林海淵,林碧鶯,張秀霞
(國網(wǎng)福建省電力公司檢修分公司,福建福州 350000)
氣體絕緣全封閉式組合電器(Gas-Insulated Metal-Enclosed Switchgear,GIS)因其顯著的技術(shù)優(yōu)點在我國得到了大規(guī)模使用,但陸續(xù)發(fā)生多起因內(nèi)部絕緣材料和安裝質(zhì)量問題引起的故障和事故。據(jù)國際大電網(wǎng)會議(CIRGE)統(tǒng)計表明,GIS年故障率為0.01~0.02/站,約為常規(guī)設(shè)備故障率的10%[1]。作為電網(wǎng)系統(tǒng)最重要的電力設(shè)備之一,GIS一旦發(fā)生故障將會造成嚴重的后果,其直接危害變電站主設(shè)備受損,造成供電中斷,帶來大面積區(qū)域停電,影響正常的生活、生產(chǎn)甚至社會穩(wěn)定。因此,如何通過有效檢測以延長其使用壽命,并確保其安全運行已成為一個備受關(guān)注的研究熱點。
SF6氣體分解物檢測被認為是檢查GIS設(shè)備狀態(tài)的一種有效方法,近年來采用SF6分解產(chǎn)物分析進行設(shè)備故障診斷也成為國內(nèi)的研究熱點[2-6]。通過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氣體分解機理,對于設(shè)備維護和安全運行具有重要指導(dǎo)意義。本文在實驗室內(nèi)構(gòu)建了GIS模擬腔體,對工頻電暈放電所產(chǎn)生的SF6氣體分解進行研究,采用FTIR分析不同能量下SF6氣體分解物,總結(jié)了主要分解氣體及其變化關(guān)系。
在實際SF6設(shè)備中,由于放電源、放電能量、放電環(huán)境等的不同,若考慮氣體熱分解因素,則SF6氣體分解的情況將變得十分復(fù)雜[6]。以下針對不同放電類型下的SF6氣體分解機理分別予以討論與分析。
針對電弧和火花放電,B.Belmadani及J.Casanovas等人研究提出,將電弧等離子體假設(shè)為局部熱力學平衡,不同氣體分解物的平衡濃度可通過計算SF6及分解產(chǎn)物熱化學數(shù)據(jù)獲得[8]。
當發(fā)生電弧放電時,溫度快速升高,超過1500 K時,SF6濃度下降很快,相應(yīng)F和SF4的濃度快速增長,2000 K附近出現(xiàn)熱分解高峰;4000 K時,分子已幾乎完全被分解,大部分電子被負離子束縛;當溫度超過15000 K時,粒子幾乎都是正離子和電子。當電弧冷卻時,S原子與F原子快速復(fù)合形成SF6。由于存在氧氣,水分和電極加熱產(chǎn)生的微量金屬,復(fù)合過程被干擾,產(chǎn)生各種電弧副產(chǎn)物。穩(wěn)定的SF4氣體在溫度1500~2500 K為主要氣體成分。這時極有可能發(fā)生氧氣與SF4之間的反應(yīng)。SF4擴散到電弧區(qū)外會與H2O、O2反應(yīng),生成其他產(chǎn)物。SF4是最穩(wěn)定的分解氣體,而SF5不穩(wěn)定,含量極少。
火花放電中SF6氣體分解機理與電弧放電的氣體分解機理相近。當火花的能量足夠引起局部高溫,火花通道中局部范圍內(nèi)的分子被完全分解。
Oak Ridge國家實驗室的I.Sauers對火花放電下SF6氣體分解進行深入的研究,通過觀察火花放電前后,氣室內(nèi)分解物成分隨時間變化的演化過程,發(fā)現(xiàn)火花放電中SF6放電的離子化學特性與雜質(zhì)氣體密切相關(guān);開始時SF4的生成率比SOF2、SO2F2、SOF4、SiF4的生成率高得多,是火花放電中主要的初始產(chǎn)物。SF6分解過程如圖1所示[9],火花放電作用期間,SF6被完全分解,火花放電結(jié)束后,在極短的時間內(nèi)(0~10-3s)氟原子與硫原子迅速復(fù)合,又形成以SF6為主的氟硫化合物;而后會產(chǎn)生其他不穩(wěn)定產(chǎn)物,到102s時會形成最終的穩(wěn)定產(chǎn)物。
