牛 浩，邱 悅

（浙江浙能嘉華發(fā)電有限公司，浙江 嘉興 314201）

0 引言

SF6（六氟化硫）是目前公認(rèn)最為理想的氣體絕緣介質(zhì)和滅弧介質(zhì)，具有強(qiáng)電負(fù)性，常溫常壓下化學(xué)性能非常穩(wěn)定[1-2]。近年來，基于SF6氣體絕緣介質(zhì)的封閉式電氣設(shè)備已經(jīng)在電力系統(tǒng)中得到了非常廣泛的應(yīng)用[3-4]，包括GIS（氣體絕緣組合電器）、GIL（氣體絕緣輸電線路）、C-GIS（氣體絕緣開關(guān)柜）等在內(nèi)的氣體絕緣裝備具有一系列的優(yōu)點(diǎn)，例如占地面積小、維護(hù)周期長、運(yùn)行可靠性高、不受地理環(huán)境條件影響等[5]。目前，SF6電氣設(shè)備已經(jīng)與以絕緣油為介質(zhì)的電氣設(shè)備在電力系統(tǒng)中具有同等重要的地位[6-7]。

GIS在制造和裝配過程中難免遺留隱藏缺陷，如固定突起、盆式絕緣子粘附金屬粉末等[8]。部分缺陷在常規(guī)試驗(yàn)中很難發(fā)現(xiàn)，投運(yùn)后缺陷會(huì)逐步發(fā)展并伴隨著局部放電[9]。長期的局部放電會(huì)進(jìn)一步引發(fā)絕緣崩潰和設(shè)備擊穿。

目前，國內(nèi)外對GIS內(nèi)部絕緣狀態(tài)的評估主要通過局部放電檢測得以實(shí)現(xiàn)[9]。局部放電檢測方法主要有電氣法和化學(xué)診斷法[10]?；瘜W(xué)診斷法通過檢測局部放電過程中GIS內(nèi)復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的特征氣體組分和含量進(jìn)行放電類型識(shí)別和放電程度判斷[11-13]。與電氣法相比，化學(xué)診斷法因具有不受電磁噪聲和振動(dòng)干擾，可檢測間歇性放電和定位故障氣室、適用于過熱性故障診斷等一系列優(yōu)點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用[14]。

化學(xué)診斷法在推廣應(yīng)用過程中也會(huì)受到一些因素的干擾，如吸附劑對局部放電特征氣體的吸附作用[15]，氣室內(nèi)SF6微水含量差異、檢測容器吸附等[16-17]，這些因素均會(huì)對利用化學(xué)診斷法進(jìn)行GIS放電狀態(tài)判斷和絕緣狀況評估時(shí)帶來一定的偏差，甚至出現(xiàn)誤判[18]。

以下通過設(shè)置部分放電模擬試驗(yàn)和靜置試驗(yàn)，系統(tǒng)研究了特富龍涂料、氣室微水含量及吸附劑3種典型因素對SF6分解產(chǎn)物變化規(guī)律的影響，在此基礎(chǔ)上提出了降低化學(xué)診斷法干擾因素影響的絕緣缺陷監(jiān)測手段，進(jìn)而提高了化學(xué)診斷法的準(zhǔn)確度。

1 試驗(yàn)設(shè)置

1.1 模擬試驗(yàn)平臺(tái)

如圖1所示，放電氣室體積為70 L，由不銹鋼材料構(gòu)成，其內(nèi)壁噴涂特富龍涂料防止內(nèi)壁吸附SF6分解產(chǎn)物。氣室前后兩端安裝石英玻璃觀察窗，以便使用紫外成像儀對內(nèi)部放電狀況進(jìn)行監(jiān)測。進(jìn)樣口與DILO B120R21系列回收裝置相連，主要完成進(jìn)氣、回收、抽真空操作，采樣管路均采用聚四氟乙烯材料（降低管路對HF等分解產(chǎn)物的吸附）。采用YDTW-30 kVA/150 kV工頻無暈試驗(yàn)變壓器（額定電壓下局放量小于5 pC）。試驗(yàn)時(shí)充入0.4 MPa的SF6氣體。

