低微水的体积分数对SF6局部放电及分解特性的影响

钟理鹏,汲胜昌,刘凯,祝令瑜,王文浩,何文林,董雪松

(1.西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室,710049,西安;2.浙江省电力公司电力科学研究院,310014,杭州)



低微水的体积分数对SF6局部放电及分解特性的影响

钟理鹏1,汲胜昌1,刘凯1,祝令瑜1,王文浩2,何文林2,董雪松2

(1.西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室,710049,西安;2.浙江省电力公司电力科学研究院,310014,杭州)

为了研究交流电压、低体积分数(<1 350×10-6)条件下水分对SF6气体局部放电及分解特性的影响,搭建了SF6绝缘电力设备实验及检测平台,详细描述了金属突出物缺陷下局部放电量及SOF2、SO2F2、SO2、CO2等4种气体分解产物随微水的体积分数的变化规律。结果表明,平均局部放电量和总体放电量都随微水的体积分数呈现先下降后上升的趋势;微水的体积分数的增加对几种产物均有促进作用,且对3种含硫产物的促进作用强于对CO2的促进作用。气体产物体积分数比值φ(SOF2+SO2)/φ(SO2F2)随微水的体积分数的变化表现出较好的稳定性,最终稳定在3～4之间;φ(SOF2+SO2+SO2F2)/φ(CO2)则随着φ(H2O)的增加呈现总体增长的趋势,其低微水的体积分数下的值在2.5～3之间。因此,SF6气体分解检测法应用过程中需要充分考虑微水的体积分数的影响。

SF6气体绝缘电力设备;分解特性;气体分解产物;水分

SF6气体具有耐电强度高和灭弧性能好等优点,因此作为绝缘介质被广泛应用于气体绝缘电力设备中[1]。然而,当设备内部因存在绝缘缺陷而发生局部放电时,SF6气体可能会发生分解,生成SOF2、SO2F2、SO2、CO2等多种产物[2]。研究表明,气体分解产物的体积分数及变化规律与设备内部的放电状况存在关联关系,可作为设备绝缘状况的判断依据[3]。

SF6气体分解产物检测是一种可方便、有效地对SF6绝缘设备进行缺陷及故障诊断的方法,具有不易受现场电磁波干扰、检测灵敏度高等优点。SF6气体在局部放电下分解情况早在20世纪80年代就引起了学术界的关注[4]。21世纪初开始,国内多个研究院所及高校也对此开展了大量研究[5]。结果表明,SF6放电条件下的分解特性与设备内部的缺陷类型相关,且受到放电能量、微水的体积分数、气压等多种因素的影响[6]。在充分考虑这些因素的情况下,可利用其对SF6绝缘设备的运行状态进行有效评估。近年来,有学者提出产物生成速率、产物浓度比值等特征参数,以表征局部放电下SF6的分解特性[7]。SF6绝缘设备中微水的体积分数有严格的控制,DL/T596—1996、GB50836—2013等国家标准[8-9]要求在运行条件下,灭弧室内微水的体积分数应低于3×10-4,非灭弧室内则应低于5×10-4。IEC标准要求微水的体积分数应不超过设备制造厂商规定,其中法国阿尔斯通公司要求设备内微水的体积分数应低于1×10-3[10]。

然而,微水的体积分数在标准控制范围内的变动仍会对SF6的放电分解特性造成显著影响。Brunt等提出当O2或H2O的体积分数低于1%时,氧氟硫化产物的体积分数不会发生明显的变化,但研究仅仅涉及不同微氧体积分数的影响[11]。唐炬等提出SO2F2、SOF2两种产物的体积分数随微水的体积分数的增加而增加,但研究中所设置的微水的体积分数(150×10-6～9 500×10-6)远高于实际设备中的允许值。文献[12]表明,微水的体积分数较低时(<600×10-6),对CO2、CF4等产物体积分数的影响比高水分条件下更为显著,因此有必要对低水分条件下的影响规律做进一步研究。Ding等针对低体积分数条件下(<2 500×10-6)水分对SF6气体分解特性的影响进行了研究,关注了SO2F2、S2OF10、SO2等3种产物的变化规律,但缺少了对SOF2、CO2等常见分解产物的研究[13]。

