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SF6電氣設備SO2、H2S含量檢測診斷分析

文章出處: 作者: 人氣: 發表時間:2017-04-02 09:22:07

 

純凈的SF6在常溫常壓下為無色、無臭、無毒、不可燃的氣體,其不僅具有穩定的化學性能,而且具有優異的絕緣性能和滅弧性能,是一種理想的絕緣介質。上世紀80年代后,SF6電氣設備得到廣泛的應用。為電力生產的安全經濟運行發揮積極的作用。但近10年來,也暴露出由于一些設備內部的固體絕緣材料的設計、質量以及安裝工藝存在一些問題,使得設備內部存在缺陷,乃至發生事故,嚴重地威脅到電力生產的安全。因此,如何盡早檢測出設備內部隱患,盡量避免事故的發生,長期以來一直是電力工作者非常關注的問題。

在分析了SF6電氣設備內部固體絕緣材料的成分和熱裂解反應及內部故障后,提出了氣室中SO2、H2S的產生是內部故障的征兆。目前國內外采用的電氣試驗,一般都要在停電狀態下進行,且對內部故障的檢出率很低;部分單位使用SO2、H2S和HF比色管測試,其靈敏度低,只能作定性或半定量檢測,難以早期檢出內部故障,更不能進行綜合分析判斷。本公司研制的SO2、H2S檢測儀靈敏度高、穩定性好、自備電源、操作方便、能快速診斷出內部故障,并提出處理意見,經多家發供電單位使用,得到一致好評。經國電熱工研究院測試,其穩定性、靈敏性和響應速度等指標均達到設計指標,其綜合性能指標處于國際先進水平。

1.檢測原理
1.1 SF6電氣設備內部故障時絕緣材料分解產物的特征

SF6電氣設備可以分為有電弧產生的斷路器和正常狀態下無電弧產生的互感器、母線、變壓器和套管等。在斷路器中的絕緣材料為SF6氣體和用熱固型環氧樹脂制成的絕緣子和拉桿;對于其它設備則除此之外,還有用作匝絕緣和電容層的優質聚乙烯薄膜。眾所周知,SF6氣體和熱固型環氧樹脂有很好的熱穩定性,只有當溫度超過500℃后,才會開始分解;而匝層間用的聚乙烯薄膜其熱解溫度在200℃左右,因此,對于正常運行的SF6電氣設備不會有SF6等絕緣材料的分解產物產生。對于斷路器,雖在分、合時產生高溫電弧,使SF6生成帶電離子,但因其分、合速度極快,又有高效的滅弧功能,使帶電離子又在瞬間得到復合成SF6, 其復合率達99.9%以上,而熱固型絕緣材料又遠離電弧區,因此,正常運行的斷路器中也沒有SF6氣體和固體絕緣材料的分解物。這在對數百臺斷路器的檢測中得到證實。但若設備內部存在局部放電和嚴重過熱性故障時,將使故障區域的固體絕緣材料和SF6氣體發生分解,產生硫化物和氟化物。因此,從上世紀90年代開始,國內外不少學者研究通過測定SF6氣體中的硫化物和氟化物的含量來檢測設備內部故障。

從國內外資料得知,SF6電氣設備內部故障時分解產物主要是硫化物和氟化物。硫化物主要有SO2、H2S、SOF2、SF4、SO2F2、S2F10和S2OF10等;氟化物主要有HF、CF4、AlF3、CuF2和WF6等。若進行所有產物的檢測,雖能更準確的判斷內部故障的部位,但是由于上述的物質中除SO2、H2S和CF4毒性少外,其它都是劇毒物, 在設備內部的含量極少,又不穩定。含量稍多的SF4、SOF2等又很快會與SF6氣體中的水份進行水解反應產生穩定的SO2和HF。因此,氣室中SO2含量除了由SF6和固體絕緣材料分解直接生成外,還會由SO2F2等的水解產生。SF6電氣設備內部故障時,反應式主要有:
SF6 → SF4+ F2
SF4+ H2O → SF2 + 2HF
SOF2 + H2O → SO2 + 2HF
S2F10 → SF4 + SF6
3SF6 + W → 3SF4 + WF6
SF6+Cu → SF4+ CuF2
3SF6 + 2Al → 3SF4 + 2AlF3

固體絕緣材料的成分主要有聚四氟乙烯、聚乙烯、 聚丙烯和聚酰胺樹脂,其主要元素是C、H、O和F,當故障點溫度達500℃開始分解,分解產物主要有CF4、SF4、SO2、H2S、CO、CO2和低分子烴。

1.2 SF6電氣設備內部故障的分類

SF6電氣設備內部故障可分為局部放電和過熱兩大類。而局部放電又分為電暈放電、火花放電和電弧放電。通過對500多臺SF6斷路器、互感器和GIS等電氣設備的檢測和20多起故障實例的綜合分析,將內部常見的故障部位歸納為以下三種:

