利用SF6气体分解产物检测和诊断GIS绝缘故障

利用SF6气体分解产物检测和诊断GIS绝缘故障

冯霞, 张周胜

(上海电力学院 电气工程学院, 上海200090)

摘要:论述了SF6气体分解产物检测技术的发展历史、局部放电下SF6气体的分解机理、SF6气体分解产物的常见检测方法,以及SF6分解产物与绝缘类型之间的关系等,结合最新研究进展,提出利用SF6气体分解组分的含量比值来识别缺陷类型,进而对设备内部绝缘进行故障诊断和状态评估,并指出了下一步需要研究解决的关键问题.

关键词：SF6气体; 分解产物; 检测技术; 绝缘缺陷

收稿日期：2014-09-24

作者简介：通讯冯霞(1990-)，女，在读硕士，浙江杭州人.主要研究方向为电力设备的状态监测.E-mail:fengx0208@126.com.

中图分类号：TM855.1文献标志码： A

收稿日期：2015-01-20

作者简介：通讯王真(1980-),女,博士,讲师,山东泰安人.主要研究方向为容错计算、高层电路可靠性评估.

DetectingandDiagnosingGISInsulationFaultUsingSF6DecompositionProducts

FENGXia,ZHANGZhousheng

(School of Electrical Engineering, Shanghai University of Electric Power, Shanghai200090, China)

Abstract:The development history of SF6 gas detection technology,SF6 gas decomposition mechanism,common detection methods and the relationship between product and the type of insulation are reviewed.Meanwhile it is proposed to use SF6 gas decomposition component ratio to identify the type of defect,and then to do the fault diagnosis and condition assessment for equipment internal insulation.Finally,it is pointed out that the next step is to solve the problems in combination with the latest research progress.

Keywords:SF6gas; decomposition production; detection technology; insulation defects

SF6气体是目前最优良的绝缘介质和灭弧介质,被广泛用于断路器、变压器、互感器、电缆、GIS站等电气设备中.大量研究表明,纯净的SF6气体无色、无味、无毒,也不燃烧,在常温常压下,化学性能稳定,其分子量较大,热传导性较差,是负电性的气体.而在高温或放电作用下,SF6会分解为一些低氟化物,这些分解物又与电极材料、水分、氧气等进一步反应组成有毒性及强腐蚀性的化合物,[1-2]这不仅会对人体造成严重的危害,而且降低了电气设备的绝缘性能,进而造成重大的安全事故.

随着电力工业的迅速发展,电气绝缘设备的用量不断增多,传统的检测方法很难监督电气设备的运行情况,导致维修方式的经济性差,而SF6气体分解产物检测技术可以进行实时监测,并根据具体设备的实际情况确定检修,实现“无病不修、有病才修、修必修好”的目的,不仅具有良好的经济性,而且可以防止由于GIS缺陷而产生局部放电现象,进而加速绝缘老化,导致击穿放电等事故的发生,避免造成巨大的经济损失.

长期以来,国内外对SF6气体分解产物检测技术进行了大量的研究,主要通过红外光谱及激光成像技术来检测SF6气体的组分,[3-6]但目前有关SF6气体分解的研究主要集中在分解产物的种类和检测技术上,缺乏利用SF6分解组分来诊断GIS故障的研究.

1SF6气体分解产物检测技术的发展历史

自WILHELMGottfrid于1672年在实验室成功发现了人工的电火花现象后,气体放电的相关研究得到了迅速发展.而气体放电研究为SF6放电分解的相关研究奠定了基础.20世纪40年代后,SF6放电分解的相关研究开始发展起来.SCHOMB W C等人于1949年最早发现了SF6气体的放电分解现象,实验者认为其分解产物可能为低氟硫化物,但未作进一步研究.[7]其后EDESOND采用红外技术研究了SF6气体的分解产物,发现SF2为其主要产物,并含少许SOF2和SiF4.[3]GERUSIMOVB和SIDORKINAT利用红外光谱技术,发现SF6的分解产物主要成分为SOF4和SO2F2,未发现SOF2.[8]BECHERW和MASSONNEJ利用红外光谱仪发现电弧放电下SF6极易分解为SF4和SOF2.[4]KUSUMOTOS利用红外吸收光谱法检测到产物中含有HF.[6]

在国内,马虹斌和邱毓昌利用气相色谱法得出SF6产物中含有SO2和SOF2.[9]孟庆红和唐炬采取不同的检测手段,较全面地分析了不同绝缘缺陷及不同分析设备对SF6分析结果的影响.[10]2012年至今,关于微水微氧及一些吸附剂对局部放电下SF6分解特征组分的含量大小及变化规律的影响的研究也不少.[11-12]国内外大量研究表明,利用红外光谱法可以定量研究SF6的分解产物,其中定量的方法有遗传算法、最小二乘法、蚁群算法等.[13]与此同时,SF6气体分解组分的检测方法也得到了进一步的发展,利用SF6分解产物来诊断绝缘缺陷引起了电力科研工作者的高度重视.