圖1 局部放電模擬試驗(yàn)平臺(tái)示意

1.2 分解組分分析

通過系統(tǒng)的分析、比較和設(shè)計(jì)，本研究采用一種基于毛細(xì)管柱的TCD（熱導(dǎo)檢測器）和FPD（火焰光度檢測器）串聯(lián)的氣相色譜定量分析SF6分解產(chǎn)物檢測方法。在確定色譜柱、檢測器和氣體流路的基礎(chǔ)上，通過多次調(diào)整氣體流量、分流比、程序升溫模式和檢測器參數(shù)等系統(tǒng)參數(shù)，進(jìn)行大量實(shí)際樣品檢測實(shí)驗(yàn)，最終確定了毛細(xì)管柱/TCD-FPD氣相色譜法用于SF6分解產(chǎn)物分析時(shí)的最優(yōu)參數(shù)組合，如表1所示。該方法可實(shí)現(xiàn)對 SO2， SO2F2， S2OF10， CF4和 H2S 等主要分解產(chǎn)物的精確檢測。

表1 毛細(xì)管柱/TCD-FPD氣相色譜法操作參數(shù)

2 特富龍涂料對于分解產(chǎn)物吸附性的研究

現(xiàn)場的GIS屬于一個(gè)封閉運(yùn)行的系統(tǒng)，暫時(shí)未能實(shí)現(xiàn)分解氣體的在線檢測。為了診斷其內(nèi)部的絕緣狀況，需要對其內(nèi)的分解氣體的種類含量進(jìn)行檢測。通常采用取樣瓶取一定量的氣樣帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行檢測。取樣瓶一般由不銹鋼制作而成，其對分解氣體存在吸附作用，影響了檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。需要找到一種方法，使得GIS內(nèi)部或者取樣瓶內(nèi)部不吸附分解氣體。下面通過在SF6放電氣室噴涂特富龍涂料，并對其對分解氣體的吸附效應(yīng)進(jìn)行研究。

2.1 試驗(yàn)布置

噴涂后特富龍涂料的實(shí)驗(yàn)室模擬器內(nèi)部如圖2所示。對噴涂特富龍涂料后的模擬器進(jìn)行分解氣體的吸附效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究，步驟如下：

（1）選擇一種故障氣體沖入實(shí)驗(yàn)室模擬器內(nèi)部。壓力維持在0.3 MPa。充入之前先檢測故障氣體的成分檢測結(jié)果SO2值為137.0 μL/L，SO2F2值為 875.2 μL/L， CS2值為 1.82 μL/L， S2OF10值為14.6 μL/L， CF4為 496 μL/L。 選擇上述 5 種典型氣體主要基于兩個(gè)方面考慮：

一方面，上述5種氣體均為主要的含硫和含碳分解產(chǎn)物。

圖2 噴涂后特富龍涂料的實(shí)驗(yàn)室模擬器內(nèi)部

另一方面，上述分解產(chǎn)物中CF4與CS2可基本看作非極性分子（CS2有弱極性），SO2F2為弱極性分子，SO2為極性分子，S2OF10屬于大分子物質(zhì)，因此5種典型分解產(chǎn)物具有代表性。

（2）每24 h檢測1次實(shí)驗(yàn)室模擬器內(nèi)部的氣體含量情況。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

上述試驗(yàn)重復(fù)3次進(jìn)行，試驗(yàn)結(jié)論基本一致。典型試驗(yàn)結(jié)果如表2所示?？砂l(fā)現(xiàn)試驗(yàn)周期內(nèi)（72 h）在模擬器基本不吸附分解氣體。為了保證現(xiàn)場GIS檢測的可靠性，可對現(xiàn)場用所有的取樣瓶內(nèi)部噴涂上特富龍涂料。從而降低取樣瓶管壁對特征氣體的吸附作用，進(jìn)而增加檢測結(jié)果用于判斷設(shè)備絕緣狀態(tài)的準(zhǔn)確性。

表2 故障氣體在特富龍內(nèi)壁的模擬器中的含量變化μL/L

通過上述試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，GIS內(nèi)壁或者取樣瓶內(nèi)壁通常會(huì)吸附一定量的分解氣體，造成檢測結(jié)果可能不能反映GIS內(nèi)的真實(shí)情況。通過噴涂特富龍涂料能較好的解決該問題。實(shí)驗(yàn)室模擬罐噴涂特富龍涂料后，沖入一定量的標(biāo)準(zhǔn)氣體，每隔一段時(shí)間對模擬罐內(nèi)氣體進(jìn)行檢測分析，發(fā)現(xiàn)分解氣體的含量并未出現(xiàn)明顯的變化。電暈放電試驗(yàn)后靜止24 h后的氣體分析結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)束時(shí)的結(jié)果基本一致，也說明了在噴涂了特富龍涂料后，內(nèi)壁不吸收分解氣體。

3 微水含量對于試驗(yàn)結(jié)果的影響試驗(yàn)

