SF6电气设备气体质量及故障分析处理

1、 福建省电力试验研究院 游荣文1应用分解产物含量测试诊断应用分解产物含量测试诊断SFSF6 6电气设备内部故障电气设备内部故障2目录1、SF6电气设备简介2、检测SF6气体中分解产物的必要性必要性3、 SF6电气设备绝缘材料4、 SF6电气设备内部故障时绝缘材料的分解产物分解产物5、分析分解产物含量诊断SF6电气设备内部故障的原理原理 6、分解产物含量的测试方法测试方法7、 SF6电气设备内部故障的类型故障的类型及故障的实例8、内部故障的诊断方法诊断方法9、分解产物的正常值范围正常值范围10、分解产物的检测周期检测周期 3 1.SF6电气设备简介电气设备简介 以SF6气体当绝缘介质的电气设备称

2、为SF6电气设备,其包括断路器、隔离刀闸、接地刀闸、互感器、避雷器、套管和变压器等。由于SF6气体不燃不爆，不仅具有稳定的化学性能，而且具有优异的电气性能,1906年法国科学家在工业上用单质F和S成功合成SF6，美国1953年研制出首台SF6断路器，我国1973年制造出第一台35kv断路器；自上世纪80年代后SF6电气设备得到广泛的应用。近10年来用SF6气体作绝缘的全密封组合电器(简称为GIS)，得到大量应用。据不完全统计，全国SF6电气设备达数十万台，已成为电力系统的主要设备。 42、检测、检测SF6气体中分解产物的必要性气体中分解产物的必要性 SF6气体虽然具有很好的化学稳定性和优异的电

3、气性能，但是由于设计、材质和工艺等原因使设备内部存在绝缘缺陷和导电杆连接不良，引起SF6气体和固体绝缘材料分解，乃至酿成事故, 影响了电力生产的正常运行。目前对SF6电气设备的试验方法有电气法和化学法。电气法一般都要在停电时才能进行，而且试验电压低、电流小，难以检出设备的早期隐患；化学法中有规程的SF6纯度、湿度和检漏,这些方法只能评价安装维护工艺，与内部故障无直接关系;目前一些单位使用的化学比色管法检测分解产物，其灵敏度低，只能作定性或半定量，其较适合事故后故障部位的查找，难以检测设备早期的故障。我长期从事充油充气电力设备的技术监督和故障诊断，经深入调查研究后选用灵敏度高、稳定性好的电化学传

4、感器，配合先进的检测流程和故障诊断软件，同时检测SO2+SOF2、H2S、CO和HF等分解产物的含量，从而快速准确地检测出设备内部故障。3、 SF6电气设备绝缘材料电气设备绝缘材料 SF6电气设备内部绝缘材料，包括SF6气体和固体绝缘材料两类。 SF6气体是所有SF6电气设备共同的；而固体绝缘材料则不同设备有所不同，主要有热固形环氧树脂、聚酯乙烯、聚四氟乙烯、绝缘纸和绝缘漆等。在断路器中的固体绝缘材料有环氧树脂和聚四氟乙烯，其它设备中除环氧树脂外,还有聚酯乙烯、绝缘纸和绝缘漆。下面对绝缘材料的性质作详细介绍： 53.1 气体绝缘材料气体绝缘材料- SF6气体气体 （1）化学性质化学性质-SF6

5、是由卤族元素中最活泼的氟原子与硫原子结合而成，其分子结构是一个完全对称的正八面体，硫原子居于八面体的中心，六个角上是氟原子，分子式为SF6。 SF6在常温常压下非常稳定，不发生任何反应，只有当温度高于500时，六氟化硫气体开始分解， 700后才会明显裂解，并与水分、氧气、金属蒸气等材料发生反应；六氟化硫在电弧作用下将快速裂解，当温度高达2000 以上时， SF6大部分分解为硫和氟的单原子。对断路器而言，在正常开断时，由于其具有很好的灭弧功能，因此，在1-2个周波内，电弧便熄灭，绝大部分的分解产物又重新结合成稳定的六氟化硫分子；其中极少数的分解物又会与氧气、水汽和金属发生化学反应，加剧了六氟化硫

6、气体的热分解，产生硫化物、氟化物和碳化物。 六氟化硫的分解产物大部分是有毒的，接触人的皮肤、眼、鼻、喉时会出现发红、发痒和轻度疼痛等反应，或伴有皮肤搔痒，其反应程度因人体质而异，但要作好安全的防护工作。 6 （2）物理性能物理性能- SF6分子直径为4.77A，在通常状态下，纯净的SF6是一种无色、无臭、无味、无毒、不燃的气体，极难溶于水。在温度为20和101.3 kPa压力下的密度为6.16g/L（约为空气的5倍）；熔点为-50.8，临界压力为3.85Mpa ,传导率约为空气的四倍，SF6气体的临界温度为45.6。 SF6经过压缩和液化，通常以液态形式装入钢瓶运输， SF6在不同温度下的饱和

