GIS內環氧樹脂絕緣沿面放電強度與產氣關聯規律的模擬實驗

鄭曉光 鄭 宇 唐 念 李 麗 周文俊

(1.廣東電網有限責任公司電力科學研究院 廣州 510080 2.武漢大學電氣工程學院 武漢 430072)

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GIS內環氧樹脂絕緣沿面放電強度與產氣關聯規律的模擬實驗

鄭曉光1鄭 宇2唐 念1李 麗1周文俊2

(1.廣東電網有限責任公司電力科學研究院 廣州 510080 2.武漢大學電氣工程學院 武漢 430072)

為了解SF6氣體絕緣電氣設備中環氧樹脂固體絕緣沿面放電強度與特征氣體之間的關聯規律，搭建了固體絕緣表面附著銅粉的缺陷模型。實驗發現，放電涉及環氧樹脂固體絕緣時，不同特征氣體呈現的增長特性不同；放電強度不同，同一特征氣體的增長特性也有差異。通過對不同特征氣體與CS2含量之間的比值特性研究，發現在不同放電強度下，特征氣體含量的比值特性不同。對比在兩種放電強度下產生的特征氣體(如SOF2、SO2、CS2等)的含量、增長規律、特征比值等特征量，研究了特征氣體與放電強度之間的關系及不同特征氣體之間的內在關聯，為用特征氣體檢測法診斷設備內部固體絕緣的狀態提供了新方法。

GIS 固體絕緣 特征氣體 沿面放電 CS2

0 引言

全封閉氣體絕緣組合電器(Gas Insulated Switchgear，GIS)以SF6氣體作為絕緣介質，具有結構緊湊、占地面積小、運行維護安全可靠等優點，被廣泛應用于電力系統[1]。GIS在運輸、裝配和長期運行過程中其殼體內形成自由金屬微粒、懸浮電位體、金屬尖刺、盆式絕緣子表面附著金屬微粒及盆式絕緣子內部氣隙等缺陷易導致局部放電[2]。運行經驗表明，一旦放電涉及固體絕緣，長期運行下會導致絕緣崩潰，因此有必要監測GIS內的局部放電，特別要弄清放電是否涉及環氧樹脂固體絕緣以及放電的嚴重程度。目前，超高頻法被廣泛用于檢測GIS內的局部放電，但因超高頻法在缺陷模式識別上的局限，且無法識別間歇性放電，故難以準確判斷放電是否涉及固體絕緣[3]。

近年來，隨著油色譜分析技術在充油電氣設備局部放電檢測上的成功應用[4，5]，用特征氣體法診斷SF6電氣設備內的絕緣狀態的研究越來越廣泛。SF6電氣設備內的局部放電導致SF6氣體分解，分解物與設備內的水分和氧氣反應生成SOF2、SO2F2、SO2、HF等氣體，當放電涉及環氧樹脂材料時還會生成CF4等含碳氣體[6]。特征氣體法通過檢測特征氣體的種類、含量和增長規律以及不同特征氣體之間的含量比值等特征量來判斷設備內的放電類型和強度，具有抗干擾能力強、檢測靈敏度高等優點[7]。但采取何種特征氣體、采用怎樣的診斷判據等關鍵問題至今在國際上仍沒有統一的標準。

目前，在應用特征氣體法檢測SF6電氣設備內局部放電的研究中，國內外學者多采用由R.J.Van Brunt在20世紀90年代提出的“區域反應模型”[8，9]。這一模型使用針-板電極，易于模擬電暈放電，但無法模擬在環氧樹脂固體絕緣表面發生的放電。盡管也有學者研究過涉及固體絕緣的放電，卻少見報道，這主要因為研究者一直以來采用CF4或其他不含碳氣體(如H2S等[10])當作特征氣體來反映涉及固體絕緣的放電，然而SF6新氣中不可避免地會存在CF4，對檢測結果的干擾大[11]，而不含碳氣體與固體絕緣放電的關聯程度還有待考證。由于上述原因，涉及固體絕緣放電的研究一直未有進展。GIS內的環氧樹脂固體絕緣沿面放電的新型特征氣體CS2[12，13]能靈敏地反映涉及固體絕緣的放電，且SF6新氣中一般不會摻雜CS2，但還未見放電強度與CS2的變化規律之間的關系及氣體注意值等方面的報道。

