针-板缺陷模型下局部放电量与SF6分解组分的关联特性

为了定量判断气体绝缘组合开关电器(GIS)内金属突出物缺陷所产生局部放电(PD)的严重程度,在自建的SF6放电分解实验平台上,用针-板缺陷模型产生PD使SF6发生放电分解形成特征组分,分别在不同电压等级下进行96h实验,采用气相色谱法对分解组分进行定量测定,同时用50Ω无感电阻检测PD量大小,深入研究了PD量与SF6气体分解组分之间的关联特性,结果表明,针-板缺陷PD下SF6分解可产生CF4、CO2、SO2F2、SOF2等组分,SO2F2和SOF2的体积分数及产气速率与每秒平均放电量Qsec关联性良好,SO2F2和SOF2的体积分数及产气均方速率随Qsec增大而增加,而(SOF2+SO2F2)与(CO2+CF4)的体积分数比值随Qsec近似呈线性增长,CF4与CO2以及SOF2与SO2F2的体积分数比值可作为较大Qsec的辅助判据,因此,可以通过SF6气体组分定量分析来判断GIS设备内部PD的程度。     

气隙缺陷下不同局部放电强度的SF6分解特性

为掌握SF6绝缘气体在气隙绝缘缺陷下产生不同强度局部放电引起的分解特性,作者用构建的气隙绝缘缺陷物理模型在SF6分解实验平台上,分别对不同外施电压大小下的SF6进行了96 h局部放电分解实验,采用气相色谱法对分解组分进行定量检测与分析,结果表明,SF6在局部放电下均会产生CF4、CO2、SO2F2和SOF2这4种稳定的分解组分,CF4含量最少,SO2F2含量少于SOF2。局部放电强弱对4种组分含量变化及增长率的影响有所不同,且CF4/CO2、SOF2/SO2F2和(SOF2+SO2F2)/(CO2+CF4)3组分解组分比值也与局部放电强弱有着一定的关系,可以利用CF4、SO2F2和SOF2的含量变化与增长速率以及组分比值范围作为判断局部放电强弱的特征量。     

微氧对SF6局部放电分解特征组份的影响

由于O2影响了SF6气体分解组分的最终生成物及体积分数,所以通过检测气体绝缘设备内部气体分解组分的体积分数及其变化规律来进行故障诊断时,要考虑这一重要因素.为此利用已搭建好的SF6气体局部放电分解实验装置,在相同的实验条件下,针对含不同O2体积分数的SF6/O2混合气体进行96 h局部放电分解实验,结合气相色谱分析技术,研究O2对SF6局部放电分解组份的影响.实验结果表明:无论是否注入O2,均会产生CF4、CO2、SOF2和SOF2;O2增加会抑制CF4的产生,对CO2的产生影响不大;O2增加对SO2F2和SOF2的产生有促进作用,但对SOF2的促进作用强于SO2F2;在同一个放电时间下,随着O2体积分数的增长SO2F2与SOF2的体积分数比(SO2F2)/(SOF2)逐渐减小并趋于稳定,无论是否注入O2,随着放电时间的增长,这一比值也逐渐减小并趋于稳定.     

电极材料对SF_6局放分解特征组分生成的影响

金属材料的化学活性会直接影响SF6在局部放电作用下的分解过程,掌握其影响规律是建立基于SF6分解特性的故障诊断方法必须解决的关键问题之一。为此,利用铝、铜和不锈钢3种金属材质的针电极与不锈钢板电极构成常见的金属突出物绝缘缺陷模型,在建立的SF6放电分解试验平台上进行了96 h局部放电分解试验,采用气相色谱法测定了CF4、CO2、SO2F2和SOF2主要分解特征组分。结果包括:金属电极材料对CO2的生成几乎没有影响,但对SO2F2和SOF2的生成速率有较大影响。分析认为主要原因在于化学活性越强的金属材料与SF6分解产生的低氟硫化物及氟原子发生反应的速率越高,产生的SF2和SF4越多,进而促使生成更多的SO2F2和SOF2。因此,在利用SF6分解特性对气体绝缘设备进行绝缘状态监测及故障诊断时,必须综合考虑故障点金属材料的差异对其造成的影响。     

