局部放電下氫化物產(chǎn)生規(guī)律的研究

局部放電下氫化物產(chǎn)生規(guī)律的研究

1pf3對sf6氣體分解特性的影響由于6氟化硫（砂6）氣體具有良好的絕緣特性和電負(fù)特性，因此在氣體隔離裝置（gaszburg，gis）等設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用。正常情況下,SF6氣體是一種化學(xué)性質(zhì)十分穩(wěn)定的無色、無味、不可燃?xì)怏w,但在GIS內(nèi)部出現(xiàn)局部放電(PartialDischarge,PD)時,SF6會發(fā)生不同程度的分解,生成如SF5、SF4和SF3等低氟化物,對于純凈的SF6氣體,絕大部分的低氟化物會復(fù)合還原成SF6;但是由于SF6氣體不純或GIS設(shè)備密封不嚴(yán)等原因,使得SF6氣體中不可避免地會含有微量水分(H2O),它會與這些低氟化物反應(yīng),使得這種分解-復(fù)合平衡被打破,同時生成更多更復(fù)雜的組分,如SOF2、SO2F2、SOF4、SO2、HF、H2S等,其中一些生成物水解后形成的酸性物質(zhì),對GIS設(shè)備內(nèi)部固件有腐蝕作用,嚴(yán)重時會損壞設(shè)備內(nèi)部固體絕緣,從而降低設(shè)備的整體絕緣性能,對設(shè)備的安全穩(wěn)定運行造成威脅。另外,SF6氣體中的微水通常以水蒸氣的形式存在,當(dāng)溫度降低時,可能在設(shè)備內(nèi)部結(jié)露,與內(nèi)部的各種污染物混合后,附著在固體絕緣子的表面,容易引起沿面放電甚至閃絡(luò)。因此,在GIS設(shè)備中應(yīng)嚴(yán)格控制水分,GB/T18867—2002和DL/T596—1996對運行中的GIS設(shè)備SF6氣體含水量允許值做了嚴(yán)格規(guī)定,如下表所示。國內(nèi)外的初步研究結(jié)果表明,H2O對PD作用下SF6最終分解組分的種類、含量及其變化規(guī)律等均有顯著影響。因此,在利用PD作用下SF6氣體的分解特性來評判GIS設(shè)備內(nèi)部PD類型和總體PD程度時,會因H2O含量的不同帶來誤差,甚至出現(xiàn)誤判。但是目前關(guān)于微量H2O對PD下SF6分解組分最終生成物形成機(jī)理及影響規(guī)律的研究還不夠深入,因此,本文利用研制的SF6氣體PD分解試驗平臺,以針-板電極模擬GIS設(shè)備中常見的高壓導(dǎo)體突出物絕緣缺陷,通過產(chǎn)生相同強(qiáng)度的PD使SF6氣體發(fā)生分解,研究不同H2O含量、不同PD時段下各特征分解組分形成機(jī)理和含量變化,為利用SF6氣體分解特性對GIS進(jìn)行在線監(jiān)測及故障診斷奠定理論基礎(chǔ)。2特征氣體分解fpseGIS設(shè)備中出現(xiàn)的PD一般屬于低能放電,且設(shè)備的溫度不會很快升高,此時引起SF6的分解主要是PD下的電效應(yīng)。在GIS設(shè)備氣室內(nèi),各種絕緣缺陷引起的穩(wěn)定PD都可分為輝光區(qū)、離子漂流區(qū)和常態(tài)氣室區(qū)三個區(qū)域,如圖1所示。SF6分解機(jī)理、生成組分以及穩(wěn)定含量除與各區(qū)域的能量分布、絕緣缺陷有極大關(guān)系外,還與H2O等雜質(zhì)含量有關(guān)。在PD產(chǎn)生的輝光放電區(qū),由于電場強(qiáng)度較大,呈現(xiàn)出高電場能致使SF6氣體發(fā)生分解,生成各種離子團(tuán)或原子團(tuán)。輝光放電區(qū)的分解反應(yīng)主要因高能電子的碰撞所致,其表現(xiàn)形式為在微量H2O存在的情況下,SF6分解生成的低氟化物還原成SF6的平衡將被打破,由H2O產(chǎn)生的OH和O與由反應(yīng)式(1)和式(2)生成的多種低氟硫化物將進(jìn)一步發(fā)生反應(yīng)式(3)~式(10),可生成SO2F2、SOF2等特征分解產(chǎn)物。