复习方法固定金属突出物缺陷下SF6气体分解组份分析
李涛，唐炬，万凌云，张晓星
（重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室，重庆市沙坪坝区400044）
摘要：本文在已建立的SF6局部放电引起气体分解试验研究装置基础上，构建典型固定金属突出物绝缘缺陷的物理模型，并利用气相色谱分析仪对SF6在局部放电下产生的分解组份气体SOF2和CO2和CF4进行了检测，研究了此绝缘缺陷下SF6气体分解的特点。初步试验研究表明：该模拟缺陷下主要分解产物为SOF2，其含量随放电时间的增加而呈显著增加趋势，同时金属突出物缺陷下产生了较大量的CO2，作者着重从SOF2的产气特征来研究绝缘缺陷对SF6气体分解产生的影响。
关键词：SF6；物理模型；分解组份；气相色谱仪
1 引言
气体组合电器（Gas Insulated Substation，简称GIS）最通常的电气故障特征是在绝缘完全击穿或闪络前产生局部放电（Partial Discharge，简称PD）[1]。由于GIS事故主要由绝缘故障引起，而绝缘故障早期主要表现形式是内部产生PD，它既是引起绝缘劣化[2]的主要原因，又是表征绝缘缺陷的特征量[3]。因此，通过对PD在线监测和故障诊断研究，可以在一定程度上发现许多GIS内部存在的绝缘缺陷，对保
手球比赛证设备的安全可靠运行具有重要的现实意义。
传统的GIS局部放电检测方法（主要是电测法和超声法）易受现场电磁和噪声干扰，很难对绝缘状况作出准确判断。作者利用自建的局部放电引起SF6气体分解的试验研究装置和气体分析检测系统，对人工模拟的两种绝缘缺陷产生的PD 引起SF6分解组份气体进行检测与色谱分析，同时，用脉冲电流法对局部放电的剧烈程度进行监视，得出了PD引起SF6气体分解组份的变化规律，为进一步深入研究各种PD形式引起SF6气体分解奠定了前期基础。2 实验装置
2.1 气体分解试验系统
气体分解试验系统主要由高压试验电源、SF6放电室、人工模拟缺陷、放电脉冲信号监测系统等组成。其中，SF6放电室的气压范围为常压～0.5Mpa，能够模拟真实GIS设备的气压，试验接线如图1所示。
图1 SF6气体分解组份试验装置
2.2 色谱分析系统
本文主要研究两种PD形式下，SF6气体分解SOF2组份的含量，气象色谱分析仪主体选用瓦里安CP-3800型，配备直径为3毫米、长度为4米的瑞派克Q型填充色谱柱[6]，其筛孔径为80～100目，对SOF2的检测精度达到0.1ml/m3，对SO2的检测精度为10ml/m3，对CF4的检测精度为1ml/m3。
色谱柱温度控制采用程序升温法，初始温度设为60摄氏度，最终温度设为150度，加热速
266
267
度为10摄氏度/分钟。载气选用氦气，流速为20～28毫升/分钟。采用火焰光度检测器（FPD ）和热导检测器（TCD ）串联检测[10]。其中，FPD 高压设置为-700伏，用于检测SOF 2和SO 2，TCD 温度设置为70摄氏度，用于检测CF 4、CO 2和SF 6。用热导检测器检测时，气体组份的出峰顺序是空气、CF 4、CO 2、SF 6，待六氟化硫峰结束后，用四通阀切换其余组份至火焰光度检测器检测，出峰顺序是SOF 2、SO 2。
2.3 固定金属突出物物理模型
怡然不动
固定金属突出物通常头部异常尖锐，导致尖端部位形成绝缘气体中的高场强区，产生的放电形式主要是电晕放电[5]，本文采用针－板电极物理模型来模拟金属突出物缺陷，如图2所示。针电极曲率半径约为0.3mm ，锥尖角为30度，接地的平板电极设计为直径60mm 的Bruce 电极[6]，材料均为黄铜。在本实验中，针－板间距取选为10mm ，在19kV 的实验电压下，已能产生PD 。
图2 固定金属突出物缺陷模型
为使平板电极产生的更加电场均匀，作者采
用了Bruce 电极，该电极较罗克夫斯基电极尺寸小，且易于加工，其截面如如图2所示：其中AB 段为水平直线；BC 段sin()2
Bx xy CO Bo π=ו；CD 段
为圆弧，其半径为210.69r a a ==。图中：
10.67a a =,30.88a a =,a 为两个电极之间的距离。
本文中作者采用的针-板电极间距a=10mm 。
图3 Bruce 电极截面图
3 SF 6气体的分解机理
研究发现，在反应室内由于的能量不同，所发生的主要反应也不同，因而有学者提出了区域反应模型[6]，如图4所示
图4 区域反应模型
PD 虽为低能放电，但是在其产生的如图4所示的辉光区内，电子的温度远远高于周围环境的温度，电子的热运动破坏了反应（1）式和（2）式平衡，使得反应生成F 原子、O 原子和多种低氟硫合物[7]，电子碰撞产生能量为其他反应提供了条件[8]。