高低温冷阱富集分离SF_6典型分解产物实验研究

气体绝缘开关设备(GIS)中SF6在局部放电的情况下会产生分解产物,其含量通常远低于SF6的含量,用气相色谱法很难进行有效的检测。为提高这些分解产物的含量,根据SF6与SO2F2、SOF2及SF4不同的熔点和沸点,以质量为2 g的硅胶作为吸附剂,设计了1套高低温冷阱实验方案,利用此方案实验研究了SO2F2、SOF2及SF4的低温吸附与高温解吸附情况。研究结果表明:SO2F2、SOF2、SF4的最佳吸附温度分别为-50℃、-50℃、-40℃,最佳解吸附温度均为30℃;对应的吸附质量分别为956.24μg、3 266.72μg、1 361.40μg,解吸附质量分别为637.69μg、49.40μg、552.14μg。同时,研究了同等条件下对SF6气体的吸附与解吸附情况,得出从SF6中分离SO2F2、SOF2及SF4并将它们从低含量富集到高含量是可行的。     

SF6气体对环境与健康的影响

SF6气体是一种非常稳定并呈惰性的气体,不会破坏臭氧层,对土壤和地表水也不会构成威胁。但SF6在电弧作用下,会产生SOF2、SO2、HF、SF4、SO2F2、SOF4等有害物质,对人体会产生危害,对设备有腐蚀性。介绍SF6设备运行管理中工作人员的注意事项,运行设备中SF6气体分解物的毒性及SF6气体泄漏的影响;在SF6气体使用方面,IEC在其有关的标准修订中,增加了SF6气体回收再利用的条款,我国也提出了相应的要求：     

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。     

GIS在局部放电下的SF_6气体分解产物实验研究

笔者使用自行设计126 kV交流工频电源和GIS局部放电实体实验平台以及气体分析检测系统,模拟对地放电故障状态,对局部放电引起的SF6分解物特征组份气体进行定性定量分析,用脉冲电流法对局部放电强度进行监视,得到局部放电引起SF6气体分解物特征组份及变化规律。研究表明:局部放电致使SF6气体发生分解,特征组分为SOF2、SO2、S2OF10,SOF2、SO2与局放持续时间、局放强度呈现正相关性,吸附剂对于SF6分解物检测有影响。     

以SF_6为背景气体的SF_6气体分解特征组分标准物质研制

利用SF6分解组分对GIS绝缘状态进行诊断,必须解决SF6分解特征组分的定性和定量检测的关键技术难题,这直接关系到对设备故障性质和程度判断的准确性。文中采用称量法,研究以SF6为背景气的气体标准物质的制备过程与方法,成功研制了CO2/SF6、CF4/SF6、SOF2/SF6、SO2F2/SF64种标准气体物质,解决了SF6分解特征组分标准气体物质的存储问题,考察了4种气体标准物质的一致性、压力稳定性以及长期稳定性。结果表明:CO2/SF6、CF4/SF6、SOF2/SF6和SO2F2/SF6的标准不确定度均小于0.2%,4种标准气体物质一致性、6个月的长期稳定性和均匀性良好,标准气体扩展不确定度都小于3%,可用于SF6分解特征组分的定量分析。     

