SF6分解产物产生机理和影响因素研究

付丽君，关艳玲，王 晗

(国网黑龙江省电力有限公司电力科学研究院，哈尔滨 150030)

0 引 言

中国电网中普遍应用的气体绝缘开关设备包括GIS、SF6断路器、SF6混合气体开关等[1]。缺陷诊断是确保电网安全运行的关键措施之一，大量的事故统计分析表明：设备内部绝缘件缺陷是设备运行故障的重要来源。运行开关设备内部固体绝缘件出现的缺陷是动态发展的，甚至引起绝缘劣化，缺陷发展的不同阶段，绝缘件会产生不同的气态或固态分解产物。

放电和过热是SF6设备常见的两种主要故障，一般情况下，SF6设备不会产生具有毒性的气体，但是当SF6设备出现故障后，大量具有毒性的气体会伴随着一系列化学反应的发生而产生，比如，大量的硫化物会在绝缘材料高温热解时产生，因此，设备在使用过程中，需要实时监测SO2含量及SO2的浓度总量。当故障初现时，设备不会产生大量的SO2，SO2的浓度是随着分解物的增多而上升的[2-3]，所以分析开关设备内部绝缘件在局部放电、异常受热下的分解产物产生机理及影响因素，对设备运行管理具有重要的指导意义和参考价值。

1 开关设备内部绝缘件缺陷的分解产物特征组分

当SF6开关设备内部绝缘件出现缺陷时都会产生分解产物特征组分，比如盆式绝缘子沿面放电、机械裂纹、异常发热、绝缘拉杆的沿面放电、绝缘件出现微粒放电、裂纹放电和异常发热过程。

1)GIS盆式绝缘子不同缺陷产生的SF6气体分解产物有以下特点：绝缘沿面和尖刺放电缺陷均产生较大含量的CO2和SOF2，及稍少含量的CO和SO2F2；绝缘沿面缺陷均产生了SO2F2和COS，采用铁电极产生了较大含量的CF4和较小含量的CS2；绝缘缺陷产生的组分多、含量高，采用铁电极产生的气体成分及含量比铜电极产生的多。

2)GIS内部绝缘件裂纹和沿面放电时分解产物特征组分情况：铝填料绝缘盆子与SF6气体发生反应的临界温度应不高于140 ℃；SO2、H2S、CO2含量在试验前期保持稳定，试验进行到某个临界点时，会呈现明显的增长趋势，应是判断该反应的表征物质，此外C2F6可能在该工况的早期对其有响应，SO2F2也可能是该反应的表征物质之一。

3)硅填料盆式绝缘子在稳态电流下的异常发热过程分解产物特征组分：硅填料绝缘盆子与SF6气体发生反应的临界温度不高于221 ℃；SO2、CO、CO2含量在试验前期保持稳定，试验进行到某个临界点时，会呈现明显的增长趋势，是判断该反应的表征物质，此外C2F6在该工况的早期对其有响应，CS2也可能是该反应的表征物质之一。

4)绝缘件微粒放电分解产物特征组分：自由微粒放电缺陷下，CO2、SOF2和SO2F2为自由微粒放电缺陷下的主要特征分解产物，SO2随着放电的进行并没有明显的变化。同样条件下的两种自由微粒放电分解产物种类相同，含量变化均呈增加的趋势，但同一种产物在两种几乎同样的条件下其产值却有较大的差别，这是由于自由微粒放电存在较大的分散性所致。CO2可能来自于不锈钢电极，也可能是环氧树脂绝缘材料在局放过程中释放出的活性C原子与杂质O或H2O反应得来。两种含硫产物中SOF2的产物浓度高于SO2F2，SOF2可能主要由SF4水解生成，而SO2F2的生成可能主要是由SF2与O2反应得来。固定微粒放电下的分解产物中除了有CO2、SOF2和SO2F2生成以外，还检测到了一种新的产物CF4，并且CF4是在固定微粒放电下放电电压较高时产生的，因此推断C来自于环氧树脂绝缘材料的裂解。

2 绝缘件缺陷下分解产物的产生机理

2.1 局部放电缺陷

美国学者R. J. VanBrunt等人提出的“区域反应模型”对SF6的局部放电分解机理的解释更加有帮助，具体如图1所示。SF6气室内的放电区域主要包括三个区域：辉光区、离子漂移区以及主气室。可以看出，三个区域存在的物理化学过程存在明显差异[2,4-6]。SF6分解成初级产物SFx的过程主要发生在辉光区。初级分解产物SFx(x=1,2,…5)中，SF5和SF3等不稳定，而SF2和SF4具有对称结构，相对稳定，所以SF4和SF2为辉光放电区内SF6的主要分解产物。而SF6分解生成SF4所需的能量较生成SF2的低，所以SF4含量更大。SF5虽然不稳定，但是SF6最容易分解为SF5，而SF5会反应生成SOF4，进一步生成SO2F2，所以SF5的生成也会影响SO2F2的生成。在主气室内主要是SF4、SF2和SOF4等与水分氧气的杂质反应，生成较稳定的分解组分SO2F2和SOF2等，SO2F2和SOF2是局部放电作用下SF6分解生成的主要稳定产物。