6(6)e SF SFx x F ++−
PD 5x ≤ (1) 2PD
e O O O e +++
(2) 产生的F 能够与水发生如下反应：
2F H O OH HF +⎯⎯→+ (3)
上述(1)、（2）反应均是是可逆反应，在辉光
区大部分分解产物在一次放电结束后很快复合,
少部分会进一步发生如下吸热反应[10]
：
422SF O SOF F +⎯⎯→+ 298124/o H K J m ol Δ=− (4)
32SF O SOF F +⎯⎯→+ 298213/o H K J m o l Δ=−
(5)
22SF O SOF +⎯⎯→ 298496/o H K J m ol Δ=− (6) 42S F O H S O F H
F F +⎯⎯→++ 298130/o H K J m o l Δ=− (7) 32SF O H SO F H F +⎯⎯→+ 298351/o H K J m o l Δ=− (8)
在主气室部分，SOF 2进一步与腔体中的水分发生如下的水解反应：
流量怎么查2222S O F HO S O H
F +⎯⎯→+ 29854/o H K J m o l Δ=+ (9) 无论何种原因导致的SF 6分解，在其分解物中的SF 2、SF 4 比较稳定，尤其是SF 4占未复合分解产物的绝大部分[9]， 而SF 4气体的后续反应最主要的生成物是SOF 2。因此，本文以SOF 2为主要特征气体，分析不同缺陷下的SOF 2气体变化关联比对。
268 4 SF 6气体分解组份测定
4.1 试验步骤
将放电模型安放在放电室内后，抽真空到0.02Mpa 左右，关闭抽气阀门，并维持真空数小时，以保证放电室内的湿气气化，且扩散出放电室。然后，充入SF 6绝缘气体，使放电室气压达到0.2Mpa ，对人工缺模型施加试验电压，使之产生稳定的PD ，通过放电脉冲测量单元和紫外摄像窗共同监测放电室内部的PD ，经过一定时间后，从采气口抽取SF 6混合气体进行组份分析研究。
4.2 组份保留时间和杂质测定
为了确定各色谱峰对应的气体组份，必须用
标准气体对气相色谱系统进行定标。本试验采用常用的外标法对组份气体进行定量。为保证分析精度，外标法要求标准气体中组份的浓度应与实际被分析的混合气体相应的组份浓度接近，大量研究发现，实际的混合气体样本中各组份的浓度范围为1～40ppmv ，所以，标气的配置如表1所示。
表1 各种标准气体的配置
编号
组份
体积分数
底气
1 SO
2 10ml/m
3 SF 6 2 SOF 2 10ml/m 3 SF 6 3 CF
4 10ml/m 3 SF 6 4
SOF 2、SO 2 、CF 4
各10ml/m 3
SF 6
表2 各检测组分的出峰时间如
组分 SO 2F 2 SOF 2
SO 2 CF 4 CO 2
保留时间(min)
6.0 8.0 25.0 1.0 1.7
为了对放电前后气体组份进行准确地对比分析，有必要测量试验前SF 6新气的杂质气体含量，测试表明主要杂质气体为CF 4，其浓度为32ppmv ，说明SF 6新气的质量较高。
少年闵子骞4.3 SF 6气体放电分解组份的测定
当电压升高到19.5kV 时，产生了稳定的PD ，
由脉冲电流监测系统检测到的PD 信号波形如图5所示。在放电不同时间段采集气体样本，进行组份浓度分析，得到的分析结果如表3所示。
图5 固定金属突出物缺陷下PD 脉冲波形
戒指怎么量尺寸5 试验结果分析
固定金属突出物缺陷下，放电组份主要为
SOF 2、CO 2和CF 4，其中前两种气体的浓度随放电时间的延长而显著增加，其变化规律如图7和图8所示。而CF 4气体的含量的变化在检测误差范围内，如图9所示。可以确认，该缺陷下CF 4含量没有改变。在试验中未检测到SO 2和SO 2F 2，说明试验环境中水分含量很少或SOF 2的水解反应速率很小[9]。
269
图7 SOF 2含量随时间变化
图 8 CO 2含量随时间变化
图9 CF 4含量随时间变化
由上述变化曲线可知，该缺陷的产气速率并不是恒定不变的，所以求较长时段SF 6的平均分解速率不能很好的表征SF 6的分解速率，本文用绝对产气速率a r [11]来刻画不同时段SF 6气体分解的平均速率。
21
i i a C C r t
−=
Δ （10） 其中，a r 为绝对产气速率；C i2为第二次测得某气体的含量；C i1为第一次测得某气体的含量；t Δ为两次检测时间间隔。
由（10）式计算可得，绝对产气速率如表5所示：
可以看出，CO 2气体的含量有明显的变化，初步推测是由于铜板电极本身有CO 2气体溶解在其中造成的，这些气体在放电过程中中会逐步释放出来。
