GIS内环氧树脂绝缘沿面放电强度与产气关联规律的模拟实验

郑晓光 郑 宇 唐 念 李 丽 周文俊

(1.广东电网有限责任公司电力科学研究院 广州 510080 2.武汉大学电气工程学院 武汉 430072)



GIS内环氧树脂绝缘沿面放电强度与产气关联规律的模拟实验

郑晓光1郑 宇2唐 念1李 丽1周文俊2

(1.广东电网有限责任公司电力科学研究院 广州 510080 2.武汉大学电气工程学院 武汉 430072)

为了解SF6气体绝缘电气设备中环氧树脂固体绝缘沿面放电强度与特征气体之间的关联规律，搭建了固体绝缘表面附着铜粉的缺陷模型。实验发现，放电涉及环氧树脂固体绝缘时，不同特征气体呈现的增长特性不同；放电强度不同，同一特征气体的增长特性也有差异。通过对不同特征气体与CS2含量之间的比值特性研究，发现在不同放电强度下，特征气体含量的比值特性不同。对比在两种放电强度下产生的特征气体(如SOF2、SO2、CS2等)的含量、增长规律、特征比值等特征量，研究了特征气体与放电强度之间的关系及不同特征气体之间的内在关联，为用特征气体检测法诊断设备内部固体绝缘的状态提供了新方法。

GIS 固体绝缘 特征气体 沿面放电 CS2

0 引言

全封闭气体绝缘组合电器(Gas Insulated Switchgear，GIS)以SF6气体作为绝缘介质，具有结构紧凑、占地面积小、运行维护安全可靠等优点，被广泛应用于电力系统[1]。GIS在运输、装配和长期运行过程中其壳体内形成自由金属微粒、悬浮电位体、金属尖刺、盆式绝缘子表面附着金属微粒及盆式绝缘子内部气隙等缺陷易导致局部放电[2]。运行经验表明，一旦放电涉及固体绝缘，长期运行下会导致绝缘崩溃，因此有必要监测GIS内的局部放电，特别要弄清放电是否涉及环氧树脂固体绝缘以及放电的严重程度。目前，超高频法被广泛用于检测GIS内的局部放电，但因超高频法在缺陷模式识别上的局限，且无法识别间歇性放电，故难以准确判断放电是否涉及固体绝缘[3]。

近年来，随着油色谱分析技术在充油电气设备局部放电检测上的成功应用[4，5]，用特征气体法诊断SF6电气设备内的绝缘状态的研究越来越广泛。SF6电气设备内的局部放电导致SF6气体分解，分解物与设备内的水分和氧气反应生成SOF2、SO2F2、SO2、HF等气体，当放电涉及环氧树脂材料时还会生成CF4等含碳气体[6]。特征气体法通过检测特征气体的种类、含量和增长规律以及不同特征气体之间的含量比值等特征量来判断设备内的放电类型和强度，具有抗干扰能力强、检测灵敏度高等优点[7]。但采取何种特征气体、采用怎样的诊断判据等关键问题至今在国际上仍没有统一的标准。

目前，在应用特征气体法检测SF6电气设备内局部放电的研究中，国内外学者多采用由R.J.Van Brunt在20世纪90年代提出的“区域反应模型”[8，9]。这一模型使用针-板电极，易于模拟电晕放电，但无法模拟在环氧树脂固体绝缘表面发生的放电。尽管也有学者研究过涉及固体绝缘的放电，却少见报道，这主要因为研究者一直以来采用CF4或其他不含碳气体(如H2S等[10])当作特征气体来反映涉及固体绝缘的放电，然而SF6新气中不可避免地会存在CF4，对检测结果的干扰大[11]，而不含碳气体与固体绝缘放电的关联程度还有待考证。由于上述原因，涉及固体绝缘放电的研究一直未有进展。GIS内的环氧树脂固体绝缘沿面放电的新型特征气体CS2[12，13]能灵敏地反映涉及固体绝缘的放电，且SF6新气中一般不会掺杂CS2，但还未见放电强度与CS2的变化规律之间的关系及气体注意值等方面的报道。

