SF6放电分解机理及其在故障分析领域的研究进展

SF_6因其性能优异而广泛应用于电力工业,当电气设备出现放电故障或过热故障时,SF_6气体将不可避免地发生分解。研究SF_6分解机理,掌握SF_6分解特性,以期提高设备的运维水平。文中从SF_6分子解离、特征产物生成路径等方面,总结了SF_6气体放电分解机理的相关研究进展,鉴于定性检测方法的局限性,指出结合DFT、ReaxFF等研究方法可厘清SF_6的复杂分解过程;重点介绍了开展气体分解特性研究的基本测量与分析方法,包括:气相色谱质谱法、红外吸收光谱法及气敏传感器法等,其中气敏传感器因具备小型化、强响应等优势,是未来SF_6气体绝缘装备内置传感、在线监测的重要发展方向;介绍了SF_6分解特性研究由定性评判发展到定量分析的历程,总结了基于分解特性分析的气体绝缘设备故障诊断研究进展,其中以特征气体浓度比值法、产物分析与传统局放检测结合的方法最具代表性,但这些方法尚需完善,需要提出量化标准以在电力系统装备运维中推广应用。     

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。     

分子筛及其在绝缘净化中的应用

由于分子筛优异的理化性能,使其在电器设备中的应用日益广泛。特别是在SF_6气体绝缘设备中,对要求深度干燥的绝缘介质中的微量水份和SF_6气体电弧分解物的吸附,分子筛几乎己成为难以替代的双机能吸附剂。本文简要介绍分子筛的理化性能及其在绝缘净化处理中的应用。     

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。     

电弧作用下SF_6分解固体产物的实验研究

SF_6气体绝缘电气设备发生电弧性放电故障后,设备内部故障处会产生大量的SF_6分解固体产物。为了研究查明SF_6分解固体产物对于SF_6绝缘电气设备工作运行的影响,开展电弧作用下SF_6分解固体产物的实验研究是必要的。文中研究了SF_6气体在不同金属电极、不同压强情况下SF_6分解固体产物的生成特性,明确了SF_6气体在不同金属电极反应生成的固体产物的组成成分,定量分析了SF_6分解固体产物质量和放电能量的关系。     

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、     

C_4F_7N/CO_2混合气体对局部不均匀电场的敏感特性

电亲和性气体的放电电压对不均匀电场分布较敏感,高压电气设备电极表面存在的表面粗糙度效应会凸显,从而降低气体绝缘性能。C_4F_7N/CO_2混合气体是一种有潜力的SF_6替代气体,有必要研究C_4F_7N/CO_2对不均匀电场分布的敏感特性。该文从理论上分析电极表面粗糙引起的局部电场畸变,计算电场畸变程度对C_4F_7N/CO_2绝缘性能的影响,提出采用优异值来评估C_4F_7N/CO_2混合气体对不均匀电场的耐受能力。与SF_6气体对比,发现C_4F_7N/CO_2的优异值随C4F7N含量的降低而增大;当C4F7N体积分数低于20%时,C_4F_7N/CO_2混合气体的优异值比SF_6气体的优异值大。为验证计算结果,制作粗糙电极放电模型进行C_4F_7N/CO_2混合气体和SF_6气体的放电试验,获得了C_4F_7N/CO_2混合气体和SF_6气体的优异值,与计算结果接近。若采用C_4F_7N/CO_2混合气体的设备具有与采用SF_6气体相同的绝缘性能时,分析表明当C4F7N体积分数为4%～20%范围时,SF_6气体绝缘设备中电极表面粗糙度控制值6.3μm的标准适用于C_4F_7N/CO_2混合气体设备。     

SF6气体分解产物检测技术及其应用的研究现状

SF_6充气类电气设备具有结构紧凑、电气性能稳定、灭弧能力强和运行安全可靠等优点,现已被广泛地应用于超特高压电力系统中。当SF_6充气类电气设备发生隐患或故障时,设备内部的局部放电或者过热使SF_6气体发生分解并生成多种分解产物。通过对反应生成的SF_6气体分解产物进行定性定量分析,可以推断出电气设备潜在的绝缘隐患或者故障,对保障设备和电网的稳定运行具有重要意义。着重介绍了7种常用的SF_6气体分解气体检测技术,主要包括了气相色谱法、质谱法、红外光谱法、电化学传感器法、气体检测管法、离子迁移谱法、碳纳米管传感器,分析各种检测方法的测试原理,并对比归纳不同检测技术的优缺点及应用场合。结果表明,基于不同检测技术的优缺点和应用场合,在实际应用中可选择多种方法联合检测,发挥不同检测方法的优势,以实现更加准确可靠对SF_6气体分解产物组分情况的定性定量分析。     