本文搭建了缺陷参数可调、内壁喷涂聚四氟乙烯涂层、体积为90 L的放电气室,在建立高检测精度及准确度气体检测系统的基础上,研究了低体积分数条件下(<1 500×10-6),水分对SF6放电分解特性的影响规律。

1 实验方法

1.1 气体放电分解模拟实验装置

实验系统气路连接如图1所示,系统主要由气体供给、放电模拟气室、气体分析系统等3部分构成。SF6气体体积分数达到99.999%,微水的体积分数<5×10-6,满足GB/T12022—2006对工业SF6的各项标准要求[14]。

图1 实验系统气路连接图

放电模拟气室容积为90 L,侧壁配备了直径为20 mm的石英玻璃窗,以观测内部的放电情况。气室内壁喷涂一层聚四氟乙烯以减少气室与器壁之间的水分交换。每次实验前需将放电气室充气后静置24 h,放电气室通过聚四氟乙烯管、不锈钢阀门与SF6气瓶、真空泵、气相色谱仪及微水仪等相连。

气室中配置了可拆卸且距离在5～40 mm可调的金属突出物缺陷,结构尺寸参数如图2所示,其中针尖曲率半径约为0.2 mm。本文研究中高电压针电极与板电极之间的间距设置为20 mm,当充装气压为0.3 MPa、微水的体积分数为381×10-6时,局部放电起始电压为25 kV。

图2 金属突出物缺陷结构尺寸图

局部放电检测采用基于脉冲电流法的局部放电在线绝缘诊断系统,可以获取平均放电量、最大放电量、放电能量、放电相位等信息。放电检测实验电路如图3所示,其中U为实验电源,T1为调压器,T2为100 kV的无局放实验变压器,R为100 kΩ的保护水电阻,EVM为静电电压表,C0为400 pF的耦合电容,Rt为局放仪检测阻抗。

图3 实验电路接线图

1.2 气体检测分析系统

采用华爱GC9760B气相色谱仪对气体分解产物进行检测分析,该仪器配备了4个切换阀、5根色谱柱以及2个脉冲放电氦离子检测器。载气质量分数为99.999%的He,并经纯化器在高温下进一步纯化。仪器内置4个柱炉,均采用恒定温度,分别为50 ℃、120 ℃、60 ℃、65 ℃,通过调节柱炉温度可以调整各产物的出峰时间,从而实现对各产物之间的有效分离。系统以并联工作的方式对H2、O2、N2、CF4、CO2、SO2F2、SOF2、SO2、H2S、CS2等多种气体进行精确检测分析,并分A、B两个通道在信息终端上进行显示,如图4所示。主要分解产物的出峰时间如表1所示。

表1 主要分解产物的出峰时间

(a)A通道

(b)B通道图4 产物标准色谱图

采用LX600 SF6水分测量仪对实验气室内的微水的体积分数进行检测,精度可达1×10-7,满足实验需求。

2 水分对局部放电特性的影响

2.1 放电重复性分析

每隔1 h采集一次放电信息,并将此时刻的放电电荷量作为前1 h的平均放电电荷量计算出随时间不断累积的放电电荷量。1 h的放电电荷量为

(1)

式中:n为该时刻检测系统采集数据的样品容量;qi为采集样品每个点的放电电荷量;N为放电重复率。为了验证金属突出物缺陷下的放电重复性,先统一实验条件,测量12 h放电过程中的放电电荷量,结果如图5所示。图中,实验1的条件:电压为50 kV,气压为0.3 MPa,微水的体积分数为617×10-6,针-板间距为20 mm;实验2的条件:电压为50 kV,气压为0.3 MPa,微水的体积分数为681×10-6,针-板间距为20 mm。可以看出,实验结果的重复性良好,放电稳定后两组数据的最大差值不超过5%,说明本文实验系统有较好的稳定性。

