气体杂质对SF6气体分解产物影响研究

景 皓，常鲜戎，庞先海，孙 袆，高 飞

（1.华北电力大学电气与电子工程学院，河北保定 071003；2.河北省电力研究院，河北石家庄050021）

气体杂质对SF6气体分解产物影响研究

景 皓1，2，常鲜戎1，庞先海2，孙 袆2，高 飞2

（1.华北电力大学电气与电子工程学院，河北保定 071003；2.河北省电力研究院，河北石家庄050021）

对SF6气体内的氮气、水分、氧气和四氟化碳4种气体杂质在放电情况下对SF6气体分解产物的影响进行了详细的试验研究。结果表明，在低能量放电情况下，氮气和四氟化碳含量变化对SF6气体分解产物影响较小，水分和氧气杂质能促进SF6气体分解产物的生成。研究结果为通过SF6分解产物判断设备故障提供参考。

SF6气体；气体杂质；分解产物

目前，SF6（六氟化硫）电气设备因其体积小、质量轻、容量大、维修量少等优点而广泛应用于高压和超高压领域。某些正在运行的SF6电气设备存在内部绝缘缺陷，如果不及时发现，可能造成故障，甚至酿成事故。因此及时发现SF6电气设备内部缺陷或故障，对保证设备和电网的安全运行具有重要意义。SF6气体在电弧、放电和过热作用下存在分解现象，通过检测SF6气体分解产物的含量，诊断设备内部是否存在缺陷或故障，是SF6电气设备在线监测和故障诊断的一种有效方法［1－2］。

SF6气体含有氮气、氧气、水分和四氟化碳等杂质，这些杂质对SF6气体分解产物的含量具有一定影响［2－3］。为准确判断SF6电气设备缺陷状况，切实把握设备运行状态，研究气体杂质对SF6气体分解产物的影响具有重要意义。笔者通过大量试验，分别研究和分析了氮气、氧气、水分和四氟化碳4种气体杂质在放电情况下对SF6气体分解产物含量的影响，为SF6电气设备运行状态判断和故障诊断提供参考。

1 试验装置及试验方法

1.1 试验装置

试验装置如图1所示。将220V的工频电压通过调压器调压接到升压变压器上，将变压器输出的工频高压在滤波电感和滤波电容滤波后接在串有保护电阻的针状电极两端。试验在充有SF6气体的有机玻璃容器里进行，有机玻璃容器为圆柱形罐体，内径为20cm，长度为100cm。

针－针电极间距为3mm，材料为铜。SF6气体压力为0.5MPa时电极间等效阻抗约为400MΩ，串联保护阻抗为20MΩ，测量电阻为1 000Ω。高压变压器输出的电压在针－针电极未击穿前主要分布在针－针电极两端，通过调压器调节电极两端电压可以有效调节放电量。针－针电极放电后，电流将通过测量电阻，利用示波器采集测量电阻上的电压信号，对电压信号进行分析，可以计算出每次放电的放电时间和放电量。

1.2 试验方法

在电力设备内，绝大部分放电缺陷的放电量都在100pC以下，特别是局部放电的放电量更小。本放电试验为结合设备现场实际情况，研究低放电量下SF6气体的分解产物，将最大放电量维持在20pC。

图1 试验装置图Fig.1 Diagram of experimental facility

本试验在SF6气体中混入不同浓度的气体杂质，充入玻璃容器内，气压为0.5MPa。然后通过调压器升压，当变压器升压至6kV时停止升压，这时测量电阻上的放电波形如图2所示。然后将每组试验维持放电一段时间，停止试验后抽取SF6气体样本，用气相色谱仪测量SF6气体分解产物含量。由图2可知，一个工频周期约放电30次，正半周期放电次数略多于负半周期。每次放电时间约为0.2μs，最大放电量为20pC，大部分放电量为6～10pC。

图2 6kV时放电波形Fig.2 Discharge wave of 6kV

2 试验结果及分析

2.1 氮气的影响

氮气在SF6新气中含量为250×10－6～350×10－6（体积分数，下同），在现场运行中氮气的含量会更高。本试验通过在SF6气体中混入不同浓度的氮气，然后在放电作用下进行试验来研究氮气对SF6分解产物的影响。本试验选择4组含有氮气杂质的SF6气体，氮气体积分数分别为326×10－6，0.5%，1%和2%，SF6气体其他杂质含量满足IEC标准和中国国家标准。

每组试验放电24h后，抽取气体样本，测量结果如表1所示。分析表1可知，4组不同含氮量的SF6气体分解产物差别很小，考虑到放电试验的难以重复性，测量数据的微弱差别在试验误差的允许范围之内。由此判断在低能量放电作用下，氮气对SF6气体的分解产物影响很小。

