不同吸附剂对GIS局部放电特征气体变化规律的影响

乔胜亚　周文俊　唐　念　郑　宇　李　丽

(1.武汉大学电气工程学院　武汉　430072 2.广东电网有限责任公司电力科学研究院　广州　510080)



不同吸附剂对GIS局部放电特征气体变化规律的影响

乔胜亚1周文俊1唐念2郑宇1李丽2

(1.武汉大学电气工程学院武汉430072 2.广东电网有限责任公司电力科学研究院广州510080)

为提高化学诊断法用于气体绝缘组合电器(GIS)绝缘状态判断的准确度，需评估吸附剂对GIS内局部放电产生的特征气体的吸附特性影响。在小型模拟试验平台上设置针-板电极放电模型，研究了不放置吸附剂、分别放置5A、F-03和KDHF-03吸附剂时GIS局部放电特征气体的变化规律。试验结果表明：加入吸附剂后，SO2、SOF2、SO2F2、HF四种主要特征气体的含量有不同程度下降；5A型吸附剂对SOF2、SO2F2的吸附能力明显弱于F-03和KDHF-03；3种吸附剂对SO2、HF的变化规律影响基本一致，吸附剂存在时SO2的含量处于定量限范围，且对HF的吸附率均超过96%。诊断特征量C(SOF2)/C(SO2F2)可有效降低利用化学诊断法进行GIS绝缘状态评估时吸附剂类型带来的干扰。

化学诊断法气体绝缘组合电器局部放电特征气体吸附剂

0　引言

气体绝缘组合电器(Gas Insulated Switchgear，GIS)因其占地面积少、运行噪声小以及可靠性高等突出优点被广泛应用于高压、超高压领域[1]。GIS在制造和装配过程中难免遗留隐藏缺陷，如固定突起、盆式绝缘子粘附金属粉末等[2]。部分缺陷在常规试验中很难发现，投运后缺陷会逐步发展，并伴随着局部放电[3，4]。长期的局部放电会进一步引发绝缘崩溃和设备击穿[5，6]。

目前，国内外对GIS内部绝缘状态的评估主要通过局部放电检测得以实现[7]。局部放电检测方法主要有电气法和化学诊断法[8]。化学诊断法通过检测局部放电过程中GIS内复杂的化学反应产生的特征气体组分和含量进行放电类型识别和放电程度判断[9]。与电气法相比，化学诊断法因具有不受电磁噪声和振动干扰、可检测间歇性放电和定位故障气室、适用于过热性故障诊断等一系列优点得到广泛应用[10，11]。但是，化学诊断法在推广应用过程中也会受到一些因素的干扰，如吸附剂对局部放电特征气体的吸附作用，气室内SF6气体压力、微水、微氧含量差异等[12，13]，这些因素均会对利用化学诊断法进行GIS放电状态判断和绝缘状况评估时带来一定的偏差，甚至出现误判。

GIS中放置吸附剂的主要目的是吸附水分和SF6因放电或过热而分解产生的有毒气体，保证运行检修人员的安全[14]；另一方面，SF6分解产物中SO2、SOF2、SO2F2、HF、H2S、CF4、CS2等特征气体对诊断GIS内的局部放电类型和放电程度至关重要[15，16]。吸附剂的存在会影响主要特征气体的变化规律[17]，不同类型吸附剂对主要特征气体的吸附能力存在差异，同一种吸附剂对不同特征气体的吸附能力也不同。因此有必要深入研究不同吸附剂对GIS局部放电特征气体变化规律的影响，建立考虑吸附剂影响的故障诊断依据。

分子筛型吸附剂因具有较强的吸附能力和吸附选择性，被大量应用于实际运行的GIS中。分子筛型吸附剂是极性吸附剂，对极性分子尤其对水具有很大的亲和力，对临界直径、形状、极性、不饱和度等不同的分子有选择性吸附能力[18]。本文选取5A、F-03和KDHF-03三种常用的分子筛型吸附剂为研究对象，通过在小型试验平台上设置针-板电极模拟固定金属突出物放电缺陷，研究了局部放电下3种典型吸附剂对SO2、SOF2、SO2F2、HF等主要特征气体的吸附作用。在此基础上提出了能有效规避吸附剂类型的影响的诊断特征量，为建立考虑吸附剂类型影响的化学诊断法流程奠定了基础。