在主氣室中少量低氟硫化物及以上所產(chǎn)生的生成物與H2O還可發(fā)生如下水解反應(yīng)HF是非?；顫娗覙O不穩(wěn)定的強(qiáng)酸性物質(zhì),容易與GIS設(shè)備內(nèi)部金屬、有機(jī)絕緣材料等反應(yīng)生成穩(wěn)定的氟化物,其含量會隨著PD時間的增長而減少,因此HF不適合作為SF6分解組分的特征氣體。另外,當(dāng)PD涉及有機(jī)絕緣和金屬材料時,激發(fā)出的C還可與F和O發(fā)生反應(yīng)生成CF4和CO2初步研究發(fā)現(xiàn),SOF2和SO2F2是SF6氣體在PD下生成的主要特征氣體。同時,SOF4主要形成于PD中,且極易水解并生成SO2F2。因此,本文主要選擇化學(xué)性質(zhì)相對穩(wěn)定,且能反映GIS絕緣狀況的CF4、CO2、SO2F2和SOF2作為PD下SF6氣體特征分解組分進(jìn)行分析研究,其中CF4和CO2可作為反映固體絕緣材料性能的指標(biāo),SO2F2和SOF2可反映SF6氣體絕緣劣化的程度。3局部高壓試驗和f6局部功率分解試驗3.1混合樣氣的測定試驗在已研制的SF6氣體放電分解實驗裝置上進(jìn)行,試驗接線如圖2所示,用針-板電極(距離為1.0cm)模擬GIS設(shè)備中常見的高壓導(dǎo)體金屬突出物絕緣缺陷。外施試驗電壓控制在能使缺陷模型產(chǎn)生穩(wěn)定的PD,但不超過設(shè)備固有起始PD電壓Ug。對PD使SF6氣體發(fā)生分解生成的組分混合樣氣選用VarianCP—3800氣相色譜分析儀進(jìn)行定量測定。色譜分析儀采用99.999%以上的高純He作為載氣,使用填充柱(PorapakQS)和特制毛細(xì)柱(CP-Sil5CB60mtr×0.32mm)并聯(lián)工作方式(其工作條件為流速2ml/min、柱溫恒溫40℃、進(jìn)樣量1mL和分流比10∶1),并配備雙脈沖式He離子檢測器(PDHID,檢測精度可達(dá)0.01×10-6),能夠有效分離并檢測PD作用下SF6氣體的主要分解組分CF4、CO2、SO2F2、SOF2等。3.2混合氣體中ho含量的測定在GIS氣室中,H2O不僅僅存在于SF6氣體中,其內(nèi)部固體表面也會吸附微量的H2O,這部分H2O會逐步慢速釋放,很難通過短時間抽真空完全排除,因此,GIS設(shè)備內(nèi)部總體水分應(yīng)包括氣相和固相兩種水分,固相水分釋放到氣相中是一個放熱過程,氣相水分吸附到固相中是一個吸熱過程,由此可見氣室溫度會直接影響微水的測量。所以,DL/T596—1996中規(guī)定對SF6氣體的水分測量需采用20℃時的體積比分?jǐn)?shù)來表示。由于GIS設(shè)備內(nèi)部氣體的H2O含量要達(dá)到平衡需要一定穩(wěn)定時間,為了獲取該時間值以便實驗的開展,首先對PD分解實驗裝置中H2O含量穩(wěn)定平衡時間開展試驗研究,在相同條件下做了兩種試驗:一種是用SF6新氣在真空下對放電室沖洗3次以除去各種雜質(zhì)氣體,再向氣室充入0.2MPa的SF6新氣;另一種是在氣室內(nèi)壁涂少量水膜(不形成水滴)后,同樣用SF6新氣在真空下沖洗3次后向氣室充入0.2MPa的SF6新氣。使用DMP-10精密露點儀測量混合氣體的微水體積分?jǐn)?shù),記錄下兩種情況氣室中H2O含量變化,并將記錄數(shù)據(jù)換算至20℃時體積比分?jǐn)?shù),實驗結(jié)果如圖3所示。可以看出兩種情況下氣室里的H2O含量均在0~24h增長較快,之后飽和趨勢明顯,且充氣48h后SF6氣體中H2O含量基本達(dá)到穩(wěn)定,24h后H2O含量可以達(dá)到穩(wěn)定值的93%以上。為此,在進(jìn)行微水含量測定的試驗時,無論放電氣室內(nèi)壁是否經(jīng)過處理,都需放置24h以上,且按照IEEE所給的標(biāo)準(zhǔn)將測試數(shù)據(jù)換算至20℃時體積比分?jǐn)?shù)。