应用气体分析诊断SF6电气设备内部故障

于建龙

(国网福建省电力有限公司，福建 福州 350003)



应用气体分析诊断SF6电气设备内部故障

于建龙

(国网福建省电力有限公司，福建 福州 350003)

介绍SF6电气设备发生故障时内部绝缘材料的分解特征，提出其分解物是危及设备安全的重大威胁。阐明了通过分解物、水分和纯度检测，能准确、方便、快速地诊断出设备内部的故障；介绍了分解物的检测方法、正常含量和检测周期，总结出设备故障类型、可能部位和故障诊断方法。

气体检测；SF6电气设备；内部故障；维修

SF6气体具有优异的绝缘性能和灭弧性能，在电力系统中不仅应用于断路器和互感器，也广泛应用在全密封的SF6气体绝缘组合电器(GIS)。电气设备在生产过程中如存在材质、工艺方面的问题，靠试验方法难以完全检出，设备可能带隐患运行，在热和电的作用下，隐患处的SF6气体和固体绝缘材料慢慢分解，绝缘性能下降，最终酿成事故。国家电网运检部于2015年和2016年连续两年开展330 kV及以上GIS分解产物、水分、局部放电、红外测温和泄漏检测，发现数百台异常设备，其中通过分解物和水分检出数十台设备隐患,说明分解物的检测是一种有效的手段。

国网福建省电力有限公司(简称福建省电力公司)于2005年3月颁发了《电力设备交接和预防性试验规程》(Q/FJG 10029.2—2004)，在全国率先将分解产物测试纳入SF6断路器和GIS的监督项目，认为固体绝缘材料的分解是危及设备安全的重大威胁。几年来检测出220 kV漳州风园变和500 kV福州笠里变等数十台故障设备，避免了事故的发生，证明了通过检测特征气体可有效诊断SF6电气设备内部故障。

1 应用特征气体分析诊断的原理

SF6电气设备内部有电回路和磁回路，发生故障时材料受局部放电的影响，会生成分解物和水分。随分解物和湿度的增加，SF6纯度降低，其绝缘性能逐渐下降，引起局部放电能量不断增加，直至酿成事故。据国内外统计资料得知，近年来的事故中，绝缘事故约占60%，其中固体绝缘材质不良引起的事故又占约80%。因此，及时检出固体绝缘材料的绝缘缺陷，是提高电网安全经济运行的重要措施。在SF6电气设备发生故障时，故障区域的SF6气体和固体绝缘材料会分解产生SO2，H2S，CO和CF4等特征气体。CF4是聚四氟乙烯分解的主要成分，属于SF6生产过程的附属物，但CF4的检测方法较复杂，现场难以实现。在聚四氟乙烯热解产生CF4的同时也产生CO，通过检测CO可以较灵敏地反映出内部隐患。因此，检测CF4的必要性不大，《SF6电气设备分解产物试验方法》(DL/T 1205—2013)和国家电网公司《SF6气体分解产物检测技术现场应用导则》(Q/GDW 1896—2013)对检测仪的配置中都只检测SO2，H2S和CO特征气体，能满足故障分析的要求。

2 SF6气体与绝缘材料的分解特性

2.1 SF6气体的分解特性

SF6气体在电气设备中起着绝缘、灭弧和冷却散热的作用，它的化学性质非常稳定，在常温常压下，不与任何物质发生反应，在1个大气压下分解温度大于500 ℃，但对于运行设备，气体压力在0.4 MPa以上，其分解温度降低到250 ℃左右。SF6气体在电弧作用下主要产生SO2，SOF2，HF。典型反应式为式(1)及式(2)：

SF6→SOF2+HF

(1)

SOF2+H2O→ SO2+HF

(2)

SF6气体的温室效应系数很大，约为CO2的23 000倍，因此，要尽量减少排放，并做好气体回收利用。

2.2 固体绝缘材料的分解特性

电气设备所使用的固体绝缘材料主要成分是环氧树脂，环氧树脂有双酚型和酚醛型两类，为多种大分子量的混合物，由C，H，O，S和N等元素构成，还添加氧化铝，以增强机械性能。环氧树脂具有很好的绝缘性能和化学稳定性，其分解温度为500 ℃，主要产生H2S，CO，AlF3和少量低分子烃(CH4，C2H4，C3H8)，典型反应式为(3)及式(4)：

SF6+H2O→H2S+SOF2+HF+S+O2

(3)

9S+6H2O→6H2S+3SO2

(4)

3 分解产物的检测方法和案例

目前国内通用的SF6电气设备分解产物的检测方法有电化学法、化学比色法、色谱法3种方法，《SF6电气设备分解产物试验方法》(DL/T 1205—2013)推荐采用电化学法。福建省电力公司根据多年的工作经验，普遍选用厦门加华JH型气体综合检测仪，在现场能同时检测分解物、水分和纯度，具有灵敏度高、稳定性好、操作方便、检测速度快、耗气量少等优点。检测时SF6气体从设备排气口阀门经导气管进入仪器，流入传感器进行检测，将分解物、水分和纯度浓度转换成相应的电信号，当检测的浓度超过正常值时，仪器发出声光警报，检测结束后专家诊断系统分析判断故障类型和能量大小，并提出处理意见；检测后的气体从排气口流到集气袋进行处理。应用的典型案例如下。