7、蒸气压曲线如图1所示。 SF6气体负电性很强，具有很好的绝缘性能和灭弧性能，在101.3 kpa压力下的均匀电场中， SF6气体的耐电压强度约为氮气的2.5倍，是目前理想的绝缘介质。自上世纪70年代后，广泛用作电气设备的绝缘介质，起着绝缘、灭弧和冷却散热的作用。 图图1. SF6在不同温度下的在不同温度下的饱和蒸气压曲线饱和蒸气压曲线 73.2.固体绝缘材料固体绝缘材料(1)热固形环氧树脂热固形环氧树脂 环氧树脂是多种大分子量的混合物，有双酚型和酚醛型两类，由C、H、O和N等元素构成；其主要用于GIS中的盆式绝缘子、支柱绝缘子和断路器、隔离刀闸及接地刀闸的绝缘拉杆。环氧树脂，具有很好的绝缘性能

8、和化学稳定性，在500以上时开始裂解， 700后才会明显裂解，主要产生SO2、H2S、CO、NO、NO2和少量低分子烃。(2)聚四氟乙烯聚四氟乙烯 其分子式为nC2F4，具有很好的绝缘性能和化学稳定性，只有在500以上时才开始产生少量的CF4， 700后才会明显裂解,其主要用作断路器中的灭弧室。(3)聚酯乙烯聚酯乙烯 其分子式为n（o=R-C2H4），其主要用于互感器、变压器匝绝缘和电容式套管的电容层材料，当温度大于130时开始裂解，主要产生低分子烃、氢、一氧化碳、二氧化碳和低分子烃。(4)绝缘纸绝缘纸 是碳水化合物，其主要用于互感器、变压器匝绝缘和电变式套管的电容层材料，一般情况下当温度大于

9、125时开始裂解，主要产生一氧化碳、二氧化碳和低分子烃。(5)绝缘漆绝缘漆 为碳氢化合物，由C、H、O、N等元素组成，其浸附着在互感器、变压器铜线表面，作为匝层间绝缘。一般情况下当温度大于150时开始裂解，主要产生CO 、CO2和NO2。 84. SF6电气设备内部故障时绝缘材料分解产物电气设备内部故障时绝缘材料分解产物 当SF6电气设备内部的绝缘材料存在缺陷、杂质或受到严重过电压冲击时，在热和电的作用下将使其绝缘性能降低，发生故障乃至引起事故，故障部位的绝缘材料发生分解。因此， SF6气体中的分解产物应包括SF6气体和固体绝缘材料的分解产物；而固体绝缘材料的分解产物，将严重威胁设备的安全运行

10、。 SF6电气设备可分为在正常运行时有电弧产生的断路器和无电弧产生的互感器、母线、变压器、套管、隔离刀闸和接地刀闸两大类。在断路器中的绝缘材料有SF6气体和用热固型环树脂制成的绝缘子、拉杆及灭弧室中聚四氟乙烯；其它设备则除有SF6气体和用热固型环树脂外，还有用作匝层间绝缘和电容层的聚脂乙烯、纸和漆。众所周知， SF6气体、热固型环氧树脂和聚四氟乙烯有很好的热稳定性，只有当温度超过500后才会开始分解，700后才会明显裂解;而匝层间用的聚脂乙烯.纸和漆,其热解温度在130左右。对于正常运行无电弧产生的SF6电气设备而言，其内部温度不高于80，因此，没有绝缘材料的分解产物；对于断路器，虽在分、合时

11、产生2000以上的高温电弧，使SF6生成带电离子和少量分解物，但因其分、合闸速度极快，又有高效的灭弧功能，带电离子又在瞬间复合成SF6, 其复合率达99.9以上，因此， 9在正常分合闸时， SF6气体和固体绝缘材料没有明显的分解，所产生的少量分解产物又被放置于顶部的吸附剂吸收, 所以 对于正常运行的断路器，在分合闸一周后，气室中的SO2含量一般不大于2l/L。这在对数千台断路器的检测中得到证实。但若断路器内部存在局部放电、重燃和严重过热性故障时，将使故障区域的固体绝缘材料和SF6气体发生分解，产生硫化物、氟化物和碳化物。因此，从上世纪90年代开始，国内外不少学者研究通过测定SF6气体中分解产物