CS2作为GIS盆式绝缘子放电特征气体的提出为实验研究提供了检测依据，本文将CS2作为特征气体重点检测。根据国内外对GIS内涉及环氧树脂固体绝缘沿面放电的研究思路[14，15]，在SF6氛围中搭建表面附着铜粉的缺陷模型，检测两种放电强度下的放电量以及CS2、SOF2、SO2F2、SO2、HF和COS等特征气体的含量，建立了特征气体的增长规律与环氧树脂固体绝缘沿面放电的严重程度之间的关联，实验结果可为实际运行检测提供参考。

1 实验方法

1.1 实验电路

实验电路如图1所示，CX为表面附着铜粉的缺陷模型，铜粉畸变了模型的表面电场，从而在模型表面发生沿面放电。本文采用IEC 60270和GB/T 7354推荐的检测方法[16，17]——脉冲电流法检测实验过程中的实时放电量。图1中C0为耦合电容器，额定电压150 kV，电容值500 pF，Zm为TWPD-2B PD综合分析仪自带的耦合装置。保护电阻采用水电阻，阻值为1 MΩ，实验变压器高压侧额定电压150 kV，低压侧额定电压380 V，额定容量30 kV·A。PD综合分析仪的最大采样频率20 MHz，检测频率20～400 kHz，量程内非线性误差5%，检测范围0.1 pC～10 μC。

图1 实验电路图1—自耦变压器；2—隔离变压器；3—无晕试验变压器；4—保护电阻Fig.1 Test Circuit

1.2 缺陷模型

缺陷模型如图2所示，在底面直径25 mm、高35 mm的环氧树脂绝缘棒表面均匀涂上环氧树脂并洒上铜粉，同时在绝缘棒上下表面均匀涂上适量环氧树脂，以使绝缘棒与电极之间接触紧密。缺陷模型设置好后经干燥处理，放入实验气室。气室容积70 L，内壁涂有特氟龙涂料以防分解气体与内壁反应，其构造如图3所示。

图2 环氧树脂绝缘棒表面附着铜粉模型Fig.2 The defect model of copper attached to the solid epoxy resin

1.3 特征气体的检测方法

本文检测的特征气体包括SOF2、SO2、SO2F2、CS2、COS和HF等，其中COS气体首次在实验中被检测到。用日本GASTEC公司生产的NO.17 HF快速检测管检测HF，检测管由一支内装显色指示剂及外壁印有浓度刻度的玻璃管组成。当被测气体通过管内指示剂时发生显色化学反应，可通过变色线直接读出气体的浓度。检测管的检测范围为0.25～100 μL/L。除HF以外的气体均用岛津GC-MS 2010plus气质联用仪检测。

图3 SF6实验气室的构造Fig.3 The structure of SF6 test chamber

1.4 标准气体的配置

气质联用仪采用峰面积外标法计算分解气体的含量，计算公式为

式中：CS为标准气体的浓度；AS为标准气体对应的峰面积数值；AX为待测气体的峰面积数值；K为校正因子(correction factor)。以氦气(He)作为背景气体来配置标气，计算出校正因子，如表1所示。

表1 标准气体的配置

1.5 局放仪的校准结果

局放校准仪可产生特定放电量和放电频率的脉冲，50 pC/500 Hz的放电脉冲校准波形如图4所示，从图中可看出清晰的放电脉冲。在实验时，局放仪可根据校准结果自动计算出放电量。实验室背景放电量为22 pC。

图4 局放仪校准波形(50 pC/500 Hz)Fig.4 PD Analyzer calibration waveform (50 pC/500 Hz)

2 实验步骤和结果

2.1 实验步骤

实验分两组，第1组持续加压24 h，控制电压为20 kV，使放电强度相对较弱，绝缘棒不发生闪络。第2组实验在第1组的基础上更换SF6新气，提高实验电压至30 kV，使放电强度相对较强，加压12 h后绝缘棒仍未闪络，继续升高电压至50 kV，维持不变，加压至第17 h时绝缘棒发生闪络，结束实验。GIS内通常充以0.3～0.5 MPa的SF6作为绝缘介质，若提高压强，需要充入更多的SF6，为节省实验成本，模拟实验采用的充气压强为0.3 MPa。实验取气量很小，可保证SF6气体压强基本不变。根据SF6电气设备实验安全防护细则的要求[18]，实验按以下步骤进行：

