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不同电极材料下GIS绝缘子表面爬电放电SF6分解组分比值特性分析

 时间:2020-06-24 19:13:58 来源: 
不同电极材料下GIS绝缘子表面爬电放电SF6分解组分比值特性分析

沈渡 屈江江

(华北电力大学,北京 102206)

摘要:为研究不同电极材料下GIS绝缘子表面爬电放电SF6分解组分特性,探索识别不同电极材料的分解气体特征量,笔者在真实的110 kV GIS试验平台上,模拟了沿GIS盆式绝缘子表面爬电放电这种典型绝缘缺陷的SF6气体的分解,并用铁和铜两种电极材料做了对比试验,检测了两种电极材料下CO2、CF4、SO2F2、SOF2四种分解气体的含量随时间的变化规律,并研究了两种电极材料下c(SOF2)/c(SO2F2)和c(CF4+CO2)/c(SOF2+SO2F2)两种组分含量比值的特性。结果表明,两种电极材料下c(SOF2)/c(SO2F2)和c(CF4+CO2)/c(SOF2+SO2F2)两种组分含量比值的特性具有明显的不同,因此,可将SF6分解气体的含量比值作为识别GIS绝缘子表面爬电放电两种电极材料的特征量。

教育期刊网 http://www.jyqkw.com关键词:SF6;爬电放电;局部放电;分解气体

1局部放电时SF6气体分解原理

SF6气体作为优良的绝缘介质已广泛应用于气体绝缘组合电器(简称GIS)中。在正常情况下,SF6化学性质十分稳定、不易分解,但在GIS设备内部出现绝缘缺陷并引发局部放电时,SF6气体会发生分解,生成微量的分解气体[1]。

局部放电下陡脉冲强电场激发的高能电子碰撞SF6分子,引起SF6气体分解。

e+SF6→SFX+(6-X)F,X=1~5

e+SFX→SFX-1+F

绝大部分初级分解产物SFX(X=1,2,…,5)会快速复合为SF6分子,但放电气室内部不可避免存在的水分、氧气等杂质会与低氟硫化物SFX(X=1,2,…,5)进一步发生反应,生成CF4、SO2F2、SOF2、SO2和SOF4等产物[2]。

如果放电区域周围存在含碳材料(如不锈钢金属电极、固体绝缘材料等),气室中的F原子和O原子还会与含碳材料释放出的C原子发生反应,生成CF4和CO2等产物。在高温条件下,C原子还会和CO2反应生成CO[3]。

2实验系统概述

整个实验系统由GIS实验模型、加压装置、SF6组分分析装置、局放监测装置组成。如图1所示,GIS实验模型结构为三相共体设备,绝缘等级为110 kV,共分为6个气室。气室之间采用封闭式盆式绝缘子分隔,且每个气室上设有取气口和气压表。其中竖立的两个气室从上到下分别为6#和5#气室。SF6组分分析装置使用华爱GC9760B气相色谱仪。

3GIS绝缘缺陷物理模型构建

在5#、6#气室分别使用铁丝和铜丝设置了盆式绝缘子沿面树枝爬电缺陷,电极一端固定在均压环与绝缘子之间,另一端紧密接触绝缘子表面。铁丝对地净空距离为60 mm,对地沿面距离为63 mm。铜丝对地净空距离为51 mm,对地沿面距离为63 mm。铜丝已经过打磨处理。

4实验数据获取与数据处理

本实验中采用的是高纯SF6气体(纯度为99.999%)。本文对充入放电气室后的SF6气体做了检测,测量结果如下:5#气室CO2含量为1.589 5 ppm,CF4含量为1.489 5 ppm;6#气室CO2含量为1.577 1 ppm,CF4含量为1.476 2 ppm。

尽量保证局放量在一个恒定数值,并通过调节电压来保证局放量。实验采用三相共同加压方式,并监测总体局放量,保持实验电压在31~35 kV之间,5#和6#气室的局放量在800~1 300 pC之间,两个气室SF6气压都是3.5 MPa。进行240 h的持续加压,利用气相色谱跟踪测量SF6放电分解气体(每12~24 h采集一次样品),分析得到SF6局放分解气体的定性定量结果。

4.1两气室相同分解组分的对比关系

把两气室相同组分的含量扣除初始含量后放在一起,然后进行曲线拟合,得到变化规律,如图2所示。

两个气室CO2和CF4含量都随放电时间的延长而增长,并且呈现饱和趋势。其中5#气室的CO2和CF4生成量和增长速率都比6#气室大,5#气室的SO2F2和SOF2生成量比6#气室多。从原理上看,CO2和CF4的产生来源可能为铁丝和盆式绝缘子环氧树脂有机材料,而铜丝生成的碳元素比铁丝少,并且6#气室的放电量可能没有5#气室大。可见用气体组分含量并不能直观区别出两种电极材料。

4.2两气室分解组分比值的对比关系

本文选择c(SOF2)/c(SO2F2)和c(CF4+CO2)/c(SOF2+SO2F2)两组组分含量比值作为识别四种绝缘缺陷的特征量,因为这两组组分含量比值具有明确的物理意义。c(SOF2)/c(SO2F2)的值可用来表征PD能量的大小,c(CF4+CO2)/c(SOF2+SO2F2)的值可用来表征绝缘材料和金属材料的劣化程度。

如图3所示,6#气室的放电缺陷c(SOF2)/c(SO2F2)和c(CF4+CO2)/c(SOF2+SO2F2)含量比5#气室大,且数值大小区分度高,可见用气体组分含量能直观区别出两种电极材料。

5结论

(1) 分析了PD引起SF6气体发生分解的机理,当电极材料为铁和铜时,稳定的气体分解产物都有CO2、CF4、SO2F2、SOF2,并且其含量都随着放电时间的延长而有所增加。

(2) 当电极材料为铁时,CO2、CF4、SO2F2、SOF2的气体组分含量都比当电极材料为铜时要高,这是因为电极材料为铁时,能够分解出更多的碳元素,并且放电量也比较大,但是不能直观区别出两种电极材料。

(3) 两种电极材料的c(SOF2)/c(SO2F2)和c(CF4+CO2)/c(SOF2+SO2F2)两种组分含量比值的特性有着明显差距,其中当电极材料为铜时,这两种组分含量比值比电极材料为铁时要大得多,因此可以用这两种组分含量比值来区分沿GIS盆式绝缘子表面爬电放电电极材料的不同。

[教育期刊网 http://www.jyqkw.com参考文献]

[1]唐炬,胡瑶,裘吟君,等.两种局部放电类型下SF6分解组分检测及特性分析[J].重庆大学学报,2013,36(1):55-61.

[2]张晓星,姚尧,唐炬,等.SF6放电分解气体组分分析的现状和发展[J].高电压技术,2008,34(4):664-669,747.

[3]连鸿松.根据SF6气体分解产物诊断电气设备故障[J].福建电力与电工,2005,25(3):21-24.

收稿日期:2015-08-31

作者简介:沈渡(1990—),男,江苏徐州人,工学硕士,研究方向:高电压及绝缘技术。