利用SF6分解产物及气相色谱分析断路器故障

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(广东电网公司珠海供电局,广东 珠海 519000)

利用SF6分解产物及气相色谱分析断路器故障

吴彩霞,杨震洋

(广东电网公司珠海供电局,广东 珠海 519000)

目前SF6气体分解物检测在电气设备故障分析中应用比较广泛，而由于新气中含有一定量的CF4含量，所以分析重点一般集中于H2S、SO2、HF、SO2F2等几种特征气体组分含量。本文将SF6分解物测试与气相色谱分析相结合的方法应用于一起110kVSF6气体断路器的故障诊断，结果表明除了对SF6气体中SO2、H2S及HF等特征气体测试外，增加对CF4含量组分的分析，可判断SF6断路器内部固体绝缘情况，可确诊传统电气手段、单一分析分解产物不能发现的设备缺陷，确保设备安全运行。

SF6断路器；分解物；四氟化碳；故障诊断

1 引言

SF6气体具有优越的灭弧绝缘性能，所以广泛应用于高压开关系统。当SF6断路器灭弧室内部发生电弧燃烧时，部分SF6气体分解，但在温度降低时，分解物又被还原为SF6气体。电弧的高温作用，将引起气体、触头材料、喷口材料、绝缘材料、水分等发生一系列比较复杂的化学反应，并产生一定分解物。

有些断路器的喷口为有机材料，在设备发生放电故障时，SF6气体会与相关物质发生反应，除产生SO2、H2S、SOF2等分解产物外，，很可能会导致SF6气体中部分含碳杂质气体增加，如CF4、CO 、 CO2等[1]。因此定期检测SF6电气设备内SF6分解产物及CF4、CO、CO2含量，可以及时发现设备内部潜伏性缺陷，保证设备的安全运行。

2 SF6分解产物及CF4检测机理

2.1 SF6分解产物检测机理

SF6电气设备内部故障时，SF6气体及其中间产物的反应式[2]主要有：

SF6→SF4+F2

SF4+H2O → SOF2+2HF

SOF2+H2O → SO2+2HF

S2F10→SF4+SF6

3SF6+W→3SF4+WF6

SF6+Cu→SF4+CuF2

3SF6+2Al→3SF4+2AlF3

如图1所示：

图1 SF6分解反应机理

目前国内外主要是用气敏传感器法[3]来检测SF6气体分解产物组分的，化学气敏传感器是利用被测气体的形状或分子结构具有选择性俘获的功能(接受器功能)和将俘获的化学量有效转换为电信号的功能(转换器功能)来工作的。当被测气体被吸附到气敏半导体表面时，其电阻值会发生变化。主要是比较常见的被测气体如SO2、HF和H2S，而对重要的气体组分SO2F2，SOF2，SF4，SOF4和CF4则无能为力。

2.2 SF6气体中CF4检测机理

国内外的研究机构对SF6气体在不同试验条件下的分解产物进行了研究，研究结果表明[1]：SF6在放电和热分解过程中，稳定分解生成物主要是SOF2，当故障涉及固体绝缘材料时，还会生成CF4和CO2，通过CF4含量可分析判断固体绝缘情况。

CF4是特氟龙(聚四氟乙烯)分解的主要成分，当灭弧室和压缩缸故障时引起聚四氟乙烯和SF6气体的分解除产生SO2外，同时也产生一定量的CF4。其产生机理如下[2]：

(1) 特氟龙遇电弧高温分解：

(2)SF6气体遇电弧高温后，大部分变为S与F的单原子及其离子状态，反应式：

SF6→ S+6F

在电弧中特氟龙材料生成的C与SF6气体分解产生的F反应生成CF4气体，反应式：

4F+C → CF4

使用气相色谱仪可将空气、CF4、SF6完全分离，其浓度从它们的峰面积和对热导检测器响应的校正系数来确定。对各个组份进行定性、利用归一法定量分析。

气相色谱仪的原理[2]是以气体作为流动相(载气)。当样品被送入进样器后由载气携带进入色谱柱。由于样品中各个组份在色谱柱中的流动相(气相)和固定相(液相或固相)间分配或吸附系数的差异。在载气的冲洗下，各个组份在两相间作反复多次分配，使各组份在色谱柱中得到分离，然后由接在柱后的检测器根据组份的物理化学特性，将各个组份按顺序检测出来。

3 气相色谱与分解产物结合分析故障案例

3.1 设备概况

110kV XX站尖绣乙线148断路器，型号：LTB145D1 ；机构型号：BLK154 ；出厂时间：1996年 ；投运日期：1999年06月18日； 出厂编号：8265456；厂家：北京ABB高压开关设备有限公司 。

