或局部放電。

1.2 SF6氣體分解產(chǎn)物及規(guī)律

自20世紀(jì)70 年代以來，國內(nèi)外對SF6氣體在不同放電條件下的分解特性進(jìn)行了大量基礎(chǔ)研究，深入探討了SF6分解生成物的種類以及SF6分解的一般過程。如CHU F Y 于1986 年對SF6氣體分解物的研究進(jìn)行了總結(jié)[5]，后續(xù)研究又進(jìn)一步完善了SF6氣體分解產(chǎn)物種類， 其中典型3 種放電下產(chǎn)生的SF6分解產(chǎn)物如表2所示[6?9]。

目前國內(nèi)外對典型放電故障下的SF6氣體分解產(chǎn)物特征形成了如下的共識：

（1）電弧放電，溫度往往可達(dá)20 000 K，會發(fā)生氣體熱分解現(xiàn)象。高溫下SF6及其分解物會與金屬發(fā)生反應(yīng)，形成金屬氟化物。在分解產(chǎn)物中，SOF2是最主要的穩(wěn)定分解產(chǎn)物；CF4是當(dāng)電弧接觸有機材料時形成的；SO2是由SOF2水解形成[6]。

（2）火花放電能量相對電弧放電較低，SOF2是最主要的分解產(chǎn)物；SO2F2的體積分?jǐn)?shù)較電弧放電有

所增加；SF4是火花放電中重要的初始產(chǎn)物[7?9]。

（3）電暈或局部放電，SO2F2的體積分?jǐn)?shù)相對電弧放電，火花放電情況下要高得多，被認(rèn)為是最主要的氣體產(chǎn)物[5]，可作為電暈或低能放電的一種特征[8?9]。隨著放電能量降低（從電弧到火花），SO2F2體積分?jǐn)?shù)增大。電暈放電時，有微量水份和氧氣的前提下，最主要的穩(wěn)定氣體是SOF2、SO2F2和SOF4[9]。雖然電弧放電和火花放電的信號特征、持續(xù)時間和放電能量有所差別， 但其放電機理和試驗結(jié)果有相似之處， 故在后文中將這兩種放電故障類型的機理和試驗結(jié)果在一起描述和分析。

2 故障分析判斷實例

2.1 故障經(jīng)過

2013年2月20日，某220 kV站V4甲#、4乙#、5#母線A相電壓降低至0 V（兩母線并列運行方式），同時2212線路A相電流及零序電流突增，故障性質(zhì)為線路發(fā)生A相接地故障。220 kV縱聯(lián)差動保護(hù)動作跳閘，重合不成功，初次最大短路電流達(dá)12.39 A（二次值），折合一次值為30.98 kA。再次故障時最大短路電流達(dá)11.76 A，折合一次值為29.40 kA。

2.2 SF6氣體分析

對八昆二2212間隔SF6氣體進(jìn)行現(xiàn)場測試，發(fā)現(xiàn)2212?2刀閘氣室（內(nèi)含2212線路側(cè)電流互感器、2212?2?27、2212?17）SO2氣體嚴(yán)重超標(biāo)，初步判定為氣室內(nèi)部有放電故障。后又取氣體進(jìn)行實驗室分析， 檢測結(jié)果見表3。從檢測數(shù)據(jù)可以看出SO2，H2S，HF含量均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于注意值（50 ppm），可初步判斷為電弧放電，CF4，CO2，CO含量出現(xiàn)是當(dāng)放電故障涉及到固體絕緣材料時的產(chǎn)物；可確定其故障為涉及到固體絕緣材料的貫穿性電弧放電，同時又檢測同期投運的兩個相鄰的氣室，其組分除空氣外均為0，可推斷該故障可能已經(jīng)潛伏了一段時間由火化放電逐步變成電弧放電。

2.3 GIS解體分析

開倉檢查2212?2氣室，發(fā)現(xiàn)倉體內(nèi)部和導(dǎo)體上均有一層白色粉末，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)2212?2刀閘動觸頭導(dǎo)向屏蔽罩嚴(yán)重?zé)龘p，燒損殘片已散落至倉體內(nèi)和附著于倉體內(nèi)壁上。動觸頭座靠近B相側(cè)有明顯放電點，靜觸頭屏蔽罩處有明顯放電點，2212?2刀閘倉動觸頭座靠近B相一側(cè)倉體上附著大量殘片。2212?2刀閘倉解體后，現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)動觸頭一側(cè)的均壓罩缺失，如圖1所示，但是在倉壁上發(fā)現(xiàn)一塊故障殘留物，初步分析，其可能是故障時，均壓罩燒損后留下的殘留物。

2.4 事故分析

故障發(fā)生后，將故障GIS返廠分析故障原因。2013年3月5日，在廠家進(jìn)行故障GIS部件解體檢查，檢查發(fā)現(xiàn)2212?2刀閘動觸頭銅桿上有兩處放電痕跡，屏蔽罩鉚沖槽內(nèi)無鉚沖痕跡。電科院對附著在桶壁上的分解產(chǎn)物做了成分檢測，主要成分為F、Fe、Al、Cr，可判斷為屏蔽罩受電弧作用后的分解產(chǎn)物。結(jié)合在該站內(nèi)開倉檢查情況進(jìn)行分析，初步判斷2212?2A相刀閘動觸頭導(dǎo)向屏蔽罩因鉚沖不實，造成脫落至動觸頭銅桿上，且在掉落過程中對筒壁圓筒與直筒相貫線處放電，是造成本次故障的直接原因。

3 結(jié) 語

SF6氣體含量分析能有效監(jiān)測設(shè)備運行狀況，無需設(shè)備停電，適應(yīng)當(dāng)前狀態(tài)檢修的要求，具有較高的推廣價值。但由于缺乏數(shù)據(jù)積累，目前未能在測試方法和設(shè)備運行狀況評價方法上形成相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，這些問題亟待在進(jìn)一步的工作中得到解決。

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