圖1 火花放電過程中不同時間尺度下的分解產(chǎn)物Fig.1 Decomposition products during the process of the spark discharge within different time scales
基于以上發(fā)現(xiàn),I.Sauers提出了較完整的火花放電下SF6氣體分解副產(chǎn)物形成過程[12],如圖2所示。在火花放電中金屬氟化物和其他氣體副產(chǎn)物生成示意圖。初級產(chǎn)物SF4經(jīng)過(Ⅱ)和(Ⅳ)與H2O發(fā)生反應(yīng)生成穩(wěn)定的副產(chǎn)物SOF2和SO2,而HF會腐蝕含有硅的絕緣材料生成SiF4(Ⅴ);氟原子與電極材料發(fā)生反應(yīng)(Ⅲ)生成金屬氟化物,如AlF3,CuF2等。
圖2 火花放電下SF6氣體分解過程示意圖Fig.2 The decomposition process of SF6gasdue to spark discharges
結(jié)合電弧或火花放電下氣體分解反應(yīng)的區(qū)域特性,對主要氣體分解產(chǎn)物生成反應(yīng)式進行歸納概況。表1為電弧或火花放電下主要的反應(yīng)[1,8,12]。
表1 電弧或火花放電下主要的反應(yīng)Tab.1 Main reactions in power arcs or spark discharges
在電暈放電中,有效電子溫度遠高于氣體分子溫度,電子碰撞機理適用于此。電暈開始時,放電中的電子能量進一步提高,SF6氣體中的電子平均能量達到5~10 eV,已超過了SF5-F的鍵能(3.5~4.0 eV)。電子碰撞過程可如下式所示:
R.J.Van.Brunt提出了“區(qū)域反應(yīng)模型”[9,13],如圖3所示。通過針板模型試驗闡述了不同放電區(qū)域SF6氣體的化學反應(yīng)機理。
圖3 區(qū)域反應(yīng)模型Fig.3 Regional reaction model
該模型認為:
1)在針電極附近的發(fā)光區(qū)域SF6會分解為SF2、SF4、SF5等低氟硫化物以及F原子,其中SF2、SF4等會與O,OH發(fā)生反應(yīng);
2)離子漂移區(qū)覆蓋了大部分電極間隙,主要是帶電離子與SO2、先前產(chǎn)生的SOF4和S發(fā)生反應(yīng);
3)在主要放電氣體區(qū)域,先前生成的SF4、SF5以及SOF4則主要與容器內(nèi)存在的氧氣和水進一步反應(yīng)生成SOF2、SO2F2、HF、SO2等,反應(yīng)速度較慢。
R.J.Van Brunt用18O標定18O2和H218O,測取含有18O2或H218O雜質(zhì)時穩(wěn)定的SF6氣體分解物含量,研究發(fā)現(xiàn):SOF2中的氧原子主要來自H2O,而SO2F2中的氧原子主要來自O(shè)2,SOF4中的氧原子與H2O或O2均有關(guān)[9,13]。
該模型是用化學動力學解釋放電不同區(qū)域存在不同分解產(chǎn)物的生成和復(fù)合過程,雖然有較多局限,但其提出的發(fā)光區(qū)粒子產(chǎn)生速率保持穩(wěn)定等特點與之前試驗結(jié)果較為吻合,且在SF6/H2O混合氣中也同樣適用[14]。
在實驗室內(nèi)構(gòu)建了SF6氣體分解試驗平臺,如圖4所示。其中試驗變壓器為5 kV·A/50 kV,水電阻為10 kΩ,試驗變壓器配有二次過流保護,確保試驗安全。
依據(jù)GIS設(shè)備的實際結(jié)構(gòu),能夠模擬多種放電故障,以保證試驗數(shù)據(jù)的可重復(fù)性和有效性,同時也要考慮經(jīng)濟性與實用性,裝置設(shè)計如圖5所示。罐體的形狀采用圓筒形。由于SF6氣體分解會產(chǎn)生腐蝕性氣體,因此罐體材料采用防腐蝕性好,化學穩(wěn)定性好,耐高氣壓的不銹鋼。
圖4 試驗回路示意圖Fig.4 Test circuit
