局部放电下氢化物产生规律的研究

局部放电下氢化物产生规律的研究

1pf3对sf6气体分解特性的影响由于6氟化硫（砂6）气体具有良好的绝缘特性和电负特性，因此在气体隔离装置（gaszburg，gis）等设备中得到了广泛应用。正常情况下,SF6气体是一种化学性质十分稳定的无色、无味、不可燃气体,但在GIS内部出现局部放电(PartialDischarge,PD)时,SF6会发生不同程度的分解,生成如SF5、SF4和SF3等低氟化物,对于纯净的SF6气体,绝大部分的低氟化物会复合还原成SF6;但是由于SF6气体不纯或GIS设备密封不严等原因,使得SF6气体中不可避免地会含有微量水分(H2O),它会与这些低氟化物反应,使得这种分解-复合平衡被打破,同时生成更多更复杂的组分,如SOF2、SO2F2、SOF4、SO2、HF、H2S等,其中一些生成物水解后形成的酸性物质,对GIS设备内部固件有腐蚀作用,严重时会损坏设备内部固体绝缘,从而降低设备的整体绝缘性能,对设备的安全稳定运行造成威胁。另外,SF6气体中的微水通常以水蒸气的形式存在,当温度降低时,可能在设备内部结露,与内部的各种污染物混合后,附着在固体绝缘子的表面,容易引起沿面放电甚至闪络。因此,在GIS设备中应严格控制水分,GB/T18867—2002和DL/T596—1996对运行中的GIS设备SF6气体含水量允许值做了严格规定,如下表所示。国内外的初步研究结果表明,H2O对PD作用下SF6最终分解组分的种类、含量及其变化规律等均有显著影响。因此,在利用PD作用下SF6气体的分解特性来评判GIS设备内部PD类型和总体PD程度时,会因H2O含量的不同带来误差,甚至出现误判。但是目前关于微量H2O对PD下SF6分解组分最终生成物形成机理及影响规律的研究还不够深入,因此,本文利用研制的SF6气体PD分解试验平台,以针-板电极模拟GIS设备中常见的高压导体突出物绝缘缺陷,通过产生相同强度的PD使SF6气体发生分解,研究不同H2O含量、不同PD时段下各特征分解组分形成机理和含量变化,为利用SF6气体分解特性对GIS进行在线监测及故障诊断奠定理论基础。2特征气体分解fpseGIS设备中出现的PD一般属于低能放电,且设备的温度不会很快升高,此时引起SF6的分解主要是PD下的电效应。在GIS设备气室内,各种绝缘缺陷引起的稳定PD都可分为辉光区、离子漂流区和常态气室区三个区域,如图1所示。SF6分解机理、生成组分以及稳定含量除与各区域的能量分布、绝缘缺陷有极大关系外,还与H2O等杂质含量有关。在PD产生的辉光放电区,由于电场强度较大,呈现出高电场能致使SF6气体发生分解,生成各种离子团或原子团。辉光放电区的分解反应主要因高能电子的碰撞所致,其表现形式为在微量H2O存在的情况下,SF6分解生成的低氟化物还原成SF6的平衡将被打破,由H2O产生的OH和O与由反应式(1)和式(2)生成的多种低氟硫化物将进一步发生反应式(3)~式(10),可生成SO2F2、SOF2等特征分解产物。在主气室中少量低氟硫化物及以上所产生的生成物与H2O还可发生如下水解反应HF是非常活泼且极不稳定的强酸性物质,容易与GIS设备内部金属、有机绝缘材料等反应生成稳定的氟化物,其含量会随着PD时间的增长而减少,因此HF不适合作为SF6分解组分的特征气体。另外,当PD涉及有机绝缘和金属材料时,激发出的C还可与F和O发生反应生成CF4和CO2初步研究发现,SOF2和SO2F2是SF6气体在PD下生成的主要特征气体。同时,SOF4主要形成于PD中,且极易水解并生成SO2F2。因此,本文主要选择化学性质相对稳定,且能反映GIS绝缘状况的CF4、CO2、SO2F2和SOF2作为PD下SF6气体特征分解组分进行分析研究,其中CF4和CO2可作为反映固体绝缘材料性能的指标,SO2F2和SOF2可反映SF6气体绝缘劣化的程度。3局部高压试验和f6局部功率分解试验3.1混合样气的测定试验在已研制的SF6气体放电分解实验装置上进行,试验接线如图2所示,用针-板电极(距离为1.0cm)模拟GIS设备中常见的高压导体金属突出物绝缘缺陷。外施试验电压控制在能使缺陷模型产生稳定的PD,但不超过设备固有起始PD电压Ug。对PD使SF6气体发生分解生成的组分混合样气选用VarianCP—3800气相色谱分析仪进行定量测定。