CS2作為GIS盆式絕緣子放電特征氣體的提出為實驗研究提供了檢測依據，本文將CS2作為特征氣體重點檢測。根據國內外對GIS內涉及環氧樹脂固體絕緣沿面放電的研究思路[14，15]，在SF6氛圍中搭建表面附著銅粉的缺陷模型，檢測兩種放電強度下的放電量以及CS2、SOF2、SO2F2、SO2、HF和COS等特征氣體的含量，建立了特征氣體的增長規律與環氧樹脂固體絕緣沿面放電的嚴重程度之間的關聯，實驗結果可為實際運行檢測提供參考。

1 實驗方法

1.1 實驗電路

實驗電路如圖1所示，CX為表面附著銅粉的缺陷模型，銅粉畸變了模型的表面電場，從而在模型表面發生沿面放電。本文采用IEC 60270和GB/T 7354推薦的檢測方法[16，17]——脈沖電流法檢測實驗過程中的實時放電量。圖1中C0為耦合電容器，額定電壓150 kV，電容值500 pF，Zm為TWPD-2B PD綜合分析儀自帶的耦合裝置。保護電阻采用水電阻，阻值為1 MΩ，實驗變壓器高壓側額定電壓150 kV，低壓側額定電壓380 V，額定容量30 kV·A。PD綜合分析儀的最大采樣頻率20 MHz，檢測頻率20～400 kHz，量程內非線性誤差5%，檢測范圍0.1 pC～10 μC。

圖1 實驗電路圖1—自耦變壓器；2—隔離變壓器；3—無暈試驗變壓器；4—保護電阻Fig.1 Test Circuit

1.2 缺陷模型

缺陷模型如圖2所示，在底面直徑25 mm、高35 mm的環氧樹脂絕緣棒表面均勻涂上環氧樹脂并灑上銅粉，同時在絕緣棒上下表面均勻涂上適量環氧樹脂，以使絕緣棒與電極之間接觸緊密。缺陷模型設置好后經干燥處理，放入實驗氣室。氣室容積70 L，內壁涂有特氟龍涂料以防分解氣體與內壁反應，其構造如圖3所示。

圖2 環氧樹脂絕緣棒表面附著銅粉模型Fig.2 The defect model of copper attached to the solid epoxy resin

1.3 特征氣體的檢測方法

本文檢測的特征氣體包括SOF2、SO2、SO2F2、CS2、COS和HF等，其中COS氣體首次在實驗中被檢測到。用日本GASTEC公司生產的NO.17 HF快速檢測管檢測HF，檢測管由一支內裝顯色指示劑及外壁印有濃度刻度的玻璃管組成。當被測氣體通過管內指示劑時發生顯色化學反應，可通過變色線直接讀出氣體的濃度。檢測管的檢測范圍為0.25～100 μL/L。除HF以外的氣體均用島津GC-MS 2010plus氣質聯用儀檢測。

圖3 SF6實驗氣室的構造Fig.3 The structure of SF6 test chamber

1.4 標準氣體的配置

氣質聯用儀采用峰面積外標法計算分解氣體的含量，計算公式為

式中：CS為標準氣體的濃度；AS為標準氣體對應的峰面積數值；AX為待測氣體的峰面積數值；K為校正因子(correction factor)。以氦氣(He)作為背景氣體來配置標氣，計算出校正因子，如表1所示。

表1 標準氣體的配置

1.5 局放儀的校準結果

局放校準儀可產生特定放電量和放電頻率的脈沖，50 pC/500 Hz的放電脈沖校準波形如圖4所示，從圖中可看出清晰的放電脈沖。在實驗時，局放儀可根據校準結果自動計算出放電量。實驗室背景放電量為22 pC。

