锐钛矿型(101)晶面吸附SF_6局部放电分解组分的气敏机理分析

气体绝缘组合开关(GIS)内部的局部放电会导致绝缘气体SF_6分解,生成多种特征气体。通过检测特征气体的成分和浓度能够及早发现GIS设备内部潜伏性绝缘缺陷,在设备绝缘状况恶化前提前预警,避免突发性故障发生。作为气敏传感领域的研究热点,TiO_2纳米管在GIS故障气体监测领域应用前景广阔。该文从微观层面上研究TiO_2纳米管气体传感器的气敏机理。利用Materials Studio软件仿真计算了锐钛矿型TiO_2(101)晶面的完美晶面、缺陷晶面以及Pt掺杂晶面对特征气体SO_2、SOF_2、SO_2F_2的吸附参数,理论分析了气体分子与晶面的作用过程,建立起晶面导电性能与气体分子吸附的联系。此外,通过气敏实验研究了本征及Pt掺杂TiO_2纳米管传感器对SO_2、SOF_2、SO_2F_2的气敏响应,并基于仿真结果解释实验现象,完善了TiO_2纳米管的气敏机理,为制备GIS设备局部放电监测的气敏传感器奠定了基础。     

基于第一性原理的SnO2(101)表面对SF6分解气体气敏性能研究

通过检测SF_6典型分解气体可以诊断出SF_6气体绝缘设备早期绝缘故障。二氧化锡(SnO_2)是应用广泛的气敏材料,文中采用第一性原理计算并分析了SF_6分解气体在SnO_2(101)表面的吸附情况,研究SnO_2(101)表面对SF_6分解气体的气敏性能。通过理论计算,获得了H_2S、SF_6、SO_2、SOF_2和SO_2F_2气体分子在SnO_2(101)表面吸附的吸附能、吸附构型、电荷转移、差分电荷密度、态密度、势能图与功函数等表征吸附特性的参量。分析计算结果发现,SnO_2(101)对H_2S和SO_2有很好的选择性和敏感性,有望成为检测SF_6分解气体的传感器材料。     

气压对SF_6局部过热分解的影响特性

为获取气压对SF_6局部过热分解的影响特性,通过实验研究了故障温度为400℃、气压为0.2~0.5 MPa的SF_6局部过热分解特性,并结合粒子反应碰撞理论分析了气体压强对SF_6分解特征组分生成过程的影响作用机制及影响规律。研究结果表明:随着气压的增加,单位体积内的各种分子的有效碰撞频次增加,进而提高了生成CO_2、SO_2F_2、SOF_2、H_2S和SO_2的化学反应的速率,使得各特征分解组分的摩尔浓度均随着气压的升高而增长;气压的升高对不同分解组分有不同程度的促进作用,其中对SO_2F_2生成的促进作用最为显著;气压对特征组分的有效产气速率的影响规律明显,同时,SO_2F_2/SOF_2和SO_2F_2/(SO_2+SOF_2)两组有效特征组分比值均与气压呈正线性相关。以上研究结果可为将来采用SF_6气体组分分析法(DCA)对SF_6气体绝缘装备进行绝缘状态监测提供支撑。     

基于密度泛函理论的SF_6分解组分在ZnO(0001)吸附及传感性能研究

基于第一性原理密度泛函理论探讨了四种典型SF_6分解组分(SO_2,SOF_2,SO_2F_2以及H_2S)分别在ZnO(0001)表面上的吸附以及传感性能。计算并比较了不同气体吸附所产生的吸附能、吸附距离、电荷转移、差分电荷密度,并通过能态密度计算探讨了气体分子与表面的化学相互作用。结果显示,四种气体分子均能与ZnO(0001)表面产生较强的化学吸附作用。除了SO_2分子在吸附后还保留本身的分子结构外,其他三种分子均发生了不同程度的分解。SOF_2与SO_2F_2表现为S-F键断裂而H_2S表现为S-H键断裂。虽然计算结果显示ZnO(0001)表面对四种组分均有较强的吸附以及气敏性能,但因为较大的吸附能及气体的分解,ZnO对组分的恢复性能有待提升。本文能为基于ZnO及其改性材料的气敏传感器检测SF_6分解组分提供理论基础及指导。     