在前期的試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)吸附劑的存在對試驗(yàn)結(jié)果影響較大。吸附劑的主要作用在于吸水，但由于其不選擇性，也吸附了放電產(chǎn)生的SF6分解產(chǎn)物，最終導(dǎo)致檢測結(jié)果和實(shí)際產(chǎn)生分解產(chǎn)物的結(jié)果相差較大。為明確水分對于放電產(chǎn)生的分解產(chǎn)物的影響。在此研究了不同水分含量條件下SF6分解產(chǎn)物的變化規(guī)律。

3.1 試驗(yàn)布置

在所有放電類型中，電暈放電是最容易控制的。因此將采用14 mm的針板間隙模擬電暈放電，并控制不同的水分含量，檢測分解產(chǎn)物隨時(shí)間的變化關(guān)系。為了使得結(jié)果更有說服力，每組試驗(yàn)均在相同條件下重復(fù)3次。試驗(yàn)電極布置如圖3所示。

圖3 不同水分含量電暈放電的電極布置

試驗(yàn)分為3組。每組的水分含量分別為176.4 μL/L， 392.2 μL/L， 1 596 μL/L。 試驗(yàn)過程中充入相同氣壓0.2 MPa的SF6氣體，試驗(yàn)電壓維持在25 kV。試驗(yàn)過程中采用脈沖電流法檢測局部放電程度，因針-板電極放電類型穩(wěn)定，24 h試驗(yàn)周期內(nèi)3組試驗(yàn)條件下放電程度接近，根據(jù)脈沖電流法實(shí)時(shí)監(jiān)測結(jié)果，視在放電量維持在200～220 pC，放電重復(fù)率維持在3 500～4 000次/s；因此可排除放電程度帶來的微小差異對研究微水含量與分解產(chǎn)物變化規(guī)律的影響；試驗(yàn)結(jié)束后的24 h重復(fù)檢測氣體1次。由于放電分解產(chǎn)物類型與放電缺陷設(shè)置類型有直接關(guān)系，在本次實(shí)驗(yàn)中針-板電極放電主要生成 SO2， SO2F2， SOF2， S2OF10，不涉及固體絕緣缺陷，因此不生成含碳分解產(chǎn)物如CF4，CS2等，而SO2相當(dāng)一部分有SOF2水解得到。特別地，此處研究其他幾種因素對分解產(chǎn)物變化規(guī)律影響時(shí)是基于靜置條件（不涉及放電），因此，可以對幾種相同的氣體進(jìn)行研究和對比，而研究微水影響是基于放電模擬實(shí)際工況下得到的，而分解產(chǎn)物的類型與設(shè)置放電缺陷類型有直接關(guān)聯(lián)，此處設(shè)計(jì)的針-板放電類型下本身就不產(chǎn)生CF4與CS2這兩種分解產(chǎn)物，因此，在研究微水影響時(shí)重點(diǎn)關(guān)注 SO2，SO2F2，S2OF10這 3種分解產(chǎn)物。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

每組的3次試驗(yàn)結(jié)果都顯示出了相同的趨勢。為了便于說明規(guī)律，取其中1次結(jié)果進(jìn)行對比。試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，其中C表示不同氣體濃度，由圖4可得以下結(jié)論：

（1）不同水分含量下，電暈放電SO2和SO2F2的關(guān)系保持一致。SO2F2的含量高于SO2的含量。

（2）水分含量越高，分解產(chǎn)物的產(chǎn)量越高。

（3）低水分含量的電暈放電下，S2OF10不容易產(chǎn)生。

試驗(yàn)結(jié)果表明，無論是低水分環(huán)境還是高水分環(huán)境，不同分解產(chǎn)物間的趨勢保持了一致。電暈放電下，主要的分解產(chǎn)物有SO2和SO2F2，隨著放電時(shí)間的增長，含量逐漸升高；但水分含量影響了分解產(chǎn)物出現(xiàn)的時(shí)間和絕對含量，水分含量越高，分解產(chǎn)物被檢出的時(shí)間更快，含量更高。水分含量越高，分解產(chǎn)物產(chǎn)生的速率越快。因此，有必要對設(shè)備內(nèi)部的水分進(jìn)行控制。

4 吸附劑對SF6分解產(chǎn)物的影響

由于運(yùn)行設(shè)備中廣泛存在吸附劑，吸附劑的存在對SF6分解產(chǎn)物會(huì)產(chǎn)生一定程度的影響。為了明確吸附劑對電氣設(shè)備潛伏性缺陷產(chǎn)生的SF6分解產(chǎn)物的影響程度，以便更有效的通過SF6分解產(chǎn)物的濃度判斷電氣設(shè)備潛伏性缺陷，進(jìn)行了相關(guān)的模擬試驗(yàn)。