圖4 局放儀校準波形(50 pC/500 Hz)Fig.4 PD Analyzer calibration waveform (50 pC/500 Hz)

2 實驗步驟和結果

2.1 實驗步驟

實驗分兩組，第1組持續加壓24 h，控制電壓為20 kV，使放電強度相對較弱，絕緣棒不發生閃絡。第2組實驗在第1組的基礎上更換SF6新氣，提高實驗電壓至30 kV，使放電強度相對較強，加壓12 h后絕緣棒仍未閃絡，繼續升高電壓至50 kV，維持不變，加壓至第17 h時絕緣棒發生閃絡，結束實驗。GIS內通常充以0.3～0.5 MPa的SF6作為絕緣介質，若提高壓強，需要充入更多的SF6，為節省實驗成本，模擬實驗采用的充氣壓強為0.3 MPa。實驗取氣量很小，可保證SF6氣體壓強基本不變。根據SF6電氣設備實驗安全防護細則的要求[18]，實驗按以下步驟進行：

1)把設置好銅粉的缺陷模型經干燥處理后放入實驗氣室，密封氣室，用真空泵將氣室抽真空至0.02 Pa并保持10 min，用SF6新氣沖洗實驗氣室3次，充入SF6新氣至表壓為0.3 MPa，靜置1 h。

2)檢測新氣中的水分含量和雜質氣體含量，檢查實驗電路無誤后，對局放綜合分析儀進行校準。

3)緩慢升高電壓直至絕緣棒發生放電，為加速實驗進程，在達到起始放電電壓(17.8 kV)后繼續升高電壓，然后維持電壓不變；第1組實驗中，維持電壓在20 kV；第2組實驗中，緩慢升高電壓至30 kV并維持電壓不變，12 h后發現絕緣棒仍未閃絡，繼續緩慢升高電壓至50 kV并維持電壓不變，直至閃絡。

4)定期在線檢測分解氣體，同時用局放儀記錄實時放電量。

2.2 實驗結果

兩組實驗產生的特征氣體的含量如表2和表3所示。由于氣室內外存在水分濃度差，外部水分不可避免會滲透到內部，更換SF6新氣時，氣室內的濕度也會發生變化，因而無法保證兩組實驗的水分含量完全一樣。但兩組實驗的水分含量均小于GIS設備無電弧分解物時的水分含量運行允許值(≤500 μL/L)，可忽略水分差異對實驗的影響。由表2和表3可看出，兩組實驗檢測到的特征氣體的種類不完全相同，但在兩組實驗中均可檢測到SOF2、CS2和SO23種氣體。特征氣體的變化趨勢如圖5～圖7所示。SOF2和其余幾種氣體的含量差別較大，為直觀表示，將SOF2含量的變化情況單獨制圖(圖7)。第2組實驗中檢測到羰基硫氣體(COS)，通過標準氣體對其定量，但第2組實驗中未檢測到SO2F2。兩組實驗結束后，取出絕緣棒，發現其表面被嚴重電蝕，可看到明顯的閃絡痕跡。在第2組實驗中，第14 h時才檢測到HF，含量為7.5 μL/L，第17 h閃絡后含量增加到20 μL/L。兩組實驗中的放電量變化情況如圖8所示。

表2 模型不發生閃絡時特征氣體的含量

注：此組實驗中氣室內水分含量為341.7 μL/L

表3 模型發生閃絡時特征氣體的含量

注：此組實驗中氣室內水分含量為128.3 μL/L

圖5 不發生閃絡時特征氣體的含量Fig.5 Concentration of characteristic gases when flashover didn’t occur on the model

圖6 發生閃絡時特征氣體的含量Fig.6 Concentration of characteristic gases when flashover occurred on the model

