SF6气体密度继电器阻尼油劣化缺陷原因分析

曾晓亮，张 力，安 政，田倩倩，耿 植，兰新生，刘 曦，王志高，张忠伟，李成辉

(1. 国网四川省电力公司电力科学研究院，四川 成都 610041; 2. 国网四川省电力公司巴中供电公司，四川 巴中 636000;3. 国网四川省电力公司自贡供电公司，四川 自贡 643000; 4. 四川大学分析测试中心，四川 成都 610064)

0 引 言

六氟化硫（SF6）是一种强电负性气体，具有良好的电气绝缘性能及优异的灭弧性能，其作为绝缘介质已经广泛应用于高电压、大容量电力设备中，如断路器、电流互感器和气体绝缘组合电器（GIS）等[1-3]。在SF6电气设备中，SF6气体的密度对其绝缘强度和灭弧性能起决定性作用，一旦出现泄漏，密度随之下降，设备的耐压强度和断路器的开断容量等都会严重劣化，可能造成接地或其他绝缘故障[3-4]。

SF6气体密度继电器是监测已投运电气设备内SF6气体密度的唯一元件，对保证运行开关设备和电力系统的安全运行具有重大意义[5-7]。因此，各级标准中均明确规定，应定期对其进行校验，确保其正常工作[8-10]。然而SF6气体密度继电器例行试验周期长，部分运行维护人员对SF6密度继电器的重要性认识不足，不能及时发现相关故障和缺陷，严重影响高压电气设备和电力系统的安全运行[11-13]。

本文介绍了一起110kV GIS SF6气体密度继电器触点回路故障，分析了发生该处缺陷的主要原因，提出了检测该缺陷的方法措施，并给出设备运行维护建议。

1 故障概况

2020年11月，国网四川省电力公司某供电公司在某110 kV变电站例行检修过程中发现某品牌充油型SF6气体密度继电器存在缺陷，当SF6气压降至告警压力值和零表压值时，不能正常发出告警及闭锁信号。经现场校验排查，共发现19只密度继电器存在相同缺陷。据悉，此批次密度继电器于2012年12月投运，运行年限8年。该套GIS设备运行期间，除发生一次刀闸气室与断路器气室之间的盆式绝缘子漏气缺陷及断路器机构箱漏水缺陷外，未发生过其他严重缺陷。2014年首检及2015-2020年定期状态评价均为正常状态。

2020年12月，国网四川省电力公司对辖区内供电公司及检修公司的相同品牌SF6气体密度继电器进行缺陷排查。截止2021年4月，共计发现七个供电公司11个变电站451只密度继电器存在上述缺陷。

2 试验诊断

2.1 宏观检查

如图1所示，密度继电器外观完好，顶部注油口螺帽紧闭无松动，触点引出线端子外观良好，无明显锈蚀痕迹。随着SF6压力变化其指针指示值变化平稳、无卡滞，且指针均能归零。对其二次回路检查，未发现接线错误且电缆芯线无松动和断线问题。然而，在零表压状态下，用万用表对所有密度继电器触点引出线进行检测，均不能接通。因此可推断缺陷来自密度继电器内部触点回路故障。

图1 密度继电器外观（A）及接线端子（B）

2.2 解体分析

对取回的故障密度继电器进行解体分析，如图2所示。旋开顶部螺帽，经泵将填充的阻尼油抽出并储存于玻璃注射器内，避光常温保存。取下面罩检查，内部元件完好无损，触点处于闭合状态，触点引线连接紧固，但金属触点及支架表面积聚有大量沉积物（其中A为控制回路，B为金属触点，C为金属支架，D为阻尼油，E为清洗后的金属支架，对其取样并避光常温保存，如图2所示。

图2 密度继电器解体图片

清除触点表面的沉积物后，再进行触点通断检测，均能正常接通。此外，还可观察到阻尼油为绿色透明液体，其中有少量絮状杂质（图2（D）），触点及金属支架表面有少许金属锈蚀痕迹（图2（E））。

随后，对其他故障密度继电器进行了同样拆解步骤，并对触点电阻及通断情况进行了测试。选取一只正常密度继电器为对照组，对其余故障密度继电器内部触点不通进行深入分析。根据金属支架表面沉积物不同情况以及阻尼油颜色等，共选取具有代表性的3只故障密度继电器进行后续实验及分析，解体情况如表1所示。

