陳曉清，任 明，彭華東，丁 彬，董 明,3

（1.西安交通大學(xué)電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710049；2.西北電網(wǎng)技術(shù)中心，西安 710075；3.西北電網(wǎng)博士后工作站，西安 710075）

0 引言

純凈的SF6氣體是一種無色、無嗅、無毒和不燃的惰性氣體[1]，具有高耐電強(qiáng)度和強(qiáng)滅弧性能，因而廣泛應(yīng)用于GIS（氣體絕緣組合電器）等電氣設(shè)備中[2]。運(yùn)行中的GIS等電氣設(shè)備由于制造、安裝、運(yùn)行時(shí)可能出現(xiàn)各種缺陷[3-4]，發(fā)生放電（電弧放電、火花放電、電暈或局部放電）和過熱故障，導(dǎo)致SF6氣體發(fā)生復(fù)雜的分解，生成各種有毒氣體，主要有SF4，SOF2，SO2F2，SOF4，SO2，CO2，H2S，HF和CF4等，降低設(shè)備的絕緣性能，同時(shí)危及運(yùn)行檢修人員人身安全。因此，研究不同類型放電和過熱故障下GIS內(nèi)部SF6氣體的分解過程、分解速率、分解產(chǎn)物相對含量及影響因素，掌握SF6氣體分解機(jī)理，對于設(shè)備維護(hù)和安全運(yùn)行具有重要指導(dǎo)意義[5-6]。

目前，國內(nèi)外對SF6氣體分解機(jī)理進(jìn)行大量試驗(yàn)探索和研究，取得了一定成果，但只是定性了解SF6氣體分解機(jī)理，不能滿足現(xiàn)階段的理論實(shí)際需求，需要進(jìn)一步研究影響SF6氣體分解的相關(guān)因素，建立分解產(chǎn)物含量與相關(guān)因素的函數(shù)關(guān)系。同時(shí)，相關(guān)研究結(jié)果也表明，SF6氣體生成物的種類和含量與放電類型及放電能量、電流強(qiáng)度、涉及的電極材料和絕緣物種類、SF6水分、O2含量及吸附劑等因素有關(guān)。本文結(jié)合國內(nèi)外的文獻(xiàn)資料，分析了不同放電故障下影響因素與SF6氣體分解產(chǎn)物的函數(shù)關(guān)系，總結(jié)了相關(guān)因素與氣體分解產(chǎn)物的定性與定量關(guān)系。

1 放電能量

大量研究表明，不管哪種形式的放電（電弧放電、火花放電、電暈或局部放電），SF6發(fā)生分解后產(chǎn)物的量與放電能量大致成比例關(guān)系[7,21,27-31]。

2 電流強(qiáng)度

電弧放電下，隨著電流的增大，SOF2+SO2的生成量迅速提高，而CF4的含量增加很緩慢，SO2F2產(chǎn)量幾乎與電流無關(guān)[11]。國內(nèi)楊韌等也得出了類似的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，認(rèn)為在電弧放電下，SO2，H2S含量隨著電弧電流的增大而不斷提高[18]。

直流電暈放電時(shí)，SO2F2+SOF4，SOF2含量在電流0 ～4 μA范圍內(nèi)迅速增加，當(dāng)I≥10 μA時(shí)，隨著電流增大，SOF4，S2F10增多，SO2F2的含量逐漸減小，SOF2則與電流強(qiáng)度變化無關(guān)[10]。

50 Hz交流電暈放電時(shí)，放電電量為一定值，則SOF2與電流強(qiáng)度變化無關(guān)，而SO2F2隨電流強(qiáng)度的增大而增大，當(dāng)I≥20 μA時(shí)，SO2F2則與電流強(qiáng)度I無關(guān)[24]。

直流和交流電暈放電下結(jié)果不盡一致，有多種原因，如水分、O2等含量的不同。電暈放電下產(chǎn)物的變化和電弧放電下有很大的區(qū)別，可能與電流強(qiáng)度大小，放電能量不同有關(guān)。目前，電流強(qiáng)度與分解物產(chǎn)量的關(guān)系難以把握，文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)由于實(shí)驗(yàn)條件的不一致，造成結(jié)果矛盾，或難以比較，有待進(jìn)一步試驗(yàn)探索。