图5 实验放电重复性研究

2.2 微水的体积分数对局部放电量的影响及分析

设置外施电压为50 kV,充装气压为0.3 MPa,针-板间距为20 mm,同时设置5组微水的体积分数,即147×10-6、347×10-6、681×10-6、909×10-6和1 340×10-6,并对金属突出物缺陷引起的SF6放电分解进行12 h的实验研究。

针对每一组实验,第i小时平均放电量Qi可以由式(1)计算,整体平均局部放电量为

(2)

5组不同微水的体积分数下的平均局部放电量如表2所示。

表2 不同微水的体积分数下的平均局部放电量

图6 总放电量随微水的体积分数的变化

由表2可知,随着微水的体积分数的增加,气室内放电的平均局部放电量呈现出先下降后增长的趋势。本文还计算了不同微水的体积分数下的总放电量,它随时间的变化规律如图6所示。由图6可知,当微水的体积分数从147×10-6上升至347×10-6时,总放电电荷量呈现下降趋势,这与文献[6]的结果相似,随后总放电量会随着微水的体积分数的增加而增加。

当空间中的电场强度一定时,电子崩的起始和发展与具体的气体组成成分直接相关。SF6气体中微量微水的体积分数变化时,其放电特性发生改变的原因可能有两个方面。

一方面,电子沿电场方向运动时,电子总数为

(3)

式中:α为电子电离系数;β为电子附着系数。如果微水的体积分数的变化可以显著改变气体组分的电离系数或附着系数,则气体的放电特性也会随之发生改变。

Chantry等认为混合气体组分的总体电离系数值是各组分气体电离系数的加权和[15],即

am=η1a1+η2a2+…+ηnan

(4)

式中:η1、η2、…、ηn等为各组分的体积占比;α1、α2、…、αn为各组分的电离系数。纯净SF6中加入少量H2O后,电离系数为

a=(1-η)aSF6+ηaH2O

(5)

式中:η为水在气体组分中的体积占比。当水占比由η1升至η2时,电离系数为

a1=(1-η1)aSF6+η1aH2O

(6)

a2=(1-η2)aSF6+η2aH2O

(7)

由于微水的体积分数变化而引起的电离系数改变值为

(8)

假设微水的体积分数增加300×10-6,即η2-η1=3×10-4、aH2O/aSF6=100时,电离系数的相对改变量Δa=0.029 7,该值不足以对放电电子崩的形成和发展过程产生实质影响。实际上,虽然H2O的电离系数高于SF6,但二者数值应处于一个数量级,因此电离系数的改变量会更小。也就是说,微量的H2O远不足以使电离系数发生大的改变。

文献[16]认为,形成一个电子崩的概率为

(9)

对于纯净的SF6,初始电子主要来源于SF6分子及离子之间的碰撞分离,即

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

3 微水的体积分数对主要产物的影响

3.1 微水的体积分数对(SOF2+SO2)的影响

由分解产物的形成过程可知,SOF2和SO2两种产物都源自于辉光区域中的低氟硫化物SF4,SO2的体积分数通常情况下都比较小。因此,本文统一考虑这两种分解产物体积分数的变化规律。不同时刻下,(SOF2+SO2)的体积分数随φ(H2O)的变化趋势如图7所示。

图7 不同微水的体积分数下(SOF2+SO2)的等加压时间曲线

由上图可发现,(SOF2+SO2)的体积分数与微水的体积分数呈显著正相关关系,分析原因如下。

SF6、H2O在放电区域受电子碰撞后,会生成低氟硫化物以及OH、O等高活性粒子,即

(16)

(17)

(18)

而SF4会进一步反应生成SOF2,主要生成途径为

(19)

可见水在SOF2的形成过程中起着至关重要的作用,当微水的体积分数升高后,一方面会直接促进生成更多的SOF2,另一方面发生如下反应

(20)

(21)

