GIS设备中SF6气体分解影响因素分析

陈晓清，任 明，彭华东，丁 彬，董 明,3

（1.西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室，西安 710049；2.西北电网技术中心，西安 710075；3.西北电网博士后工作站，西安 710075）

0 引言

纯净的SF6气体是一种无色、无嗅、无毒和不燃的惰性气体[1]，具有高耐电强度和强灭弧性能，因而广泛应用于GIS（气体绝缘组合电器）等电气设备中[2]。运行中的GIS等电气设备由于制造、安装、运行时可能出现各种缺陷[3-4]，发生放电（电弧放电、火花放电、电晕或局部放电）和过热故障，导致SF6气体发生复杂的分解，生成各种有毒气体，主要有SF4，SOF2，SO2F2，SOF4，SO2，CO2，H2S，HF和CF4等，降低设备的绝缘性能，同时危及运行检修人员人身安全。因此，研究不同类型放电和过热故障下GIS内部SF6气体的分解过程、分解速率、分解产物相对含量及影响因素，掌握SF6气体分解机理，对于设备维护和安全运行具有重要指导意义[5-6]。

目前，国内外对SF6气体分解机理进行大量试验探索和研究，取得了一定成果，但只是定性了解SF6气体分解机理，不能满足现阶段的理论实际需求，需要进一步研究影响SF6气体分解的相关因素，建立分解产物含量与相关因素的函数关系。同时，相关研究结果也表明，SF6气体生成物的种类和含量与放电类型及放电能量、电流强度、涉及的电极材料和绝缘物种类、SF6水分、O2含量及吸附剂等因素有关。本文结合国内外的文献资料，分析了不同放电故障下影响因素与SF6气体分解产物的函数关系，总结了相关因素与气体分解产物的定性与定量关系。

1 放电能量

大量研究表明，不管哪种形式的放电（电弧放电、火花放电、电晕或局部放电），SF6发生分解后产物的量与放电能量大致成比例关系[7,21,27-31]。

2 电流强度

电弧放电下，随着电流的增大，SOF2+SO2的生成量迅速提高，而CF4的含量增加很缓慢，SO2F2产量几乎与电流无关[11]。国内杨韧等也得出了类似的实验结果，认为在电弧放电下，SO2，H2S含量随着电弧电流的增大而不断提高[18]。

直流电晕放电时，SO2F2+SOF4，SOF2含量在电流0 ～4 μA范围内迅速增加，当I≥10 μA时，随着电流增大，SOF4，S2F10增多，SO2F2的含量逐渐减小，SOF2则与电流强度变化无关[10]。

50 Hz交流电晕放电时，放电电量为一定值，则SOF2与电流强度变化无关，而SO2F2随电流强度的增大而增大，当I≥20 μA时，SO2F2则与电流强度I无关[24]。

直流和交流电晕放电下结果不尽一致，有多种原因，如水分、O2等含量的不同。电晕放电下产物的变化和电弧放电下有很大的区别，可能与电流强度大小，放电能量不同有关。目前，电流强度与分解物产量的关系难以把握，文献中的实验数据由于实验条件的不一致，造成结果矛盾，或难以比较，有待进一步试验探索。

3 SF6气压

现代SF6高压断路器均为单压式，气压在0.7 MPa左右。GIS除断路器外其他部分的充气压力一般不超过0.45 MPa。实验室用设备一般气压均在100 ～400 kPa，小于现场设备的充气压力。

Sauers在研究火花放电机理时对气压影响进行了一定的研究，认为SOF2，SiF4含量与能量/气压有关，而SO2F2，SOF4生成量与气压无关[12]。这点与直流电晕放电实验中得到的实验结果很好地吻合，SO2F2生成量与SF6气压无关，SOF2含量与能量/气压有关。气体分解产物试验结果的一致性，原因可能是火花和电晕放电均为低能放电。