负极性直流局部放电下SF6分解特性

为了获取和掌握不同类型负极性直流局部放电(PD)下SF_6气体绝缘介质的分解特性,利用SF_6直流PD分解实验平台,对自制的4种典型绝缘缺陷模型(金属突出物、自由导电微粒、绝缘子表面污秽和绝缘子气隙)进行PD实验。结果表明:4种绝缘缺陷引起的负极性直流PD均会使SF_6分解生成CF_4、CO_2、SO_2F_2、SOF_2和SO_2等5种稳定组分,SF_6分解组分的含量、有效产气速率和含量比值与PD类型之间均存在一定关联;在4种缺陷下,以c(SOF_2+SO_2)/c(SO_2F_2)、ln(c(CO_2)/c(CF_4))和c(SOF_2+SO_2F_2+SO_2)/c(CF_4+CO_2)作为特征量,区别较为明显,且特征比值曲线没有出现任何交叉,因此适合识别不同类型的绝缘缺陷。     

不同气压下两种缺陷的SF_6负极性直流局部放电分解特性

为了探究不同气压下自由金属微粒与金属突出物在引起负极性直流局部放电(PD)导致SF_6特征组分的差异,在搭建SF_6直流局部放电分解实验平台的基础上,开展了不同气压下SF_6 PD分解特性实验研究,获取了SF_6分解特征组分随压强的变化规律。研究表明:在2种缺陷下,SF_6会发生分解生成SO_2F_2、SOF_2、CO_2、SO_2 4种稳定的分解产物,金属突出物缺陷下各分解组分生成量浓度随着气压的增加而逐渐减少,并呈现不同的变化趋势。自由金属微粒缺陷下,SOF_2、CO_2和SO_2随着气压的增加几乎不变,SO_2F_2随着气压的增加而快速减少。有效量浓度比值c(SO_2F_2)/c(SOF_2+SO_2)随气压的增加逐渐减少,在对GIS进行故障诊断时,需要对气压造成的影响进行校正;c(CO_2)/c(SO_2F_2+SOF_2+SO_2)随气压逐渐增加,并在0.3 MPa后达到稳定,对气压处于0.3~0.4 MPa的气体绝缘设备进行故障诊断时,可以不考虑气压对c(CO_2)/c(SO_2F_2+SOF_2+SO_2)的影响。     

基于SF_6分解产物融合判断的GIS绝缘劣化趋势划分

为实现用SF_6气体分解产物来诊断和评估气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)绝缘状态,必须寻找出恰当的特征参量,建立气体分解组分与GIS绝缘劣化的判断法则。为此构建了SF_6气体放电分解平台,做针-板缺陷下长期持续性放电分解实验以模拟GIS绝缘劣化全过程。选取SO_2F_2、SOF_2、SO_2、CF4、CO_2为特征组分,获得其在不同阶段的体积分数变化趋势。其中SO_2、SOF_2和SO_2F_2呈类"Logistic"曲线走势,表现出较好的一致性。提出用φ(SO_2F_2+SOF_2+SO_2)/φ(CO_2+CF_4)体积分数比、SO_2体积分数φ(SO_2)和(SO_2F_2+SOF_2+SO_2)体积分数变化率作为特征参量并分析其理化意义,在不同阶段特征参量变化显著,据此采用模糊分析法识别放电严重程度,建立了相应的模糊判断模型,将GIS绝缘劣化趋势划分为"正常阶段"、"劣化阶段"和"饱和阶段",分类结果与实验效果相符合。     

国内文摘与专利

正基于SF_6分解产物融合判断的GIS绝缘劣化趋势划分/王先培;肖伟;胡明字;等/高电压技术,2016(6)为实现用SF_6气体分解产物来诊断和砰估气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)绝缘状态,必须寻找出恰当的特征参量,建立气体分解组分与GIS绝缘劣化的判断法则。为此构建了SF_6气体放电分解平台,做针-板缺陷下长期持续性放电分解实验以模拟GIS绝缘劣化全过程。选取SO_2F_2、SOF_2、SO_2、     