1)把设置好铜粉的缺陷模型经干燥处理后放入实验气室，密封气室，用真空泵将气室抽真空至0.02 Pa并保持10 min，用SF6新气冲洗实验气室3次，充入SF6新气至表压为0.3 MPa，静置1 h。

2)检测新气中的水分含量和杂质气体含量，检查实验电路无误后，对局放综合分析仪进行校准。

3)缓慢升高电压直至绝缘棒发生放电，为加速实验进程，在达到起始放电电压(17.8 kV)后继续升高电压，然后维持电压不变；第1组实验中，维持电压在20 kV；第2组实验中，缓慢升高电压至30 kV并维持电压不变，12 h后发现绝缘棒仍未闪络，继续缓慢升高电压至50 kV并维持电压不变，直至闪络。

4)定期在线检测分解气体，同时用局放仪记录实时放电量。

2.2 实验结果

两组实验产生的特征气体的含量如表2和表3所示。由于气室内外存在水分浓度差，外部水分不可避免会渗透到内部，更换SF6新气时，气室内的湿度也会发生变化，因而无法保证两组实验的水分含量完全一样。但两组实验的水分含量均小于GIS设备无电弧分解物时的水分含量运行允许值(≤500 μL/L)，可忽略水分差异对实验的影响。由表2和表3可看出，两组实验检测到的特征气体的种类不完全相同，但在两组实验中均可检测到SOF2、CS2和SO23种气体。特征气体的变化趋势如图5～图7所示。SOF2和其余几种气体的含量差别较大，为直观表示，将SOF2含量的变化情况单独制图(图7)。第2组实验中检测到羰基硫气体(COS)，通过标准气体对其定量，但第2组实验中未检测到SO2F2。两组实验结束后，取出绝缘棒，发现其表面被严重电蚀，可看到明显的闪络痕迹。在第2组实验中，第14 h时才检测到HF，含量为7.5 μL/L，第17 h闪络后含量增加到20 μL/L。两组实验中的放电量变化情况如图8所示。

表2 模型不发生闪络时特征气体的含量

注：此组实验中气室内水分含量为341.7 μL/L

表3 模型发生闪络时特征气体的含量

注：此组实验中气室内水分含量为128.3 μL/L

图5 不发生闪络时特征气体的含量Fig.5 Concentration of characteristic gases when flashover didn’t occur on the model

图6 发生闪络时特征气体的含量Fig.6 Concentration of characteristic gases when flashover occurred on the model

图7 两组实验中SOF2的含量Fig.7 Concentration of SOF2 during the two tests

图8 两组实验中放电量的变化情况Fig.8 Discharge capacity during the two tests

3 实验结果分析

3.1 放电量的变化特性

当电压较低时，放电量变化幅度较小；当电压较高时，放电量迅速增加，最终导致绝缘棒闪络。第1组实验中，放电量始终在0～450 pC范围内变化，在10～16 h时放电量甚至接近0，说明此时放电已趋于平缓。但由于实验气室内的放电条件极不稳定，导致只要电压发生微小变化就能重新产生放电。图中偶尔可见放电量突增的现象，这是电荷累积到一定程度时产生的放电脉冲所致。整个过程中的平均放电量为74 pC。第2组实验中，放电量大致在2～18 nC范围内变化，前12 h电压大致保持在30 kV，放电量变化不明显，12 h后电压加到50 kV，放电量显著增大并且持续增加，直至绝缘棒闪络，整个过程的平均放电量为5.08 nC。

3.2 特征气体的增长特性

GIS内环氧树脂固体绝缘沿面放电十分不稳定，易出现间歇性放电，实验难以准确控制放电强度。因此，本文只研究了两种放电强度下的情况，由图8可知，每组实验中的放电量会随时间变化。