色谱分析仪采用99.999%以上的高纯He作为载气,使用填充柱(PorapakQS)和特制毛细柱(CP-Sil5CB60mtr×0.32mm)并联工作方式(其工作条件为流速2ml/min、柱温恒温40℃、进样量1mL和分流比10∶1),并配备双脉冲式He离子检测器(PDHID,检测精度可达0.01×10-6),能够有效分离并检测PD作用下SF6气体的主要分解组分CF4、CO2、SO2F2、SOF2等。3.2混合气体中ho含量的测定在GIS气室中,H2O不仅仅存在于SF6气体中,其内部固体表面也会吸附微量的H2O,这部分H2O会逐步慢速释放,很难通过短时间抽真空完全排除,因此,GIS设备内部总体水分应包括气相和固相两种水分,固相水分释放到气相中是一个放热过程,气相水分吸附到固相中是一个吸热过程,由此可见气室温度会直接影响微水的测量。所以,DL/T596—1996中规定对SF6气体的水分测量需采用20℃时的体积比分数来表示。由于GIS设备内部气体的H2O含量要达到平衡需要一定稳定时间,为了获取该时间值以便实验的开展,首先对PD分解实验装置中H2O含量稳定平衡时间开展试验研究,在相同条件下做了两种试验:一种是用SF6新气在真空下对放电室冲洗3次以除去各种杂质气体,再向气室充入0.2MPa的SF6新气;另一种是在气室内壁涂少量水膜(不形成水滴)后,同样用SF6新气在真空下冲洗3次后向气室充入0.2MPa的SF6新气。使用DMP-10精密露点仪测量混合气体的微水体积分数,记录下两种情况气室中H2O含量变化,并将记录数据换算至20℃时体积比分数,实验结果如图3所示。可以看出两种情况下气室里的H2O含量均在0~24h增长较快,之后饱和趋势明显,且充气48h后SF6气体中H2O含量基本达到稳定,24h后H2O含量可以达到稳定值的93%以上。为此,在进行微水含量测定的试验时,无论放电气室内壁是否经过处理,都需放置24h以上,且按照IEEE所给的标准将测试数据换算至20℃时体积比分数。为了模拟GIS设备内部在H2O正常和超标情况下SF6的分解情况,本文共对520×10-6、1550×10-6、3280×10-6、4940×10-6、8000×10-6、10200×10-6、11540×10-6(体积分数)7种H2O含量的SF6气体进行了PD分解试验。3.3试验方法试验按照以下步骤进行:(1)测试装置固有PD起始电压Ug和缺陷PD起始电压Ud。经测试,当放电室充入0.2MPa高纯SF6时,实验装置的Ug为45kV,放置人工模拟缺陷(针-板电极,间距d=10mm)后PD起始电压为15kV,本文在有人工模拟缺陷时外施电压为24kV。(2)试验前用乙醇清洗气室内壁和人工缺陷模型,之后将人工缺陷放入气室中,用SF6新气在真空下对放电室冲洗3次以除去各种杂质气体,在气室内壁涂上不同量的纯净水,以达到模拟GIS中不同微水含量,在真空下注入SF6新气直至气室内气压为0.2MPa,并静置24h使气室中的H2O达到平衡。(3)用HY-YF氧气分析仪进行测定,使放电气室中的空气含量满足IEC60480—2004标准要求;用DMP-10精密露点仪测量水分含量,以保证在不同H2O含量下进行试验。(4)对人工缺陷模型施加试验电压,使缺陷模型产生持续稳定的PD,PD下的脉冲电流信号通过检测阻抗和数字存储示波器(模拟频带1GHz,采集率20GHz,存储深度48MB)进行监测和记录,并保持每次试验条件相同。(5)每隔8h采集一次SF6放电分解组分样气,进行色谱含量分析,共进行48h气体分解试验。4ph对sof2和sof2生成的影响当H2O含量不同时,SF6在PD作用下均有CF4生成,但总体含量较少,如图4所示。在一定PD时间下,随着H2O含量的增加,CF4组分含量不断减少,说明H2O的增加阻碍了CF4的生成。分析其原因:CF4中C主要来源于PD区域附近固体有机绝缘材料的释放,与PD强度有一定关系,当PD强度一定且位置固定时,C的含量变化不大;F由SF6在电子的撞击下分解产生,其化学性质活泼,可以与金属等反应生成稳定的化合物;C和F在高能放电区才易结合,而本气室的固体有机绝缘材料没有位于PD高能区,因此,CF4总生成量较少。当有H2O存在时,化学性质活泼的F更容易与H2O相结合发生复杂的化学反应,使得F漂移出PD高能区与C发生反应的概率减少,所以H2O的增加会阻碍CF4的生成。