上述两个反应消耗了一部分F原子,从而促进式(16)的发展。研究表明,SF4和SF2是相对较稳定的两种低氟硫化物,而生成SF4所需要的能量又比SF2低。因此,微水的体积分数的增加会提高放电区域内SF4的体积分数,从而使得φ(SOF2)的值增加。

SO2主要来源于SOF2的水解反应,即

(22)

此外,由图6可知,SF6/H2O混合气体中微水的体积分数的变化还会影响局部放电量。由于局部放电能量与放电量呈正相关关系,因此微水的体积分数高于347×10-6后,区域中的放电能量会随之增加,即φ(H2O)的增加会促进式(16)～(18)生成更多的SF4及OH,φ(SOF2)与φ(SO2)的值也随之增大。

采用漂浮育苗方式育苗。适宜的基质配方为泥炭土75%，珍珠岩12.5%，蛭石12.5%。播种时间为2月中旬左右。对棚室、育苗池、育苗穴盘等设施消毒灭菌后，按照种子∶浮沙∶烧砖灰=1∶5∶10的比例混合播种。穴播的播种量每穴控制在4～8粒。播种前2～3天注入池水，池水深5厘米左右，然后关闭棚室进行增温，温度控制在25～28摄氏度，最高温度不超过32摄氏度，播种到出苗期间湿度保持85%左右。池水要使用洁净的地下水或饮用水，酸碱度(pH)值以6.5～6.8为宜，并用硫酸铜进行杀菌[9]。

3.2 微水的体积分数对SO2F2的影响

φ(SO2F2)随φ(H2O)在不同时刻下的变化规律如图8所示。可以发现,φ(H2O)对φ(SO2F2)具有显著影响,二者之间呈现正相关关系。

图8 不同微水的体积分数下SO2F2的等加压时间曲线

此外,随着φ(H2O)的增加,它对φ(SO2F2)的促进作用越来越显著,不同微水的体积分数下SO2F2的等加压时间曲线最终呈现“半喇叭”形状。

Vanbrunt通过同位素标定法研究认为,SO2F2主要经SF2与O2反应生成,即

(23)

其中SF2主要由式(16)生成,该反应的速率与区域中的放电能量存在直接关系,因此SO2F2的生成主要与放电能量相关,而由前文可知放电能量还与微水的体积分数存在联系。图9所示为φ(SO2F2)在不同微水的体积分数下随放电时间的变化规律,可以发现,随着微水的体积分数的增高,其对φ(SO2F2)的促进作用明显增强。

图9 不同微水的体积分数下φ(SO2F2) 随放电时间的变化

由图6可知,微水的体积分数从147×10-6上升至681×10-6的过程中,总放电量呈现先下降再上升的趋势,但数值上总体差距不大。因此,如图10所示,在此微水的体积分数区间内,φ(SO2F2)的变动范围较小。随后,放电量随φ(H2O)的增加持续增加,且增长速率变大。当微水的体积分数从681×10-6上升至1 340×10-6时,φ(SO2F2)也随之增长,且增长量更明显。

比较图6与图9,总体放电量随微水的体积分数呈现出先下降后增长的趋势,而φ(SO2F2)则随φ(H2O)的增加持续增加。这是因为,除反应式(23)所述的生成途径外,SO2F2还可表示为

(24)

(25)

(26)

φ(H2O)可以增加放电区域中OH、O等的含量,促进SOF4的生成,从而导致φ(SO2F2)增长。

(27)

(28)

3.3 微水的体积分数对CO2的影响

不同微水的体积分数下CO2的等加压时间曲线如图10所示。由图10可知,4h后φ(CO2)在φ(H2O)为1 340×10-6时的值总是高于其在φ(H2O)为147×10-6时的值,即φ(CO2)随φ(H2O)的增加呈现出总体增长的趋势,这与文献[20]的结果相似。该产物体积分数的增长趋势并不稳定,与水分之间的正相关系数明显低于几种含硫产物。