案例1：2015年3月13日，漳州220 kV风圆变运行人员在巡视时发现1#主变220 kV侧22A开关附近有异常声响后，当日下午检测发现22A3刀闸气室内气体含有SO2(19.5 μL/L)、CO(21.2 μL/L)，仪器诊断“分解物含量较高，内部可能存在放电性故障，但未涉及固体绝缘材料分解”，当晚进行特高频和超声波复测，发现特高频和超声波局放信号异常，判断该气室内部可能存在悬浮放电。解体发现传动绝缘杆表面及GIS筒壁有大量白色分解物，绝缘杆下方传动拨叉处的等电位弹簧已烧毁，有一小段弹簧掉落在导电杆的槽中，动触头传动轴销与等电位弹簧连接处有电腐蚀的痕迹，分析结果与设备解体相吻合。故障照片见图1。

图1 某220 kV变动触头传动轴销处有电腐蚀痕迹

案例2：2015年8月29日，500 kV福州笠里变5031断路器跳过闸后检测检出5031A相CT故障A相SO2(1.6 μL/L)、CO(165 μL/L)，SO2浓度虽然略微超过国家电网规定的注意值，但考虑到该设备投运才7天，气体总量达80 kg，因此产生的SO2与CO总量大，判断内部存在放电故障，并涉及固体绝缘材料裂解。设备返回厂家解体，确认就是盆式绝缘子放电。故障情况见图2。

图2 某500 kV变5031A相电流互感器(CT)放电故障

4 SF6电气设备中分解产物的正常含量和检测周期

4.1 运行设备分解物、纯度和水分参考指标

根据福建省电力公司十几年来对近万台设备的检测数据和数十个故障实例的统计分析结果，提出检测参考指标。

表1 运行设备分解物、纯度和水分参考指标

4.2 运行设备分解物的评价参考标准

福建省电力公司根据国家电网《SF6气体分解产物检测技术现场应用导则》(Q/GDW 1896—2013)，提出运行设备分解物的评价标准，见表2。

表2 运行设备分解物的评价参考标准

4.3 SF6电气设备分解产物的检测周期

根据福建省电力公司多年经验总结，在福建省《电力设备交接和预防性试验规程》(Q/FJG 10029.2—2004)中规定了分解产物检测周期，见表3。

5 内部故障的判断方法

用分解的特征气体含量诊断SF6电气设备内部故障，已在全国各省市电力系统及设备制造行业得到应用，通过总结可归纳出几种主要故障类型的判断方法，见表4。

当检出“SO2+SOF2”含量高，但是H2S和CO都正常时，可能为悬浮电位放电，故障电流小，且未涉及固体绝缘材料分解，设备可以继续运行。但若CO含量有明显增长，认为设备内部存在固体绝缘材料严重裂解故障时，应加强跟踪监视，并结合局部放电进行综合分析，尽快处理。

表4 故障类型的判断方法

在进行内部故障诊断时，福建省电力公司具体采用“一看、二比、三了解”的方法，具体如下。

一看：看分解产物的组分种类和浓度是否超过正常值。

二比：比较上次检测分解产物的组分种类和浓度是否有变化；与相邻气室比较分解产物的组分种类和浓度。

三了解：要了解设备的结构、气室大小、排气口至本体的距离；要了解运行情况，如有否发生近区短路，有否受过电压严重冲击时和设备是否有异常声响及强烈电磁场等；要了解设备的检修、气体质量、电气试验、继电保护动作和故障录波情况。

6 结论

实践证明通过SF6气体检测能有效检出设备内部故障，为了使该法发挥更大作用，对检测仪器、使用和分析判断提出以下看法。

1)仪器性能必须满足检测潜伏性故障要求。选用符合潜伏性故障检测要求的产品，建议能同时检测分解物、水分和纯度的综合检测仪。

2)将分解物列入技术监督的正常检测项目，其含量纳入评价的参考标准。

3)当检出分解物异常时以电化学法为基础，加上比色管法、色谱法和局部放电进行佐证，并结合设备的运行、结构、检修、电气试验和气体总量等作综合分析。

本文提出的福建省电力公司分解物的评价指标、检测周期和故障诊断方法仅供大家参考，随着这项检测技术的发展，将不断地完善和提高。

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A Study on the Application of Gas Analysis in the Fault Diagnosis of the SF6Electrical Equipment

YU Jianlong

(State Grid Fujian Electric Power Company，Fuzhou Fujia 350003，P.R.China)

This paper introduces the characteristics of the decomposition of the internal insulating materials when the SF6electrical equipment malfunctions and points out that the decomposed substances pose a big threat to the security of the equipment．In addition，it expounds that accurate，convenient and rapid diagnoses of the internal faults of the device can be obtained by means of tests of the decomposed substances，moisture and purity．Furthermore，it introduces the testing methods，normal contents and testing periods of the decomposed substances as well as summarizing different types of faults，possible locations and ways of fault diagnosis．

gas testing；SF6electrical equipment ；internal faults；maintenance

2016-08-22

于建龙 (1962-)，高级工程师，主要从事高电压研究及技术监督管理工作。

TM595

A

1008- 8032(2016)05- 0043- 04