12、的含量来检测设备内部故障。 从国内外资料得知， SF6电气设备内部故障时分解产生的硫化物主要有SO2、H2S、 SF4 、SO2F2、SOF2、S2F10和S2OF10等；氟化物主要有HF、CF4、AlF3、CuF2和WF6等;碳化物主要有CO 、CO2和低分子烃等。若进行所有分解产物的检测，虽能更准确的判断内部故障的部位，但是由于上述的物质中除SO2 、H2S、CF4和CO毒性少外，其它都是剧毒物, 在设备内部的含量极少，又不稳定，含量稍多的SF4 、 SOF2等又很快会与SF6气体中的水份进行水解，生成稳定的SO2和HF。因此，气室中SO2、 HF含量除了由SF6和固体绝缘材料分解直接生成

13、外，还会由SOF2等的水解产生。 10 运行SF6电气设备中的分解产物，来自SF6新气、基建安装、运行和检修。表1列举了主要的杂质及其来源。 表1 六氟化硫气体的杂质来源六氟化硫气体的使用情况 杂质的来源 可能产生的杂质 新的六氟化硫气体生产过程中产生 Air，Oil，H2O，CF4，可水解氟化物，HF，氟烷烃检修和运行维护 泄漏和吸附能力差Air，Oil，H2O 绝缘的缺陷 局部放电：电晕和火花 HF，SO2，SOF2，H2S，CO，SOF4，SO2F2，低分子烃开关设备 电弧放电H2O ，HF， SO2 ， SOF2 ，SOF4，SO2F2，CuF2，SF4，WO3，CF4，ALF3机械磨

14、损 金属粉尘，微粒 内部电弧放电 绝缘的材料的熔化和分解 Air， H2O ，HF， SO2 ，SOF2 ， H2S，CO，低分子烃， SOF4 ,SO2F2 ，SF4，CF4，金属粉尘，微粒，ALF3，FeF3，WO3，CuF2 11新的六氟化硫气体中的杂质新的六氟化硫气体中的杂质： 六氟化硫在合成制备过程中残存一些杂质如 CF4 ，在压缩充装和运输过程中也可能带入空气、水分和油等杂质。设备运行维护检修中的杂质设备运行维护检修中的杂质： 设备在充气和抽真空时也可能混入空气和水蒸气；水分也可以从设备的内部表面和从固体绝缘材料中释放出来。处理时真空泵和压缩机中的油也可能进入到六氟化硫气体中。 绝

15、缘缺陷产生的杂质绝缘缺陷产生的杂质： 由于局部放电(电晕和火花)导致六氟化硫气体和固体绝缘材料的分解，产生氟化物、硫化物和碳化物等杂质；这些杂质再与O2和H2O发生反应，形成化合物，这些化合物主要有HF,SO2，SOF2，SOF4和SO2F2；由于局部放电的能量较低，这些分解物的浓度通常较低，易被忽略，但这是很危险的隐患，必须引起高度重视。在断路器中的杂质在断路器中的杂质： 在电流开断期间，由于高温电弧的存在，导致六氟化硫分解产物和电极合金、聚四氟乙烯的蒸发物或其他杂质的产。另外，这些产物之间又发生的化学反应形成副产物，这些分解产物的量与开断电流、开断次数、灭弧能力、材质和吸附剂性能有关，断路

16、器中还可能含有触头开断接触摩擦产生的金属微粒。 12内部故障电弧产生的杂质：内部故障电弧产生的杂质： 电弧放电故障很少发生，但危害最大。电弧产生的杂质与故障区域的固体绝缘材料有关，分解物含量很高。另外，金属材料在高温下的汽化，可以形成更多的分解产物。 SF6电气设备内部故障时，反应式主要有：SF6 SF4 + F2SF4 + H2O SOF2 + 2HFSOF2 + H2O SO2 + 2HFS2F10 SF4 + SF63SF6 + W 3SF4 + WF6SF6 +Cu SF4+ CuF23SF6 + 2Al 3SF4 + 2AlF3 环氧树脂、聚四氟乙烯、 聚酯乙烯、纸和漆等，其主要元素

17、是C、H、O，当故障点温度达130时聚酯乙烯、纸和漆开始分解，主要产生CO2、CO和低分子烃；当温度达到500以上时， 其他固体绝缘材料开始分解，主要产生SO2 、 SOF2 、 H2S 、 CF4、HF、CO、CO2、和低分子烃。 135、通过分解产物含量诊断、通过分解产物含量诊断SF6电气设备内部故障的原理电气设备内部故障的原理 从上述绝缘材料的性质得知，当SF6电气设备存在故障时，故障区域的SF6气体和固体绝缘材料在热和电的作用下裂解，将产生硫化物、氟化物和碳化物。硫化物主要有SO2、H2S、SOF2 、SF4和SO2F2；氟化物主要有HF、CF4和金属氟化物；碳化物主要有CO、CO2和