為了模擬GIS設(shè)備內(nèi)部在H2O正常和超標(biāo)情況下SF6的分解情況,本文共對520×10-6、1550×10-6、3280×10-6、4940×10-6、8000×10-6、10200×10-6、11540×10-6(體積分?jǐn)?shù))7種H2O含量的SF6氣體進(jìn)行了PD分解試驗。3.3試驗方法試驗按照以下步驟進(jìn)行:(1)測試裝置固有PD起始電壓Ug和缺陷PD起始電壓Ud。經(jīng)測試,當(dāng)放電室充入0.2MPa高純SF6時,實驗裝置的Ug為45kV,放置人工模擬缺陷(針-板電極,間距d=10mm)后PD起始電壓為15kV,本文在有人工模擬缺陷時外施電壓為24kV。(2)試驗前用乙醇清洗氣室內(nèi)壁和人工缺陷模型,之后將人工缺陷放入氣室中,用SF6新氣在真空下對放電室沖洗3次以除去各種雜質(zhì)氣體,在氣室內(nèi)壁涂上不同量的純凈水,以達(dá)到模擬GIS中不同微水含量,在真空下注入SF6新氣直至氣室內(nèi)氣壓為0.2MPa,并靜置24h使氣室中的H2O達(dá)到平衡。(3)用HY-YF氧氣分析儀進(jìn)行測定,使放電氣室中的空氣含量滿足IEC60480—2004標(biāo)準(zhǔn)要求;用DMP-10精密露點儀測量水分含量,以保證在不同H2O含量下進(jìn)行試驗。(4)對人工缺陷模型施加試驗電壓,使缺陷模型產(chǎn)生持續(xù)穩(wěn)定的PD,PD下的脈沖電流信號通過檢測阻抗和數(shù)字存儲示波器(模擬頻帶1GHz,采集率20GHz,存儲深度48MB)進(jìn)行監(jiān)測和記錄,并保持每次試驗條件相同。(5)每隔8h采集一次SF6放電分解組分樣氣,進(jìn)行色譜含量分析,共進(jìn)行48h氣體分解試驗。4ph對sof2和sof2生成的影響當(dāng)H2O含量不同時,SF6在PD作用下均有CF4生成,但總體含量較少,如圖4所示。在一定PD時間下,隨著H2O含量的增加,CF4組分含量不斷減少,說明H2O的增加阻礙了CF4的生成。分析其原因:CF4中C主要來源于PD區(qū)域附近固體有機(jī)絕緣材料的釋放,與PD強(qiáng)度有一定關(guān)系,當(dāng)PD強(qiáng)度一定且位置固定時,C的含量變化不大;F由SF6在電子的撞擊下分解產(chǎn)生,其化學(xué)性質(zhì)活潑,可以與金屬等反應(yīng)生成穩(wěn)定的化合物;C和F在高能放電區(qū)才易結(jié)合,而本氣室的固體有機(jī)絕緣材料沒有位于PD高能區(qū),因此,CF4總生成量較少。當(dāng)有H2O存在時,化學(xué)性質(zhì)活潑的F更容易與H2O相結(jié)合發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng),使得F漂移出PD高能區(qū)與C發(fā)生反應(yīng)的概率減少,所以H2O的增加會阻礙CF4的生成。在一定PD試驗時間下,CO2組分含量的變化隨H2O含量的關(guān)系如圖5所示。可以看出無論H2O含量的高低,CO2的生成量都較CF4高,且CO2組分含量隨著H2O含量的增加總體呈現(xiàn)增大趨勢,且有一定分散性,即H2O濃度對CO2的生成規(guī)律有一定的影響,原因是固體絕緣材料釋放出的C與H2O分解得到的O結(jié)合生成CO2,固體絕緣材料釋放出的C有限,并要參與生成CF4等其他含C氣體,且O主要是在PD高能區(qū)通過反應(yīng)式(3)和式(4)產(chǎn)生,而該區(qū)域中由于反應(yīng)式(1)的大量進(jìn)行,含有豐富的F,所以此時所生成的O更容易與化學(xué)性質(zhì)活潑的F相結(jié)合,生成含氧的硫氟化物的組分,而不易漂移出PD高能區(qū)與C結(jié)合。因此,H2O對CO2的生成有一定的影響,但影響不大。在不同H2O含量下,SO2F2和SOF2的生成對比情況分別如圖6和圖7所示,可以看出,在一定PD時間下,SO2F2和SOF2的產(chǎn)氣量隨H2O含量的增長呈倒U型曲線,即H2O含量的增加對SO2F2和SOF2的生成有先促進(jìn)后抑制的作用。