干式SF_6气体绝缘换流变压器阀侧套管电流致热型放电故障分析及现场修复

为分析和诊断两例±500k V干式SF_6气体绝缘换流变压器阀侧套管内部放电故障,对放电前后套管绝缘特征量和解体后内部特征进行了测试和检查;通过模拟故障套管运行环温和加载特征谐波电流损耗,对套管载流导电管和绝缘子外套温度分布规律进行有限元仿真计算;故障套管直流电阻值、SF_6分解物含量、温度计算结果、解体后内部过热和放电痕迹表明:伊敏、宝鸡换流站两例套管放电故障均由载流导电管铜铝过渡接触电阻异常发热,尼龙导向锥过热分解物污染套管SF_6/环氧树脂界面绝缘所致。依据IEC标准规定的套管热点温度要求和故障套管温度场计算结果,提出了绝缘子外套最热点温度与环境温度差为25℃的内部发热缺陷诊断准则,通过第3例同型号异常发热缺陷套管对诊断准则进行了验证。对75支同型号套管利用研制的缺陷套管现场修复装置在不移动换流变和不整体拔出缺陷套管的前提下完成了现场修复。研究结果可为SF_6气体绝缘高压套管内部发热缺陷诊断和处理提供方法和依据。     

罐式SF_6断路器

罐式SF_6断路器是发电厂与变电站用的重要设备,用来操作高压线路和保护高压电网。断路器的灭弧室等主要元件都装在落地安装的金属罐内,内充SF_6气体作为绝缘与熄弧介质,故名罐式SF_6断路器。在断路器出线瓷套下方各置3～4只套管式电流互感器线圈,结构布置紧凑、占地面积小。 产品正常工作时,灭弧室元件(高电位部分)通过绝缘性能优异的SF_6气体对地(罐体)保持可靠的电气绝缘。当需要带负荷切断线路或电网发生故障而有强大的故障电流通过产品时,产品快速     

±800kV特高压直流分压器内部故障的SF6分解物测试特性

SF_6分解物测试是判断SF_6绝缘设备内部放电故障有效的方法。笔者在对一起直流分压器故障的分析过程中发现,SF_6气体分析未能正确反映第一次跳闸时内部已经出现的放电故障。后对直流分压器进行解体发现,由于其内部电容器气室为单独密封设计,造成电容器内部放电故障产生的SF_6分解物未能在直流分压器取气口测出,以致不能正确判断设备健康状况。文中建议进行SF_6分解物测试必须清楚了解设备内部气路构成,并对在运的直流分压器故障诊断提出方案,对制造厂在直流分压器内部设计提出改进建议。     

SF_6气体检测设备性能评估技术应用研究

分解物检测法广泛应用于SF_6断路器、气体绝缘全封闭组合电器(GIS)等电气设备的状态评估和故障诊断中。目前对于SF_6分解物检测仪器的校准检定尚缺乏相应的手段和设备。针对SF_6分解产物测试仪校验技术的应用展开研究,建立了一套SF_6气体检测设备性能评估系统,利用已知配比的标准气体对分解产物测试仪进行校验。采用该方法开展了东北地区SF_6分解产物测试仪的全性能自动化检测与评估,并针对检测仪的不足提出相应的整改建议。     

利用SF_6分解产物及气相色谱分析断路器故障

目前SF_6气体分解物检测在电气设备故障分析中应用比较广泛,而由于新气中含有一定量的CF4含量,所以分析重点一般集中于H_2S、SO_2、HF、SO_2F_2等几种特征气体组分含量。本文将SF_6分解物测试与气相色谱分析相结合的方法应用于一起110kV SF_6气体断路器的故障诊断,结果表明除了对SF_6气体中SO_2、H_2S及HF等特征气体测试外,增加对CF_4含量组分的分析,可判断SF_6断路器内部固体绝缘情况,可确诊传统电气手段、单一分析分解产物不能发现的设备缺陷,确保设备安全运行。     

气体绝缘输电线路用C_3F_7CN/CO_2混合气体与环氧树脂相容性试验

气体绝缘输电线路(GIL)中气体与固体绝缘材料的相容性表现为:两种材料长期接触后导致的绝缘性能变化以及气体成分和固体材料的改变。作为目前有潜力替代SF_6的环保绝缘气体,C_3F_7CN/CO_2混合气体与GIL内使用的环氧树脂材料之间的相容性亟待研究,因相容性不良可能引发设备的绝缘故障。该文提出C_3F_7CN/CO_2气体与环氧树脂相容性的评价方法,搭建气固相容性试验平台,在不同温度下进行C_3F_7CN/CO_2与环氧树脂的热加速试验,并设置惰性气体He和SF_6作为对照试验组。比较试验前后环氧树脂的介质损耗、沿面闪络电压、表面形貌与气体成分,发现不同试验组中的环氧树脂沿面绝缘性能均未下降;仅当试验温度为160℃时,C_3F_7CN/CO_2中检测出少量的C_3F_6和C_3F_7CN三聚体,推测此条件下环氧树脂与C_3F_7CN发生了化学反应,但并未对环氧树脂的绝缘性能产生影响。试验结果表明,在GIL正常运行条件下,C_3F_7CN/CO_2与环氧树脂具有较好相容性,与SF_6与环氧树脂的相容性相当。     