由图5和图6可知，SOF2、SO2和CS2在两组实验中呈现出不同的增长规律，在第1组实验中表现为“上凸型”增长，增长速率越来越慢；在第2组实验中表现为“下凸型”增长，增长速率越来越快。出现“上凸型”增长的主要原因是：第1组实验的放电能量不致使绝缘子闪络，部分铜粉在放电时被清除掉，或在电场力的作用下脱离绝缘棒表面。随着铜粉不断被消耗，电场分布变得相对均匀，放电强度逐渐减弱，此时缺陷绝缘棒呈现“自愈”特性。当电压超过绝缘棒的闪络电压(或缺陷程度超过运行电压下的最大缺陷程度)时，放电强度逐渐增大，直至绝缘棒闪络，特征气体的含量会迅速增加，呈现“下凸型”增长，此时缺陷绝缘棒呈现出不可自恢复特性且其绝缘性能迅速降低。在实际运行中，发现特征气体出现这种类型的增长时应特别注意。

对比实验过程中各特征气体的含量和增长速率(增长曲线切线的斜率)，可发现在相同条件下不同特征气体的含量和增长速率存在差异，说明不同特征气体对局部放电的“敏感程度”不同。如果定义含量或增长速率大的特征气体对放电更敏感，上述特征气体对放电的敏感程度由高到低依次为：SOF2>SO2>SO2F2(低放电量情况下)>CS2>COS(高放电量情况下)。

3.3 特征气体与放电之间的关系

在实验中发现，环氧树脂固体绝缘放电有特殊性，即放电量波动大、易出现间歇放电，但特征气体的增长趋势较稳定。图9给出了强弱放电强度两组实验下，气体含量比值和放电量比值之间的关系。两组实验中的放电量、特征气体的含量之间差异太大，采用比值可以直观了解。图9中比值的意义在于，若设较弱放电时的情况为1，则比值的大小反映了较强放电时的情况。由此可直观比较放电量与特征气体含量之间的关系。放电量比值的变化反映了相对放电强度的变化，此时观察气体含量比值的变化情况，可得到特征气体与放电之间的关系。由图9知，特征气体的含量比值与放电量比值的变化情况并不一致，气体含量比值的变化相对稳定，而放电量比值具有较大的波动性，但两者的总体变化趋势大致相同。尽管14 h后放电量比值下降较多，但仍比10 h之前的大。这是因为特征气体的含量变化具有“累积效应”，气体含量不会因为放电突变而突变，因而气体含量比值随时间变化相对稳定；本文所研究的模型中，放电具有很大的随机性，导致放电量比值局部波动较大。

图9 气体含量比值和放电量比值之间的关系Fig.9 Relationship between the ratio of concentration of gases and that of the discharge

3.4 不同特征气体之间的比值特性

变压器油色谱分析中常使用特征气体之间的比值作为特征量来研究放电类型和严重程度，文献[19]也采用比值作为特征量，并引入聚类分析证明了比值法比单纯用特征气体的含量作为特征量的效果更好。特征气体的产生不是孤立的，某种特征气体的产生和其他特征气体之间存在内在关联。因此，本文根据实验数据研究了SO2、SOF2、SO2F2以及COS等特征气体与CS2含量之间的关联程度和比值特性。用皮尔逊相关系数来衡量其他特征气体的含量与CS2的含量之间的关联程度。序列对(Xi，Yi)(其中i=1，2，…，N)间的相关系数为

表4 CS2与其他特征气体间的相关检验

由相关检验结果可知，当放电涉及固体绝缘时，CS2的含量与其他几种特征气体的含量之间均显著相关，这说明当产生CS2时，同时产生其他几种特征气体。可以从物理角度解释这种相关性：沿面放电的放电区域会与SF6气体接触，因此会产生SOF2、SO2等其他几种特征气体；CS2的含量增长时，说明沿面放电过程在持续，其他几种特征气体会在与SF6气体接触的放电区域内产生。

特征气体含量的增加是电效应与热效应共同作用的结果。当气室内持续放电和发热时，特征气体的含量将持续增加；随着放电缺陷的减小或消失，气体增长速率会逐渐减小直至为0，此时有可能产生误判。为了消除“累积效应”的影响，更准确地反映放电的发展趋势，引入其他特征气体与CS2含量的比值，如将SOF2与CS2含量的比值记为r(SOF2/CS2)。相关检验的结果也是引入比值的理论基础，在环氧树脂固体绝缘放电时，其他特征气体与CS2含量之间具有显著相关性，故选择比值来反映这种相关性。两组实验中，其他特征气体与CS2含量之间的比值随时间的变化趋势如图10所示。

图10 两组实验的特征气体与CS2的比值特性图Fig.10 The characteristics of ratio between other characteristic gases and CS2

