吸附剂对局部放电下SF_6分解特征组分的吸附研究

为了保障SF6绝缘气体的纯度,需要在SF6气体绝缘设备气室中配置一定量的吸附剂,一方面用于控制气室内的水分含量,另一方面用于吸附因各种原因产生的杂质气体。因而,吸附剂的存在会对局部放电下使SF6发生分解而产生的特征组分进行吸附,使得特征组分含量和变化规律发生改变。在利用特征组分诊断气体绝缘设备内部故障时,必须考虑这一重要影响因素。为此,该文在搭建的SF6气体局部放电分解试验平台上,利用针–板电极产生局部放电(partial discharge,PD)使SF6发生分解,采用气质联用仪定量测定放电室内特征组分的变化,获取不同吸附剂用量梯度下吸附特征组分的规律与特性。研究表明,无论有无放置吸附剂,在气室内都能检测到SOF4、SO2F2、SOF2和SO2等主要稳定特征组分,且随着吸附剂用量的增加,对特征组分的吸附率各不相同。     

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。     

SF_6局部过热分解特征组分的微量O_2作用机制

在局部过热故障下,微量O_2直接参与SF6的分解过程,在利用特征组分诊断SF6气体绝缘设备过热性故障时必须考虑O_2的影响。为此,在已有的SF6局部过热分解模拟实验平台上,通过控制纯净SF6气体中的微量O_2体积分数进行SF6过热分解实验,得到了不同微量O_2体积分数对SF6主要过热分解特征产物的影响规律。研究表明:SOF4和SO_2F2的产气量均与O_2体积分数正相关,微量O_2可将SOF4转化为SO_2F2,使SO_2F2的产气量随着O_2体积分数的增加而呈指数增长。微量O_2与SF6初级分解产物的直接反应使得SO_2成为主要产物,F原子和O原子竞争中间分解产物,导致SO_2饱和,而SOF2的绝对产气量则出现先增后减的情况。微量O_2不仅影响了各分解产物的产气量,也使得SO_2和SO_2F2演变为SF6过热分解的主要产物,且微量O_2对SO_2F2的促进作用更显著。     

GIS设备局部过热故障程度与SF_6分解的关联特性

为了获取不同过热温度下的SF_6分解组分特征信息,文中通过实验研究了故障温度为260~500℃之间的SF_6局部过热分解特性,通过对实验数据处理分析研究了不同过热故障严重程度与分解组分特征信息之间的关联特性。研究表明:随着过热温度的增加,总分解量CT、硫化物分解量CT_1、碳化物分解量CT_2都有增长趋势;各组分有效产气速率R_(RMS)都与过热温度具有极强的关联性,分解组分产气速率越高,表明SF_6电气设备过热故障越严重;特征比值C_(SO_2F_2+SOF_4)/lgC_(SOF_2+SO_2)及其有效值TCR_(RMS_1)(TCR_1)可作为衡量POF严重程度的特征指标,该比值越大,表明故障越严重;CT_2/lgCT_1或及其有效值TCR_(RMS_2)(TCR_2)可作为表征POF是否涉及到含碳金属构建劣化程度,该比值越大,表明金属劣化越严重。     

SF_6局部过热状态下涉及有机绝缘材料的分解产物生成特性

在局部过热性故障下,有机绝缘材料不仅会过热裂解并参与SF6分解组分的生成过程,而且会被HF和H2S等SF6分解组分腐蚀,致使SF6气体绝缘装备的主要绝缘介质SF6和有机绝缘材料的绝缘性能劣化,威胁装备的安全稳定运行。为此,开展了涉及有机绝缘材料的SF6过热分解实验,对分解组分检测方法进行改进,首次检测到CS2这一重要分解组分,获得了涉及有机绝缘材料时SF6局部过热分解特性以及有机绝缘材料所含元素种类和相对含量。研究表明:CS2、CO2、CF4、H2S、SO2F2、SOF2、SO2这7种分解组分生成反应以及反应的难易程度不同,致使各组分的初始生成温度、体积分数大小及增长规律不尽相同,各组分体积分数有φSO2φSOF2φCO2φCF4φSO2F2φCS2φH2S;不同局部过热温度下的有机绝缘材料裂解程度不同,HF、H2S对其腐蚀的强弱存在差异,致使其C、O、F、S元素的相对含量随局部过热温度升高呈现不同的变化规律。     

H_2O对局部放电下SF_6分解生成特征组分的影响

为建立基于SF6分解特征组分原理的电气设备在线监测与故障诊断理论和方法,用针-板放电模型模拟了金属突出物绝缘缺陷产生局部放电(PD),使含不同微量H2O的SF6/H2O混合气体发生分解,定量测定了CF4、CO2、SO2F2和SOF2 4种特征分解组分的体积分数,得到了各特征组分体积分数、相对产气速率和能量特征比值φ(SOF)2/φ(SO2F2)随微量H2O体积分数φ(H2O)的变化规律,初步了研究φ(H2O)对各特征组分生成规律的影响机制。结果显示,φ(H2O)的增加会抑制CF4的生成,而对CO2的绝对产量和相对产气率的影响均无明显规律;SO2F2和SOF2的累积体积分数均与φ(H2O)正相关,并大致呈线性增长趋势;此外,在放电初期,SO2F2与SOF2的相对产气率均大致随着φ(H2O)的增大而减小,但在放电稳定期,却独立于φ(H2O)且趋于相同;φ(H2O)对特征组分产量比值φ(SOF)2/φ(SO2F2)也有显著的影响。实验结果为提出准确的基于SF6分解特征组分原理的在线监测与故障诊断方法提供参考。     