3 SF6氣壓

現(xiàn)代SF6高壓斷路器均為單壓式，氣壓在0.7 MPa左右。GIS除斷路器外其他部分的充氣壓力一般不超過0.45 MPa。實(shí)驗(yàn)室用設(shè)備一般氣壓均在100 ～400 kPa，小于現(xiàn)場設(shè)備的充氣壓力。

Sauers在研究火花放電機(jī)理時(shí)對氣壓影響進(jìn)行了一定的研究，認(rèn)為SOF2，SiF4含量與能量/氣壓有關(guān)，而SO2F2，SOF4生成量與氣壓無關(guān)[12]。這點(diǎn)與直流電暈放電實(shí)驗(yàn)中得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果很好地吻合，SO2F2生成量與SF6氣壓無關(guān)，SOF2含量與能量/氣壓有關(guān)。氣體分解產(chǎn)物試驗(yàn)結(jié)果的一致性，原因可能是火花和電暈放電均為低能放電。

在電弧放電中，SOF2+SO2的含量隨氣壓升高略有增加，CF4的生成量與氣壓幾乎無關(guān)[11]，其他分解氣體產(chǎn)物沒有相關(guān)的研究。

4 水分含量

GIS設(shè)備中的水分由下列原因產(chǎn)生：

1）G1S設(shè)備在制造、運(yùn)糟、安裝、檢修過程中都可能接觸水分，將水分浸入到設(shè)備元件里去；

2）GIS設(shè)備的絕緣件帶有0.1% ～0.5%ppmv的水分，在運(yùn)行過程中，慢慢地向外釋放；

3）GIS設(shè)備中的吸附劑本身就含有水分；

4）SF6氣體中含有水分，但作為新氣要進(jìn)行干燥處理，使其含水量在規(guī)程規(guī)定的范圍之內(nèi)?；厥盏腟F6氣體其含水量較高，實(shí)驗(yàn)證明氣體中水分的含量與環(huán)境溫度有很大的關(guān)系。

SF6氣體中含水量的多少，對電弧分解物組成成分和含量有極大影響。由于水分、O2等雜質(zhì)氣體的存在，在放電結(jié)束后SF6氣體復(fù)合過程受到了阻礙，生成SOF2，SO2F2，SOF4和SO2等氣體產(chǎn)物，水分對穩(wěn)定氣體產(chǎn)物的形成至關(guān)重要。水分參與反應(yīng)的常見反應(yīng)式如下所示：

在放電區(qū)域，水分子被分解為O和OH，OH與低氟硫化物發(fā)生初級反應(yīng)，生成穩(wěn)定的氣體產(chǎn)物如SOF2，SOF4，并擴(kuò)散到放電區(qū)外，與水繼續(xù)發(fā)生緩慢的反應(yīng)。SO2和HF溶于吸附在電極或絕緣材料表面的水形成強(qiáng)酸，腐蝕固體材料的表面，如HF會腐蝕金屬，影響設(shè)備的工作性能。

為了進(jìn)一步了解水分的作用機(jī)理，學(xué)者們研究了各種放電情況下含有不同水分含量時(shí)主要?dú)怏w產(chǎn)物的情況。

直流電暈放電：隨著水分的增加，SOF2，SO2F2，SOF4和HF的含量增加，S2F10生成量減少；S2F10的生產(chǎn)量隨著初始微水的增多而減少[9，14]。

50 Hz交流電暈放電：當(dāng)水分含量超過一定值后，SO2F2生成量與水分含量無關(guān)，而SOF2則隨著水分增加而緩慢增加[29]。

局部放電：水分對SO2+SOF2的生成量沒有影響[19]。

電弧放電：水分對SO2+SOF2，CF4的生成量沒有影響，SO2F2隨初始微水含量增加而增加[11]。

綜合以上結(jié)論可認(rèn)為，初始微水含量可能影響某些氣體副產(chǎn)物的生成；適量的水分，能促進(jìn)雜質(zhì)氣體的生成；在一定能量的放電下，過量的水分對氣體分解產(chǎn)物生成沒有影響。