1　试验设置

1.1模拟试验平台

如图1所示，放电气室体积为70 L，由不锈钢材料构成，其内壁喷涂Teflon涂料以防止内壁吸附SF6分解产物。气室前后两端安装石英玻璃观察窗，以便使用紫外成像仪对内部放电状况进行监测。进样口与DILO B120R21系列回收装置相连，主要完成进气、回收、抽真空操作，采样管路均采用聚四氟乙烯材料(降低管路对HF等分解产物的吸附)。采用YDTW-30 kVA/150 kV工频无晕试验变压器(额定电压下局放量小于5 pC)。试验时充入0.4 MPa的SF6气体，并按实际GIS中吸附剂用量的要求在远采样口位置放置108 g(气室内SF6总质量的6%)的吸附剂，且吸附剂使用前须放入电热鼓风干燥箱升温至550～600 ℃保温2 h活化处理，再随炉温降至室温并称重，而后迅速放入模拟试验罐，15 min内将放电气室密封完毕并开始抽真空[19]。

图1　局部放电模拟试验平台示意图Fig.1　Simulation test platform of partial discharge

各组试验中严格控制干扰变量微水在100～150 μL/L、微氧在0.025%～0.045%的较小区间内变化，试验过程中定期采集气样进行水分和SF6分解组分分析。

1.2局放监测

为研究吸附剂变量对特征气体变化规律的影响，本文通过调整电极间距、施加电压保证多组试验之间的放电程度基本一致，试验过程中通过监测脉冲电流信号(Conventional Impulse Current，CIC)反映实时放电程度。CIC信号由TWPD-2B多通道数字式局部放电综合分析仪进行监测。如图2所示，测试回路采用并联接法，其中，C0为耦合电容，Zm为局放分析仪的检测阻抗。试验前利用TWPD-02脉冲发生器进行放电量校准。分析仪检测频率为20～400 kHz，检测灵敏度为1 pC，最高采样速率20 MHz。通过数据处理单元得到放电过程中放电量、放电重复率及放电能量随时间的变化规律。

图2　局部放电监测电路Fig.2　Test circuit of partial discharge

1.3分解组分分析

本文主要采用毛细管柱/TCD-FPD气相色谱法和气相色谱-质谱联用法对含硫、含碳组分进行定性和定量分析。利用配备热导检测器(TCD)和火焰光度检测器(FPD)串联，TCD检测器适用于定量CF4和空气，FPD检测器适用于定量SO2和S2OF10等含硫分解产物。气相色谱-质谱联用法则通过将待测组分的特征荷质比与保留时间相结合，排除了SF6强背景气体对个别组分的干扰，尤其对SO2F2、H2S和C3F8等采用毛细管柱/TCD-FPD气相色谱法不能或不易分离的组分具有很好的区分效果，且能定量低浓度不含硫物质，可作为毛细管柱/TCD-FPD气相色谱法的有效补充。分解组分分析中还加入了对HF的测定，主要通过HFG-6911氟化氢在线分析仪和日本Gastec Corporation的快速检测管完成，该分析仪基于电化学传感器对HF进行定性和定量，检出限为0.1 ppm，最大测量值30 ppm，超过30 ppm部分利用快速检测管进行定量。以上几种方法可实现对SF6主要分解气体成分的准确检测。各待测组分对应的最佳检测方式如表1所示。

表1　SF6气体组分分析方法优化组合Tab.1　Optimized combination of SF6 gas compositions analysis method

2　试验结果

针-板电极局部放电模拟试验共分为气室内不放置吸附剂、分别放置5A、F-03、KDHF-03吸附剂4种工况。针-板电极距离调至11 mm，针尖曲率半径为0.2 mm，板电极直径为75 mm，每组试验持续24 h，加压方式为恒定50 kV，每2 h在线取样进行气体组分分析。试验过程中对放电状态和水分含量等其他变量进行实时监测，保证在相同条件下研究不同吸附剂对特征气体的变化规律影响。每种工况试验进行两次，两次试验的放电特征和气体分析结果保持基本一致。