模拟SF_6环网柜气室局部放电分解特性研究

为了检测SF_6气体绝缘环网柜气室内部的局部放电故障,文中采用组分分析法研究SF_6局放放电的分解产物。通过针—板电极模拟SF_6气体绝缘环网柜气室金属突出物缺陷,实验研究了不同放电量的局部放电SF_6分解产物以及分解特性。通过施加4种电压等级来产生不同的放电强度,采集样气并用色谱质谱(GC/MS)检测分解组分。结果表明:在模拟气室中局部放电会使SF_6气体绝缘介质分解生成CO_2、SO_2F_2、SOF_2和SO_2等4种稳定组分。在相同放电强度下,这4种分解组分的体积分数随着时间不断增加,并呈现饱和的趋势;在相同放电时间内,4种分解组分体积分数随放电量增大而增加,并呈现不同的规律。根据以上研究建立了分解组分产气均方根速率与放电量之间的对应关系,即可根据SF_6气体分解特征组分的产气速率推断出气室中放电量的范围,为组分分析法应用于SF_6气体绝缘环网柜提供了依据。     

负极性直流局部放电量与SF_6分解过程的关联特性

为了研究直流气体绝缘电气设备内部局部放电(partial discharge,PD)强度与SF6气体分解特性之间的关联关系,该文在研制的SF6直流PD分解试验系统上,通过对针板电极施加不同强度的负极性直流电压使SF6发生分解,结合气相色谱质谱定量分析法,获取了每秒平均放电量Qsec与SF6分解组分之间的关联特性。研究表明:负极性直流PD使SF6分解产生的分解组分主要包括CF4、CO_2、SO_2F_2、SOF_2和SO_2等,其中CO_2、SO_2F_2、SOF_2及(SO_2F_2+SOF_2+SO_2)的生成量与Qsec具有较强的关联特性;SO_2F_2、SOF_2和(SO_2F_2+SOF_2+SO_2)的产气均方速率RRMS与Qsec具有正的线性相关性,可作为判定直流PD放电量的特征量,同时,组分含量特征比值SO_2F_2/SOF_2也与Qsec具有正的线性相关性,并可以作为判定直流PD强度的特征比值。     

GIS设备局部火花放电故障SF6分解特性

为了更好地利用分解组分分析(DCA)法诊断SF_6气体绝缘设备绝缘故障,在搭建的火花放电实验平台上,开展了不同放电频率和不同火花放电能量作用下的SF_6气体分解实验研究,利用气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)对火花放电作用下SF_6分解生成的特征产物进行定量检测。结果表明:在火花放电作用下,SF_6的主要分解产物有SOF_2、SO_2F_2、SOF_4、SO_2和CF_4,其生成量均随火花放电频率的增加而上升。随着单次火花放电能量的上升,不同分解产物的生成趋势各异,其中SOF_2与CF_4的生成量不断上升并趋于饱和,而SO_2F_2的生成量不断下降并趋于稳定,SOF_4的生成量呈线性上升趋势,火花放电能量对SO_2的生成量没有显著影响。     

GIS内部缺陷局部放电下SF_6分解特性研究

为研究金属突出物缺陷下的局部放电(PD)与SF_6气体分解组分的关系,研究了110 k V GIS内部金属突出物缺陷下的局部放电,对比分析了两种不同放电量下SF_6的分解情况。选择SO_2F_2、SOF_2、CO_2、SO_2 4种组分作为特征气体,选择c(CO_2)/c(SO_2)、c(SOF_2)/c(SO_2F_2)、c(SOF_2+SO_2F_2)/c(SO_2+CO_2)3组比值来表征金属突出物缺陷下的放电特点。结果表明:GIS中各分解组分变化规律不同于理想试验罐体中得出的数据规律;在GIS中放电量较小的情况下,可以通过SOF_2、SO_2F_2的浓度变化来判断PD强弱;SF6分解特征组分比值c(SOF_2)/c(SO_2F_2)和c(SOF_2+SO_2F_2)/c(SO_2+CO_2)均可以判断GIS内PD的强度;而c(CO_2)/c(SO_2)分散性较大,不宜作为判断GIS内PD强度的特征量。     