基于SF_6分解特性的局部放电故障程度评估

如何对直流SF6气体绝缘设备(gas-insulated equipment, GIE)内部局部放电(partial discharge,PD)严重程度进行科学的评估是目前还未解决的问题。由于GIE内部绝缘材料的分解情况与设备内部绝缘状态直接相关,提出利用SF6PD分解特性对GIE内部PD程度进行评估,具体为:建立出自由金属微粒缺陷模型,并将由该缺陷引起的PD划分为3个等级,在每个等级下各选2个电压开展SF6分解实验;基于最大相关最小冗余(minimumredundancymaximumcorrelation,m RMR)原则对SF6分解组分进行特征选择,并分别运用反向传播神经网络和支持向量机分类器诊断PD严重程度,提取出最能有效表征PD程度的SF6分解组分含量的比值集合,对PD状态进行评估。研究表明,SF6分解组分含量与PD严重程度之间存在一定的关联关系,C(CO2)/CT1、C(CF4)/C(SO2)、C(CO2)/C(SOF2)和C(CF4)/C(CO2)能够有效地诊断PD严重程度。     

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%。     

SF_6负极性直流局部放电分解特性与组分特征提取

为了研究SF_6在不同类型负极性直流局部放电(partial discharge,PD)下的分解特性,进而建立SF_6分解特性与缺陷类型之间的关联特性。在自建的SF_6负极性直流PD分解实验平台上,通过系列实验研究得到了SF_6在4种不同典型绝缘缺陷引起的负极性直流PD下的分解数据。研究表明:4种典型绝缘缺陷PD下SF_6均会发生分解,生成CF_4、CO_2、SO_2F_2、SOF_2和SO_2这5种稳定组分,且4种缺陷下组分体积分数以及由分解组分构造而成的特征比值(简称特征组分比值)随放电时间均具有各自不同的变化规律,可以用于缺陷类型表征。为了验证这两类特征参量对缺陷类型表征的有效性,使用谱聚类算法分别对两类特征量进行聚类处理,结果表明,两类特征参量均能对缺陷类型进行有效反映,且特征组分比值参量更加适合用于缺陷类型识别。     

不同气压下SF_6的局部放电分解特性

为了获取不同气压下SF6的局部放电(PD)分解特性及其变化规律,在搭建的试验研究平台上,开展了不同气压下SF6的PD分解特性实验。实验中,采用气相色谱仪和气质联用仪对分解生成的特征组分进行了定量测定。根据实验结果,分析了特征组分的变化规律及气压变化造成的影响。实验结果表明:随着气压的增加,特征组分CO2、SO2、SOF2的生成速率会明显减小,且SOF2的变化最为显著,但特征组分SO2F2的生成速率仅略微降低,进而对诊断故障的特征比值φ(SOF2+SO2)/φ(SO2F2)有较大的影响。为此,提出一种影响不明显的特征比值φ(SO2F2+SOF2+SO2)/φ(CO2)作为故障诊断的新特征量。     

SF6气体分解组分的多功能试验装置研制

GIS设备中局部放电(PD)的模式识别和放电量的定量检测是目前国内外研究的难点。为此,作者设计了一套用于SF6PD气体分解组分研究的多功能试验装置,重点介绍了装置的结构和主要部件的计算参数。初步试验研究表明:该装置能够产生PD并引起SF6分解,气体检测单元可有效检测SO2F2、SO2、CF4、空气、CO2等组分气体,检测结果与现有IEC和GB标准基本相符;能够在不同试验电压下,模拟各种PD,具有获取SF6气体分解组分、气敏传感器响应信号、微观放电图像、微观放电过程以及脉冲放电电流波形等多信息功能,从而为深入开展GISPD导致SF6分解组分的关联比对研究,最终为解决放电模式识别和放电量定量检测难题提供了综合试验研究手段。     

SF6局部放电分解组分光声检测信号交叉响应处理技术

SF6局部放电(PD)时,某些特征分解组分气体的红外吸收频带存在重叠部分,利用光声检测法检测其成分时会有严重的交叉响应,影响检测准确度。为此,将主成分分析(PCA)与径向基函数(RBF)神经网络相结合,构建了一种能降低交叉响应的PCA-RBF神经网络,应用于光声检测法输出信号阵列的处理,以解决传统RBF神经网络在输入空间严重自相关时检测准确度的下降,实现对SO2、CO2、CF4混合气体中各组分气体体积分数的准确检测。结果表明:PCA-RBF神经网络有效地消除了样本之间的相关性,提高了神经网络对混合气体中各组分气体体积分数的检测准确度(平均相对误差<3%),为将光声检测法应用于SF6局部放电分解组分气体的检测提供了有效的数据处理手段。     