在电弧放电中，SOF2+SO2的含量随气压升高略有增加，CF4的生成量与气压几乎无关[11]，其他分解气体产物没有相关的研究。

4 水分含量

GIS设备中的水分由下列原因产生：

1）G1S设备在制造、运糟、安装、检修过程中都可能接触水分，将水分浸入到设备元件里去；

2）GIS设备的绝缘件带有0.1% ～0.5%ppmv的水分，在运行过程中，慢慢地向外释放；

3）GIS设备中的吸附剂本身就含有水分；

4）SF6气体中含有水分，但作为新气要进行干燥处理，使其含水量在规程规定的范围之内。回收的SF6气体其含水量较高，实验证明气体中水分的含量与环境温度有很大的关系。

SF6气体中含水量的多少，对电弧分解物组成成分和含量有极大影响。由于水分、O2等杂质气体的存在，在放电结束后SF6气体复合过程受到了阻碍，生成SOF2，SO2F2，SOF4和SO2等气体产物，水分对稳定气体产物的形成至关重要。水分参与反应的常见反应式如下所示：

在放电区域，水分子被分解为O和OH，OH与低氟硫化物发生初级反应，生成稳定的气体产物如SOF2，SOF4，并扩散到放电区外，与水继续发生缓慢的反应。SO2和HF溶于吸附在电极或绝缘材料表面的水形成强酸，腐蚀固体材料的表面，如HF会腐蚀金属，影响设备的工作性能。

为了进一步了解水分的作用机理，学者们研究了各种放电情况下含有不同水分含量时主要气体产物的情况。

直流电晕放电：随着水分的增加，SOF2，SO2F2，SOF4和HF的含量增加，S2F10生成量减少；S2F10的生产量随着初始微水的增多而减少[9，14]。

50 Hz交流电晕放电：当水分含量超过一定值后，SO2F2生成量与水分含量无关，而SOF2则随着水分增加而缓慢增加[29]。

局部放电：水分对SO2+SOF2的生成量没有影响[19]。

电弧放电：水分对SO2+SOF2，CF4的生成量没有影响，SO2F2随初始微水含量增加而增加[11]。

综合以上结论可认为，初始微水含量可能影响某些气体副产物的生成；适量的水分，能促进杂质气体的生成；在一定能量的放电下，过量的水分对气体分解产物生成没有影响。

5 O2含量

GIS设备中的O2可能来自安装、检修等过程中渗入的空气，电极材料和绝缘材料也可能含有O2。O2是生成有毒气体产物的主要因素之一，吸附在电极表面的O2分子可能是反应生成主要气体分解产物的主源。

O2分子参与反应的主要反应式

一般来说，随着O2含量的增加，SO2F2，SOF4的生成量显著增加，而SOF2有微弱的变化[9，14-15]。O2影响了SO2F2，SOF4的形成机理，实验表明SO2F2中的O2主要来自O2，反应式见式（8）；SOF2中的O2主要来自H2O，反应式为式（2）；SOF4中的O2来自H2O或O2，含量多者就是主要的O2源，反应式为式（1）（5）（7）。当H2O和O2在气室内的含量极低时，主要气体分解产物的生成率对H2O和O2的变化就不敏感了。

在直流电晕放电实验中，当气室内O2含量增至一定比例（如1%）时，S2F10显著下降，可能由于O2的增加，促进反应式（5）中SF5与O2原子的反应，SF5含量减少，极大地抑制了反应式SF5+SF5→S2F10的进行。

6 电极材料

电极材料是决定副产物数量的重要因素。不同的电极材料，有不同的表面结构，吸附的水分和O2分子也不同，造成不同的电极表面反应过程。

常见的电极材料有：银（Ag）、铜（Cu）、铝（Al）、不锈钢、Cu-Ni-W和Cu-W等。各种电极材料对主要气体分解产物的影响[26]如表1所示。从表1可知，分解影响较小的电极材料，还是银和铜。但考虑到银较贵，从经济角度和技术条件考虑，还是选用钨铜(Cu-W)合金作为电极材料为宜。

有研究人员认为电极消耗与分解物的形成有直接关系，气体分解产生的物质，含量取决于电极材料的金属蒸发量，但是没有给出定量的说明[20]。

表1 电极材料对主要气体分解产物的影响（数据均为体积比）

此外，气体分解产物的形成与电极表面吸附的H2O或O2密切相关。由于SO2F2，SOF4的形成与SF6气体中O2的含量无关，故认为与电极材料表面吸附的O分子有关[11]，并且电极表面吸附的O分子的越多，SO2F2，SOF4生成量越大。对于Ag，Cu和Al 3种电极材料，SO2F2的生成量：Al>Cu>Ag，SOF4的生成量：Cu=Al垌Ag[16]。