基于SF_6分解组分的负极性直流局部放电故障诊断

为了利用SF_6局部放电(PD)分解特性开展直流气体绝缘设备(GIE)故障诊断研究,以直流GIE中最为常见的4种绝缘缺陷为例,研究了缺陷从起始放电发展至临近击穿整个过程的PD特性,选择q_v、n_v和Δt_v作为表征PD状态的特征量,并将PD严重程度划分为3个等级;在每种缺陷的3个PD等级下开展了大量SF_6分解实验,获取了SF_6分解特性。实验结果表明,SF_6分解生成了CF_4、CO_2、SO_2F_2、SOF_2和SO_2 5种稳定组分,其中SOF_2是最主要的分解产物,且含硫组分的生成量高于含碳组分的生成量;构建了由21个浓度比值组成的特征集合,运用最大相关最小冗余准则进行特征量选择,并基于BP神经网络和支持向量机进行了故障诊断,准确率超过88%。     

负极性直流下基于SF6分解特性的局部放电故障状态评估

为了获取SF_6气体绝缘介质在不同程度负极性直流局部放电(partial discharge,PD)作用下的分解特性,并据此建立直流SF_6气体绝缘设备(gas-insulated equipment,GIE)内部PD故障状态评估方法。论文以直流GIE中最为常见的金属突出物绝缘缺陷为例,研究了缺陷从起始放电发展至临近击穿整个过程的PD特性,提取出能够表征PD发展阶段的7个特征参数,并运用模糊C均值聚类算法将PD故障状态划分为轻微PD、中等PD和严重PD 3个等级;然后,在这3种PD状态下进行了大量的SF_6分解实验,获取了不同PD状态下的SF_6分解特性。研究结果表明:SF_6组分体积分数比值c(CF_4)/c(CO_2)、c(SO_2)/c(SOF_2)和c(SO_2F_2)/c(SOF_2+SO_2)与PD故障状态之间均存在紧密的关联关系;最后,运用模糊综合评价理论建立了基于SF_6组分体积分数比值的PD故障状态评估模型。论文的研究工作可为将来利用SF_6分解特性对直流GIE进行绝缘状态综合评估和故障诊断奠定基础。     

基于SAW-RFID的SF_6分解特性研究

为提高分解特征组分在故障诊断中的准确性,需对影响分解特征组分的SF_6气体湿度进行在线监测。现有湿度在线监测技术存在耗气量大、实现困难且复杂成本高等不足,提出了一种基于声表面波射频识别(SAW-RFID)的SF_6气体湿度在线监测方法。首先对该SAW-RFID湿度传感器芯片进行了中心频率测试和性能测试,再利用该湿度传感器监测用针-板放电模型模拟金属突出物绝缘缺陷所产生的局部放电(PD)下SF_6气体的湿度,在不同湿度下定量测定了SO_2F_2和SOF_2的累积体积分数。实验结果表明,SAW-RFID湿度传感器的性能满足要求,精度高、误差小;SO_2F_2与SOF_2的累积体积分数随湿度增加变大,与放电时间呈正相关;相对产气速率在前期与湿度负相关,在后期与湿度无关且趋同。     

气压对SF6正极性直流局部放电分解特性的影响及作用机制

为了研究不同GIS内部气压对SF_6正极性直流PD分解组分的影响,本文对SF_6正极性直流局部放电分解组分的影响机制进行了分析,搭建了正极性直流PD实验平台,研究不同气压下SF_6正极性直流PD分解组分的含量及生成速率。结果表明:在不同的气压条件下,4种特征分解组分(CF_4、SO_2F_2、SOF_2和SO_2)的生成量和生成速率存在明显的差异,其中SO_2F_2和SOF_2的含量最大,SO_2含量较少,CF_4含量最少。在保持气室体积和外部温度不变的情况下,SF_6初级分解产物SF_5、SF_4、SF_2等的生成量与气压大小成反比,使得在5组实验气压下,气压值越大,4种特征分解组分的生成量越少。     