圖7 兩組實驗中SOF2的含量Fig.7 Concentration of SOF2 during the two tests

圖8 兩組實驗中放電量的變化情況Fig.8 Discharge capacity during the two tests

3 實驗結果分析

3.1 放電量的變化特性

當電壓較低時，放電量變化幅度較小；當電壓較高時，放電量迅速增加，最終導致絕緣棒閃絡。第1組實驗中，放電量始終在0～450 pC范圍內變化，在10～16 h時放電量甚至接近0，說明此時放電已趨于平緩。但由于實驗氣室內的放電條件極不穩定，導致只要電壓發生微小變化就能重新產生放電。圖中偶爾可見放電量突增的現象，這是電荷累積到一定程度時產生的放電脈沖所致。整個過程中的平均放電量為74 pC。第2組實驗中，放電量大致在2～18 nC范圍內變化，前12 h電壓大致保持在30 kV，放電量變化不明顯，12 h后電壓加到50 kV，放電量顯著增大并且持續增加，直至絕緣棒閃絡，整個過程的平均放電量為5.08 nC。

3.2 特征氣體的增長特性

GIS內環氧樹脂固體絕緣沿面放電十分不穩定，易出現間歇性放電，實驗難以準確控制放電強度。因此，本文只研究了兩種放電強度下的情況，由圖8可知，每組實驗中的放電量會隨時間變化。

由圖5和圖6可知，SOF2、SO2和CS2在兩組實驗中呈現出不同的增長規律，在第1組實驗中表現為“上凸型”增長，增長速率越來越慢；在第2組實驗中表現為“下凸型”增長，增長速率越來越快。出現“上凸型”增長的主要原因是：第1組實驗的放電能量不致使絕緣子閃絡，部分銅粉在放電時被清除掉，或在電場力的作用下脫離絕緣棒表面。隨著銅粉不斷被消耗，電場分布變得相對均勻，放電強度逐漸減弱，此時缺陷絕緣棒呈現“自愈”特性。當電壓超過絕緣棒的閃絡電壓(或缺陷程度超過運行電壓下的最大缺陷程度)時，放電強度逐漸增大，直至絕緣棒閃絡，特征氣體的含量會迅速增加，呈現“下凸型”增長，此時缺陷絕緣棒呈現出不可自恢復特性且其絕緣性能迅速降低。在實際運行中，發現特征氣體出現這種類型的增長時應特別注意。

對比實驗過程中各特征氣體的含量和增長速率(增長曲線切線的斜率)，可發現在相同條件下不同特征氣體的含量和增長速率存在差異，說明不同特征氣體對局部放電的“敏感程度”不同。如果定義含量或增長速率大的特征氣體對放電更敏感，上述特征氣體對放電的敏感程度由高到低依次為：SOF2>SO2>SO2F2(低放電量情況下)>CS2>COS(高放電量情況下)。

3.3 特征氣體與放電之間的關系

在實驗中發現，環氧樹脂固體絕緣放電有特殊性，即放電量波動大、易出現間歇放電，但特征氣體的增長趨勢較穩定。圖9給出了強弱放電強度兩組實驗下，氣體含量比值和放電量比值之間的關系。兩組實驗中的放電量、特征氣體的含量之間差異太大，采用比值可以直觀了解。圖9中比值的意義在于，若設較弱放電時的情況為1，則比值的大小反映了較強放電時的情況。由此可直觀比較放電量與特征氣體含量之間的關系。放電量比值的變化反映了相對放電強度的變化，此時觀察氣體含量比值的變化情況，可得到特征氣體與放電之間的關系。由圖9知，特征氣體的含量比值與放電量比值的變化情況并不一致，氣體含量比值的變化相對穩定，而放電量比值具有較大的波動性，但兩者的總體變化趨勢大致相同。盡管14 h后放電量比值下降較多，但仍比10 h之前的大。這是因為特征氣體的含量變化具有“累積效應”，氣體含量不會因為放電突變而突變，因而氣體含量比值隨時間變化相對穩定；本文所研究的模型中，放電具有很大的隨機性，導致放電量比值局部波動較大。