圖5 SF6氣體放電試驗腔體結(jié)構(gòu)Fig.5 diagram of the test chamber for SF6gas discharge
傅里葉變換紅外光譜儀(Fourier Transform Infrared Spectrometer,F(xiàn)TIR)是目前最常用的紅外光譜儀。FTIR光譜儀由紅外光學臺(光學系統(tǒng))和計算機組成,紅外光學臺是紅外光譜儀的最主要的部分。紅外光學臺是由紅外光源(硅碳棒和高壓汞燈)、光闌、干涉儀(邁克爾遜干涉儀)、樣品室、檢測器以及各種紅外反射鏡、氦氖激光器、控制電路板和電源組成,如圖6所示。
本文采用島津IRPrestige-21傅里葉變換紅外光譜儀,其分辨率為0.5 cm-1,信噪比為40000∶1。紅外光源采用空冷式新型高輝度陶瓷光源,結(jié)構(gòu)簡單,性能穩(wěn)定且使用壽命長。光學系統(tǒng)采用鍍金反射鏡等高精度光學元件,實現(xiàn)能量高效率利用。鍍金反射鏡具有98%的反射率,減少了能量損失,提高了能量輸出。檢測器采用了新型高靈敏度DLATGS檢測器,實現(xiàn)FTIR分析的超高的靈敏度和良好的穩(wěn)定性。IRPrestige-21預(yù)熱時間短,測定狀態(tài)穩(wěn)定。
圖6 傅里葉紅外光譜儀(FTIR)的原理圖Fig.6 diagram of FTIR analyzer
主要氣體分解產(chǎn)物的確定和分析峰的選擇如下。
SF6氣體放電分解產(chǎn)物有SO2F2、SOF2、SF4、SOF4、SiF4、S2F10、CF4等,要確定各個組分在紅外光譜圖上的出峰位置,需要配置不同濃度的標準氣體制作標準曲線,用于定性和定量分析樣品氣體中的未知組分。
由于SO2F2、SOF2和SOF4等氣體分解產(chǎn)物的標氣不易取得,難以制作標準紅外譜圖,給研究帶來了一定困難。但IEC60480標準及R.Kurte、Hugh D.Morrison等人的相關(guān)研究成果給出了相關(guān)分解產(chǎn)物的特征峰位置,如圖7所示。
在600~1600 cm-1范圍內(nèi),每一種分解產(chǎn)物都存在一個或多個吸收明顯的特征峰,理論上每個符合選峰條件的特征峰都可用于定量分析。往往多種產(chǎn)物混合在一起時,特征峰的吸光度就會疊加,不利試驗分析。比如SO2和SOF2在波數(shù)1350 cm-1附近都存在明顯的吸收峰,2種氣體混合的結(jié)果就是該吸收頻率處顯示疊加后的吸光度值,需要用復(fù)雜的數(shù)學方法和大量的標準濃度標氣才能計算出2種氣體的濃度。因此需要在多次試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上,根據(jù)選峰的基本條件,通過分析選取每種氣體分解產(chǎn)物合適的分析峰。
為了進一步認識常見氣體分解產(chǎn)物適用于定量分析的吸收頻率,對文獻資料和知名紅外數(shù)據(jù)庫中相關(guān)產(chǎn)物標準紅外譜圖進行了細致地梳理。氣體分解產(chǎn)物吸收頻率段及相應(yīng)檢測極限濃度統(tǒng)計如表2所示[33]。純凈的SF6氣體有很強的吸收峰,且在紅外譜圖中譜帶很寬,故選取氣體分解產(chǎn)物的吸收峰時要盡量選擇SF6氣體吸收比較少的波段。
圖7 SF6氣體分解產(chǎn)物標準吸光度光譜圖(10 cm氣體池)Fig.7 Standard absorption spectrums of SF6 decomposition products(with 10 cm gas cell)
對SF6氣體放電裝置持續(xù)加壓,在穩(wěn)定的放電作用下生成的氣體分解產(chǎn)物組分及含量也發(fā)生了顯著的變化。通過對一組試驗中氣樣紅外光譜圖的連續(xù)觀察,發(fā)現(xiàn)不同氣體分解組分的出峰時間不同,如果改變電暈放電平均電流大小,不同分解產(chǎn)物組分的出峰時間也發(fā)生響應(yīng)改變。由此可推知電暈平均電流大小可能對分解產(chǎn)物的生成起到?jīng)Q定性作用,主要氣體分解產(chǎn)物的出峰時間在不同電暈平均電流下也存在一定的規(guī)律。