1.2.1. 導電金屬對地放電
這類故障主要表現在SF6氣體中存在導電顆粒和絕緣子缺陷引起導電桿對地放電。這種放電性故障能量大,產生大量的SO2、H2S、HF和金屬氟化物等。如1998年12月6日某電廠法國阿爾斯通的220KV GIS因22B斷路器室與CT室間的盆式絕緣子對地擊穿,產生大量的SO2和H2S,檢修現場隔數天后,仍有很濃的H2S臭味。 如2001年8月23日某220KV變電站國產220KV GIS斷路器室對地短路,通過SO2、H2S檢測迅速找到了故障部位。再如2003年7月17日某電廠日本三菱生產的220KV GIS 22B斷路器B相氣室動觸頭拉桿外的絕緣筒表面因沾污引起的電弧放電,其表面嚴重燒傷,上下均壓環多處放電,當晚對斷路器進行檢測,發現氣室中SO2大于200μl/L,H2S為122μl/L,判斷內部存在嚴重放電故障,從而迅速找到故障部位。再如1999年3月25日某500KV變電站在試運行兩天后,突然斷路器跳閘, 500KV“CT”內部一根絕緣支撐桿(俗稱“牛腿”)因材質不良突然對地短路爆裂,粉碎成灰。經多種電氣試驗無法找到故障部位,后用SO2檢測其含量大于200μl/L,從而迅速找到故障部位。

1.2.2. 懸浮電位放電
這類故障通常表現在斷路器動觸頭與絕緣拉桿間的接觸不良和“CT”二次引出線電容屏上部固定螺絲松動引起插銷兩側金屬或螺帽與螺桿間懸浮電位放電。這種放電性故障能量不很大,一般情況下只有SF6分解產物,主要生成SO2、HF、金屬氟化物和H2S。如2003年8月1日某電廠220KV 252斷路器C相,運行人員時有聽到內部異常聲響,經SO2、H2S檢測其含量均很高,判斷內部存在放電性故障。當晚便停運,后運到制造廠進行解體,發現其動觸頭與拉桿連接的插銷孔偏大,操作多次后造成插銷孔變大,使拉桿產生懸浮電位放電。由于缺陷被及時檢出,避免了事故的發生。

1.2.3. 導電桿的連接接觸不良
當故障點溫度超過500℃時,SF6和周圍固體絕緣材料開始熱分解。當動靜觸頭接觸不良,溫度達700℃以上時,將造成動、靜觸頭或導電桿連接處金屬融化,梅花觸頭外的包箍蠕變斷裂,最后引起連接頭脫落,引起絕緣材料的分解。其主要產物為SO2、HF、H2S等,如2001年11月24日某110KV GIS 162斷路器室因B相靜觸頭包箍斷裂,引起了嚴重過熱,金屬熔化,絕緣子燒損,造成對地短路。又如1999年10月26日某220KV GIS“CT”室因導電桿連接處接觸不良,產生高溫過熱,熔化的金屬燒傷絕緣子后引起對地短路。在解體時現場都有SO2刺激和H2S臭味。從以上分析中得知,設備內部故障時,雖分解產物很多,但作為預防性試驗的主要目的是早期檢出內部缺陷,而非進行綜合診斷。因此,在現場沒有必要也不可能對各種熱解產物都進行分析。

對于HF雖是內部故障的特征組分,但因其腐蝕性很強,傳感器昂貴、壽命短,因此現場檢測的必要性不很大。對于CF4雖也是絕緣材料分解的主要成分。但因在SF6合成過程中就會產生,雖經過吸附精制處理,但在新氣中仍有約200ul/L含量。若用這么大含量的增加值來評價固體絕緣材料是否發生分解,顯然其靈敏度和可靠性就大為降低;而且CF4的檢測方法較復雜,現場難以實現。我公司科技人員在深入研究內部絕緣材料的裂解機理和對各種故障實例進行統計分析后,選擇SO2和H2S為檢測對象,不僅具有檢測方便,而且也完全能準確檢出設備內部故障。

1.2.4. 互感器、變壓器匝層間短路

 互感器、變壓器匝層間短路故障時將產生主要的氣態氣體分解產物為SO2、HF、CO和低分子烴。這類故障的實例比較少,然而一旦發生將會引起嚴重的設備事故。

 

2. SF6電氣設備中SO2、H2S的正常含量和內部故障診斷
2.1. SO2、H2S的正常含量

公司科技人員統計了幾百臺SF6電氣設備氣室中SO2、H2S的含量范圍和分析絕緣材料裂解反應機理后,提出各種SF6設備中SO2、H2S含量的正常含量為:SO2≤1.0μl/L, H2S≤0.5μl/L。即當所檢測氣室的SO2、H2S含量小于上述濃度時,設備屬正常;而超過上述指標時,便應視為不正常,應加強監督。
2.2. 內部故障的判斷方法

通過對大量故障設備中SO2、H2S含量分布情況的分析,按SO2、H2S濃度的大小擬定出多個區間,編制出專家診斷軟件,進行具體分析判斷,并提出相應的處理意見。

 

 

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