表1 不同氮气含量下SF6分解产物Tab.1 Decomposed products SF6gas under different content of N2

自然条件下，氮气是比较稳定的，N≡N分开需要大量能量，氮气分解的热反应方程式如式（1）所示。

SF6气体在放电作用下会发生分解，热反应方程式［3－4］如式（2）、式（3）所示。

由式（1）—式（3）可知，SF6和SF4的分解都比氮气直接分解更加容易，所以SF6气体抑制了氮气在放电作用下的分解。在SF6局部放电中，电子的平均能量为5～10eV［4－5］，SF6分解成SF4需要的能量一般为6.5～7eV，氮气分解需要的能量一般为10～10.5eV。可见只有较强放电时，能量较大的电子才能使氮气分解。因此，SF6气体中的微量氮气在低放电能量时难以分解，对SF6气体分解产物影响很小。

2.2 水分的影响

水分是SF6电器设备内危害最大的杂质。在SF6新气中水分的含量较小，一般小于40×10－6（体积分数），但在运行设备中含水量一般较高，所以运行中对气体监督的主要目的是对含水量进行测定和控制。SF6气体含水量过高会影响电器设备的安全运行，主要表现在3个方面。1）水分的存在影响气体分解物的生成；2）水分和酸性分解产物在一起会腐蚀材料，破坏绝缘结构，加剧局部放电；3）水分在低温下会在固体绝缘表面形成凝露，降低绝缘强度，导致事故的发生。

本试验选择3组含有水分杂质的SF6气体，水分体积分数分别为36×10－6，280×10－6和4 200×10－6，SF6气体其他杂质含量满足IEC标准和中国国家标准。含有不同水分值的SF6气体在放电试验下的分解产物如表2所示。由表2可知，随着水分含量的升高，SF6气体分解物总含量大幅度增加，其中SO2＋SOF2和H2S的含量增加幅度较大，SO2F2增加趋势较缓。

表2 不同水分含量下SF6分解产物Tab.2 Decomposed products SF6gas under different content of H2O

在水分含量较大时，SF6气体分解的SF4，S2F2等不稳定的气体杂质与水分发生反应，反应式如式（4）和式（5）所示。由式（5）可知，水分含量较大时，直接促成H2S生成。由式（4）和式（5）生成的SOF2是不稳定的物质，其继续与SF6气体中的水分和氧气等杂质发生反应，反应式如式（6）和式（7）所示。由式（6）可知，水分含量较大时，促成SO2含量的增加；由式（7）可知，因水分含量增大，SOF2含量增加，在氧气含量一定的情况下，SO2F2含量也有一定程度的增加。

水分易参与SF6气体的分解主要有以下几个原因［5－6］：1）水分子分解为 H 和 OH 需要的能量小于SF6分解成SF4的能量，水分解的热化学方程式如式（8）所示。水分子分解为H和OH需要4.5～5eV，小于SF6分解成SF4需要的6.5～7eV；2）OH与SF6分解物结合为放热反应，如式（9）和式（10）所示，这样水分解物和SF6分解物反应后更加促进反应进行；3）水作为极性分子，易与SF6气体分解出来的氟原子结合，且释放能量，加剧反应的进行，如式（11）所示。

2.3 氧气的影响

氧气在新气中的体积分数一般不超过100×10－6，设备投入运行后由于各种原因会使内部的氧气含量增大。氧气的化学性质比较活泼，容易和其他气体生成化合物。在SF6的气体分解物中，大部分分解产物都含有氧元素，这些氧元素有些来自SF6气体中的氧气杂质，有些来自含有氧元素的绝缘材料的分解。本试验选择4组含有氧气杂质的SF6气体，氧气体积分数分别为92×10－6，0.5%，1%和2%，SF6气体其他杂质含量满足IEC标准和中国国家标准。

含有不同含量氧气的SF6气体在放电试验下的分解产物如表3所示。由表3可知，氧气体积分数由92×10－6增至0.5%时，在同样的放电时间和放电强度下，SO2F2含量明显提高，（SO2＋SOF2）和H2S分解含量有所降低；对比氧体积分数为0.5%，1%和2%下SF6气体分解产物可知，分解产物含量差别很小，在试验误差的允许范围之内，推测这和氧气的饱和有关。

表3 不同氧气含量下SF6分解产物Tab.3 Decomposed products SF6gas under different content of O2

氧气含量较大时，部分SF6气体分解产生的SF4直接与氧气发生反应，如式（12）所示。反应生成的SOF4与水分发生水解反应，生成SOF2和腐蚀性极强的HF，如式（13）所示。由于SOF4与水分发生反应，在水分一定的情况下，抑制了式（4）—式（6）的进行，降低了（SO2＋SOF2）和 H2S分解物的生成含量。