圖9 氣體含量比值和放電量比值之間的關系Fig.9 Relationship between the ratio of concentration of gases and that of the discharge

3.4 不同特征氣體之間的比值特性

變壓器油色譜分析中常使用特征氣體之間的比值作為特征量來研究放電類型和嚴重程度，文獻[19]也采用比值作為特征量，并引入聚類分析證明了比值法比單純用特征氣體的含量作為特征量的效果更好。特征氣體的產生不是孤立的，某種特征氣體的產生和其他特征氣體之間存在內在關聯。因此，本文根據實驗數據研究了SO2、SOF2、SO2F2以及COS等特征氣體與CS2含量之間的關聯程度和比值特性。用皮爾遜相關系數來衡量其他特征氣體的含量與CS2的含量之間的關聯程度。序列對(Xi，Yi)(其中i=1，2，…，N)間的相關系數為

表4 CS2與其他特征氣體間的相關檢驗

由相關檢驗結果可知，當放電涉及固體絕緣時，CS2的含量與其他幾種特征氣體的含量之間均顯著相關，這說明當產生CS2時，同時產生其他幾種特征氣體。可以從物理角度解釋這種相關性：沿面放電的放電區域會與SF6氣體接觸，因此會產生SOF2、SO2等其他幾種特征氣體；CS2的含量增長時，說明沿面放電過程在持續，其他幾種特征氣體會在與SF6氣體接觸的放電區域內產生。

特征氣體含量的增加是電效應與熱效應共同作用的結果。當氣室內持續放電和發熱時，特征氣體的含量將持續增加；隨著放電缺陷的減小或消失，氣體增長速率會逐漸減小直至為0，此時有可能產生誤判。為了消除“累積效應”的影響，更準確地反映放電的發展趨勢，引入其他特征氣體與CS2含量的比值，如將SOF2與CS2含量的比值記為r(SOF2/CS2)。相關檢驗的結果也是引入比值的理論基礎，在環氧樹脂固體絕緣放電時，其他特征氣體與CS2含量之間具有顯著相關性，故選擇比值來反映這種相關性。兩組實驗中，其他特征氣體與CS2含量之間的比值隨時間的變化趨勢如圖10所示。

圖10 兩組實驗的特征氣體與CS2的比值特性圖Fig.10 The characteristics of ratio between other characteristic gases and CS2

從圖10a可看出，在第1組實驗中，r(SOF2/CS2)在20～40變化，且大致呈現遞減趨勢，這主要是因為電壓較低，隨著銅粉在放電中被消耗，放電越來越弱，導致SOF2的增長速率越來越小；r(SO2/CS2)和r(SO2F2/CS2)在0～5變化，前者大致呈現遞增趨勢而后者大致呈現遞減趨勢。在10～12 h的某一時刻，r(SO2/CS2)=r(SO2F2/CS2)，此后r(SO2/CS2)>r(SO2F2/CS2)，這是因為隨著放電過程的發展，SOF2會部分水解生成SO2，當SOF2的含量增大時會加速水解過程。

從圖10b可看出，r(SOF2/CS2)始終在10～35范圍內變化，前14 h維持在10左右，14 h后迅速增大。這是因為前14 h放電相對穩定，SOF2和CS2等氣體的生成較穩定，14 h后SOF2的含量迅速增大，CS2的含量增加相對較慢，導致r(SOF2/CS2)值增大。第2組實驗中基本未檢測到SO2F2，但檢測到另一種含C的氣體羰基硫(COS)，說明當放電涉及固體絕緣時，會產生COS氣體，但COS與CS2相比需要更高的能量才能產生。結合圖8和圖9可知，在前14 h內，第2組實驗的放電量約為第1組實驗的50～350倍。在同一組實驗中，不同特征氣體的含量增長趨勢類似，因此特征氣體之間的含量比值相對穩定。但在不同組實驗中，放電強度不同，相應比值之間差異較大。對比兩組實驗，發現r(SOF2/CS2)在兩組實驗中存在較大差異，當放電較弱時，r(SOF2/CS2)值較大，約為30；當放電較強時，r(SOF2/CS2)值較小，約為10，但在固體絕緣崩潰時，SOF2和CS2的含量會顯著增大，其比值也會顯著增大。