表1 对照组（1号）及三只故障密度继电器解体情况

2.3 化学成分分析

阻尼油在使用过程中受到光、电、热、氧气、水分、酸和金属离子催化等作用，将会加速其氧化变质产生油泥以及引起金属元件的腐蚀[13-14]。油品的氧化过程是其和氧作用的一个复杂过程，氧化的结果是产物分子量不断增大，结构也趋向复杂，最终形成胶质、油泥、积碳等沉淀物[15-16]。为深入分析故障密度继电器阻尼油变质及产生沉积物的原因，进行了微水、酸值等指标以及化学成分分析，结果如表2所示。

表2 阻尼油理化指标及化学成分分析

表2结果表明，与1号油品相比，2-4号油品的微水、酸值和铜离子含量均明显偏高。2-4号油品微水含量虽然相对较高，但都符合NB/SH/T 0454—2018《特种精密仪表油规范》和 SH/T 0138—94《10号仪表油》的油品质量要求。然而，2-4号油品中酸值约 2 mg KOH/g，为规定值的10～100倍，均严重超标。由于SF6气体密度继电器内阻尼油相关研究数据较少报道，而变压器油的成分分析较为成熟，因此借鉴相关分析方法进一步对比研究。其中，运行中变压器油酸值≤0.10 mg KOH/g[17]，当酸值升到 0.2 mg KOH/g以上或 pH值＜3.8时，油质劣化显著，会有较多油泥产生。因此，阻尼油的酸值严重超标，可能是加速沉积物产生的主要原因。此外，油品中的酸值含量较高，将会对金属支架及金属触点材料产生一定腐蚀（图2E），因此2-4号油品中铜离子含量明显增加。

红外光谱及紫外可见光谱进一步证实了3号油样的老化变质，如图3所示。其中在1 717 cm–1处强的红外吸收峰为羰基的吸收峰，表明油品中可能存在有机酸等物质；3号阻尼油截止吸收波长红移近100 nm且在585～650 nm之间有一紫外吸收峰，导致3号油样呈现绿色，发色物来源可能为阻尼油中添加的抗氧化剂的氧化产物[18]。

图3 1号和3号阻尼油的光谱表征

油泥经溶剂清洗、真空干燥后，采用X射线光电子能谱（XPS）测试其金属元素种类及含量。测试结果表明油泥中含有微量的铜等金属，与油品中金属元素测试结果一致，进一步证实了酸腐蚀金属触点及铜合金支架产生铜等金属离子，加速了油品的老化变质和沉积物的产生。

3 故障原因分析

本次发生缺陷的SF6气体密度继电器，采用内部灌装阻尼油的方式对其内部元件进行减振。通过解体分析和化学试验，结果表明阻尼油在运行过程中可能受到光、热和受潮等因素影响，导致其酸值严重超标（约10～100倍），油中酸进一步腐蚀金属触点和支架产生了痕量铜离子。在酸和痕量金属离子的催化作用下，加速了阻尼油的老化以及沉积物的产生。此外，金属触点间的直流电场加速了沉积物在触点表面的聚集，导致触点电阻急剧增加，阻断发出告警及闭锁信号。

4 结束语

本次SF6气体密度继电器触点回路故障，暴露出充油抗振型密度继电器在阻尼油劣化的情况下，会发生因触点表面积聚沉积物而不能正常发出低气压告警信号的缺陷。由于早期的SF6气体密度继电器多采用内部充阻尼油的措施来抗振，电网中还可能存在类似的潜伏性缺陷，对电网的安全运行有较大的威胁，因此提出以下处理建议和改进措施：

1）建议对所有充油抗振型SF6密度继电器的触点导通情况进行一次专项排查，对存在问题的密度继电器更换成无油型密度继电器，对暂时不存在问题的密度继电器加强运行监督。

2）加强对SF6气体密度继电器的运行和检修管理，严格按照周期及校验项目对其进行定期校验。

3）在检修周期制定上，统筹考虑断路器安装环境情况（如户外），优化断路器检修周期，同时将SF6气体密度继电器更换纳入断路器中期检修管理。