2局部放电下SF6气体分解原理

纯净的SF6气体化学性质稳定,而设备一旦出现故障,SF6气体会发生复杂的化学反应.引起SF6分解的主要原因有电弧放电、火花放电、电晕放电和过热分解.而引起SF6生成分解物的因素主要有以下4个.

(1)电弧能量的影响.电弧能量的增大会提高气体分解物的生成率.

(2)电极材料的影响.其中,在铝电极下SF6气体分解物数量最多,氧化镉最低.

(3)水分和氧气的影响.SF6气体分解物的组分受水分和氧气的影响极大，在放电作用下,会产生如下反应:

SOF2+H2O—SO2+2HF

SO2+H2O—H2SO3

SOF4+H2O—SO2F2+2HF

(4)设备中绝缘材料的影响.在过热条件下,设备中常用的绝缘固体材料炭化,导致产物中CO和CO2气体的含量随之增加.[14]

文献[15]提出了“区域反应模型”,即以针-板电极模型来反应局部放电机理,如图1所示.

图1　 SF 6气体分解原理

在该模型下,当施加外部电压时,针电极尖端会产生放电现象,从而使电子与SF6分子发生碰撞,使SF6气体分解,产生一系列低氟化物,低氟化物又与气室内的H2O和O2反应产生一些化合物,其主要产物包括:SOF2,SOF4,SO2F2,CF4,SO2,HF,CO,CO2,CH4,SF4,S2F10等.其分解过程如图2所示.

图2　 SF 6气体分解过程

3SF6气体分解产物检测方法

迄今为止,国内外SF6分解产物类型与含量的检测方法主要有红外吸收光谱法、气相色谱法、检测管法、核磁共振波谱分析、气体传感器法等.[16]

(1)红外吸收光谱法实际应用中通常采用傅里叶红外光谱仪,可利用红外光谱鉴定气体组分,通过吸收强度推测物质含量,且无需气体分离,可形成在线监测系统.其缺点是会产生吸收峰的交叉干扰,从而影响检测结果.

(2)气相色谱法将气体通入有吸附剂的色谱柱,混合气体分离并逐个进入检测器形成色谱峰,从而进行检测和记录.目前应用比较广泛,但检测时间较长,无法实现在线监测.

(3)检测管法将气体流过检测管,使管内颜色改变,从而根据颜色及其长短辨别气体分解组分与含量.该方法简便但大部分产物无对应检测管.

(4)核磁共振波谱法原子核吸收射频辐射引起核自旋能级跃迁产生波谱从而识别气体组分.该方法能检测出多种低氟化物,但造价昂贵,且有些原子核不能产生核磁共振波谱.

(5)气体传感器法气体通过传感器引起表面电阻率的变化,从而检测产物类型及含量.该方法易实现在线监测,但仍有重要组分不能检测.

目前，SF6气体分解产物检测技术已在不少电厂得到了应用.2007年,广东省电力公司对其下属的220 kV以上的SF6组合电器GIS共3 770个气室的气体杂质体积分数进行了全面普查,用电化学法测量SO2和H2S的体积分数,并采用日本岛津GC-14C气相色谱仪检测到CF4,CO2,SOF2,SO2F2的体积分数,为判定GIS故障提供了依据.[6]

2012年,惠州某变电站通过对气体组分的检测发现SO2和H2S等特征气体超标,及时发现并排除了GIS故障.

文献[17]指出,2010年某电厂220kV母联断路器跳闸,厂用电系统供电中断,为此通过检测SF6气体中的分解产物判断GIS气室是否存在故障.结果发现,SF6气体中含有因放电故障产生的SO2气体,且浓度达到40 μL/L,在此基础上确定并排除了GIS故障.

4SF6气体分解产物的类型与GIS内部绝缘缺陷之间的关系

GIS内部缺陷主要包括金属突出物、自由导电微粒、绝缘子表面污秽、绝缘子气隙等.当这些缺陷在电应力下产生局部放电时,均会产生SOF2,SO2F2,CF4,CO2,SOF4,SO2,HF等气体.[18]为区分各类缺陷,需进一步检测各个组分的含量来进行判断.研究表明,在金属突出物缺陷下,分解气体的主要有SOF2,SO2F2,CF4,CO2,其特征分解组分按含量排序为SOF2>SO2F2>CO2>CF4.随着放电时间的延长,CO2和SOF2的含量显著增加,而CF4含量未大幅增长.在绝缘子表面污秽缺陷下,各种特征分解组分的含量排序为SOF2>SO2F2>CF4>CO2,且CF4的含量随放电时间的延长而增加.而在金属突出物及绝缘子表面污秽缺陷下,随着放电时间的延长,SOF2/SO2F2含量比值有稳定增长的趋势.在自由导电微粒缺陷下,特征分解组分按含量排序为SOF2>CF4>CO2>SO2F2,在该类缺陷下,当放电剧烈时,SOF2和 SO2F2的含量差距会明显增大.在绝缘子气隙缺陷下,各种特征分解组分按含量排序为SO2F2>CO2>SOF2>CF4,且该类缺陷放电后期,CO2会急剧增加.

