压气缸压气不足SF6断路器开断电流后气体分解产物特性研究

庞先海， 王 潇， 修士新， 景皓， 孙志恒

(1.国网河北省电力有限公司电力科学研究院，石家庄 050021；2.西安交通大学 电气工程学院，西安 710049)

0 引 言

以SF6气体为绝缘介质和灭弧介质的电气设备如SF6高压断路器、GIS等在高电压领域应用广泛，但由SF6气体绝缘设备内部缺陷、故障引起的事故也随之增多，因此寻找有效评估内部状态的方法显得尤为重要。SF6电气设备缺陷及故障下分解产物会发生改变，SF6的气体分解产物与电气设备运行状态密切关联[1-5]，因此进行SF6断路器灭弧室内部的不同故障缺陷条件下分解产物种类及其特性研究，对SF6电气设备的缺陷与故障的预防及诊断具有重要意义。

目前已有研究主要针对SF6气体在电弧、放电和受热情况下的分解问题[6-9]。例如F.Y.Chu等人研究了电弧作用下SF6气体的分解产物[10]。M. Piemontesi等人研究了电晕放电条件下SF6气体分解产物[11]。有学者研究了在局部放电、火花放电以及过热等故障条件下气体分解产物[12-15]，而对SF6气体设备常见的其他故障缺陷类型研究较少。

断路器在分闸时由提升杆带动压气缸高速运动，运动过程中，一方面压气缸内的SF6气体被压缩增压，另一方面，利用电弧产生的能量对压气缸内的SF6气体增压。断路器分闸过程中，高速的SF6气体通过喷口将气流聚集，吹向电弧，高速运动的气体能够带走电弧产生的热量，以便有效地对电弧进行冷却，同时高压力使得SF6气流绝缘强度增大，能够更好地阻止电弧复燃。

当断路器压气缸出现故障，压气缸在分闸时压气不足，会导致压缩的SF6压力不足，致使断路器开断能力下降，甚至出现更加严重的故障诸如开断失败，造成事故范围的扩大，对电网的安全稳定运行产生不利影响。因此对压气缸压气不足缺陷下的SF6断路器开断电流后气体分解产物特性进行实验研究非常有意义。

本文通过建模仿真模拟了压气不足缺陷下压气缸内气压的变化，并与压气缸正常情况下进行了对比，继而确定了压气不足的缺陷设置方法；随后通过对40.5 kV SF6断路器进行电流开断实验，对设置了压气缸压气不足缺陷的断路器和压气正常的断路器在电流开断后的气体分解产物进行测量分析，探究灭弧室内气体分解产物的种类、含量及其随燃弧能量等的变化规律，将两种情况下的实验结果进行对比分析，探究压气不足对分解产物的影响。

1 实验平台及研究方法

1.1 压气缸压气不足仿真模拟及缺陷设置

为研究断路器在压气缸故障(压气不足)条件下开断电流后气体分解产物的变化规律，本文采取的办法是在压气缸上钻孔的方式来体现压气不足。对断路器压气缸进行三维建模，采用Fluent软件进行仿真分析，定量分析开孔后断路器断开过程中，压气缸气压的变化。

对压气缸按实际尺寸进行建模，压气缸高度为100 mm，直径为75 mm，模型建立时，在压气缸上预留两个圆孔，圆孔直径为10 mm，进行气流场仿真分析，在仿真压气缸正常状态时将预留圆孔边界条件定义为壁面，模拟压气不足时用排气孔进行定义。

首先对断路器压气缸正常状态下开断过程中压气缸压缩过程进行仿真分析，根据实际断路器参数，设置压气缸内初始气压为0.60 MPa，断路器行程为68 mm，在活塞运行30%行程后喷口打开。在此条件下进行气流场分析，得到喷口打开时刻气缸内气压分布如下图1所示，由气压分布图可见，由于气缸压缩，在喷口打开时刻，压气缸内气压介于0.96 MPa和0.98 MPa之间，靠近活塞处压力最大。