在一定PD试验时间下,CO2组分含量的变化随H2O含量的关系如图5所示。可以看出无论H2O含量的高低,CO2的生成量都较CF4高,且CO2组分含量随着H2O含量的增加总体呈现增大趋势,且有一定分散性,即H2O浓度对CO2的生成规律有一定的影响,原因是固体绝缘材料释放出的C与H2O分解得到的O结合生成CO2,固体绝缘材料释放出的C有限,并要参与生成CF4等其他含C气体,且O主要是在PD高能区通过反应式(3)和式(4)产生,而该区域中由于反应式(1)的大量进行,含有丰富的F,所以此时所生成的O更容易与化学性质活泼的F相结合,生成含氧的硫氟化物的组分,而不易漂移出PD高能区与C结合。因此,H2O对CO2的生成有一定的影响,但影响不大。在不同H2O含量下,SO2F2和SOF2的生成对比情况分别如图6和图7所示,可以看出,在一定PD时间下,SO2F2和SOF2的产气量随H2O含量的增长呈倒U型曲线,即H2O含量的增加对SO2F2和SOF2的生成有先促进后抑制的作用。当H2O含量小于8000×10-6时,在相同PD时间和H2O含量下,SOF2的产气量均高于SO2F2的产气量,且SOF2和SO2F2的产气量都随H2O含量的增加而增加;当H2O含量大于8000×10-6时,其产气量都随H2O含量的增加而减少。在不同H2O含量下,将同一PD时间的SO2F2浓度与SOF2浓度相比,得到ϕ(SO2F2)/ϕ(SOF2)与H2O含量的变化情况,如图8所示。可以看出,在同一个PD时间下,随着H2O浓度的增加,ϕ(SO2F2)/ϕ(SOF2)先减小后增大,呈U型曲线规律,即H2O对SOF2的促进和抑制作用均强于SO2F2。由于辉光放电区SF6主要的分解产物是容易复合的SF5,而SF2、SF4占未复合分解产物的绝大部分,比较稳定,SOF2主要由SF2、SF3和SF4在放电辉光区与O和OH反应生成,如反应式(7)~式(10);SO2F2主要由SF5与O和OH反应生成的SOF4及之后的水解反应生成,如反应式(5)、式(6)和式(12)。少量SF4等分子团向主气室游离,在PD区域外发生式(11)的反应,生成少量SOF2。因此当H2O含量为520×10-6时,SOF2的产气量高于SO2F2,此时ϕ(SO2F2)/ϕ(SOF2)小于1。当SF6中H2O含量逐渐增多时,SF6电负性能下降,放电气室内绝缘强度降低,PD频率变大,使SF6分解加剧生成更多的低氟化物参与反应,此时H2O对SO2F2和SOF2的生成有促进作用,且当H2O含量升高时,SF2、SF3和SF4更容易捕捉到O和OH,而SO2F2增长速率不如SOF2,随着H2O含量增加,ϕ(SO2F2)/ϕ(SOF2)逐渐减小。当H2O含量大量增加达到8000×10-6时,由于SOF2容易水解,气室里开始大量发生如式(13)的水解反应使SOF2产气量开始减少;而SO2F2相对较稳定,且H2O增加使生成SO2F2的反应加强,SO2F2继续增加,ϕ(SO2F2)/ϕ(SOF2)曲线开始上翘。当H2O进一步增大时,SOF2水解加剧,其产气量大大减少。此时H2O含量很大,由于气体硫化物都具有一定的溶水性,SO2F2气体开始被吸收,且随着H2O含量的增加,吸收作用增强,因此SO2F2的产量也开始降低。但其减少速度远小于SOF2的减少速度,ϕ(SO2F2)/ϕ(SOF2)逐渐增加。为了比较同一H2O含量下ϕ(SO2F2)/ϕ(SOF2)随PD时间的变化特性,在同一H2O含量下,将对应PD时间时的SO2F2和SOF2浓度相比,得到ϕ(SO2F2)/ϕ(SOF2)与PD时间的变化情况,如图9所示。可以看出,当H2O含量小于等于8000×10-6时,随着PD时间的增长,该比值逐渐减小;当H2O含量大于8000×10-6时,该比值则随着PD时间的增加而增加。当H2O含量小于等于8000×10-6时,随着PD时间的增加,生成SOF2的化学方程式(7)~式(10)反应速率增加,即使有水解存在,其增加量大于水解量,且增幅大于SO2F2,所以ϕ(SO2F2)/ϕ(SOF2)随PD时间的增加而增加;当H2O含量大于8000×10-6后,SOF2的水解大大加强,随着PD时间的增加,增加量逐渐减少,而SO2F2尽管有一部分被H2O吸收,但是相对更加稳定,没有大量减少,相比SOF2的减少量要少得多,即ϕ