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SF6電氣設備內部故障的可行性分析

文章出處: 作者: 人氣: 發表時間:2018-04-02 20:25:20

 

一、關于SF6氣體及其在電力方面的應用

SF6氣體常態下是一種無色、無味、無毒的不可燃氣態氣體。比重約為空氣的五倍。其惰性與氮氣相似,具有極好的化學穩定性能,純態下即使在500゜C也不易分解。由于SF6有較強的電負性,使SF6氣體具有很高的絕緣強度;同時,SF6的分解時需吸收大量的熱量,能使電弧迅速冷卻下來,而且具有極高的分解復合性,復合后性能無明顯下降,因此,SF6氣體的滅弧能力相當同等條件下空氣的100倍。

正是由于SF6氣體具有極好的化學穩定性能,具有優異的絕緣性能和滅弧能力的電氣性能,是一

種理想的絕緣介質,所以,在國內外電氣設備中逐步替代了常規的絕緣油材料。充SF6氣體的電氣設備以其體積小、噪音低、維護工作量小等特點,得到了廣泛應用。

但是,正是由于SF6的穩定性極強,其溫室效應還高于CO2,對環境影響嚴重,所以不論從經濟或環境上來考慮,SF6氣體的泄露及排放都應嚴格控制。(1992年,在巴西里約熱內盧全球首腦會議上通過了自愿排放目標;1997年,在日本京都,165個國家通過了強制性排放目標。)


二、SF6電氣設備在我國使用情況及其分解物的狀況

現今,采用SF6作為絕緣介質的電氣設備主要有斷路器、變壓器、電纜、GIS站等。在我國,220V電壓等級的設備約有一半以上采用SF6氣體絕緣;330V電壓等級的設備將近100%采用SF6氣體絕緣;550V電壓等級的設備及GIS全部采用SF6氣體絕緣;在110KV及以上新建輸變電設備與城網改造中,SF6設備成為首選;因此,及時測定SF6純度、濕度、泄露,分析SF6氣體分解物的含量并作出故障判斷與對故障部位的查找日益顯得重要。

工作中SF6氣體成分主要由SF6生產過程中混入的氣體雜質及SF6在電氣設備經電暈、火花和放電分解產生的各種有毒、腐蝕性氣體與固體分解產物。因此,工作中SF6氣體大致包含以下成分:空氣(O2,N2)、水氣(H2O)、礦物油、氟化亞硫酰(SOF2)、氟化硫酰(SO2F2)、四氟化硫(SF4)、四氟化硫酰(SOF4)、二氧化硫(SO2)、十氟化二硫(S2F10)、一氧十氟化二硫(S2F10O)、氟化氫(HF)、二硫化碳(CS2)、氟化銅(CuF2)、二氟二甲基硅[Si(CH3)2F2]及三氧化鋁(AlF3)等。詳細請參看下面國標“DL/T 639-1997”附錄A和B。

 

工作場所中SF6氣體及具毒性分解物的容許含量

毒性氣體及固體名稱

容許含量(TLV—TWA)

六氟化硫

SF6

1000µL/L

四氟化硫

SF4

0.1µL/L

四氟化硫酰

SOF4

2.5mg/m3

氟化亞硫酰

SOF2

2.5mg/m3

二氧化硫

SO2

2µL/L

氟化硫酰

SO2F2

5µL/L

十氟化二硫

S2F10

0.025µL/L

十氟化二硫—氧

S2F10O

0.5µL/L

四氟化硅

SiF4

2.5mg/m3

氟化氫

HF

3µL/L

二硫化碳

CS2

10µL/L

三氟化鋁

AlF3

2.5mg/m3

氟化銅

CuF2

2.5mg/m3

二氟化二甲基硅

Si(CH3)2F2

1 mg/m3

注:表中TLV—TWA為物質加權濃度,選用美國ACGIH(1978年)和NIOSH(1982年)公布的值

 

