基于SF6氣體分解產物檢測的潛伏性故障判斷

陳 東，雷詩銘，劉春意，周東平，安建文

（國網湖北省電力有限公司宜昌供電公司，湖北 宜昌443000）

0 引言

SF6氣體設備因其氣體絕緣性能高、滅弧能力強、化學性質穩定、不易燃易爆、占地面積小，維護工作量少的特點，在電氣設備中得到了廣泛的應用［1-5］。然而當SF6電氣設備內部因為安裝或操作因素存在潛伏性故障時，在放電和過熱的作用下SF6氣體會分解產生大量氟化物和硫化物，這些分解產物對設備內固體絕緣以及金屬材料有強烈的腐蝕性，如果未及時發現，電氣設備存在絕緣擊穿、短路和產生更嚴重故障的風險，嚴重影響電網的安全穩定運行［6-9］。

目前對電氣設備進行放電檢測的方法主要包括超聲波檢測、特高頻檢測和SF6分解產物檢測［10-11］，相比于超聲波和特高頻檢測方法，SF6氣體分解產物檢測方法受外界環境干擾小、靈敏度高、檢測速度快的特點，因此國內外都對SF6分解產物檢測法在電氣設備故障診斷中的應用進行了大量的研究，但目前大部分研究和檢測都集中在設備故障發生后的分析，對潛伏性故障診斷和研究較少涉及，主要原因在于國內尚未規定SF6分解產物檢測的周期［12-13］，且潛伏性故障持續的時間不長，難以精確找準故障發生的時間。

本文以某110 kVGIS 設備在SF6氣體分解產物檢測中發現的潛伏性故障為例，以故障檢測和判斷以及氣室整體分解事實為依據，分析了故障原因以及故障發生的過程，對后期其他設備SF6氣體分解產物檢測試驗有一定的指導意義。

1 SF6氣體分解的理論基礎

正常運行的SF6設備氣室內氣體不會發生分解，當設備內部存在電弧放電或潛伏性放電時，SF6氣體會分解產生SF4和F2。

對斷路器來說，雖在分、合時產生高溫電弧使SF6氣體分解，但由于其分、合速度極快，又有高效的滅弧功能，使分解物又在瞬間復合成SF6氣體，其復合率達到99.8%，且氣室內部裝有吸附劑，殘留的微量分解產物在一定時間后被吸附，因此正常運行和分、合后的斷路器氣室內均不會產生SF6氣體分解產物［14］。對存在放電或過熱等潛伏性故障的氣室來說，SF6氣體持續分解產生的SF4和F2會與設備內部不可避免存在的O2、H2O、金屬蒸汽進一步發生反應產生組分十分復雜的多種化合物，其反應過程如圖1所示。這些物質不僅造成設備內部有機絕緣材料的性能劣化或金屬的腐蝕，致使設備絕緣性能下降，而且會對電氣設備和人身帶來嚴重不良后果。當放電或過熱故障嚴重時，設備內部的固體絕緣材料也會分解產生H2S、CF4和CO等氣體物質［15-21］。

圖1 放電情況下SF6氣體分解和還原過程Fig.1 Decomposition and reduction of SF6 gas under discharge condition

基于以上SF6氣體分解機理的研究，可以通過檢測SF6氣體分解產物來判斷設備內部是否存在潛伏性故障，在SF6分解產物中，包含SOF2、SO2F2、SOF4、SO2、H2S、HF 等成分，其中SOF2、SO2F2、SOF4等成分現場檢測難度較大，而SO2、H2S、HF等氣體現場檢測技術成熟方便，因此可以通過檢測SO2、H2S、HF等氣體來判斷設備內部是否存在潛伏性故障以及這些組分含量的多少初步判斷故障類型。

目前SF6分解產物主要的檢測方法有檢測管法、電化學傳感器法、氣相色譜法、色譜—質譜聯用法、紅外光譜法等，這些檢測方法各異，適用于不同場所和不同分解產物的檢測［22-23］。其中電化學傳感器法因其靈敏度高、檢測快、耗氣量少、方便攜帶的特點廣泛應用于現場SF6氣體分解產物的檢測。另外，SF6氣體分解產物在線監測可以實現SF6設備內部潛伏性故障的實時監測，但該方式現場布置復雜，且存在影響設備正常運行的風險［24-27］。

2 潛伏性故障檢測實例

2.1 檢測及判斷過程

2019年10月31日，某公司在某220 kVGIS變電站進行SF6分解產物現場檢測，當檢測工作進行到110 kV某間隔刀閘氣室時，發現該氣室中SO2含量遠超注意值，為保證測量數據的準確性，檢測人員隨后又對該氣室進行了多次追蹤檢測，檢測結果如表1所示。

表1 SF6氣體分解產物檢測結果Table 1 Detection results of SF6 gas decomposition products

根據《輸變電設備狀態檢修試驗規程》和《國家電網公司變電檢測管理規定》對SF6氣體分解產物的要求，該刀閘氣室中SO2成分已遠超注意值1 μL/L，初步判定該刀閘氣室內部存在放電故障，由于分解產物中幾乎不存在H2S，CO含量也處于正常范圍內，因此判斷放電故障并未涉及到固體絕緣材料。值得注意的是，第一次檢測出少量H2S，而后續均未檢測出的原因可能是氣室內部故障放電量不大，只產生少量H2S 被吸附劑吸附，也可能是由于SO2含量過大對H2S傳感器產生了干擾；而SO2含量在停電后減少的原因在于氣室內部吸附劑吸收了部分SO2。