两种吸附剂对SF6分解特征组分吸附的实验与分析

研究吸附剂对在局部放电下SF6分解组分的影响是探究利用分解组分诊断 SF6电气设备内部早期绝缘缺陷的重要内容。为此,在建立的特定吸附实验研究平台上,选用SF6电气设备中最常用的活性氧化铝和kdhF-03型分子筛吸附剂,对局部放电(partial discharge,PD)下产生的4种SF6稳定分解特征组分(CF4、CO2、SO2F2和SOF2)进行吸收特性研究,利用气相色谱仪和质谱联用仪定时检测气室内气体残余量,结合吸附量和等温吸附线对吸附机制和作用过程进行了深入分析。结果表明：两种吸附剂几乎不吸附 CF4,对CO2略有吸附,但对SO2F2和SOF2有较强的吸附能力,吸附量由多到少依次为SOF2>SO2F2>CO2>CF4。因此,在利用特征组分含量及变化规律辨识 SF6气体绝缘设备的绝缘缺陷时,必须考虑吸附剂的影响。实验也发现选用SOF2+SO2整体作为辨识 SF6设备内部绝缘缺陷的一种特征组分更有效。     

通过检测SO2发现SF6电气设备故障

通过几例SF6电气设备故障的分析和检出,说明检测SO2能够诊断SF6电气设备故障。SO2是SF6主要分解物SOF2的水解产物,是稳定气体,在分解物中一般含量较高,当故障涉及到固体绝缘材料时,SO2含量更高,检测SO2方法很多,用检测管简易方便,有足够的灵敏度。     

基于红外检测法针板缺陷下的SF_6分解情况研究

利用自行设计的GIS缺陷模拟装置研究针板缺陷下的SF6分解情况,脉冲电流法配合PDcheck绝缘状态在线诊断系统监测局部放电电流。对样气进行红外检测,提取典型分解产物特征,并对比分析不同充装气压、施加电压下的SF6分解情况。典型分解产物为SOF4、SO2F2、CO2,其体积分数均随加压时间延长呈增大趋势。其中SOF4饱和时间较短,SO2F2体积分数一直呈近线形增长,而CO2在加压一段时间后呈近线形增长。不同气压下的分解情况有其共通性,不同处在于,低气压相同加压时间下SOF4和SO2F2的体积分数较高气压下高,但CO2体积分数较低,可能与绝缘材料参与反应速率较慢有关。SO2F2反应气体分解灵敏度较其他两种产物高。对比不同试验条件下PRPD(局部放电相位分布)谱图,发现其图形特征有明显区别。     

CF_4检测在气体灭弧室绝缘故障诊断中的应用

SF6气体分解产物检测在电气设备故障分析中的应用比较广泛,而由于新气中含有一定量的CF4,所以分析重点集中于H2S、SO2、SOF2、SO2F2、HF几种特征气体。笔者将SF6气体分解产物检测技术应用于一起500 kV气体断路器的故障诊断,气体检测结果和解体检查表明断路器喷口发生非正常的电弧烧蚀,在经历较长一段时间后,仅体现在SF6气体中CF4体积分数的显著增加。从而表明,对于SF6气体绝缘电气设备应该定期进行检测气体分解物,对CF4体积分数的增加也应引起足够的重视,注重数据的横向和纵向的分析比较。     

通过检测SO_2发现SF_6电气设备故障

通过几例SF6电气设备故障的分析和检出,说明检测SO2能够诊断SF6电气设备故障。SO2是SF6主要分解物SOF2的水解产物,是稳定气体,在分解物中一般含量较高,当故障涉及到固体绝缘材料时,SO2含量更高。检测SO2方法很多,用检测管简易方便,有足够的灵敏度。     

SF6在故障温度为300~400℃时的分解特性研究

为了探索SF6绝缘气体在过热故障状态下的分解特性及其分解机制,完善利用SF6分解特性辨识SF6电气设备绝缘故障的方法,该文利用研制的SF6电气设备过热性故障模拟装置进行了系列探索性实验,对SF6过热分解组分采用气相色谱法(gas chromatograph,GC)和气相色谱?质谱联用法(gas chromatography-mass spectrometry,GC-MS)进行定量检测,初步得到SF6在400℃以下的过热分解特性。在此基础上探索SF6的初始分解温度,研究了分解产物组成类型和不同温度下各自的形成规律,并选定了SF6在过热状态分解时所形成的主要特征分解组分,构建了特征分解组分与温度之间的关联图谱。结果表明：SF6大约在300℃时开始出现比较明显的分解,其主要分解产物有CO2、SO2F2、SOF2、SOF4、SO2、H2S,但不含CF4;温度的升高将加剧SF6气体的分解,促进各分解组分的形成,但对各分解产物的促进程度却因组分种类的不同而规律各异;SOF2和 SO2是 SF6在过热故障温度为300~400℃时的最主要分解特征产物,二者的产气速率图谱可有效表征SF6电气设备过热故障点处的温度,为下一步诊断SF6电气设备过热故障提供参考。     

