利用SF6分解產物及氣相色譜分析斷路器故障

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(廣東電網公司珠海供電局,廣東 珠海 519000)

利用SF6分解產物及氣相色譜分析斷路器故障

吳彩霞,楊震洋

(廣東電網公司珠海供電局,廣東 珠海 519000)

目前SF6氣體分解物檢測在電氣設備故障分析中應用比較廣泛，而由于新氣中含有一定量的CF4含量，所以分析重點一般集中于H2S、SO2、HF、SO2F2等幾種特征氣體組分含量。本文將SF6分解物測試與氣相色譜分析相結合的方法應用于一起110kVSF6氣體斷路器的故障診斷，結果表明除了對SF6氣體中SO2、H2S及HF等特征氣體測試外，增加對CF4含量組分的分析，可判斷SF6斷路器內部固體絕緣情況，可確診傳統電氣手段、單一分析分解產物不能發現的設備缺陷，確保設備安全運行。

SF6斷路器；分解物；四氟化碳；故障診斷

1 引言

SF6氣體具有優越的滅弧絕緣性能，所以廣泛應用于高壓開關系統。當SF6斷路器滅弧室內部發生電弧燃燒時，部分SF6氣體分解，但在溫度降低時，分解物又被還原為SF6氣體。電弧的高溫作用，將引起氣體、觸頭材料、噴口材料、絕緣材料、水分等發生一系列比較復雜的化學反應，并產生一定分解物。

有些斷路器的噴口為有機材料，在設備發生放電故障時，SF6氣體會與相關物質發生反應，除產生SO2、H2S、SOF2等分解產物外，，很可能會導致SF6氣體中部分含碳雜質氣體增加，如CF4、CO 、 CO2等[1]。因此定期檢測SF6電氣設備內SF6分解產物及CF4、CO、CO2含量，可以及時發現設備內部潛伏性缺陷，保證設備的安全運行。

2 SF6分解產物及CF4檢測機理

2.1 SF6分解產物檢測機理

SF6電氣設備內部故障時，SF6氣體及其中間產物的反應式[2]主要有：

SF6→SF4+F2

SF4+H2O → SOF2+2HF

SOF2+H2O → SO2+2HF

S2F10→SF4+SF6

3SF6+W→3SF4+WF6

SF6+Cu→SF4+CuF2

3SF6+2Al→3SF4+2AlF3

如圖1所示：

圖1 SF6分解反應機理

目前國內外主要是用氣敏傳感器法[3]來檢測SF6氣體分解產物組分的，化學氣敏傳感器是利用被測氣體的形狀或分子結構具有選擇性俘獲的功能(接受器功能)和將俘獲的化學量有效轉換為電信號的功能(轉換器功能)來工作的。當被測氣體被吸附到氣敏半導體表面時，其電阻值會發生變化。主要是比較常見的被測氣體如SO2、HF和H2S，而對重要的氣體組分SO2F2，SOF2，SF4，SOF4和CF4則無能為力。

2.2 SF6氣體中CF4檢測機理

國內外的研究機構對SF6氣體在不同試驗條件下的分解產物進行了研究，研究結果表明[1]：SF6在放電和熱分解過程中，穩定分解生成物主要是SOF2，當故障涉及固體絕緣材料時，還會生成CF4和CO2，通過CF4含量可分析判斷固體絕緣情況。

CF4是特氟龍(聚四氟乙烯)分解的主要成分，當滅弧室和壓縮缸故障時引起聚四氟乙烯和SF6氣體的分解除產生SO2外，同時也產生一定量的CF4。其產生機理如下[2]：

(1) 特氟龍遇電弧高溫分解：

(2)SF6氣體遇電弧高溫后，大部分變為S與F的單原子及其離子狀態，反應式：

SF6→ S+6F

在電弧中特氟龍材料生成的C與SF6氣體分解產生的F反應生成CF4氣體，反應式：

4F+C → CF4

使用氣相色譜儀可將空氣、CF4、SF6完全分離，其濃度從它們的峰面積和對熱導檢測器響應的校正系數來確定。對各個組份進行定性、利用歸一法定量分析。

氣相色譜儀的原理[2]是以氣體作為流動相(載氣)。當樣品被送入進樣器后由載氣攜帶進入色譜柱。由于樣品中各個組份在色譜柱中的流動相(氣相)和固定相(液相或固相)間分配或吸附系數的差異。在載氣的沖洗下，各個組份在兩相間作反復多次分配，使各組份在色譜柱中得到分離，然后由接在柱后的檢測器根據組份的物理化學特性，將各個組份按順序檢測出來。

3 氣相色譜與分解產物結合分析故障案例

3.1 設備概況

110kV XX站尖繡乙線148斷路器，型號：LTB145D1 ；機構型號：BLK154 ；出廠時間：1996年 ；投運日期：1999年06月18日； 出廠編號：8265456；廠家：北京ABB高壓開關設備有限公司 。