上述差異不難解釋，r(SOF2/CS2)值具有明確的物理意義，比值反映的是不涉及固體絕緣的放電強度與涉及固體絕緣的放電強度之間的強弱關系。當放電較弱時，盡管SOF2和CS2的含量均低于放電較強時，但此時涉及固體絕緣的放電所占比例較低，因此CS2的產量很少，r(SOF2/CS2)的值比放電較強時還要高。文獻[20]對運行中的SF6電氣設備內的分解氣體含量做了統計分析，發現SO2體積分數的注意值為3 μL/L。結合實驗中SO2與CS2之間的比值關系，可保守預測CS2體積分數的注意值約為5 μL/L。

4 結論

根據上述實驗結果，可得出以下結論：

1)當放電涉及環氧樹脂絕緣材料時，會產生CS2、SOF2、SO2F2、SO2和HF等特征氣體；放電能量較高時，還會產生COS氣體。不同特征氣體對放電的敏感程度按由高到低排序為：SOF2>SO2>SO2F2(較低放電量)>CS2>COS(較高放電量)。

2)當環氧樹脂絕緣表面附著銅粉時，CS2、SOF2、SO2等特征氣體在不同放電強度下呈現不同的增長規律：放電強度較小時會出現“上凸型”增長，氣體增長速率越來越小直至為零；放電嚴重時會出現“下凸型”增長，氣體增長速率越來越大直至絕緣閃絡；環氧樹脂固體絕緣放電有特殊性，即放電量波動大、易出現間歇放電，但是特征氣體的增長趨勢較穩定。

3)在相同數量級的放電量下，r(SOF2/CS2)值相對穩定；放電強度不同，相應r(SOF2/CS2)值之間差異較大。放電量有數量級的升高時，r(SOF2/CS2)值總體上呈現降低趨勢。可以根據特征氣體之間的含量比值大小，用一種氣體的注意值來預測另一種氣體的注意值。

4)當放電嚴重時，HF氣體的產生速率大于其反應速率，因此可以在實驗中被檢測到。由于HF氣體具有強腐蝕性，會腐蝕設備外殼和絕緣子，因此，當診斷出GIS設備內部發生局部放電時，同時應加強監視設備中HF氣體的含量。

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Analog Experiment on the Relationship Between the Intensity of Epoxy Solid Insulation Surface Discharge and the Increasing Law of Characteristic Gases in GIS

ZhengXiaoguang1ZhengYu2TangNian1LiLi1ZhouWenjun2

(1.Guangdong Power Grid Co. Ltd. Electric Power Research Institute Guangzhou 510080 China 2.School of Electrical Engineering Wuhan University Wuhan 430072 China)

In order to establish the relationship between the intensity of solid epoxy insulation surface discharge in SF6equipment and the increasing law of characteristic gases，corresponding defect model with copper attached to the surface is set up in this paper.It is found in the experiment that different gases present different growth characteristics，even the same gas takes on different growth characteristics under different discharge strength.The ratio between the concentration of different gases and CS2is studied，which presents totally different characteristics withdifferent levels of discharge.The species，concentration and trends over time of characteristic gases under tow levels of discharge are compared.The gases include SOF2，SO2，CS2etc.，which are generated under two different discharge intensities.By studying the relationship between the gases and the discharge strength，and the inherent relationship between the gases，the state of internal solid insulation can be diagnosed using characteristic gas analysis.

GIS，solid insulation，characteristic gases，creeping discharge，CS2

2014-11-26 改稿日期2015-03-29

TM855

鄭曉光 男，1966年生，碩士，高級工程師，研究方向為高電壓技術。

鄭 宇 男，1992年生，碩士研究生，研究方向為SF6電氣設備絕緣在線監測與故障診斷。