SF6分解产物产生机理和影响因素研究

2021-06-18付丽君关艳玲

黑龙江电力 2021年2期

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。