对钻孔的压气缸进行仿真，其他参数不变，喷口打开前气压分布如图2所示，可见，压气缸内部压力最大值为0.76 MPa左右，排气孔处气压与压气缸外气压接近，约为0.60 MPa。

钻孔后的压气缸在压缩过程中部分气体通过圆孔吹到压气缸外，气体流速如下所示，由图3可见，压气缸钻孔后，会有气体从钻孔处喷出，在气孔处喷出气体速度可以达到20 m/s以上。

图1 正常开断喷口打开时刻气压分布Fig.1 Pressure distribution when the spout is open in a normal breaking

图2 故障开断时喷口打开时刻气压分布Fig.2 Pressure distribution when the spout is open in a fault breaking

图3 故障开断喷口打开时刻速度矢量图Fig.3 Speed vector illustration when the spout is open in a fault breaking

通过图1与图2对比发现，压气缸钻孔后，在活塞压缩过程中，气体从开孔处流出，压气缸内气体压力明显下降，压气缸钻孔前后，喷口开断时刻压气缸内外气压差分别为0.38 MPa和0.16 MPa，可见在压气缸钻孔之后，气缸内外气压差下降为原有的42%，气体压力已明显降低。

1.2 实验平台

本文实验通过在断路器的压气缸上钻2个直径为10 mm圆孔以模拟压气缸压气不足故障，在压气缸上部钻一个孔，另一个孔位于该孔对侧。对设置好缺陷的断路器和正常断路器通过高压合成回路提供开断电流，在断路器上进行电流开断实验，实验后对分解产物进行研究。

本实验选择额定电压为40.5 kV、额定电流为2 000 A的户内罐式SF6断路器，额定工作气压为0.60 MPa，额定开断电流为36 kA，断路器内部安装分子筛吸附剂。

利用高压合成回路进行了40.5 kV断路器的开断电流实验。该合成回路由L1、C1构成的单频振荡电流源提供短路电流，图4为实验回路原理图，振荡频率为50 Hz，L2、C2振荡形成施加在试品上的恢复电压。

L1、L2-电流源和电压源电感；C1、C2-电流源和电压源电容； K1-主合闸开关；K2-引弧开关；K3-辅助开关；SP-试品；R2-引弧电阻；R01、R02、C01、C02-调频电阻和调频电容；F、F1、F2-分流器；FV-分压器；D-点火球隙。图4 实验系统示意图Fig.4 Experiment system

实验中，试品SP(断路器)闭合，主回路开关K1断开，充电装置Ⅰ对电容C1充电。充电完成后闭合K1和K3，断路器直接开断大电流产生电弧。

实验时，通过罗氏线圈采集电弧电流信号，即为流过断路器的电流，同时利用高压探头检测断路器两端电压及电弧电压。利用示波器检测和记录断路器开断过程的弧压以及开断电流的波形和数据，并根据弧压和电流的有效值及燃弧时间，计算断路器开断过程的电弧能量。

通过示波器采集到的电弧电压和开断电流数据，依据下式计算燃弧能量：

(1)

式中：U为示波器采集的电弧电压数据；I为开断电流的离散数据；Δt为采样间隔；N为采样点数。

1.3 分解产物检测系统

1.3.1 检测仪器的选择及气体分解产物的定性

本实验使用采气瓶取样气体分解产物，并利用电化学传感器法和气相色谱法相结合来进行分解产物检测。

1)电化学传感器法。

电化学传感器可以对二氧化硫(SO2)、硫化氢(H2S)、一氧化碳(CO)3种分解产物进行测量。

2)气相色谱法。

采用气相色谱仪配置氢火焰离子化检测器(FID)和脉冲火焰光度检测器(PFPD)，对实验产生的SF6气体样品进行实验室检测分析。图5和图6分别为两种检测器的色谱。

图5 气相色谱仪FID检测器色谱出峰Fig.5 Chromatographed peaks of gas chromatograph FID detector

图6 气相色谱仪PFPD检测器色谱图Fig.6 Chromatograph of gas chromatograph PFPD detector

3)气体取样装置。

在开断实验后，将气室内待测气体取样，在气相色谱仪上进行化验，本实验使用采气瓶来采集断路器内开断后的SF6气体分解产物的样气。取气瓶实物图重8.0 kg，采气瓶体积约为0.7 L，在使用后需对气瓶进行抽真空处理。