图10 不同微水的体积分数下CO2的等加压时间曲线

针对金属突出物缺陷,生成CO2所需的C主要来自于高压不锈钢针电极。由于不锈钢中的C含量很低,供应C的能力很有限,CO2的产生速率主要受到放电区域内C含量的影响。根据Vanbrunt等提出的SF6分解三区域模型[21],C主要生成于能量较高的辉光区域,其生成量受到辉光区域体积以及局部放电能量的影响。辉光区域体积主要受到针尖电场强度及气室充装气压的影响,而本文研究中外施电压与充装气压始终维持在恒定值,辉光区域体积应当保持不变,φ(CO2)随φ(H2O)的变化主要是由局部放电能量的变化引起的。由上文可知,放电能量随微水的体积分数增加总体呈增长趋势,因此φ(CO2)随着φ(H2O)的上升也表现出总体增长趋势。此外,当气室内存在微量水分时,电极表面可能会吸附水分,从而使其释放C所需要的能量发生改变,因此φ(CO2)随φ(H2O)的上升并未表现出稳定增长趋势。

3.4 产物体积分数比值随微水的体积分数的变化规律

金属突出物缺陷下的主要稳定分解产物包括SOF2、SO2F2、CO2、SO2等4种。辉光区域中的SF6分子可以经电子碰撞逐级裂解为SF4和SF2等较稳定的低氟硫化物,通常认为游离到主气室区域中的SF4会最终生成SOF2及SO2,而SF2则更多地生成SO2F2,因此φ(SOF2+SO2)/φ(SO2F2)可以表示主气室区域中SF4和SF2的比率。此外,SOF2、SO2和SO2F2等3种含硫产物都直接来源于SF6经电子碰撞裂解产生的低氟硫化物,其体积分数都和放电气室内的放电能量存在直接关系,而形成CO2所需要的C则更多与放电区域所涉及材料表面状况或面积有关。因此,另一种产物体积分数比值φ(SOF2+SO2+SO2F2)/φ(CO2)表征特定放电条件下放电能量与放电所涉及材料表面状况之间的关系。图11和图12对比了不同微水的体积分数下两种分解产物体积分数比值随时间的变化规律。

图11 φ(SOF2+SO2)/φ(SO2F2)随时间的变化规律

由图11可知,φ(SOF2+SO2)/φ(SO2F2)的值在放电初始阶段先随加压时间逐渐降低,然后趋于稳定,9h后稳定于3～4之间。随着该比值逐渐稳定之后可以发现,φ(SOF2+SO2)/φ(SO2F2)与φ(H2O)关系不大,这是由于φ(H2O)的升高会同时促进SO2F2、SOF2、SO2等几种产物体积分数的增加,且其增加的趋势类似。由图7、8可知,不同时刻下,φ(SO2F2)与φ(SOF2+SO2)的等加压时间曲线均随微水的体积分数的增大呈现“半喇叭”形状。

图12所示为φ(SOF2+SO2+SO2F2)/φ(CO2)在不同微水的体积分数下随加压时间的变化曲线,可以发现,在加压初始阶段该产物体积分数比值随放电时间缓慢上升,然后逐渐稳定。

图12 φ(SOF2+SO2+SO2F2)/φ(CO2) 随时间的变化规律

φ(H2O)的值较低(<681×10-6)时,该比值最终稳定于2.5～3之间。不同于φ(SOF2+SO2)/φ(SO2F2),φ(SOF2+SO2+SO2F2)/φ(CO2)的值会受到φ(H2O)的影响,且随着φ(H2O)的增加呈现总体增长的趋势,这是由于H2O对含硫产物的促进作用明显高于CO2的缘故。

有关产物体积分数比值的研究还要观察其对不同缺陷类型的识别度,本文对比金属突出物及悬浮电位两种缺陷以验证所提出产物体积分数比值作为诊断特征量的有效性。当外施电压为60kV、充装气压为0.3MPa、悬浮电位体与高压电极之间距离为0.3mm时,悬浮电位缺陷下两种分解产物体积分数比值随加压时间的变化如图13所示。