5 O2含量

GIS設(shè)備中的O2可能來自安裝、檢修等過程中滲入的空氣，電極材料和絕緣材料也可能含有O2。O2是生成有毒氣體產(chǎn)物的主要因素之一，吸附在電極表面的O2分子可能是反應(yīng)生成主要?dú)怏w分解產(chǎn)物的主源。

O2分子參與反應(yīng)的主要反應(yīng)式

一般來說，隨著O2含量的增加，SO2F2，SOF4的生成量顯著增加，而SOF2有微弱的變化[9，14-15]。O2影響了SO2F2，SOF4的形成機(jī)理，實(shí)驗(yàn)表明SO2F2中的O2主要來自O(shè)2，反應(yīng)式見式（8）；SOF2中的O2主要來自H2O，反應(yīng)式為式（2）；SOF4中的O2來自H2O或O2，含量多者就是主要的O2源，反應(yīng)式為式（1）（5）（7）。當(dāng)H2O和O2在氣室內(nèi)的含量極低時(shí)，主要?dú)怏w分解產(chǎn)物的生成率對H2O和O2的變化就不敏感了。

在直流電暈放電實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)氣室內(nèi)O2含量增至一定比例（如1%）時(shí)，S2F10顯著下降，可能由于O2的增加，促進(jìn)反應(yīng)式（5）中SF5與O2原子的反應(yīng)，SF5含量減少，極大地抑制了反應(yīng)式SF5+SF5→S2F10的進(jìn)行。

6 電極材料

電極材料是決定副產(chǎn)物數(shù)量的重要因素。不同的電極材料，有不同的表面結(jié)構(gòu)，吸附的水分和O2分子也不同，造成不同的電極表面反應(yīng)過程。

常見的電極材料有：銀（Ag）、銅（Cu）、鋁（Al）、不銹鋼、Cu-Ni-W和Cu-W等。各種電極材料對主要?dú)怏w分解產(chǎn)物的影響[26]如表1所示。從表1可知，分解影響較小的電極材料，還是銀和銅。但考慮到銀較貴，從經(jīng)濟(jì)角度和技術(shù)條件考慮，還是選用鎢銅(Cu-W)合金作為電極材料為宜。

有研究人員認(rèn)為電極消耗與分解物的形成有直接關(guān)系，氣體分解產(chǎn)生的物質(zhì)，含量取決于電極材料的金屬蒸發(fā)量，但是沒有給出定量的說明[20]。

表1 電極材料對主要?dú)怏w分解產(chǎn)物的影響（數(shù)據(jù)均為體積比）

此外，氣體分解產(chǎn)物的形成與電極表面吸附的H2O或O2密切相關(guān)。由于SO2F2，SOF4的形成與SF6氣體中O2的含量無關(guān)，故認(rèn)為與電極材料表面吸附的O分子有關(guān)[11]，并且電極表面吸附的O分子的越多，SO2F2，SOF4生成量越大。對于Ag，Cu和Al 3種電極材料，SO2F2的生成量：Al>Cu>Ag，SOF4的生成量：Cu=Al垌Ag[16]。

7 固體絕緣材料

SF6電氣設(shè)備內(nèi)部絕緣材料，包括SF6氣體和固體絕緣材料2類。固體絕緣材料因不同設(shè)備有所不同，主要有熱固形環(huán)氧樹脂、聚酯尼龍、聚四氟乙烯、聚酯乙烯和絕緣漆等。在斷路器中的固體絕緣材料有環(huán)氧樹脂、聚酯尼龍、和聚四氟乙烯；其它設(shè)備有除環(huán)氧樹脂外,還有聚酯乙烯和絕緣漆。

1）熱固形環(huán)氧樹脂是由C、H、O和N等元素構(gòu)成的混合物，具有很好的絕緣性能和化學(xué)穩(wěn)定性，在500 ℃以上時(shí)開始裂解，主要產(chǎn)生SO2、H2S、CO、NO、NO2和少量低分子烴。