7 固体绝缘材料

SF6电气设备内部绝缘材料，包括SF6气体和固体绝缘材料2类。固体绝缘材料因不同设备有所不同，主要有热固形环氧树脂、聚酯尼龙、聚四氟乙烯、聚酯乙烯和绝缘漆等。在断路器中的固体绝缘材料有环氧树脂、聚酯尼龙、和聚四氟乙烯；其它设备有除环氧树脂外,还有聚酯乙烯和绝缘漆。

1）热固形环氧树脂是由C、H、O和N等元素构成的混合物，具有很好的绝缘性能和化学稳定性，在500 ℃以上时开始裂解，主要产生SO2、H2S、CO、NO、NO2和少量低分子烃。

2）聚酯尼龙主要由C、H、O等元素组成，当温度大于130℃时开始裂解，500℃以上明显裂解，主要产生SO2、H2S、CO和低分子烃。

3）聚四氟乙烯分子式为C2F4，具有很好的绝缘性能和化学稳定性，只有在500℃以上时才开始产生少量的CF4、CO和低分子烃。

4）聚酯乙烯分子式为C2H4，当温度大于130℃时开始裂解，主要产生H2、CO、CO2和低分子烃等气体。

5）绝缘漆为碳氢化合物，由C、H、O、N等元素组成，裂解主要产生CO、CO2和NO2。

通过研究固体绝缘材料的裂解机理和统计分析各种故障实例进行表明：H2S组分含量大小可判断故障的放电能量及故障是否涉及固体绝缘（H2S是热固型环树脂分解的特征组分）；CO是聚酯乙烯、绝缘纸和绝缘漆分解的特征组分；通过CF4含量可分析判断固体绝缘情况。

8 吸附剂

GIS设备中，用作吸附剂的材料有活性氧化铝和分子筛。它们都是多孔性物质，有较强的吸附能力。使用吸附剂有双重目的，即吸附分解气体和水分，对防止GIS内部故障有着很好的效果。

活性氧化铝能有效地除去SOF2，H2CO3，H2S，SOF4，SO2和SF2，有较好的选择性。它能够通过真空干燥和加热实现重复利用，但是热活性氧化铝能与SF6电弧气体副产物发生放热反应，比如与SOF2或SF4发生反应。

分子筛的工作温度高，吸附能力比活性氧化铝强。分子筛是一种合成沸石，它具有微孔，比微孔直径小的分子可以被吸入分子筛内部，从而使分子直径大小不同的物质得以分开。分子筛吸附气体的种类和数量不明，对SF6分解物的影响尚需实验来进一步判断。一般来说：

1）分子筛对CF4不起作用；SO2F2，SOF2，SO2，H2S能被很好的吸收，残余量远低于同条件下无吸附剂时的测量数值，说明分子筛对硫化物的吸附能力很好。

2）分子筛对SO2的吸附是物理吸附，当吸附剂吸附的量达到一定程度时吸附剂对SO2的吸附速率和SF6气体中SO2的含量浓度间达到动态平衡，平衡浓度的大小与吸附剂的饱和程度以及气体压强有关。

3）有吸附剂相比无吸附剂时在同样大的开断电流下分解物含量最大测量值明显偏小，且不及无吸附剂时测量值的1/4 ～1/5。

4）吸附剂的吸附速率与分解物的含量浓度有关，并随着分解物浓度的增大而增大。

5）吸附剂对水分的初始含量没有影响。

9 结语

目前，放电能量，水分和O2对SF6气体分解产物生成量的影响取得了一定的进展，初步掌握了水分、O2与硫氧化物的作用机理，放电能量和气体分解产物生成量的正比关系，但是缺少水分含量、O2含量和气体产物生成量的定量关系。电流强度、电极和绝缘材料材料等因素的影响结论不一，研究较少，需进一步试验探索。掌握放电能量、水分和氧气等因素对SF6气体分解产物的作用，有助于全面了解放电或加热故障下SF6气体分解产物的作用过程，为深入研究SF6气体分解机理奠定基础。

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