通过SF6分解物组分的检测，可以对部分故障进行判断,而对于运行着的GIS设备的内部缺陷缺乏相应的标准及依据,因此需要进一步研究不同缺陷与特征组分之间的对应关系,以指导GIS设备的在线监测和故障诊断.为更进一步区分各类缺陷所产生的分解特性,笔者认为可进一步分析和比对SF6分解组分的含量比值及其随时间变化的情况,从而识别缺陷类型.

5结语

随着智能电网的提出,智能化在线监测越来越受到研究者的关注.目前,利用SF6气体分解产物识别运行中的GIS设备缺陷缺乏相关的标准及依据,建立智能化在线监测系统的工作还在进一步的研究中.同时,还有一些关键问题需要解决:如SF6分解气体成分复杂、种类繁多、含量较小、稳定性差,因此需筛选具有代表性的分解气体组分作为特征量进行研究;SF6分解特性的影响因素较多,如水分、氧气、吸附剂、电极材料等,对于这些影响因素需要提出相应的校正方法,以进一步提高识别缺陷类型的准确性;检测SF6气体分解产物类型及含量的技术有待进一步提高,可以采用组合检测手段进行气体组分的在线监测,以提高在线监测的可能性、实时性和准确性.

因此,今后应着眼于对SF6分解组分的定量研究,并重点进行现场应用的研究,利用工程现场数据来验证相关方法的有效性,并进行相应的改进,切实提高在线监测的实时性和准确性.

参考文献：

[1]苗玉龙,姚强,邱妮,等.放电条件下SF6气体分解产物变化情况的研究[J].高压电器,2012,48(8):61-64.

[2]邱妮,姚强,苗玉龙.过热点温度与SF6气体分解产物变化关系试验研究[J].高压电器,2012,48(10):27-30.

[3]EDELSOND.ElectricaldecompositionofSF6[J].Industrial and Engineering Chemistry,1953,45(19):2 094-2 096.

[4]BECHERW,MASSONNEJ.ContributiontothestudyofthedecompositionofSF6in electric arcs and sparks[J].IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems,1970,91(11):605-610.

[5]QIBo,LIChengrong,WUZhangjian,et al.ExperimentalstudyontherelationshipbetweendischargeandgasdecompositionproductsinSF6insulated electrical equipments[C]∥IEEE Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena,2009:392-395.

[6]KUSUMOTOS,ITOHS,TSUCHIYAY,et al.Diagnostictechniqueofgasinsulatedsubstatiobypartitaldischargedetection[J].IEEETransactionsonPowerApparatusandSystems,1980,99(4):1 456-1 463.

[7]SCHUMBWC,TRUMPJ,PRIESTG.EffectofhighvoltageelectricaldischargeonSF6[J].Industrial and Engineering Chemistry,1949,41(12):1 348-1 351.

[8]GERASIMOVB,SIDORKINAT.Kineticsandmechanismofcrackgrowthduringstresscorrosi-oncrackingofzirconiumalloys[J].MaterialsandCorrosion,1982,32(11):485-488.

[9]马虹斌,邱毓昌.SF6及其混合气体的放电毒性污染物分析[J].环境工程,1996,14(4):46-48.

[10]孟庆红,唐炬.不同绝缘缺陷局部放电下SF6分解特性与特征组分检测研究[D].重庆:重庆大学,2010.

[11]唐炬,梁鑫,姚强,等.微水微氧对PD下SF6分解特征组分比值的影响规律[J].中国电机工程学报,2012,32(31):78-84.

[12]唐炬,曾福平,梁鑫,等.两种吸附剂对SF6分解特征组分吸附的实验与分析[J].中国电机工程学报,2013,33(31):211-219.

[13]谭志红,张晓星,孙才新,等.基于主成分回归分析的SF6分解组分红外光谱定量[J].高电压技术,2012,38(1):109-115.

[14]张晓星,姚尧,唐炬,等.SF6放电分解气体组分分析的现状和发展[J].高电压技术,2008,34(4):664-669.

[15]VanBRUNTRJ,HERRONJT.Fundamental,processesofSF6decomposition and oxidation in glow and corona discharge[J].IEEE Transaction on Electrical Insulation,1999,25(2):75-94.

[16]季严松,王承玉,杨韧,等.SF6气体分解产物检测技术及其在GIS设备故障诊断中的应用[J].高压电器,2011,47(2):100-103.

[17]张宝军,刘洋,关艳玲,等.SF6分解产物分析在GIS绝缘故障诊断中的现场应用[J].东北电力技术,2013,3(5):18-20.

[18]唐炬,范敏,裘吟君,等.SF6局部放电分解组分光声光谱检测的温度特性[J].高电压技术,2012,28(11):2 919-2 925.

(编辑胡小萍)

DOI：10.3969/j.issn.1006-4729.2015.04.013

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