2）聚酯尼龍主要由C、H、O等元素組成，當(dāng)溫度大于130℃時(shí)開始裂解，500℃以上明顯裂解，主要產(chǎn)生SO2、H2S、CO和低分子烴。

3）聚四氟乙烯分子式為C2F4，具有很好的絕緣性能和化學(xué)穩(wěn)定性，只有在500℃以上時(shí)才開始產(chǎn)生少量的CF4、CO和低分子烴。

4）聚酯乙烯分子式為C2H4，當(dāng)溫度大于130℃時(shí)開始裂解，主要產(chǎn)生H2、CO、CO2和低分子烴等氣體。

5）絕緣漆為碳?xì)浠衔?，由C、H、O、N等元素組成，裂解主要產(chǎn)生CO、CO2和NO2。

通過研究固體絕緣材料的裂解機(jī)理和統(tǒng)計(jì)分析各種故障實(shí)例進(jìn)行表明：H2S組分含量大小可判斷故障的放電能量及故障是否涉及固體絕緣（H2S是熱固型環(huán)樹脂分解的特征組分）；CO是聚酯乙烯、絕緣紙和絕緣漆分解的特征組分；通過CF4含量可分析判斷固體絕緣情況。

8 吸附劑

GIS設(shè)備中，用作吸附劑的材料有活性氧化鋁和分子篩。它們都是多孔性物質(zhì)，有較強(qiáng)的吸附能力。使用吸附劑有雙重目的，即吸附分解氣體和水分，對防止GIS內(nèi)部故障有著很好的效果。

活性氧化鋁能有效地除去SOF2，H2CO3，H2S，SOF4，SO2和SF2，有較好的選擇性。它能夠通過真空干燥和加熱實(shí)現(xiàn)重復(fù)利用，但是熱活性氧化鋁能與SF6電弧氣體副產(chǎn)物發(fā)生放熱反應(yīng)，比如與SOF2或SF4發(fā)生反應(yīng)。

分子篩的工作溫度高，吸附能力比活性氧化鋁強(qiáng)。分子篩是一種合成沸石，它具有微孔，比微孔直徑小的分子可以被吸入分子篩內(nèi)部，從而使分子直徑大小不同的物質(zhì)得以分開。分子篩吸附氣體的種類和數(shù)量不明，對SF6分解物的影響尚需實(shí)驗(yàn)來進(jìn)一步判斷。一般來說：

1）分子篩對CF4不起作用；SO2F2，SOF2，SO2，H2S能被很好的吸收，殘余量遠(yuǎn)低于同條件下無吸附劑時(shí)的測量數(shù)值，說明分子篩對硫化物的吸附能力很好。

2）分子篩對SO2的吸附是物理吸附，當(dāng)吸附劑吸附的量達(dá)到一定程度時(shí)吸附劑對SO2的吸附速率和SF6氣體中SO2的含量濃度間達(dá)到動態(tài)平衡，平衡濃度的大小與吸附劑的飽和程度以及氣體壓強(qiáng)有關(guān)。

3）有吸附劑相比無吸附劑時(shí)在同樣大的開斷電流下分解物含量最大測量值明顯偏小，且不及無吸附劑時(shí)測量值的1/4 ～1/5。

4）吸附劑的吸附速率與分解物的含量濃度有關(guān)，并隨著分解物濃度的增大而增大。

5）吸附劑對水分的初始含量沒有影響。

9 結(jié)語

目前，放電能量，水分和O2對SF6氣體分解產(chǎn)物生成量的影響取得了一定的進(jìn)展，初步掌握了水分、O2與硫氧化物的作用機(jī)理，放電能量和氣體分解產(chǎn)物生成量的正比關(guān)系，但是缺少水分含量、O2含量和氣體產(chǎn)物生成量的定量關(guān)系。電流強(qiáng)度、電極和絕緣材料材料等因素的影響結(jié)論不一，研究較少，需進(jìn)一步試驗(yàn)探索。掌握放電能量、水分和氧氣等因素對SF6氣體分解產(chǎn)物的作用，有助于全面了解放電或加熱故障下SF6氣體分解產(chǎn)物的作用過程，為深入研究SF6氣體分解機(jī)理奠定基礎(chǔ)。

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