3.2 檢測情況

2015年07月10日，對XX站110kV尖繡乙線148斷路器進行預試測試工作，采用廈門嘉華JH4000A型SF6分解產物綜合測試儀，測試結果如表1所示。

表1 148斷路器分解產物結果

從上表可以看出：SO2值為124.0μL/L，大大超過 Q/CSG114002-2011《電力設備預防性試驗規程》注意值3μL/L[4]。另使用武漢沃爾德SP-V型便攜式SF6色譜儀進行色譜分析，如圖2所示。

圖2 148斷路器SF6氣相色譜圖

出峰順序依次為：空氣、CF4、SF6。具體組分分析數據結果如下：

結果顯示CF4含量為0.16%，高于Q/CSG114002-2011《電力設備預防性試驗規程》注意值[4]，即運行中CF4含量≤0.1%。

表2 148斷路器氣相色譜分析結果表

3.3 同類型設備比較

為了更進一步確定148斷路器內部缺陷問題，對比同類型147斷路器進行分析。圖3為同類型設備147斷路器SF6氣體氣相色譜分析圖，色譜圖出峰順序為：空氣、CF4、SF6。

圖3氣相色譜分析結果數據結果如表3所示。

將147斷路器與148斷路器綜合測試數據結果進行對比，如表4所示。

與同類型設備147斷路器測試結果相比較，147斷路器各項測試數據皆符合Q/CSG114002-2011《電力設備預防性試驗規程》的要求。由于148斷路器近期未開斷過短路電流，但 CO、SO2、H2S等測試值皆超出了規定的注意值，特別是SO2含量超出注意值20倍

以上，且CF4含量超標很有可能由設備內部固體絕緣部分受損而分解產生，初步判斷內部存在較嚴重的電弧放電缺陷。

圖3 147斷路器SF6氣相色譜圖

峰號組分名峰高(uV)保留時間(min)峰面積(uV*s)面積(%)含量(%)1AIR251930.9361219100.440330.276712CF422921.16089750.032420.045843SF69285652.2202755496499.5272599.67746總計:95605027685850100.00000100.00000

表4 147與148斷路器分解產物及色譜分析結果對比

3.4 電科院對比分析

為了更進一步確定148斷路器內部缺陷問題，對148斷路器進行取氣樣送至電科院分析。結果如表5所示。

表5 148斷路器分解產物及色譜分析結果(電科院分析)

電科院分析數據與珠海局測試結果基本一致，判斷為設備內部存在嚴重的放電故障，建議及時對設備進行停電解體檢查處理。這也驗證我們之前的判斷。綜上所述，判斷148斷路器內部存在電弧放電缺陷。

3.5 解體分析

2015年7月13日對148斷路器進行停電解體處理。解體發現148斷路器A相存在電弧放電缺陷。如圖4所示。

圖4 解體檢查

此次缺陷的現場檢出和解體分析表明，148斷路器A相開關噴口內部發生了電弧燒蝕故障，主觸頭燒蝕嚴重。CF4的含量分析給這次缺陷準確判斷提供了重要的依據。

4 結論

當SF6分解產物異常時，除分析SF6氣體中SO2、H2S、CO分解物外，應進行SF6色譜試驗檢測CF4的含量。通過開展SF6氣體分解產物與SF6氣相色譜分析技術相結合的方法，綜合分析可以準確判斷設備是否存在故障以及故障性質。可以發現并確診單一分析分解產物不能發現的設備缺陷，可以帶電測試，不影響設備的正常運行，可有效地杜絕設備的帶病運行。

[1] 王宇，李麗，姚唯建，等.模擬電氣設備過熱故障時SF6氣體分解物的體積分數及其特征[J].高壓電氣,2011(1).

[2] 張利燕.電力設備用SF6氣體技術問答[M].北京：中國電力出版社，2011.

[3] 顏湘蓮.王承玉,等.開關設備中SF6氣體分解產物檢測的應用[J].電網技術,2010(9).

[4] 中國南方電網有限責任公司.Q/CSG114002-2011《電力設備預防性試驗規程》[S].

BreakerMalfunctionAnalysisBasedonSF6GasChromatographyTechnology

WUCai-xia,YANGZhen-yang

(Zhuhai Electric Power Bureau of Guangdong Power Grid Co.,Ltd,Zhuhai,Guangdong 519000,China)

At present,SF6gas decomposition products analyze technology are widely used to diagnose the electric device status.According to the practical working situation,current SF6decomposition analysis usually focus on H2S、SO2、HF and SO2F2.The paper puts forward a new method which applied the gas chromatographic technology into SF6decomposition product test and analysis.The method was used to analyze a failure accident of 110kV SF6-insulation Breaker,test and analyze results showed that the new criterion of CF4content can effectively reflect the internal solid insulation situation.What′s more,the breaker malfunction analysis based on SF6gas chromatography technology can improve the accuracy of diagnosis and ensure the security operation of power equipment.

SF6-insulation breaker;decomposition products;CF4;failure diagnose

1004-289X(2017)03-0095-04

TM56

B

2016-11-28