从图10a可看出，在第1组实验中，r(SOF2/CS2)在20～40变化，且大致呈现递减趋势，这主要是因为电压较低，随着铜粉在放电中被消耗，放电越来越弱，导致SOF2的增长速率越来越小；r(SO2/CS2)和r(SO2F2/CS2)在0～5变化，前者大致呈现递增趋势而后者大致呈现递减趋势。在10～12 h的某一时刻，r(SO2/CS2)=r(SO2F2/CS2)，此后r(SO2/CS2)>r(SO2F2/CS2)，这是因为随着放电过程的发展，SOF2会部分水解生成SO2，当SOF2的含量增大时会加速水解过程。

从图10b可看出，r(SOF2/CS2)始终在10～35范围内变化，前14 h维持在10左右，14 h后迅速增大。这是因为前14 h放电相对稳定，SOF2和CS2等气体的生成较稳定，14 h后SOF2的含量迅速增大，CS2的含量增加相对较慢，导致r(SOF2/CS2)值增大。第2组实验中基本未检测到SO2F2，但检测到另一种含C的气体羰基硫(COS)，说明当放电涉及固体绝缘时，会产生COS气体，但COS与CS2相比需要更高的能量才能产生。结合图8和图9可知，在前14 h内，第2组实验的放电量约为第1组实验的50～350倍。在同一组实验中，不同特征气体的含量增长趋势类似，因此特征气体之间的含量比值相对稳定。但在不同组实验中，放电强度不同，相应比值之间差异较大。对比两组实验，发现r(SOF2/CS2)在两组实验中存在较大差异，当放电较弱时，r(SOF2/CS2)值较大，约为30；当放电较强时，r(SOF2/CS2)值较小，约为10，但在固体绝缘崩溃时，SOF2和CS2的含量会显著增大，其比值也会显著增大。

上述差异不难解释，r(SOF2/CS2)值具有明确的物理意义，比值反映的是不涉及固体绝缘的放电强度与涉及固体绝缘的放电强度之间的强弱关系。当放电较弱时，尽管SOF2和CS2的含量均低于放电较强时，但此时涉及固体绝缘的放电所占比例较低，因此CS2的产量很少，r(SOF2/CS2)的值比放电较强时还要高。文献[20]对运行中的SF6电气设备内的分解气体含量做了统计分析，发现SO2体积分数的注意值为3 μL/L。结合实验中SO2与CS2之间的比值关系，可保守预测CS2体积分数的注意值约为5 μL/L。

4 结论

根据上述实验结果，可得出以下结论：

1)当放电涉及环氧树脂绝缘材料时，会产生CS2、SOF2、SO2F2、SO2和HF等特征气体；放电能量较高时，还会产生COS气体。不同特征气体对放电的敏感程度按由高到低排序为：SOF2>SO2>SO2F2(较低放电量)>CS2>COS(较高放电量)。

2)当环氧树脂绝缘表面附着铜粉时，CS2、SOF2、SO2等特征气体在不同放电强度下呈现不同的增长规律：放电强度较小时会出现“上凸型”增长，气体增长速率越来越小直至为零；放电严重时会出现“下凸型”增长，气体增长速率越来越大直至绝缘闪络；环氧树脂固体绝缘放电有特殊性，即放电量波动大、易出现间歇放电，但是特征气体的增长趋势较稳定。

3)在相同数量级的放电量下，r(SOF2/CS2)值相对稳定；放电强度不同，相应r(SOF2/CS2)值之间差异较大。放电量有数量级的升高时，r(SOF2/CS2)值总体上呈现降低趋势。可以根据特征气体之间的含量比值大小，用一种气体的注意值来预测另一种气体的注意值。

4)当放电严重时，HF气体的产生速率大于其反应速率，因此可以在实验中被检测到。由于HF气体具有强腐蚀性，会腐蚀设备外壳和绝缘子，因此，当诊断出GIS设备内部发生局部放电时，同时应加强监视设备中HF气体的含量。

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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

郑晓光 男，1966年生，硕士，高级工程师，研究方向为高电压技术。

郑 宇 男，1992年生，硕士研究生，研究方向为SF6电气设备绝缘在线监测与故障诊断。