1.3.2 气体分解产物的定量

本文选择外标法对SF6气体分解产物进行定量，分别对各个浓度的标气进行相同条件下的色谱分析，测得各个浓度下标气的色谱峰面积，然后以色谱峰面积平方根为横坐标，浓度含量为纵坐标，在色谱的线性范围内拟合出该气体组分的标准曲线。图7所示为拟合后某种气体组分的标准曲线，图中的点即为某个浓度标气所测量的色谱峰面积平方根对应浓度在曲线上的定位。

图7 气体组分的标准曲线Fig.7 Standard curve of gas composition

图7中标准曲线可以用如下公式表示：

Ci=α+KiAi。

(2)

式中：Ci为i组分的浓度；α为气体组分标准曲线截距；Ki为标准曲线斜率；Ai为i组分色谱峰面积平方根。

实验过程中，可得气体成分的气体色谱的峰面积，根据标准曲线表达式计算出相应的浓度。表1是本文中在相同实验色谱条件下的部分气体分解产物的截距和斜率。

表1 部分气体分解产物PFPD、FID标准曲线的截距和斜率

2 实验结果与分析

2.1 分解产物种类及其含量随时间变化规律

对压气缸钻孔的断路器进行电流开断，控制断路器内SF6气体的空气和水分含量在正常范围内，安装吸附剂，在额定气压0.6 MPa下进行开断实验，开断电流范围在6.2 kA～13.9 kA之间，在电化学传感器和气相色谱上检测到的分解产物有CO、CO2、CS2、SO2、SOF2。开断后在不同时间点对气室内气体进行采样测量，在每次气体分解产物检测完成后对断路器内气体进行更换，再进行下一次电流的开断。

下面以开断电流为7.3 kA的情况为例具体介绍分解产物随时间的变化规律。

图8所示为开断电流为7.3 kA时的开断电流和电弧电压波形图，电弧在第二个半波内被引燃，在第三个半波内熄灭，燃弧时间为10.8 ms，通过公式(1)计算得到此次燃弧的电弧能量为1.71 kJ。

1-开断电流波形5.00 kA/div；2-电弧电压波形200 V/div图8 7.3 kA开断的开断电流和电弧电压波形Fig.8 Waveform of breaking current and arc voltage at 7.3 kA

开断后立即对断路器分解产物在电化学传感器检测仪上进行测量，未检测到灭弧室内分解产物，说明在开断后瞬间，灭弧室内气体尚未扩散至断路器取气孔。在开断0.5h进行测量，检测到含量为1.7 μL/L，随后在开断后不同时刻对气室内分解产物进行测量。如图9所示为电化学传感器检测仪检测到的SO2含量在开断后不同时刻的变化趋势，可以看出，SO2含量在1.5 h时达到最大值，在1.5 h到6 h过程中，SO2含量稳步下降，6 h后由于吸附剂的吸附作用，SO2含量降低为零。

图9 电化学检测到的SO2含量变化曲线Fig.9 SO2 content curve detected by electrochemical sensor

图10是分解产物SO2含量变化率随时间变化曲线。由图可以看出，在开断电流后0.5 h时，SO2增长率最大，达到3.4 μL/Lh，1.5 h内SO2的增加速度逐渐减小，随后变化率变为负值，SO2含量逐渐下降。

图10 SO2含量变化速率随时间变化曲线Fig.10 SO2 content rate varies with time

开断后在气相色谱PFPD检测器上检测到的分解产物有CS2、SO2、SOF2，FID检测器上检测到CO、CO2。对气相色谱仪上检测到的不同时刻的分解产物的含量作图，如图11所示。图中SO2和SOF2的含量采用峰面积平方根进行表示是因为在PFPD检测器的气相色谱上两者的出峰时间接近，难以区分，同时又难以确定气体组分内两者的含量比例，难以对二者含量进行定量，而采取和含量成正比的峰面积平方根数据予以表示。