SF6气体在线监控系统

常温下,SF_6气体无色无味、不燃,化学性能稳定,在断路器或GIS操作过程中,由于电弧、电晕、火花放电及高温等因素影响下SF_6会分解,当气体泄漏后,它的分解物遇到水分后会分解生成对人体有害的有毒性气体。因此必须对装有SF_6设备的空间进行有效的监控,预防事故的发生。《电业安全工作规程》(发电厂和变电所电气部分)也特别规定:装有SF_6设备装置室和气体实验室必须保证SF_6气体浓度小于1000×10~(-6)V/V,除须装有强力通风装置外还必须安装能报警的氧量仪和SF_6气体泄漏报     

气体绝缘开关设备内部故障下的SF_6气体分解产物特性研究

气体绝缘开关设备长期运行出现电弧、局部放电和过热等内部故障,产生多种SF_6气体分解产物,影响设备安全运行,因此,有必要研究设备故障下的SF_6气体分解产物特性,及时判断设备故障类型。从理论上分析开关设备在电弧放电、局部放电和异常发热情形下的SF_6气体分解机理,并开展电弧、局部放电和过热下的分解产物试验研究,对不同故障下的分解产物分布进行统计,提出以特征组分含量比值为特征参量,得到各故障模式下的特征参量范围,建立分解产物与设备故障的关系,为运行开关设备内部故障类型判断提供依据。     

低温SF6和SF6／N2中正针—板的放电特性

本文讨论了SF_6和SF_6/N_2气体当温度从10℃时降低到-50℃时正针-平板间隙的放电特性。结果表明,当SF_6气体压力或SF_6/N_2中的SF_6气体分压力大于电晕稳定效应的临界压力时,间隙的击穿电压随着温度的降低而下降;当温度降低到对应的液化温度时,击穿电压下降更伙,即出现一转折点。当气体压力小于电晕稳定效应的临界压力,或由于温度降低而使压力减小到临界压力时,电晕起始电压随温度的降低而下降。SF_6液化将使其绝缘能力降低,但并不是完全丧失其绝缘能力。     

C_5F_(10)O/CO_2混合气体的绝缘性能

SF_6气体由于其优异的电气性能而广泛应用于电力行业,然而,由于其全球变暖潜能值极高,国内外学者在过去的几十年里对SF_6替代气体做了广泛研究,但由于它们都各有缺陷,故很难在实际生产中加以应用。文中以C_5F_(10)O/CO_2混合气体作为主要研究对象、以SF_6气体作为对照,研究了混合气体中C_5F_(10)O分压力分别为20 k Pa和40 k Pa、总压力为0.1~0.5 MPa时的工频耐压和雷电冲击(lightning impulse,LI)性能,并分析了其作为SF_6替代气体的可能性。实验结果表明,0.2 MPa的混合气体中混入20 k Pa和40 k Pa的C_5F_(10)O,可分别使混合气体的工频放电电压达到相同气压下SF_6气体的61.89%和81.99%。C_5F_(10)O分压力40 k Pa、总压力0.5 MPa的混合气体正、负极性雷电冲击放电电压分别是0.3 MPa时SF_6气体的88.9%和89.9%。因此,通过增加C_5F_(10)O的含量或提高混合气体的总压力,均可有效提高混合气体的绝缘性能,其中,前者更为有效。     

关于SF_6混合绝缘气体几个重要问题的探讨

六氟化硫(SF_6)气体的温室效应及低温易液化的特性限制了它的应用。目前,SF_6混合绝缘气体(SF_6/N_2、SF_6/CF_4等)因其较低的液化温度及较好的电气性能,被认为是目前最具发展前景的替代介质,开始被应用于电气设备中。由于与纯SF_6气体在性质上有较大的区别,SF_6混合绝缘气体大规模推广应用之前,需要先研究解决许多关键的技术难题。文中对SF_6混合绝缘气体应用过程中混合气体水分、混合比、分层以及泄漏问题进行探讨,有助于SF_6混合绝缘气体的推广应用。     

SF_6分解物检测仪器的性能评估

分解物检测法广泛应用于SF_6断路器、气体绝缘全封闭组合电器(GIS)等电气设备的状态评估和故障诊断中。但是,目前电力行业用SF_6分解物检测仪器缺少统一的校验标准,难以判断检测结果的准确性。对此,以3台不同使用年限的SF_6分解物检测仪为研究对象,探究了可以有效评估分解物检测仪测量性能的试验方法。之后利用已知体积分数的SO_2、H_2S和CO标准气体,采用该方法检测了内蒙古电网内多台SF_6分解物检测仪,根据试验结果划分了各检测仪的性能等级,并针对检测仪的不足提出了相应的整改建议。