6 结论
(1) 固定金属突出物缺陷能使SF 6气体发生分解，主要分解产物是SOF 2和CO 2，最高浓度分别达到569ppm 和86ppm 。
(2) 实际检测中，
没有检测到SO 2F 2和SOF 4，说明在此缺陷引起的PD 放电条件下，电子碰撞产生的能量，不足以使上述两种气体大量产生，无SO 2检测到，说明SOF 2水解虽然然是一个放热反应，但由于微水含量非常少或反应本身速率比较慢，所以，利用SO 2或其水解产物作为特征气体来识别PD 缺陷，存在很大的局限性。而在PD 初期阶段中通过对SOF 2的检测可以达到区分不同缺陷的目的。
(3) 固定金属突出物缺陷引起的PD ，在138小时时，产生了大量的SOF 2，而且反应有进一步发展的趋势，所以，在初期阶段，利用气体分解组分的变化关系来对PD 缺陷进行预防和识别具有重要的指导意义。
参考文献
[1] 唐炬.组合电器局放在线监测外置传感器和复小波
抑制干扰的研究.重庆大学博士论文,2004.5
[2] C. Beyer, H. Jenett and D. KfOCkOW Influence of
Reactive SF X Gas on Electrode S urfaces after
Electrical Discharges under SF6 Atmosphere IEEE
Transactions on DieIectrics and Electrical Insulation
V ol. 7 NO.2, April 2000 pp234-240
[3]J. Castonguay, A. Theoret and R. Gilbert, “Arc
Degradation of SF6 in the Prence of Polymeric
Insulating Materials”, Proc. IEEE Int. Symp. On Electr.
Insul., 1978.
[4]BRAUN,J.M.,CHU,F.Y.,and SEETHAPATHY, R.:
‘Characterization of GIS spacers expod to SF6
decomposition products, IEEE Trans., 1987, El-22, (2),
pp.187-193
[5]J.Kemp Partial discharge plant-monitoring technology:
Prent and future developments IEE Proc.-Sci. Mens.
Technol., V ol. 142, No. I , January 1995 pp.4-10
[6]Harrison J A. A Computer Study of Uniform-Filed
Electrodes J. Appl. Phys . ,1967 pp:1617~1626 [7]Sauers, J. L. Adcock, L. G. Christophorou And H.W.
cad渲染Ellis, “Gas Pha Hydrolysis of Sulfur Tetrafluoride.A
Comparison of the Gaous and Liquid Pha Rate
Constants”, J. Chem. Phys., Vol. 83, pp. 2618-2619,
1985.
[8]R. J. Van Brunt and I. Sauers, “Gas-pha
Hydrolysis of SOFz and SOF4”, J. Chem. Phys., Vol.
85, pp.4377-4380, 1986.
[9]R. J. Van Brunt “Production Rates for Oxyfluorides
SOF2, S02F2, and SOF4 in SF6 Corona
Discharges”National Bureau of Standards, Gaithersburg, MD 20899 Volume 90, Number 3.
May-June 1985
[10]IEC60480-2004, Guidelines for the checking and
信息技术应用能力treatment of sulfur hexafluoride (SF6) taken from
electrical equipment and specification for its re-u[S]. [11]傅若农色谱分析概论.化学工程出版社.2004.
270