18、低分子烃。上述的分解物中除SO2、H2S、CO和CF4毒性较小外，其它都是剧毒物, 在设备内部的含量极少，又不稳定，作为预防性试验的目的是判断设备是否正常，检出设备内部的早期故障，而非进行综合诊断，因此在现场没有必要也不可能对各种分解产物都进行检测。对于CF4虽是绝缘材料分解的主要成分。但因其在SF6生产过程中就会产生，虽经过吸附精制处理，但在新气中仍有约200ul/L含量，若用这么大含量组分的增加值来评价固体绝缘材料是否发生分解，显然其灵敏度和可靠性就大为降低；而且CF4的检测方法较复杂，现场难以实现。 我在深入研究内部绝缘材料的裂解机理和对各种故障实例进行统计分析后，认为选择SO2、SOF

19、2、H2S作为检测对象，不仅具有检测方便，而且完全能准确检出设备内部故障；若加上CO和HF则将有利于对互感器、套管和变压器故障部位的诊断。 6. 分解产物的检测方法分解产物的检测方法 SF6电气设备内部气体从排气口阀门流出由导气管经过滤进入仪器，流入传感器进行检测，将气体浓度转换成电信号，通过调理单元送至微处理器和A/D转换器，将模拟量转换成相应的数字量，进行温度漂移校正后,由LCD显示检测组分的浓度，并将数据送入存储器存储，由微处理器作逻辑分析；检测结束后，当检测的浓度超过注意值时，仪器发出声光警报，专家诊断系统分析判断故障的类型和能量的大小,并提出处理意见。检测后的气体从排气口流到集气袋进

20、行中和处理。 147. SF6电气设备内部故障的类型及故障实例电气设备内部故障的类型及故障实例 SF6电气设备内部故障可分为放电和过热两大类。而放电又分为电晕放电、火花放电和电弧放电。通过对近万台SF6断路器、互感器和GIS等电气设备的检测和46起故障实例，将内部常见的故障部位归纳为以下六种：(1) 导电金属对地放电导电金属对地放电 这类故障主要表现在SF6气体中存在导电颗粒和绝缘子、拉杆绝缘老化、气泡和杂质等引起导电回路对地放电。这种放电性故障能量大，产生大量的SO2、SOF2、H2S和HF等。如1998年12月6日厦门某电厂法国阿尔斯通生产的220kv GIS因22B断路器室与CT室间的盆

21、式绝缘子对地击穿，产生大量的SO2和H2S，检修现场隔数天后，仍有很浓的H2S臭味。 2001年8月23日福州220 kv变电站国产220 kv GIS断路器室对地短路，通过SO2 、 H2S检测迅速找到了故障部位。2003年7月17日某电厂日本三菱公司生产的220 kv GIS 22B断路器B相气室动触头拉杆表面因检修时汗水沾污引起的电弧放电，其表面严重烧伤，上下均压环多处放电，当晚对断路器进行检测，发现气室中SO2大于200l/L， H2S为122l/L,判断内部存在严重放电故障，从而迅速找到故障部位。再如1999年3月25日厦门500KV变电站在试运行两天后，突然断路器跳闸， 500 k

22、v CT内部一根绝缘支撑杆（俗称“牛腿”）因材质不良突然对地短路爆裂，粉碎成灰。经多种电气试验无法找到故障部位，后用SO2检测其含量大于200l/L，从而迅速找到故障部位。另平开GIS因橡胶垫硫析出生成Ag2s而引起多起事故。大亚湾核电站2008年1月11日500 kv GIS隔离刀闸A相SO2 ：146l/L， H2S ：20l/L，解体发现绝缘拉杆严重放电。 15图2. xx电厂日本三菱220kvGIS B相断路器绝缘拉杆放电性故障 图3： xx电厂沈高50321隔离刀闸绝缘拉杆中间段被电弧严重烧伤图4. xx电厂ABB与断路器相隔的盆式绝缘子被电弧烧伤薰黑 16（2）悬浮电位放电悬浮电位