當(dāng)H2O含量小于8000×10-6時,在相同PD時間和H2O含量下,SOF2的產(chǎn)氣量均高于SO2F2的產(chǎn)氣量,且SOF2和SO2F2的產(chǎn)氣量都隨H2O含量的增加而增加;當(dāng)H2O含量大于8000×10-6時,其產(chǎn)氣量都隨H2O含量的增加而減少。在不同H2O含量下,將同一PD時間的SO2F2濃度與SOF2濃度相比,得到?(SO2F2)/?(SOF2)與H2O含量的變化情況,如圖8所示。可以看出,在同一個PD時間下,隨著H2O濃度的增加,?(SO2F2)/?(SOF2)先減小后增大,呈U型曲線規(guī)律,即H2O對SOF2的促進(jìn)和抑制作用均強(qiáng)于SO2F2。由于輝光放電區(qū)SF6主要的分解產(chǎn)物是容易復(fù)合的SF5,而SF2、SF4占未復(fù)合分解產(chǎn)物的絕大部分,比較穩(wěn)定,SOF2主要由SF2、SF3和SF4在放電輝光區(qū)與O和OH反應(yīng)生成,如反應(yīng)式(7)~式(10);SO2F2主要由SF5與O和OH反應(yīng)生成的SOF4及之后的水解反應(yīng)生成,如反應(yīng)式(5)、式(6)和式(12)。少量SF4等分子團(tuán)向主氣室游離,在PD區(qū)域外發(fā)生式(11)的反應(yīng),生成少量SOF2。因此當(dāng)H2O含量為520×10-6時,SOF2的產(chǎn)氣量高于SO2F2,此時?(SO2F2)/?(SOF2)小于1。當(dāng)SF6中H2O含量逐漸增多時,SF6電負(fù)性能下降,放電氣室內(nèi)絕緣強(qiáng)度降低,PD頻率變大,使SF6分解加劇生成更多的低氟化物參與反應(yīng),此時H2O對SO2F2和SOF2的生成有促進(jìn)作用,且當(dāng)H2O含量升高時,SF2、SF3和SF4更容易捕捉到O和OH,而SO2F2增長速率不如SOF2,隨著H2O含量增加,?(SO2F2)/?(SOF2)逐漸減小。當(dāng)H2O含量大量增加達(dá)到8000×10-6時,由于SOF2容易水解,氣室里開始大量發(fā)生如式(13)的水解反應(yīng)使SOF2產(chǎn)氣量開始減少;而SO2F2相對較穩(wěn)定,且H2O增加使生成SO2F2的反應(yīng)加強(qiáng),SO2F2繼續(xù)增加,?(SO2F2)/?(SOF2)曲線開始上翹。當(dāng)H2O進(jìn)一步增大時,SOF2水解加劇,其產(chǎn)氣量大大減少。此時H2O含量很大,由于氣體硫化物都具有一定的溶水性,SO2F2氣體開始被吸收,且隨著H2O含量的增加,吸收作用增強(qiáng),因此SO2F2的產(chǎn)量也開始降低。但其減少速度遠(yuǎn)小于SOF2的減少速度,?(SO2F2)/?(SOF2)逐漸增加。為了比較同一H2O含量下?(SO2F2)/?(SOF2)隨PD時間的變化特性,在同一H2O含量下,將對應(yīng)PD時間時的SO2F2和SOF2濃度相比,得到?(SO2F2)/?(SOF2)與PD時間的變化情況,如圖9所示?？梢钥闯?當(dāng)H2O含量小于等于8000×10-6時,隨著PD時間的增長,該比值逐漸減小;當(dāng)H2O含量大于8000×10-6時,該比值則隨著PD時間的增加而增加。當(dāng)H2O含量小于等于8000×10-6時,隨著PD時間的增加,生成SOF2的化學(xué)方程式(7)~式(10)反應(yīng)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?(SO2F2)/?(SOF2)隨PD時間的增加而增加;當(dāng)H2O含量大于8000×10-6后,SOF2的水解大大加強(qiáng),隨著PD時間的增加,增加量逐漸減少,而SO2F2盡管有一部分被H2O吸收,但是相對更加穩(wěn)定,沒有大量減少,相比SOF2的減少量要少得多,即?