六氟化硫气体含量分析在GIS故障分析判断中的应用

出处：电子爱好者博客发布于：2013-11-12 10:18:43

　　摘要：六氟化硫（SF6）气体在电弧、电火花和电晕放电的作用下会发生分解，产生二氧化碳（CO2）、四氟化碳（CF4）等分解产物。SF6气体组分分析（可在设备带电状态下进行）是诊断SF6气体绝缘设备内部运行情况的一个强有力的手段，据此可判断设备是否故障，并确定故障的具体部位，近年来已有不少成功。

　　本文主要探讨了GIS 中典型放电性故障特征及相应的SF6气体分解产物和分解机理，给出了不同放电类型故障相关试验结果，并对常见的电晕放电故障给出了放电量与分解产物的关系。在此基础上，归纳了不同放电故障下主要气体分解产物的反应方程，并应用于一起GIS故障分析，为GIS 潜伏性故障及其故障类型判断累积经验。

　　0 引言

　　GIS在城市电网中得到广泛的应用，目前由于此类设备的结构和接线方式上的特殊性，传统的检测方法很难监督其运行状况，常规的SF6气体的检测方法仅检测气体湿度，无法判断设备内部是否存在潜伏性故障。

　　SF6 气体在设备正常的运行情况下均含有一定量杂质，当设备内部存在故障时，在电弧或高温的作用下，SF6气体本身或SF6与设备内部的绝缘材料相互作用会产生一定种类和一定量的杂质，通过对杂质种类和含量的分析，可以分析并判断SF6 电气设备内部存在故障的情况。

　　采用SF6气体分析技术判断设备内部故障，类似于采用绝缘油中溶解气体分析方法判断充油设备内部故障，具有无需设备停电、可及时跟踪设备内部故障的发展状况、方法简便等优点。

　　1 GIS 设备中典型放电性故障及SF6气体产物

　　GIS 设备在运输、储存和安装中可能发生零部件松动，电极表面刮伤或安装错位引起的电极表面缺陷，导电微粒进入或工具遗忘在装置内等，这些隐患的存在和发展会造成设备内部发生电弧放电、火花放电、电晕或局部放电。

　　笔者针对以上多种类型放电性故障及相关SF6分解机理分别展开讨论。

　　1.1 放电性故障类型

　　在SF6 气体绝缘设备中，放电性故障是使SF6 气体发生分解的主要原因。放电形式主要有3 种：电弧放电、火花放电、电晕或局部放电。

　　表1对3种放电类型的产生机理、信号特征、持续时间和放电能量等方面的特点进行了简单的归纳与总结。

　　1.2 SF6气体分解产物及规律

　　自20 世纪70 年代以来，国内外对SF6 气体在不同放电条件下的分解特性进行了大量基础研究，深入探讨了SF6分解生成物的种类以及SF6分解的一般过程。如CHU F Y 于1986 年对SF6气体分解物的研究进行了总结，后续研究又进一步完善了SF6 气体分解产物种类，其中典型3 种放电下产生的SF6分解产物如表2所示。

　　目前国内外对典型放电故障下的SF6气体分解产物特征形成了如下的共识：

　　（1）电弧放电，温度往往可达20 000 K,会发生气体热分解现象。高温下SF6 及其分解物会与金属发生反应，形成金属氟化物。在分解产物中，SOF2是主要的稳定分解产物；CF4 是当电弧接触有机材料时形成的；SO2是由SOF2水解形成。

　　（2）火花放电能量相对电弧放电较低，SOF2是主要的分解产物；SO2F2的体积分数较电弧放电有所增加；SF4是火花放电中重要的初始产物。

　　（3）电晕或局部放电，SO2F2的体积分数相对电弧放电，火花放电情况下要高得多，被认为是主要的气体产物[5],可作为电晕或低能放电的一种特征。随着放电能量降低（从电弧到火花），SO2F2 体积分数增大。电晕放电时，有微量水份和氧气的前提下，主要的稳定气体是SOF2、SO2F2和SOF4[9].虽然电弧放电和火花放电的信号特征、持续时间和放电能量有所差别，但其放电机理和试验结果有相似之处，故在后文中将这两种放电故障类型的机理和试验结果在一起描述和分析。

　　2 故障分析判断实例

　　2.1 故障经过

　　2013年2月20日，某220 kV 站V4甲#、4乙#、5#母线A 相电压降低至0 V（两母线并列运行方式），同时2212线路A相电流及零序电流突增，故障性质为线路发生A相接地故障。220 kV纵联差动保护动作跳闸，重合不成功，初次短路电流达12.39 A（二次值），折合值为30.98 kA.再次故障时短路电流达11.76 A,折合值为29.40 kA.

　　2.2 SF6气体分析

　　对八昆二2212 间隔SF6 气体进行现场测试，发现2212-2刀闸气室（内含2212线路侧电流互感器、2212-2-27、2212-17）SO2气体严重超标，初步判定为气室内部有放电故障。后又取气体进行实验室分析，检测结果见表3.从检测数据可以看出SO2,H2S,HF含量均远远高于注意值（50 ppm），可初步判断为电弧放电，CF4,CO2,CO含量出现是当放电故障涉及到固体绝缘材料时的产物；可确定其故障为涉及到固体绝缘材料的贯穿性电弧放电，同时又检测同期投运的两个相邻的气室，其组分除空气外均为0,可推断该故障可能已经潜伏了一段时间由火化放电逐步变成电弧放电。

　　2.3 GIS解体分析

　　开仓检查2212-2 气室，发现仓体内部和导体上均有一层白色粉末，经检查发现2212-2 刀闸动触头导向屏蔽罩严重烧损，烧损残片已散落至仓体内和附着于仓体内壁上。动触头座靠近B相侧有明显放电点，静触头屏蔽罩处有明显放电点，2212-2刀闸仓动触头座靠近B相一侧仓体上附着大量残片。2212-2刀闸仓解体后，现场检查发现动触头一侧的均压罩缺失，如图1所示，但是在仓壁上发现一块故障残留物，初步分析，其可能是故障时，均压罩烧损后留下的残留物。

　　2.4 事故分析

　　故障发生后，将故障GIS返厂分析故障原因。2013年3月5日，在厂家进行故障GIS部件解体检查，检查发现2212-2刀闸动触头铜杆上有两处放电痕迹，屏蔽罩铆冲槽内无铆冲痕迹。电科院对附着在桶壁上的分解产物做了成分检测，主要成分为F、Fe、Al、Cr,可判断为屏蔽罩受电弧作用后的分解产物。结合在该站内开仓检查情况进行分析，初步判断2212-2A相刀闸动触头导向屏蔽罩因铆冲不实，造成脱落至动触头铜杆上，且在掉落过程中对筒壁圆筒与直筒相贯线处放电，是造成本次故障的直接原因。