23、放电 这类故障通常表现在断路器动触头与绝缘拉杆间的接触不良和CT二次引出线电容屏上部固定螺丝松动引起插销两侧金属或螺帽与螺杆间悬浮电位放电。这种放电性故障能量不很大，一般情况下只有SF6分解产物，主要生成SO2、HF和H2S 。如2003年8月1日某水电厂220 kv 252断路器C相，运行人员时有听到内部异常声响，经SO2 、 H2S检测其含量均很高，判断内部存在放电性故障。当晚便停运，后返厂进行解体，发现其动触头与拉杆连接的插销孔偏大，操作多次后造成插销孔变大，使拉杆产生悬浮电位放电。由于缺陷被及时检出，避免了事故的发生。图5. 运行中检出XX水电厂西开220kv断路器A相拉 杆连接插销悬

24、浮电位放电 17（3）导电杆的连接接触不良导电杆的连接接触不良 当故障点温度超过500时，SF6和周围固体绝缘材料开始热分解；当温度达700以上时，将造成动、静触头或导电杆连接处梅花触头外的包箍蠕变断裂，最后引起触头融化脱落，引起绝缘子和SF6分解，其主要产物为SO2 、HF、H2S等。如1999年10月26日福州某变电站220 kv GIS CT室因导电杆连接处接触不良，产生高温过热，熔化的金属烧伤绝缘子后引起对地短路。在解体时现场都有SO2刺激和H2S臭味。2001年11月24日华通开关厂110 kv GIS 162断路器室因B相静触头包箍断裂，引起了严重过热，金属熔化，绝缘子烧损，造成对

25、地短路。图6.2006年12月28日运行中检出xx变电站西开330kvGISGB1气室B相母线连接梅花触头严重过热故障 18(4）互感器、变压器匝层间和套管电容屏短路互感器、变压器匝层间和套管电容屏短路 当内部故障时，将使故障区域的SF6气体和聚脂乙烯、纸和漆等绝缘材料裂解，主要产生SO2、SOF2、HF、CO和低分子烃。2008.8.10湖南湘潭鹤岭变500 kv、50022“B相”、“CT”， SO2 146、H2S146；2008.8对常德供电局北开产生110 kvGIS进行检测，发现6和PT和CT气室中的CO大于100l/L，SO2 + SOF2大于1.0l/L，分析认为内部存在纸绝缘

26、裂解。 2008年6月14日事故后检测广东肇庆砚都变500 kv “CT”气室内部故障SO2 146l/L， H2S 146l/L线圈内部火花放电。图7.MWBSF6电流互感器结构图图8.广东肇庆砚都变500 kv “CT” 19(5）断路器重燃断路器重燃 断路器正常开断时，电弧一般在一至两个周波内熄灭，但当灭弧性能不好或切断电流不过零时，电弧不能及时熄灭，将灭弧室和触头灼伤，此时SF6气体和聚四氟乙烯分解，主要产生SO2、SOF2和HF。如福建某500kv变电站2008年4月26日5013断路器对电抗器做投切试验时，因为B、C两相电流不过零，重燃电弧将灭弧室灼伤，在事故后56天检测SF6气体

27、中仍有少量的SO2含量。 图9、图10.运行中检出xx变电站北京ABB500kv5013C相断路器开断时电弧重燃将触头烧伤 20(6）断路器断口并联电阻、电容内部短路断路器断口并联电阻、电容内部短路 因断口的并联电阻、电容质量不佳引起短路，此时SF6气体裂解主要产生SO2、SOF2和HF。如某500kv换流站瑞典ABB生产的断路器因并联电阻不良，粉碎性炸裂，一个月后检测仍有大量的SO2和HF。8、内部故障的诊断方法、内部故障的诊断方法 通过分解产物含量诊断SF6电气设备内部故障是近几年研制出来的新方法，目前虽无行业规程，但近年来通过福建、广东、北京、陕西、江苏、湖南、广西、辽宁、内蒙等20多个

28、省市电力试研院、发供电单位和西安高压开关公司等通过分解产物浓度测试，检出56台故障设备，其中有18台为运行中检出的隐患，为设备检修提供科学依据，避免了不少事故的发生。 SF6电气设备的内部故障是一个复杂的物理化学过程，在判断内部故障电气设备的内部故障是一个复杂的物理化学过程，在判断内部故障时必须结合设备运行、结构、检修、电气试验、继电保护动作和故障录时必须结合设备运行、结构、检修、电气试验、继电保护动作和故障录波情况等作综合分析，不断提高对故障的分析判断水平波情况等作综合分析，不断提高对故障的分析判断水平。 219、分解产物的正常值范围、分解产物的正常值范围 近年来，福建、江苏、陕西、湖南、广东、广西、海南和四川等20多个省市的电力试验研究院和发供电单位及西安高压开关公司都开展了SO2 、H2S等分解产物的检测，2007年国家发改委