2.1局放监测结果

局放仪可每秒记录一次放电数据，无吸附剂试验时典型放电量2D图及整个过程放电3D图如图3所示，可以看出放电状态保持稳定，放电相位主要在180°～270°之间，其他3组试验也保持上述趋势。将实时监测数据进行统计分析，可得到4种工况下放电量、放电重复率、放电能量的平均值变化规律，如表2所示。4种工况下表征放电程度的几个关键参数均在一定范围内变化，放电程度较强且持续稳定，重复率较好，适于研究吸附剂单一变量对SF6局部放电分解产物变化规律的影响。紫外成像仪的定期观测结果也说明了4种工况下放电程度的稳定性，放电过程中紫外光子数基本在600～800之间变化，典型的紫外成像图如图4所示。

表2　4组试验放电状态对比Tab.2　The comparison of discharge status among four groups of tests

图3　放电状态监测Fig.3　Partial discharge condition monitoring

图4　典型紫外成像图Fig.4　Typical UV image

2.2特征气体的变化规律

通过对重复性试验过程中的分解气体组分进行分析，得到不放置吸附剂及分别放置不同类型吸附剂情况下分解产物的变化规律，4种工况下均可检测到SO2、SOF2、SO2F2、HF等特征气体，不同吸附剂对主要特征气体的吸附能力也各不相同，采用吸附率这一参数表征吸附剂对各主要特征气体的吸附能力大小，吸附率为

(1)

式中，P1为不放置吸附剂时特征气体产生量，ppm；P2为放置吸附剂时特征气体产生量，ppm。

1)SOF2和SO2F2的变化规律

如图5、图6所示，无吸附剂时，SOF2和SO2F2的含量迅速增加，且SOF2的增长速率大于SO2F2；加入吸附剂后，两者的增长速率明显下降。其中，KDHF-03对SOF2吸附效果最好，F-03略弱于KDHF-03，5A对SOF2的吸附能力最差。而KDHF-03与F-03对SO2F2的吸附能力基本相同，5A对SO2F2的吸附能力明显下降。分析其原因，由于3种吸附剂的孔径均大于SOF2和SO2F2的分子动力学直径，因此，3种吸附剂主要通过物理吸附直接吸收大量SOF2和SO2F2；5A的孔径一般在0.49～0.55 nm，约为F-03和KDHF-03的1/2，所以在吸附尺寸较大的分子上KDHF-03和F-03占有明显优势。另外，SOF2和SO2F2的主要生成途径中均需要H2O的参与，如式(2)、式(3)所示，3种吸附剂较强的吸水能力在一定程度上阻断了SOF2和SO2F2的生成途径，这也是导致两者生成量下降的重要原因。

SF4+H2O→SOF2+2HF

(2)

SOF4+H2O→SO2F2+2HF

(3)

通过式(1)计算出试验结束时(24 h)3种吸附剂对SO2F2和SOF2的吸附率，如表3所示，3种吸附剂对SO2F2的吸附率均小于对SOF2。SOF2的极性较强，而SO2F2属于弱极性分子，分子筛中的结构水一般以羟基的形式与金属原子等相连。由于这些覆盖于吸附剂表面的羟基具有一定程度的极性，会优先吸附极性分子，造成了对两种分子吸附率的差异。

图5　3种吸附剂对SOF2的变化规律影响Fig.5　The influence of three kinds of adsorbents on SOF2

图6　3种吸附剂对SO2F2的变化规律影响Fig.6　The influence of three kinds of adsorbents on SO2F2表3　不同吸附剂对SOF2和SO2F2的吸附率比较Tab.3　The comparison of adsorption rates of SOF2 and SO2F2 among different adsorbents

