H2O对尖端放电缺陷下SF6分解产物含量的影响

王绍安 ，何彦良，邵先军，徐 华，沈智伟，孙安邦，张冠军

（1.国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，杭州 310014；2.西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室，西安 710049；3.国网浙江省电力有限公司，杭州 310007）

0 引言

GIS（气体绝缘金属封闭开关）因其检修方便、使用寿命长、占地面积小等优点得到广泛使用[1-2]。作为目前GIS设备中的主要绝缘气体，SF6物化性质稳定，通常情况下不易分解，但是由于GIS内部总存在不同类型的缺陷，在GIS的运行过程中，缺陷处可能产生局部放电。在局部放电的作用下，SF6气体可能分解产生低氟化物，由于设备内部水分或氧气会与低氟化物发生一系列水解或氧化反应，产生一系列副产物，如SOF2，SO2F2，SO2，CF4，C2F6，CO2，HF，H2S等[3-4]。这些副产物不但会降低SF6气体的绝缘性能，同时HF与H2S也会对GIS内部造成一定的腐蚀，缩短设备寿命。因此，可以通过对SF6分解组分的分析来判断GIS内部发生的绝缘缺陷，从而有效避免故障的扩大。

针对基于SF6分解组分分析方法在GIS局部放电缺陷中的研究工作已经取得了一些成果。R.J.Van Brunt等[5]提出了SF6放电分解的“区域反应模型”，得到了不同区域中的主要反应过程，解释了SF6放电分解机理。唐炬、张晓星等[6-8]模拟了SF6在局部放电下的分解过程，对气压、微水、微氧等影响因素下分解产物含量、产生速率及比值进行了系统分析，并得到了相应结论。钟理鹏等[9]描述了金属突出物缺陷下局部放电量与SOF2，SO2F2，SO2及CO2等4种分解产物随水分含量的变化规律，得到了水分对分解产物生成起促进作用。齐波等[10]研究了GIS中不同类型局部放电下气体分解产物的变化，说明了分解产物与放电程度的关系。然而，目前研究大多停留在实验室模拟环境，而针对电网现场工况下缺陷产生和检测的研究还较为缺乏。

本文搭建了252 kV真型GIS故障仿真实验平台，对GIS内部发生尖端放电缺陷时，不同微水含量下SF6气体分解状况进行了实验研究，分析了典型分解产物随放电时间和微水含量的变化规律，给出了尖端放电缺陷特征气体的判断依据，为现场工况GIS尖端放电缺陷的诊断提供了帮助。

1 实验平台和方法

1.1 实验平台

为了准确模拟实际GIS现场工况，建立了一套252 kV真型GIS故障仿真实验平台，如图1所示。该平台包括252kV GIS实验腔体、调压系统、特高频局部放电信号标定装置、局部放电检测仪、真空泵以及废气回收装置。其中，GIS实验腔体内外直径分别为29.8 cm和30.6 cm，高压导管外直径为9 cm，盆式绝缘子厚度为5 cm，整个GIS模型包括8个实验腔室、套管、电压互感器、电流互感器、充电式耦合电容器及隔离开关等实际电力部件。采用基于脉冲电流法和特高频法的局部放电在线监测系统对腔室内放电情况进行检测，可以实时获取平均放电量、放电能量、放电相位等信息。

图1 GIS故障仿真实验平台示意

在已搭建的GIS故障仿真实验平台上加入气相色谱仪、露点仪，构成SF6气体分解组分检测系统，如图2所示。实验中所使用SF6气体纯度为99.999%，氧气体积分数小于400×10-6，实验段放电模拟气室体积为70 L，侧壁配备了直径为10 cm的石英玻璃窗，以观测内部的放电情况。

图2 SF6气体分解产物检测系统示意

实验腔体段缺陷具体位置如图3所示，尖端缺陷设置在高压导管表面，距离采气口40 cm，其中尖端材料为不锈钢，针长33 mm，针尖曲率半径为20μm，针尖距离腔体顶部70 mm，结构尺寸参数如图4所示。