表2 SF6分解產(chǎn)物吸收頻率及檢測極限濃度(10 cm氣體池)Tab.2 Absorption frequency of SF6decomposition and the min.resolution of the measurement(with 10 cm gas cell)
圖8為電暈平均電流20 μA時不同放電量下的氣樣紅外光譜圖。其他試驗條件:針板電極材料為不銹鋼,針板電極間距5 mm,氣壓0.1 MPa。
圖8 電暈平均電流20 μA時不同放電量下的氣樣紅外光譜圖Fig.8 Infrared spectrum scopes of different discharge magnitudes at average current of 20 μA
由圖8(a)可知,在波數(shù)1504.43 cm-1和808.15 cm-1出現(xiàn)了明顯的吸收峰,即為SO2F2和SOF2,而在波數(shù)820.44 cm-1附近沒有出現(xiàn)SOF4的特征峰,說明此時SOF4含量極少或尚未生成。圖8(b)中是放電量4.31C即放電時間約60 h時的氣樣紅外光譜圖。從圖可知,SO2F2(1504.43 cm-1)和SOF2(808.15 cm-1)的吸收峰都得到了較大地增長,在波數(shù)820.44 cm-1附近也出現(xiàn)了明顯的類似兔耳的SOF4吸收峰,但是峰高幅值較低。
通過圖8(a)和圖8(b)的比較,表明在電暈平均電流為20 μA時,隨著放電量的增長,SO2F2和SOF2的出峰時間較早,而SOF4的出峰時間最晚,且峰高增幅的相對值較小。
圖9為電暈平均電流40 μA時不同放電量下的氣樣紅外光譜圖。其他試驗條件不變:針板電極材料為不銹鋼,針板電極間距5 mm,氣壓0.1 MPa。
圖9 電暈平均電流40 μA時不同放電量下的氣樣紅外光譜圖Fig.9 Infrared spectrum scopes of different discharge magnitudes at average current of 40 μA
從圖9(a)可知在波數(shù)820.44 cm-1和808.15 cm-1都出現(xiàn)了較明顯的特征峰,即SOF2和SOF4含量有較明顯增長,而在1490~1520 cm-1波段沒有發(fā)現(xiàn)SO2F2的特征峰。圖9(b)是放電量4.23 C即放電時間約29.5 h時的氣樣紅外光譜圖,主要氣體分解產(chǎn)物SO2F2,SOF2和SOF4特征峰峰高出現(xiàn)了顯著增長,即氣樣中含量顯著增加。
由圖9分析可知,在電暈平均電流為40 μA時,隨著放電量的增長,先出現(xiàn)SOF4和SOF2的特征峰,而SO2F2的出峰時間較晚,但是隨著放電時間的增加,SO2F2的峰高快速增長。
為掌握交流電暈放電下主要氣體分解產(chǎn)物含量變化規(guī)律,進行了多組長時間不間斷加壓試驗,試驗條件:不銹鋼針板電極,電極間距5 mm,SF6氣壓為0.2 MPa,電暈平均電流為20 μA,選取SO2F2,SOF2及SOF4作為主要分解氣體進行分析。
4.2.1 SO2F2含量分析
通過分解產(chǎn)物分析峰峰高的增長,可以判斷φ(SO2F2)隨著放電量增大呈線性增長,結(jié)果如圖10所示。
圖10 SO2F2含量與放電量的關(guān)系Fig.10 The relationship between content of the SO2F2 and discharge magnitude
4.2.2 SOF2含量分析
當放電量達到約為5 C時,φ(SOF2)線性增長達到最高值,當放電量繼續(xù)增長時,φ(SOF2)呈飽和甚至減少的趨勢,如圖11所示。多次試驗的結(jié)果重現(xiàn)了這個規(guī)律,可認為SOF2達到某一濃度時,抑制了生成SOF2的化學反應(yīng)式的進行或者加速了其轉(zhuǎn)化另外一種物質(zhì)。