3.2 检测情况

2015年07月10日，对XX站110kV尖绣乙线148断路器进行预试测试工作，采用厦门嘉华JH4000A型SF6分解产物综合测试仪，测试结果如表1所示。

表1 148断路器分解产物结果

从上表可以看出：SO2值为124.0μL/L，大大超过 Q/CSG114002-2011《电力设备预防性试验规程》注意值3μL/L[4]。另使用武汉沃尔德SP-V型便携式SF6色谱仪进行色谱分析，如图2所示。

图2 148断路器SF6气相色谱图

出峰顺序依次为：空气、CF4、SF6。具体组分分析数据结果如下：

结果显示CF4含量为0.16%，高于Q/CSG114002-2011《电力设备预防性试验规程》注意值[4]，即运行中CF4含量≤0.1%。

表2 148断路器气相色谱分析结果表

3.3 同类型设备比较

为了更进一步确定148断路器内部缺陷问题，对比同类型147断路器进行分析。图3为同类型设备147断路器SF6气体气相色谱分析图，色谱图出峰顺序为：空气、CF4、SF6。

图3气相色谱分析结果数据结果如表3所示。

将147断路器与148断路器综合测试数据结果进行对比，如表4所示。

与同类型设备147断路器测试结果相比较，147断路器各项测试数据皆符合Q/CSG114002-2011《电力设备预防性试验规程》的要求。由于148断路器近期未开断过短路电流，但 CO、SO2、H2S等测试值皆超出了规定的注意值，特别是SO2含量超出注意值20倍

以上，且CF4含量超标很有可能由设备内部固体绝缘部分受损而分解产生，初步判断内部存在较严重的电弧放电缺陷。

图3 147断路器SF6气相色谱图

峰号组分名峰高(uV)保留时间(min)峰面积(uV*s)面积(%)含量(%)1AIR251930.9361219100.440330.276712CF422921.16089750.032420.045843SF69285652.2202755496499.5272599.67746总计:95605027685850100.00000100.00000

表4 147与148断路器分解产物及色谱分析结果对比

3.4 电科院对比分析

为了更进一步确定148断路器内部缺陷问题，对148断路器进行取气样送至电科院分析。结果如表5所示。

表5 148断路器分解产物及色谱分析结果(电科院分析)

电科院分析数据与珠海局测试结果基本一致，判断为设备内部存在严重的放电故障，建议及时对设备进行停电解体检查处理。这也验证我们之前的判断。综上所述，判断148断路器内部存在电弧放电缺陷。

3.5 解体分析

2015年7月13日对148断路器进行停电解体处理。解体发现148断路器A相存在电弧放电缺陷。如图4所示。

图4 解体检查

此次缺陷的现场检出和解体分析表明，148断路器A相开关喷口内部发生了电弧烧蚀故障，主触头烧蚀严重。CF4的含量分析给这次缺陷准确判断提供了重要的依据。

4 结论

当SF6分解产物异常时，除分析SF6气体中SO2、H2S、CO分解物外，应进行SF6色谱试验检测CF4的含量。通过开展SF6气体分解产物与SF6气相色谱分析技术相结合的方法，综合分析可以准确判断设备是否存在故障以及故障性质。可以发现并确诊单一分析分解产物不能发现的设备缺陷，可以带电测试，不影响设备的正常运行，可有效地杜绝设备的带病运行。

[1] 王宇，李丽，姚唯建，等.模拟电气设备过热故障时SF6气体分解物的体积分数及其特征[J].高压电气,2011(1).

[2] 张利燕.电力设备用SF6气体技术问答[M].北京：中国电力出版社，2011.

[3] 颜湘莲.王承玉,等.开关设备中SF6气体分解产物检测的应用[J].电网技术,2010(9).

[4] 中国南方电网有限责任公司.Q/CSG114002-2011《电力设备预防性试验规程》[S].

BreakerMalfunctionAnalysisBasedonSF6GasChromatographyTechnology

WUCai-xia,YANGZhen-yang

(Zhuhai Electric Power Bureau of Guangdong Power Grid Co.,Ltd,Zhuhai,Guangdong 519000,China)

At present,SF6gas decomposition products analyze technology are widely used to diagnose the electric device status.According to the practical working situation,current SF6decomposition analysis usually focus on H2S、SO2、HF and SO2F2.The paper puts forward a new method which applied the gas chromatographic technology into SF6decomposition product test and analysis.The method was used to analyze a failure accident of 110kV SF6-insulation Breaker,test and analyze results showed that the new criterion of CF4content can effectively reflect the internal solid insulation situation.What′s more,the breaker malfunction analysis based on SF6gas chromatography technology can improve the accuracy of diagnosis and ensure the security operation of power equipment.

SF6-insulation breaker;decomposition products;CF4;failure diagnose

1004-289X(2017)03-0095-04

TM56

B

2016-11-28