图3 尖端缺陷设置位置示意

图4 尖端缺陷结构尺寸示意

1.2 气体检测分析方法

实验采用华爱GC9760B气相色谱仪对气体分解产物进行检测分析，该型号色谱仪为目前现场实测常用色谱仪。仪器由5个切换阀、6根色谱柱和2个PDD（脉冲放电氦离子检测器）组成，内置恒温控制的4个柱炉和纯化器，且温度分别为60℃，120℃，60℃，50℃和132℃，搭配质量分数为99.999%的He作为载气。该色谱仪通过调节柱炉温度来调整各产物的出峰时间，从而实现对各产物之间的有效分离，可以对H2，O2，N2，CF4，CO2，SO2F2，SO2，H2S和CS2等多种气体进行精确检测分析，并分为A，B 2个通道输出分析检测结果。图5分别给出了A，B通道在标准气体样品下主要分解产物的出峰情况，表1给出了主要分解产物的出峰时间。

图5 主要产物标气出峰情况

1.3 具体实验方法

本次实验中实验段腔体内部充气压力均为0.45 MPa，环境温度为常温25℃左右，选取152×10-6，314×10-6，800×10-6，1 423×10-6和2 002×10-6等5种微水含量进行实验。具体实验步骤如下：

（1）清洗气室。将气室抽真空后充入纯度为99.999%的SF6新气，然后再将其抽真空，重复此过程2次，达到清洗目的。

（2）注入实验气体。在真空状态下向腔体注入实验所需的H2O，静置30 min，待H2O充分气化后注入SF6至0.45 MPa，再静置12 h，使H2O与SF6混合均匀。

（3）微水检测。使用露点仪测量实验气体中H2O的含量，若H2O含量不符合实验要求，则返回第（1）步；若H2O含量达到实验要求，则先通过色谱仪分析记录放电前腔体内气体组分含量。

表1 主要产物出峰时间

（4）加压检测。采用逐步升压法将实验电压升至可以观测到稳定的特高频放电信号[11]，记录此时实验电压为局放起始电压U0，并记录平均放电量Q0；将实验电压调至1.5U0，在该电压下进行7 h连续局部放电分解实验，并通过局部放电在线监测系统监测腔体内的放电情况。

（5）记录数据。每隔1 h从取气口抽取SF6放电分解样气，进行组分定量分析并实时记录。

2 实验结果及分析

2.1 CO随放电时间的变化趋势

不同微水含量实验组下，局部放电起始电压U0在20.5～21.5 kV变化，为了保证放电能量统一，取U0为21 kV，并将实验电压升高至31.5 kV，平均放电量为75 pC。

在持续的交流电压放电作用下，不同微水含量下CO的生成量随放电时间的变化趋势见图6。

图6 不同φ（H2O）下φ（CO）随放电时间的变化规律

由图6可知，在不同微水含量的放电环境下都会产生CO，且CO的含量在放电后期会出现一定的负相关性，但整体变化情况波动较大。

本次实验选取的金属突出物材料为含碳不锈钢，在局部放电作用下，高速的带电粒子会撞击不锈钢针的表面释放出游离态的C原子，并且由于GIS内部含有微量的O2与H2O，这些分子同样也会被带电粒子撞击产生游离态的O原子，因此涉及到CO的主要反应过程如下[12]：

CO含量在放电后期的负相关性表示在实验环境下，式（2）的反应速率大于式（1），这是因为CO2较CO来说更加稳定，由分子轨道理论解释，CO的2个电子存在于反键上，能量更高。而事实上CO2与放电时间表现出较好的正相关性。

至于未曾检测到以往实验[7，9]中常见的硫酰化合物的原因，在实验后对所设置的金属针尖缺陷进行了能量分析，如图7所示，并且检测到了FeS2。这说明在本次实验条件下，在硫酰化物生成前游离的S原子被针尖所吸附，如果延长放电时间或增大O2含量，则容易检测到硫酰化物的产生。