4.2.3 SOF4含量分析
放電量在2.5 C和4 C左右時,未能檢測到SOF4;放電量為9.5 C時檢測到的φ(SOF4)比1 C時還低。故在電暈平均電流為20 μA,φ(SOF4)微量存在,且與放電量關(guān)系不大,如圖12(a)所示。已知SOF4與電暈平均電流存在密切關(guān)系,故保持其他試驗條件不變,將電暈平均電流調(diào)整為40 μA,試驗結(jié)果如圖12(b)所示。
圖11 SOF2含量與放電量的關(guān)系圖Fig.11 The relationship between content of the SOF2and discharge magnitude
圖12 SOF4含量與放電量的關(guān)系圖Fig.12 The relationship between the content of SOF4and discharge magnitude
φ(SOF4)與放電量呈線性增長關(guān)系;在同樣的放電量下,電暈平均電流為40 μA所產(chǎn)生的φ(SOF4)要比電暈平均電流為20 μA要大得多。故電暈平均電流大小不僅對SOF4出峰時間有影響,而且對φ(SOF4)變化也有較大影響。
為了驗證上述試驗結(jié)果,將本文試驗結(jié)果和文獻資料中的數(shù)據(jù)進行比較分析,如圖13所示[15-17]。圖13(a)的試驗條件為50 Hz交流電暈放電,針板間距5 mm,加壓15 kV及氣壓為200 kPa,A和B分別為加入600×10-6和200×10-6H2O時SOF2的含量變化曲線,C為加入600×10-6和200×10-6H2O時SO2F2的含量變化曲線,SO2F2含量與微水含量無關(guān);圖13(b)的試驗條件為直流電暈放電,電暈平均電流為50 μA,氣壓100kPa,針板間距1 cm,O2和H2O的含量如圖13所示。
圖13 主要氣體分解產(chǎn)物與放電量關(guān)系[14,16]Fig.13 The relationship between main gas decomposition products and discharge magnitude[14,16]
圖13(a)中φ(SO2F2)與放電量呈線性增長關(guān)系:φ(SOF2)在放電量較小時隨放電量線性增長,放電量繼續(xù)增大時,慢慢趨向飽和,與本文結(jié)果完全一致,但是沒有檢測SOF4。圖13(b)在電暈平均電流為50 μA時,SOF4的含量是最高的,且與放電量呈線性增長關(guān)系,較好地印證了圖12(b)的結(jié)論。此外,SO2F2,SOF2的增長規(guī)律也與本文結(jié)論基本一致,其他產(chǎn)物本試驗未檢測到,無法比較。
上述分析證明了本文總結(jié)的關(guān)于主要氣體分解產(chǎn)物含量增長規(guī)律的正確性。通過試驗數(shù)據(jù)的比較,還可以發(fā)現(xiàn)在電暈放電下,無論交流或者直流,SO2F2,SOF2和SOF4含量與放電量存在同一規(guī)律性的增長關(guān)系,這可能是電暈放電下氣體分解產(chǎn)物的特征之一。
國內(nèi)外對SF6氣體分解機理做了很多的研究性工作,但由于氣體檢測技術(shù)所限和氣體分解物成分復(fù)雜,含量微小,穩(wěn)定性差等實際情況,對于不同放電性故障下SF6氣體初步分解,復(fù)合并與雜質(zhì)反應(yīng)等的物理化學過程有待深入試驗分析與研究。本文在總結(jié)已有研究的基礎(chǔ)上,歸納了SF63種典型故障的放電特征,并給出了相應(yīng)故障下SF6氣體分解特點和可能的機理解釋以及相關(guān)試驗結(jié)果。以電暈放電為重點,采用FTIG技術(shù)檢測了SF6分解產(chǎn)物SO2F2、SOF4濃度與放電量的線性關(guān)系,解釋了SOF2、SO2F2、SOF4的形成和濃度變化原因。
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