从图11可以看出，分解产物SO2、SOF2、CS2、CO2含量在开断后随时间先增加，在3 h之后，相关物质产生减弱，由于吸附反应，含量逐渐降低并达到稳定值。分解产物CO在开断后逐渐增加，3 h后基本稳定，这是由于CO相对稳定，对吸附剂不敏感。

图11 气相色谱检测到的分解产物含量变化曲线Fig.11 Changes in the content of decomposition products detected by gas chromatogram

2.2 开断后分解产物形成过程机理分析

由以上分解产物种类及其含量随时间变化规律的研究可知，开断后检测到的主要气体成分有SO2+SOF2、CS2、CO、CO2，这些气体产物主要来自于以下反应过程：

开断电流过程中伴随巨大能量的短时释放，电弧区域附近温度很高，SF6的S-F键在高能电子作用下发生断裂，产生低氟化物和氟原子，反应如(3)所示，气体中杂质也会在高温作用下发生分解，即

SF6→SF4+2F→SF2+4F→S+6F，

(3)

O2→2O;H2O→H+OH。

(4)

在电弧熄灭后，电弧周围持续高温，SF6离解物与气体中杂质发生反应生成相关产物，如下式：

SF4+H+OH→SOF2+2HF,

(5)

SOF2+H2O→SO2+HF，

(6)

SF4+H2O→SOF2+2HF，

(7)

2SF4+O2→2SOF4，

(8)

2SOF4+H2O→2SOF2+2HF。

(9)

开断电流产生的巨大能量使得电弧附近温度迅速升高，周围环境如绝缘介质中含有的碳元素会与分解产物发生反应，生成CO、CO2、CS2，即

C+H2O→CO+H2，

(10)

2C+O2→2CO，

(11)

C+O2→CO2，

(12)

C+S→CS2。

(13)

随着电弧熄灭，电弧附近温度降低，大部分低氟化物与F原子发生复合，生成SF6，即

S+6F→SF2+4F→SF4+2F→SF6。

(14)

2.3 燃弧能量对分解产物的影响

本节通过对多次开断实验结果进行汇总，计算不同开断电流下的燃弧能量，将不同燃弧能量下的分解产物含量汇总并进行对比。

开断后FID检测器检测到CO和CO2含量最大值随燃弧能量变化关系分别如图12和图13所示，可以看出随着燃弧能量的增加，分解产物CO和CO2含量增加。

气相色谱仪PFPD检测到的SO2+SOF2的混合气体含量在不同燃弧能量下随时间变化如图14。

图12 气相色谱检测到的CO含量随燃弧能量变化Fig.12 Changes in the content of CO with arc energy detected by gas chromatogram

图13 气相色谱检测到的CO2含量随燃弧能量变化Fig.13 Changes in the content of CO2 with arc energy detected by gas chromatogram

图14 不同燃弧能量SO2+SOF2含量随时间变化Fig.14 Content of SO2+SOF2 varies with time at different arc energy

从图14可以看出，随着燃弧能量的增加， 分解产物SO2+SOF2的含量随之增加。取各此开断后SO2+SOF2的峰面积平方根最大值，作图可以得到下图15。可以看出，在燃弧能量为1.71 kJ～6.50 kJ范围内，开断后气室内分解产物SO2+SOF2的含量最大值近乎呈直线增加，在燃弧能量大于7 kJ以后，分解产物SO2+SOF2增长速度放缓，随着燃弧能量增加。

图15 SO2+SOF2含量随燃弧能量的变化Fig.15 Content of SO2+SOF2 varies with arc energy

电化学传感器测得的不同的燃弧能量下SO2组分含量变化如图16所示。由图16可以得到，不同电流等级的分解产物变化趋势是相同的，分解产物在开断后1.5 h～2 h内增加很快，在1.5 h～2 h左右达到最大值，随后开始下降，在6 h后下降到比较低的值稳定。