羧基碳纳米管吸附SF6放电分解组分的仿真计算

通过SF6分解气体组分及组分含量检测,可以判断气体绝缘电器组合(gas insulated switchgear,GIS)内局部放电(partial discharge,PD)类型及发展程度,对GIS的故障诊断具有重要意义。提出利用羧基修饰碳纳米管(SWNT-COOH)提高碳管的灵敏度和选择性来检测GIS中的SF6分解组分。根据第一性原理,采用Materials Studio分子动力学仿真软件对羧基修饰的单壁碳纳米管吸附SF64种主要分解组分SO2、SO2F2、SOF2和CF4进行了详细的理论计算,分析吸附过程中吸附能、电荷转移量、作用距离、前线轨道和电子态密度的变化情况,结果显示SWNT-COOH对于4种气体检测的选择灵敏度为SO2>SOF2>SO2F2>CF4,可以利用羧基修饰碳纳米管制备气体传感器检测SF6局部放电分解组分。     

羧基修饰石墨烯吸附SF6分解组分的DFT计算

为研制高灵敏度SF6气体分解组分检测传感器,利用基于第一性原理的密度泛函理论(DFT)方法,采用分子模拟软件对SF6主要放电分解组分(SO2,SOF2,SO2F2,CF4)在羧基修饰石墨烯表面的吸附特性进行了模拟计算,从微观角度研究了羧基修饰石墨烯检测SF6气体放电分解组分的气敏机理。理论计算了单分子吸附过程中表征吸附性能特征参量的吸附能、吸附距离、净电荷转移量、分子前线轨道以及态密度。结果表明:羧基的修饰能够有效提高石墨烯的吸附性能,且羧基石墨烯效果更好,对4种分子吸附效果强弱依次为SO2>SOF2>SO2F2>CF4,其中SO2在羧基石墨表面发生较为强烈的化学吸附效应。     

基于SF6分解产物的避雷器缺陷分析

以国内外基于SF6气体分解产物的SF6电气设备故障判断标准和规范为依据,对某避雷器典型缺陷案例进行综合分析。通过现场SF6气体分解产物组分检测和实验室气相色谱检测,判断避雷器内部存在潜伏性放电故障;通过解体检查,确认产生缺陷的原因是金属连接垫片的制造工艺不良;设备内部粉末的元素分析进一步说明发生局部放电的部位为绝缘杆、氧化锌电阻片和金属连接垫片。     

微水微氧对PD下SF6分解特征组分比值的影响规律

当SF6气体绝缘设备(gas insulated switchgear,GIS)内部存在绝缘缺陷时,往往会诱发不同形式的局部放电(partial discharge,PD),并导致SF6气体发生分解,然而其分解组分含量不仅与PD类型有关,还会受到放电气室内存在的微水微氧影响,如果选用分解特征组分含量或比值来识别PD类型,需对微水微氧的影响程度进行校正,以确保识别PD的准确率。为此,在分析PD使SF6分解机制的基础上,结合化学反应动力学理论,推导出适用于描述微水微氧含量对3组特征组分比值(即c(SO2F2)/c(SOF2)、c(CF4)/c(CO2)和c(CF4+CO2)/c(SO2F2+SOF2))影响规律的通用幂函数表达式,在建立的模拟针板PD下SF6分解实验平台上进行了大量实验,获得了不同微水微氧含量下4种稳定特征组分CF4、CO2、SO2F2、SOF2含量和3组特征组分比值的实验数据,利用最小二乘回归法确定出幂函数表达式中3个未知常数,最后用模型计算值与实测数据进行比较,结果表明理论预测能较好地反映微水微氧含量对3组特征组分比值影响的变化规律。     

SF6局部放电分解模拟实验研究

为研究GIS内不同缺陷引起的PD与SF6分解气体组之间的关联比对关系,设计了3种引起GIS内局部放电的典型缺陷模型.在这三种缺陷模型下,分别在3个电压等级下对SF6进行96h局部放电分解实验,检测到CF4、CO2、SO2F2以及SOF2四种分解气体组分.结果表明,在相同条件下,4种气体产量各不相同,且随时间延长而有所增加;在相同电压等级下,3种缺陷模型中气体分解特性各不相同;而在不同电压等级下,同一缺陷模型中气体含量增长规律有较大差异.     

SF_6分解物在开关设备故障诊断中的应用

SF6分解物一直是人们研究的重要课题,为明确型号为PASS MOO DBB(HGIS)的72.5 k V PASS内SF6分解物异常原因,以实际运行中的72.5 k V PASS在检测中发现分解物异常为例,详细介绍了设备的异常情况及异常处理过程,并通过理论计算验证了推断的有效性,并给出了该异常情况的处理措施及预防措施。