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。     

吸附剂对局部过热性故障下SF_6分解特征组分的吸附特性

吸附剂不仅会吸附气室内的微量水分而影响SF6气体绝缘介质的过热分解过程,而且会对SF6过热分解特征组分产生不同程度的吸附作用,使利用SF6故障分解原理诊断气体绝缘装备内部绝缘故障变得更加复杂。因此,通过大量试验研究了吸附剂对SF6局部过热分解特性的影响规律,获得了SF6分解组分的产气规律以及电极材料和吸附剂所含元素的化学形态。研究表明:没有吸附剂时,SOF2、SO2、SO2F2、CS2、CO25种组分体积分数有:φSO2φSOF2φCO2φSO2F2φCS2;随着吸附剂用量的增加,5种组分的体积分数增长曲线不断变缓,变缓的程度有:SO2SOF2SO2F2CO2CS2;通过X射线光电子能谱分析发现,实验后的不锈钢发热电极中有FeF3、Fe2O3和FeS存在,实验后的吸附剂含有极少量的吸附态SO2,吸附剂中F的存在形式主要为MgF2。     

一种新型碳纳米管气体传感器的响应特性研究

基于碳纳米管(CNTs)气体传感器的SF6气体分解产物检测技术,是诊断GIS绝缘缺陷引起的局部放电的有效手段。开展传感器对SF6分解气体响应特性的研究,对于将该技术应用于GIS局部放电的监测具有重要意义。笔者测量了CNTs气体传感器对4种标准气体(HF、SO2F2、SOF2/S2OF10、SO2)的响应,并建立了由GIS模拟罐体、基于脉冲电流法的局放仪和CNTs气体传感器构成的实验系统,测量了CNTs气体传感器对局部放电形成的SF6分解气体的响应,研究了传感器在多次测量中的重复性以及其响应随局放的变化规律。结果表明,在SO2F2和SOF2/S2OF10气体环境中传感器响应特性明显,且对SO2F2更加灵敏;SO2和HF则基本不引起传感器的电导变化。传感器能够成功检测到针板电极模型引起的局部放电,传感器的电导值随着放电时间的增加而逐渐增加,其响应也随着局部放电能量的增加近似呈线性增加的趋势,最终传感器响应出现饱和趋势。传感器的测量具有重复性,两次测量相差低于0.5%。SF6气体分解产物的气相色谱及红外光谱分析证实了上述结果的合理性。文中使用的标准气体浓度较低,因此关于SO2和HF无法引起传感器响应的结果仍需要利用高浓度标准气体进一步验证。     

局部放电下SF6分解组分检测与绝缘缺陷编码识别

用SF6分解气体组分含量大小来识别全封闭式组合电器内的绝缘缺陷,须先建立分解气体组分与绝缘缺陷之间的关联法则。利用建立的SF6绝缘气体局部放电分解试验平不同类型绝缘缺陷产生的局部放电下,SF6的分解特性存在台,对4种典型绝缘缺陷进行了大量局部放电试验,发现在明显差异,其组分含量及变化率有特定的规律,为此提出用气体组分含量编码树识别绝缘缺陷的思路和方法,并对SOF2/SO2F2、CF4/CO2和(SOF2+SO2F2)/(CO2+CF4)3组气体组分含量比值范围进行了编码,建立了相应的比值编码树,得到了识别4种绝缘缺陷类型的编码组合,并针对组分含量编码处于交叉无法确定的情况,给出了最终确定编码依据的辅助方法。     

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。