图1 局部放电下SF6气体分解机理

如果放电区域周围存在含碳材料(如不锈钢金属电极、固体绝缘材料等)，气室中的F原子和O原子还会与含碳材料释放出的C原子发生反应，生成CF4和CO2等产物[4-6]。在高温条件下，C原子还会和CO2反应生成CO[7]。

2.2 异常发热缺陷

SF6气体在正常条件下具有热稳定性，同时在500 ℃以下不活泼，但是即使电气设备是在常温中运行的，在GIS设备内部也会产生一些高温点。这些点的出现是由于能量需求的增加或者是电气接触不良，如果这些点在局限的区域内其温度在200 ℃附近甚至更高时，SF6气体会与一些金属发生反应，生成金属氟化物和金属硫化物等产物。SF6分子通过热作用的助力开始分离，金属、有机绝缘材料、水分或者氧气等会与SF6反应产生分解产物，除了氟化物和硫化物在金属外壳表面形成外，还发现了气体分解组分SO2，水分对于SO2的形成具有显著的影响[8]。温度未达到300 ℃时，金属和有机材料的表面受到侵蚀，主要原因是碳或硫的氧化物与SF6气体发生反应。温度达到350 ℃时，产生大量SO2气体。温度达到400 ℃时，开始产生 H2S气体，450 ℃时，HF和SOF2是主要产物，600 ℃是SF6气体分解临界温度，此时，分解产物主要是SF4和SF2[9]。有机材料与S接触时通常会产生H2S气体，高温会对反应起到催化加速的作用。

相比于金属性过热，固体绝缘件过热所产生的气体分解产物种类、数量都与金属性过热下有明显的差异。金属性过热下，主要气体分解产物为SOF2、SO2、CO和CO2。其中CO和CO2中C的来源为高温下不锈钢表面释放出的活性C，而在固体绝缘件过热下，不仅SF6气体参与到了过热分解的反应当中，而且高温下固体绝缘件的裂化和分解也导致了分解产物的多样性，除了包含大量的SOF2、SO2、CO和CO2，还有新的气体产物生成，如CH4、H2S、COS以及CF4。

3 绝缘件缺陷产生分解产物的影响因素

3.1 局部放电缺陷

固定金属微粒放电下气压对SF6分解产物的影响，如图2所示。可以看出，高压强下，SF6气体局部放电起始电压升高，不利于电晕的产生，限制了放电能量，分解产物产量相应减小，CO2、CF4、SOF2+SO2和SO2F2的产量均随气压的增加而降低。

图2 局部放电下气压对分解产物的影响

3.2 异常发热缺陷

在绝对压强为0.5 MPa，过热故障温度为300 ℃，无吸附剂的条件下进行固体绝缘件过热下SF6分解实验，并保持气室内初始含水量一致。对比0.3 MPa和0.5 MPa下各分解产物产量，可以发现各项分解产物H2、CO、CH4、CO2、H2S、COS、SOF2+SO2的产量均随着气压的增加而增加。此外，当SF6压强增大时，还检测到了新的生成产物CS2。

3.3 吸附剂对分解产物检测的影响

为吸附SF6气体中的水分、杂质和分解产物，一般在SF6电气设备中装有吸附剂，这样会对设备故障的判定产生影响。理想状态下，吸附剂KDHF-03对SF6分解产物中的SO2和SOF2气体的吸附速率会随着时间的推移逐渐减小，最后趋于零。分析可能原因：

1)容器内气体分子数量随着吸附剂作用时间延长而减少，分子运动速度变慢，离吸附剂较远的气体分子移动到吸附剂附近需要一定时间，导致分解产物的含量下降速度变慢；

2)吸附剂的吸附能力随着吸附时间和吸附SO2气体浓度的增加而减弱[10]；

3)当吸附剂吸附一定量的SO2以及SOF2气体后肯定会达到饱和状态，或者将SO2以及SOF2气体完全吸收[11]。

4 结 语

SF6开关设备的盆式绝缘子绝缘沿面、机械裂纹、异常发热、绝缘拉杆的沿面放电、绝缘件出现微粒放电、裂纹放电和异常发热过程都会产生内部绝缘件缺陷的分解产物特征组分。阐述了局部放电缺陷和异常发热缺陷时的分解产物的产生机理。分析了局部放电缺陷、异常发热缺陷、吸附剂对分解产物的影响。