分解产物吸附率(%)5AF-03KDHF-03SOF249.0279.0986.86SO2F240.1477.1579.07

2)SO2的变化规律

图7　3种吸附剂对SO2的变化规律影响Fig.7　The influence of three kinds of adsorbents on SO2

3)HF的变化规律

大量理论研究表明，GIS局部放电过程中会产生HF。目前，HF的生成机理研究中最为公认的是文献[20]提出的区域反应模型，如图8所示。

图8　区域反应模型Fig.8　Model of SF6 reaction in different areas

区域反应模型研究结果表明：无论在辉光放电区还是在主气室区均有多条途径生成HF，HF是一种重要的局部放电分解产物。另有研究表明，电极材料中Cu-Wu合金在放电时生成的WF6和WOF4与H2O反应也会生成HF[21]。但由于HF化学性质活泼、检测手段有限及HF腐蚀检测设备等原因，以往的试验研究对局部放电下HF这一重要分解产物的关注较少。由于HF在GIS气室内产生后会腐蚀气室内壁、盆式绝缘子等固体材料导致GIS绝缘状况恶化，实际生产中为保证SF6气体品质以及防止HF含量超标增加GIS运行风险，运行人员通过便携式装备对HF进行定期检测，而这种离线的检测方式在应用过程中发现HF的案例极少，广东电网公司历次普查和放电故障气室追踪中均未发现HF。为解释理论上已证实HF在放电条件下会大量生成而实际GIS检测不到HF，且HF这一局部放电分解产物是否可作为特征气体用于绝缘监测也未做出明确判断，在试验过程中加入了对HF的在线检测。

HF的变化规律如图9所示。无吸附剂时，在放电过程中HF的生成速率很大，在20 h时其含量已经超过检测管的量程；但试验结束后72 h内HF含量降为零。加入吸附剂后，HF的产生量大大降低，3种吸附剂对HF的吸附能力基本相同，吸附率均超过96%，试验结束后6 h内HF含量降为零。在GIS局部放电过程中及放电结束后，气室内吸附剂的存在是导致分解产物HF含量大量下降的最主要原因。HF属于小分子，在几种分解产物中极性最强，而3种分子筛对强极性分子会优先吸附。HF化学性质活泼，还可与电极材料、Al2O3等发生反应被消耗掉一部分。

图9　3种吸附剂对HF的变化规律影响Fig.9　The influence of three kinds of adsorbents on HF

试验结果同时表明，吸附剂存在条件下局部放电达到一定程度且放电正在持续时，即HF的产生速率大于消耗速率时，也会检测到气室内HF含量的增加。无论是否放置吸附剂，放电一旦停止，HF会很快被消耗掉，吸附剂的存在加速了HF的消耗进程。所以，气室内发生持续的强局部放电时，即使放电本身产生的大量HF被吸附和消耗，仍然可以在放电发生时检测到HF的明显增长。

综上所述，实现运行GIS中HF的在线监测具有重要意义，既可以用于判断运行GIS气室是否正在发生强局部放电，也可通过其实时含量评估SF6气体品质，降低因其腐蚀绝缘材料而带来的运行风险。

3　诊断特征量的提取

基于油色谱分析的三比值法在对变压器等充油电气设备故障类型和故障程度诊断中得到广泛应用，与利用特征气体绝对值进行绝缘状况判断相比，比值法可有效降低特征气体的产气速率和产气量干扰因素的影响，提高化学诊断法的准确度。借助油色谱分析中比值法的成功实践经验，本文在研究过程中也探索了主要特征气体比值的变化规律和应用的可能性。

前期的研究结果发现，无吸附剂情况下利用C(SO2F2)/C(SO2)这一比值可反映局部放电的程度，比值越小，放电程度越严重[22，23]。仍采用这一比值对吸附剂存在情况下的试验结果进行处理，如图10所示，在试验过程放电程度基本一致的前提下，4种工况下这一比值结果出现了较大差异，分散性较大。其中5A与无吸附剂两种试验条件下比值结果相近，F-03 与KDHF-03两种吸附剂的比值随时间的变化呈基本一致的趋势。且加入吸附剂后SO2的生成量很少，定量上的误差会增大。采用这一比值用于放电程度诊断时，在不同吸附剂类型条件下会出现较大偏差，无法反映设备的实际绝缘状态。

图10　4种工况下C(SO2F2)/C(SO2)随时间的变化规律Fig.10　The variation of C(SO2F2)/C(SO2) under four kinds of operation conditions