為了進一步確定該刀閘氣室內部的故障情況，對該氣室進行局部放電帶電檢測，主要包括超聲波檢測、特高頻檢測，經檢測，超聲波檢測未發現明顯放電信號，特高頻檢測發現微小放電信號，疑似有電暈放電或者絕緣子污穢放電發生，由于局部放電檢測的信號微弱，判斷氣室內部存在輕微的放電或過熱故障。

經過研究，決定對該間隔氣室進行整體更換，在停電過程中，發現該刀閘在操作時發現無法分閘，二次檢修人員對現場情況進行檢查，發現合閘接觸器已經動作，將刀閘的控制電源暫時斷開讓接觸器復歸后再合上電機電源和操作電源，運維人員再次進行操作，電機電源空開依然跳閘，現場沒有聽到該刀閘機構箱內有電機轉動的聲音，再一次確定了氣室內部存在故障。

通過對SF6分解產物檢測結果、局部放電檢測結果和刀閘無法拉開的綜合分析與判斷，推測該刀閘氣室內部存在潛伏性放電故障，長期的放電導致刀閘結構改變從而無法拉開。

2.2 解體檢查過程

故障氣室整體更換后在廠家無塵車間進行了解體和異常分析，該氣室開蓋后發現殼體內上部均勻分布有SF6分解產物，完全打開后ABC 三相動觸頭側均有分解產物，A相動觸頭座上部最多，如圖2所示。仔細觀察后未發現氣室固體絕緣材料存在放電或過熱的痕跡，因此也證實了SF6氣體分解產物數據分析得出的結論。

圖2 SF6分解產物分布圖Fig.2 Distribution of decomposition products of SF6

隨后對動觸頭和控制動觸頭活動的絕緣撥叉進行了解體，發現動觸頭上的插銷局部變細，三相均存在不同程度的燒損，如圖3所示，控制動觸頭活動的絕緣撥叉金屬嵌件均有半圓弧狀燒損，以A相最為嚴重，如圖4所示，絕緣撥叉上固定的等電位舌簧也被燒損變短，如圖5所示。

圖3 插銷燒損圖Fig.3 Burning loss diagram of bolt

圖4 絕緣撥叉燒損圖Fig.4 Burning loss diagram of insulation drawing

2.3 故障產生過程

在刀閘分、合過程中，絕緣撥叉帶動動觸頭活動，其中絕緣撥叉與帶電的動觸頭通過插銷進行接觸，為保證二者間可靠接通，絕緣撥叉金屬嵌件上還裝有舌簧，這樣即使絕緣撥叉與動觸頭不接觸，也可通過舌簧與動觸頭接觸，保證等電位連通，如圖6所示。

圖5 等電位舌簧燒損圖Fig.5 Burning loss diagram of equipotential tongue spring

圖6 絕緣撥叉、舌簧及插銷安裝圖Fig.6 Installtion drawing of insulating drawing,spring and bolt

然而，在該氣室中，絕緣撥叉的舌簧、絕緣撥叉同時與插銷存在電接觸不良，產生懸浮電位，引起舌簧、插銷、絕緣撥叉存在不同程度的燒蝕，在持續的局放過程中，產生SF6分解產物，絕緣撥叉內側平面燒損形成半圓弧狀凹坑，插銷卡在凹坑內，無法自由滑動，造成分閘卡滯。經過分析認為本次故障產生的原因在于廠內安裝時舌簧偏離或不到位，在設備的操作或者運行時電動力的振動，造成舌簧接觸不良引發懸浮放電并不斷加重，導致絕緣撥叉、舌簧和插銷的燒損。

2.4 案例總結

通過研究電網設備狀態檢測技術應用典型案例集和SF6氣體檢測設備生產廠家收集的故障案例［28-29］，可以將SF6氣體設備常見的潛伏性故障分為放電和過熱故障。放電故障包括放電能量較小、持續時間較長的局部或電暈放電和放電能量較大、持續時間較短的火花或電弧放電。過熱故障主要表現為導電桿連接接觸不良，接觸不良使導電接觸電阻增大，導致故障點溫度過高。

3 結語

應用SF6分解產物檢測方法發現一起GIS 設備潛伏性故障，成功避免了設備故障的進一步發展，保證了電網的安全穩定運行，通過檢測SF6電氣設備中的分解產物種類以及含量來診斷電氣設備故障對于及時發現潛伏性故障并處理具有重要意義。

目前GIS設備內部潛伏性故障判斷主要依賴于特高頻和超聲波檢測，利用SF6氣體分解產物成分來診斷設備內部潛伏性故障還未常態化，大多數情況下僅應用于故障后的故障定位，且目前還沒有權威的氣體分解產物的分析和判斷導則，現有的規程也只是粗略地規范了含量和成分的參考值，因此有必要把SF6氣體分解產物檢測作為SF6設備帶電檢測的常態化工作，不斷積累數據和經驗，不斷完善SF6分解產物檢測工作。