图16 不同燃弧能量SO2含量随时间变化Fig.16 Content of SO2 varies with time at different arc energy

综上，在压气缸压气不足时，开断后的分解产物SO2+SOF2、CO、CO2均随燃弧能量的增大而增加。这是由于燃弧能量增大时，电弧周围温度高，从而加剧了分解产物的反应，分解物增多。

2.4 压气缸压气不足与压气正常实验结果对比研究

通过压气缸压气不足与压气正常的实验结果进行对比发现，两种情况下开断电流后，气体分解产物的种类相同，气室内均检测到CO、SO2、SOF2、CO2、CS2，且压气缸压气不足和压气缸正常条件下开断后的分解产物变化趋势一致，均在1.5 h左右其含量达到最大值，随后逐渐下降。

控制其他实验条件相同，在压气不足和压气正常情况下进行实验。开断后气相色谱仪检测到的CO含量最大值随能量变化如图17所示。

图17 压气不足与压气正常CO含量随燃弧能量的变化Fig.17 Content of CO varies with arc energy at pressure insufficient fault and normal conditions

对比发现，压气缸压气不足与压气缸正常状态时CO含量均随着燃弧能量的增加而增加，在压气缸压气不足时，开断电流后气室内分解产物CO含量比压气缸正常时低，在燃弧能量为4 kJ时，压气缸压气正常时检测到的CO含量为5 μL/L，在压气缸压气不足时检测到的CO含量仅为1 μL/L，在压气缸压气不足时，CO含量约为压气正常时含量的20%。

压气缸在正常状态和压气缸压气不足状态下的分解产物SO2含量与燃弧能量变化对比见图18，压气缸压气不足的SO2含量比压气缸正常情况的含量低，在燃弧能量为5 kJ时，压气缸压气正常时检测到的SO2含量为18 μL/L，在压气缸压气不足时检测到的SO2含量仅为10 μL/L，在压气缸故障时，分解产物SO2含量降至压气缸正常时的56%左右。

在压气缸压气不足时，开断电流产生的分解产物CO、SO2含量比压气正常时减少。这是由于在断路器压气缸压气不足时，压气缸内的气体在开断过程中气压比正常时小，吹弧速度慢，流过电弧周围的气体总量减少，相关生成分解产物的反应减弱。

图18 正常条件下与压气缸故障下的SO2含量对比Fig.18 Comparison of SO2 content between pressure insufficient fault and normal conditions

3 结 论

本文以40.5 kV SF6断路器为试品，设置断路器压气缸压气不足缺陷，通过对缺陷条件下的气体分解产物进行定性定量分析，研究压气缸压气不足情况下开断电流后气体分解产物的变化规律，并与压气缸正常时实验结果进行对比分析，得到结论如下：

1)断路器电流开断后气体分解产物主要有CO、CO2、CS2、SO2、SOF2；分解产物SO2、SOF2、CS2、CO2含量在开断后随时间先增加，在2 h之后，产物含量减少，由于吸附反应，含量逐渐降低并在6 h后达到稳定值；而CO对吸附剂不敏感，CO在开断后逐渐增加，在达到最大值后含量趋于稳定，这是由于断路器内吸附剂主要为碱性吸附剂，对CO2、CS2、SO2、SOF2具有吸附作用，而CO对吸附剂不敏感；对比多次开断测量结果，发现分解产物含量随着燃弧能量的增加而增加。

2)对比压气缸压气不足与压气缸正常状态时开断实验结果发现，开断后检测到的CO、SO2含量比压气缸正常时的含量低。在断路器压气缸压气不足时，会使断路器的额定开断能力下降，在开断小电流时，由于压缩气体压力不足，流过电弧周围的气体总量减少，发生反应生成分解产物进程减弱。

(3)由于实验在实验室内进行，断路器开断电流并未达到断路器满容量时的开断电流，断路器能够在电流过零时刻开断，实际运行中，断路器达到较大开断电流时，压气缸气吹压力不足，会影响到SF6电气设备的气体绝缘水平，导致绝缘性能减弱，可能导致开断失败。