为有效降低利用化学诊断法进行GIS绝缘状态评估时吸附剂类型带来的干扰，采用C(SOF2)/C(SO2F2)代替C(SO2F2)/C(SO2)作为新的诊断特征量，如图11所示，可以发现这一比值除在放电初期(0～8 h)有一定分散度外最终趋于稳定，放电程度基本相同的试验条件下，该比值4种工况下随时间的变化趋势也保持一致，比值均在3～5之间。该比值出现一致性的原因主要是：F-03和KDHF-03两种吸附剂对SOF2和SO2F2的吸附差异性较小，比值基本相同；而5A对两者的吸附率较F-03和KDHF-03均下降了约50%，因此在比值上也保持基本一致的趋势。采用新的比值C(SOF2)/C(SO2F2)既可以在很大程度上降低吸附剂对放电程度判断的影响，又可以有效规避吸附剂类型对放电程度判断的干扰。但该比值在不同放电程度下及不同放电类型下的变化规律还有待于进一步研究挖掘。

图11　4种工况下C(SOF2)/C(SO2F2)随时间的变化规律Fig.11　The variation of C(SOF2)/C(SO2F2) under four kinds of operation conditions

4　结论

1)无吸附剂时，针-板电极局部放电过程中主要生成SO2、SOF2、SO2F2和HF四种特征气体。加入吸附剂后，各局部放电特征气体含量有不同程度下降。KDHF-03和F-03两种吸附剂对主要特征气体均具有很强的吸附能力，F-03对SOF2的吸附能力略弱于KDHF-03，5A对SOF2和SO2F2的吸附能力明显小于KDHF-03和F-03。3种吸附剂分别对SO2和HF的变化规律影响基本一致。

2)由于不同吸附剂对SO2、SOF2、SO2F2等特征气体的吸附能力不同，吸附剂存在时，局部放电过程中三者之间的变化规律出现明显差异。原有诊断特征量C(SO2F2)/C(SO2)在放电程度基本相同时出现较大分散性，研究发现的新诊断特征量C(SOF2)/C(SO2F2)在不同工况下均呈现较好的一致性，可有效降低利用化学诊断法进行GIS绝缘状态评估时吸附剂类型带来的干扰。

3)HF是一种重要的局部放电分解产物，吸附剂的存在导致HF的含量大幅度下降，3种吸附剂对HF吸附率均超过96%，且吸附剂加速了放电停止后HF的消失进程。因此，现有的HF离线检测方式很难有效检测到HF。

4)实现运行GIS中HF的在线监测既可以用于判断运行GIS气室是否正在发生强局部放电，也可通过其实时含量评估SF6气体品质，降低因其腐蚀绝缘材料而带来的运行风险。

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Effects of Different Adsorbents on the Evolving Law of Target Gases Under Partial Discharges in GIS

Qiao Shengya1Zhou Wenjun1Tang Nian2Zheng Yu1Li Li2

(1.School of Electrical EngineeringWuhan UniversityWuhan430072China 2.Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Co.Ltd Guangzhou510080China)

To improve the accuracy of the chemical diagnosis method used for estimating the insulation status in the gas insulated switchgear (GIS)，it is important to assess effects of adsorbents on the evolving law of target gases under partial discharges in GIS.Different conditions，including without adsorbent and adding three different kinds of adsorbents (5A，F-03 and KDHF-03) separately，are taken into consideration to study the variation of target gases under partial discharges in GIS based on a needle-plate model on a small simulation test platform.The result shows that the contents of the four major target gases，i.e. SO2，SOF2，SO2F2and HF，will decrease at different levels after adding adsorbents.The adsorption amount of SOF2，SO2F2by 5A is eminently less than that by F-03 and KDHF-03.Effects of different adsorbents on SO2and HF are almost the same.The adsorption rates on HF are all more than 96%，while the amount of SO2is with in the limit of quantification of gas analysis system after adding three different adsorbents.The factorC(SOF2)/C(SO2F2) is proposed as a new diagnostic characteristic for partial discharges，which could reduce the influence of different adsorbents on assessing insulation condition by chemical diagnosis method in GIS.

Chemical diagnosis method，gas insulated switchgear，partial discharge，target gases，adsorbents

2015-02-05改稿日期2015-05-11

TM855

乔胜亚男，1991年生，硕士研究生，研究方向为SF6电气设备潜伏性缺陷诊断。

E-mail：396349222@qq.com(通信作者)

周文俊男，1959年生，教授，博士生导师，研究方向为高电压与绝缘测试技术、防雷与接地技术。

E-mail：2267122615@qq.com