图7 不锈钢针尖表面元素分析

2.2 CO2随放电时间的变化趋势

在同样强度的局部放电作用下，CO2在不同微水含量下随放电持续时间的变化趋势见图8。

图8 不同φ（H2O）下φ（CO2）随放电时间的变化规律

可以发现在7 h的局部放电作用下，CO2含量在误差范围内与放电时间呈现出总体增长的趋势，但是表现出了一定的分散性，产生这种线性正相关性的原因在2.1节中已经解释说明。与放电前相比，不同微水含量下φ（CO2）在放电7 h后增加了6～20倍。

在相同放电时间下CO2含量随H2O含量的增加也呈现出增大的趋势，即φ（CO2）在高微水情况下明显要多于低微水情况。这是因为在水分含量较大的环境中，较容易发生以下反应过程：

游离态的C原子与O原子通过反应式（4）结合生成CO2，但是由于C原子还要参与CF4与C2F6的生成，以及O原子与活性极高的F原子容易反应产生含氧的硫氟化物，因此造成了CO2含量的一定分散性。

2.3 CF4随放电时间的变化趋势

在7 h相同强度的局放作用下，CF4在不同微水含量下随放电持续时间的变化趋势见图9。

图9 不同φ（H2O）下φ（CF4）随放电时间的变化规律

由图9可以观察到，对于不同微水含量的SF6气体，CF4含量随放电时间的变化波动较大。在放电后期，CF4含量达到了一定平衡，其生成量几乎没有明显变化，并且在不同微水含量下CF4的平衡量大致相近，约为1.5×10-6。

CF4的生成并不是通过C原子与F原子一步反应形成的，其生成需要通过如下反应[12]：

这些中间产物的反应活性极高，容易与气体环境中因为带电粒子撞击而产生的游离态H原子及O原子产生一系列反应[13-14]，生成CO2，HF等产物。这些反应导致中间产物CF，CF2，CF3在与F原子结合生成CF4之前被消耗，导致CF4平衡含量低于CO与CO2。

2.4 C2F6随放电时间的变化趋势

图10给出了C2F6在不同微水含量下随放电时间的变化趋势。

图10 不同φ（H2O）下φ（C2F6）随放电时间的变化规律

与φ（CO2）变化规律相似，φ（C2F6）随放电时间的变化趋势呈现良好的正相关性，且H2O含量对C2F6的生成量影响并不明显，这表明O原子与H原子并没有参与C2F6及其中间产物的生成。事实上C2F6的形成涉及2.3节中所述及的CF，CF2，CF3等原子团，这些原子团与游离的高能F原子结合形成C2F6，这也解释了为何CF4含量在一定放电时间后开始减少。此外可以观察到，C2F6的生成量极大，整体增加范围在700×10-6～1 000×10-6，因此可以用作表征缺陷出现时的判断依据。

3 结论

（1）现场工况GIS发生尖端放电缺陷时，在短时连续气体组分检测下，并未发现明显含硫产物生成，而可检出分解产物主要有CO，CO2，CF4及C2F6等4种含碳化合物。

（2）随着放电时间延长，CO含量存在一定减小趋势，但变化波动较大，而CO2含量则随放电时间呈现出较好正相关性。这2种产物出现相反的趋势是由于两者的生成存在一定的竞争关系，CO与O原子结合生成CO2的反应速率更高，CO2更加稳定。另外，在一定的放电时间下，CO随H2O含量增长的变化规律并不明显，CO2则呈现出总体增大的趋势。

（3）C2F6受微水含量影响较小，其含量随放电时间增加而增加，生成量极大，因此可以将C2F6及CO2作为GIS内部尖端放电缺陷的判据。CF4含量随放电时间的变化波动较大，并无明显规律，可与CO一并作为尖端放电缺陷产生的辅助判据。