氧气非常顺利地参与SF6气体的分解反应得益于氧气的键能并非太高，氧气的热化学反应方程式如式（14）所示。比较式（14）、式（2）和式（3）可知，氧气的分解比SF6分解成SF4或SF4分解成SF2需要更少的能量。在SF6局部放电中，电子的平均能量为5～10eV，氧气的分解大概需要5eV，而SF6分解成SF4或SF4分解成SF2需要6.5～7eV［4－5］。由此可见，局部放电中能量较小的电子就能促使氧气分解，能量中等的电子才能使SF6分解。

另外，SF6气体分解产生的SF4，SF3和SF2等粒子与氧原子反应均是放热反应，如式（15）—式（17）所示［6］。

可见，SF6气体内氧气的存在加剧了SF6气体的分解，破坏了SF4向SF6的复合，促使了SF6气体分解产物的生成，所以电器设备内应该尽量减少氧气的含量。

2.4 四氟化碳的影响

四氟化碳在SF6新气中的含量大约为100×10－6（体积分数），它是在SF6制造中伴随产生的。本试验选择3组含有四氟化碳杂质的SF6气体，四氟化碳的体积分数分别为106×10－6，0.5%和1%，SF6气体其他杂质含量满足IEC标准和中国国家标准。表4为尖端放电情况时不同四氟化碳含量下SF6气体的分解产物。

表4 不同四氟化碳含量下SF6分解产物Tab.4 Decomposed products SF6gas under different content of CF4

由表4可以看出，含有106×10－6四氟化碳的SF6气体和含有0.5%或1%四氟化碳的SF6气体在同样放电条件下分解产物差别不大，考虑到放电试验难以重复，测量数据的微弱差别应在试验误差允许的范围之内。表4数据结果说明，在低能放电条件下四氟化碳对SF6分解产物的影响是有限的。四氟化碳的热解方程式如式（18）和式（19）所示［7－8］。四氟化碳失去2个氟原子需要的能量为9.5～10eV，而SF6失去2个氟原子需要的能量为6.5～7eV，可见CF4相比SF6更加稳定。由此可知，四氟化碳对SF6气体分解产物的影响较小。

3 结 论

对氮气、氧气、水分和四氟化碳4种气体杂质在放电情况下对SF6气体分解产物含量的影响进行了试验研究，并对试验数据进行了分析，得出以下结论。

1）混入不同含量氮气的SF6气体在放电作用下分解产物没有明显变化，氮气分解需要的能量远大于SF6分解成四氟化碳需要的能量，氮气比SF6气体在放电情况下更加稳定。SF6气体中含有微量氮气对SF6气体分解产物影响较小。

2）SF6气体中水分含量升高时，SF6气体分解物的总含量大幅度增加，其中（SO2＋SOF2）和H2S的含量增加幅度较大，SO2F2含量的增加趋势较缓。可见，SF6气体中水分含量对SF6气体分解产物影响较大。

3）SF6气体中氧气含量升高时，分解物总含量增加，其中SO2F2含量明显提高，（SO2＋SOF2）和H2S含量略有降低。SF6气体中氧气杂质对SF6气体分解产物影响较大。

4）SF6气体中四氟化碳含量升高时，SF6气体分解产物没有明显变化，四氟化碳分解需要的能量大于SF6分解需要的能量，四氟化碳比SF6气体在放电情况下更加稳定。SF6气体中含有微量四氟化碳对SF6气体分解产物影响较小。

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Influence of gas impurity on SF6gas decomposed products

JING Hao1，2，CHANG Xian－rong1，PANG Xian－hai2，SUN Yi2，GAO Fei2
（1.School of Electrical and Electronic Engineering，North China Electric Power University，Baoding Hebei 071003，China；2.Hebei Electric Power Research Institute，Shijiazhuang Hebei 050021，China）

The influence of gas impurity including N2，H2O，O2and CF4on SF6gas decomposed products was studied by detailed experiment.The results show that the content of N2or CF4has limited influence on the formation of SF6decomposed products，but H2O or O2has great influence on making SF6decomposed products，in the case of low－energy discharge.The results will provide reference for fault diagnosis of GIS equipments through SF6decomposed products.

SF6gas；gas impurity；decomposed products

TQ125.1＋52

A

1008－1534（2012）03－0141－05

2012－01－15；

2012－03－01

张士莹

景 皓（1982－），女，河北石家庄人，工程师，主要从事变电配电专业技术方面的研究。