4.1 試驗(yàn)布置

圖4 不同水分含量下分解產(chǎn)物隨時(shí)間的變化規(guī)律

在實(shí)驗(yàn)室模擬器中放置現(xiàn)場中常用的F-03型分子篩吸附劑，再充入0.4 MPa的不同濃度的故障氣體，其中吸附劑的放置量約為氣體重量的6%。對比檢測不同濃度在吸附劑工況下分解產(chǎn)物隨時(shí)間的變化規(guī)律，探尋吸附劑對不同氣體產(chǎn)物的吸附能力。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

不同濃度的分解產(chǎn)物在吸附劑作用下的含量變化關(guān)系如圖5—圖9所示。其中C表示不同氣體濃度。

吸附劑對于 SO2F2，SO2，S2OF10這 3種含硫產(chǎn)物影響較大，特別的對于SO2，在120 h內(nèi)含量由超過563 μL/L被吸附至0 μL/L。但吸附劑對于CF4的吸附能力最小，整個(gè)試驗(yàn)過程中CF4幾乎不受吸附劑影響，CS2由于屬于直線性分子，且存在一定的極性，且其分子動(dòng)力學(xué)直徑也小于F-03型吸附劑的孔徑，因此存在一定的吸附作用，但對CS2的吸附能力明顯弱于對SO2F2，SO2，S2OF10的吸附劑能力。

圖5 不同濃度的SO2在吸附劑作用下的含量變化規(guī)律

圖6 不同濃度的SO2F2在吸附劑作用下的含量變化規(guī)律

圖7 不同濃度的S2OF10在吸附劑作用下的含量變化規(guī)律

圖8 不同濃度的CF4在吸附劑作用下的含量變化規(guī)律

圖9 不同濃度的CS2在吸附劑作用下的含量變化規(guī)律

鑒于吸附劑對于SF6分解產(chǎn)物SO2F2，SO2，S2OF10有較強(qiáng)的吸附作用，在利用氣體組分分析判斷GIS的故障或缺陷時(shí)，要考慮吸附劑的影響。如果某GIS氣室中SO2F2和SO2的含量明顯的持續(xù)增大，則該設(shè)備中肯定存在缺陷，如果某GIS氣室中SO2F2和SO2的含量并不明顯增長，也不能說明該GIS中不存在缺陷，可能此時(shí)由該缺陷所導(dǎo)致的SF6分解生成的速度小于吸附劑的吸附速度。吸附劑對于SF6分解產(chǎn)物CF4和CS2的吸附作用并不顯著，因此，在涉及固體絕緣材料損傷的GIS缺陷判斷中利用CF4和CS2作為判斷指標(biāo)有一定的優(yōu)勢。需要特別說明的是CF4在SF6新氣中也不同程度存在（制造環(huán)節(jié)不可避免產(chǎn)生），因此對判斷絕緣狀態(tài)會(huì)有一定干擾。而CS2只有在GIS涉及固體絕緣缺陷條件下才會(huì)產(chǎn)生。

5 結(jié)論

通過開展實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)研究，重點(diǎn)分析了試驗(yàn)容器、微水、吸附劑三個(gè)因素對SF6分解產(chǎn)物檢測的影響，主要得到以下結(jié)論：

（1）GIS氣室內(nèi)壁和取樣瓶內(nèi)壁對SF6主要分解產(chǎn)物均有一定的吸附作用進(jìn)而影響檢測準(zhǔn)確性，通過噴涂特富龍涂料可有效降低上述干擾。

（2）無論是低水分環(huán)境還是高水分環(huán)境，不同分解產(chǎn)物間的趨勢保持了一致。電暈放電下，主要的分解產(chǎn)物有SO2和SO2F2，隨著放電時(shí)間的增長，含量逐漸升高；但水分含量影響了分解產(chǎn)物出現(xiàn)的時(shí)間和絕對含量，水分含量越高，分解產(chǎn)物被檢出的時(shí)間更快，含量更高。水分含量越高，分解產(chǎn)物產(chǎn)生的速率越快。

（3）吸附劑對于 SO2F2， SO2， S2OF10這 3 種含硫產(chǎn)物影響較大，在利用上述3種分解產(chǎn)物判斷GIS絕緣狀況時(shí)應(yīng)充分考慮吸附劑影響；吸附劑對于CF4幾乎不吸附，對CS2有弱吸附作用，在涉及固體絕緣材料損傷的GIS缺陷判斷中利用CF4和CS2作為判斷指標(biāo)有一定的優(yōu)勢。