图13 悬浮电位缺陷下分解产物的体积分数比值

SF6分子逐级裂解为SF4和SF2时,分解生成SF2所需的能量明显高于SF4,因此放电能量较高的缺陷(如悬浮电位缺陷)应该更容易产生较高体积分数的SF2,从而形成更多的SO2F2,φ(SOF2+SO2)/φ(SO2F2)的值会比低能量缺陷小。如图13所示,悬浮电位缺陷下φ(SOF2+SO2)/φ(SO2F2)的值稳定于1.5～2之间,明显低于金属突出物缺陷。

另一方面,悬浮电位缺陷通常是由于设备内部的接触不良引起的,其放电起始于悬浮地位体表面一些曲率半径较大的突起部分。因此,悬浮电位缺陷的高能放电区域体积通常大于金属突出物缺陷,从而可以提供更多生成CO2所需要的C。对比实验结果发现,φ(SOF2+SO2+SO2F2)/φ(CO2)在悬浮电位缺陷下的值低于其在金属突出物缺陷下的值。此外,当放电涉及绝缘材料时会产生高体积分数的CO2,所以φ(SOF2+SO2+SO2F2)/φ(CO2)的值会更小。综上所述,本文所提两种气体产物体积分数比值可以作为特征参数,来实现对SF6绝缘类电力设备内部绝缘缺陷的诊断。

4 结 论

本文研究了微水的体积分数对SF6气体局部放电及分解特性的影响规律,得出以下主要研究结论。

(2)水分对SOF2、SO2F2、SO2和CO2等几种产物的生成都有促进作用,且对3种含硫产物的促进作用强于CO2。SOF2与SO2F2两种产物在不同微水的体积分数下的等加压时间曲线都呈现一个“半喇叭”形状。

(3)φ(SOF2+SO2)/φ(SO2F2)随微水的体积分数表现出了较好的稳定性,其值稳定于3～4之间;φ(SOF2+SO2+SO2F2)/φ(CO2)则随微水的体积分数的增加呈总体增长趋势,φ(H2O)<681×10-6时,该比值稳定于2.5～3之间。此外,两种产物体积分数比值对不同缺陷类型具有较好的识别度,可以作为诊断特征量。

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(编辑 赵炜 杜秀杰)

Influence of H2O on SF6Discharge and Decomposition Characteristics under Low Moisture Conditions

ZHONG Lipeng1,JI Shengchang1,LIU Kai1,ZHU Lingyu1,WANG Wenhao2,HE Wenlin2,DONG Xuesong2

(1. State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China;2. State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute, Hangzhou 310014, China)

In order to study the influence of moisture in low volume fraction (<1 350×10-6) on discharge and decomposition characteristics of SF6, an experimental and testing platform for SF6gas-insulated electrical equipment was designed in this paper. The influence of moisture on the capacity of partial discharge caused by metal protrusions defects and content variation of SOF2、SO2F2、SO2、CO2was observed in detail. The results indicate that average and overall discharge capacity decrease first and then increase with the increase of volume fraction of moisture. H2O will promote the formation of all the four gas-decomposition products, with a stronger influence on the sulfur-containing products than CO2. Besides, the value ofφ(SOF2+SO2)/φ(SO2F2) maintains stable with the variation of moisture, about 3-4 after 9h. The value ofφ(SOF2+SO2+SO2F2)/φ(CO2) presents an overall increasing trend with moisture content and ultimately increases to a stable value about 2.5-3 under low moisture condition. Thus, the detection method of SF6decomposition products should take into account the moisture content.

SF6gas-insulated electrical equipment; decomposition characteristics; decomposition products; moisture

10.7652/xjtuxb201603018

2015-07-04。 作者简介:钟理鹏(1990—),男,博士生;汲胜昌(通信作者),男,教授,博士生导师。

时间:2015-12-28

http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20151228.1956.010.html

TM835.4

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:0253-987X(2016)03-0112-09