不同PtNPs掺杂量石墨烯传感器检测SF6分解组分的气敏特性

气体绝缘组合电器（gas insulated switchgear,GIS）中SF₆气体放电分解组分的检测,对GIS内部局部放电的严重程度的判断和状态维修具有重要的意义。本文提出运用Pt纳米颗粒（PtNPs）掺杂石墨烯对SF₆放电分解组分进行检测,目的是为GIS的在线监测提供一种方法。采用一步化学还原法研制出不同PtNPs掺杂量石墨烯传感器,对SF₆主要分解组分进行了气敏响应实验,并对比了不同PtNPs掺杂量的石墨烯传感器及本征石墨烯传感器的气敏特性曲线,初步探讨了其气敏响应机理。实验结果表明,PtNPs的掺杂带来了响应值的提升,而且传感器在不同PtNPs掺杂量下显示出不同的选择性。     

金属材料对SF_6正极性直流局放分解的影响特性

为了理清金属材料对SF_6直流局部放电分解的影响特性及其作用机制,文中采用铝、铜和18/8不锈钢3种金属材质的针—板电极进行SF_6正极性直流PD分解实验,并结合气相色谱质谱(GC/MS)定量检测方法获取了金属材料对CF_4、CO_2、SOF_2、SO_2F_2、SO_2 5种主要特征分解组分的影响特性。结果表明:金属材料对CO_2的生成没有显著影响,但对其他4种特征组分的生成有较大影响。金属材料抗卤化能力差异和钝化膜存在与否,可能是导致SF_6在不同金属电极正极性直流PD分解特性差异的主要原因。因此,在利用SF_6特征分解组分对直流气体绝缘设备进行状态监测和故障诊断时,需综合考虑故障点金属材料不同带来的影响。     

涉及绝缘材料的悬浮电位缺陷下的SF_6分解特性

为了探究SF_6气体在悬浮电位缺陷下的分解特性,构建了SF_6分解实验平台及悬浮电位缺陷模型,分别在不同外施电压以及气压下进行了放电分解实验。结果表明,该缺陷类型下的主要典型分解产物包括SO_2F_2、SOF2、CO_2、SO_2 4种,其产气速率由高到低依次为:CO_2、SOF_2、SO_2F_2和SO_2,且其体积分数φ的变化规律受到放电量及其充装气压的影响。φ(SOF_2+SO_2)/φ(SO_2F2)和φ(SOF_2+SO_2+SO_2F_2)/φ(CO_2)随加压时间表现出较好的稳定性。因此,可以利用几种典型产物的体积分数变化规律及浓度比值作为判断局部放电强度及缺陷类型的特征量。     

基于氧同位素示踪法的火花放电中O_2对SF_6分解气体形成的影响

六氟化硫气体(SF_6)因其良好的绝缘和灭弧性能,广泛应用于气体绝缘电气设备中。当SF_6气体绝缘电气设备发生放电故障时,SF_6气体将分解为低氟硫化物,这些低氟硫化物与混入SF_6气体中的杂质如水、氧气等进一步发生反应,产生具有剧毒强腐蚀性的SF_6分解衍生物。作为主要的气体衍生物,SO_2F_2、SOF_2、SO_2等氟氧化物是基于分解气体法的故障识别与诊断的标志产物。为此,文中提出了一种基于氧同位素示踪的SF_6分解气体分析方法。在一系列火花放电实验的基础上,通过注入不同含量的同位素氧气18O_2,分析火花放电中微量氧气对主要氟氧化物含量及其比值变化规律的影响,进而解释火花放电下主要氟氧化物的成因机制。