SF6氣體質量標準

指標名稱

IEC標準

國家標準

空氣(氧、氮)

≤0.05%(質量分數)

≤0.05%(質量分數)

四氟化碳

≤0.05%(質量分數)

≤0.05%(質量分數)

濕度

≤15µg/g

≤8µg/g

游離酸(用HF表示)

≤0.3µg/g

≤0.3µg/g

可水解氟化物(用HF表示)

≤1.0µg/g

≤1.0µg/g

礦物油

≤10µg/g

≤10µg/g

六氟化硫

≥99.80%(質量分數)

≥99.80%(質量分數)

生物毒性實驗

無毒

無毒

 

工作中的SF6氣體當溫度超過500゜C后,才會開始分解。對于正常運行的SF6電氣設備,其非電弧室中一般沒有分解產物,即使在有電弧的斷路器室、也因其分合速度快,又有良好的滅弧功能,再加上SF6的高復合性(復合率達99.8%以上),所以,不會有明顯的分解產物;對于故障的SF6電氣設備,則會因故障區域的高電弧放電及高溫產生大量的分解物,因此SF6分解物含量的測量對于預防可能產生的SF6故障及快速判斷SF6故障部位有很大的幫助。

三、SF6電氣設備內部可能故障狀態分析及相應分解物狀況

電氣設備內部故障可分為局部放電和過熱兩大類,其中,局部放電又可細分為懸浮電位放電、電暈放電、火花放電和電弧放電。故障區域內的SF6氣體與固體絕緣材料分解產生氟化物和硫化物,因而,SF6電氣設備內部故障狀態大致有以下幾種情況:

一)、懸浮電位放電

金屬對金屬的電位放電。故障主要表現為因動觸頭與拉桿間的接觸不良和CT電容屏頂部固定螺絲松動而引起金屬間懸浮電位放電。此類放電性故障一般能量不大,通常只會使SF6氣體分解;分解物主要有二氧化硫(SO2)、氟化氫(HF)及金屬氟化物等,同時可能會有少量的硫化氫(H2S)產生。

 

二)、導電桿接觸不良

因導電桿連接接觸不良,導致故障點溫度過高。當超過500゜C后,SF6開始分解;達到600゜C時,鋁合金導電桿開始熔化,支撐固體絕緣材料分解。此類故障主要分解物有二氧化硫(SO2)、氟化氫(HF)、氟化硫酰和硫化氫(H2S)等。

 

三)、導電金屬對地放電

此類故障一般能量較大,主要表現為絕緣缺陷導致對地放電及氣體中導電顆粒雜質引起對地放電。故障區域內的SF6氣體和固體絕緣材料分解,產生大量的二氧化硫(SO2)、氟化氫(HF)、氟化亞硫酰(SOF2)、金屬氟化物和硫化氫(H2S)等。

研究表明,電弧和電火花放電所產生的SF6氣體分解物中含有大量的SOF2而其它分解物很少,SOF2產生量的多少率直接取決于影響SF6的電弧能量的大小;內部故障時,還產生少量的四氟化硫(SF4)與四氟化硫酰(SOF4)等分解物,但在氧(O2)和水氣(H2O)雜質影響下,此類分解物會再次反應,最后生成較穩定的二氧化硫(SO2)、氟化氫(HF)。參看以下方程式:

2SF4+O2→2SOF4

SF4+H2O→SOF2+2HF

2SOF4+H2O→3SOF2+2HF

SOF2+H2O→SO2+2HF

因此,實際上四氟化硫(SF4)、四氟化硫酰(SOF4)與氟化亞硫酰(SOF2)等分解物的含量一般來說都是比較少的。

總結以上分析,SF6電氣設備故障時產生的分解物主要還是二氧化硫(SO2)、氟化氫(HF)和硫化氫(H2S)(因此一般對故障設備解體時有可能會嗅到臭雞蛋的味道);故障時,分解的產物具有一定的特點和規律。所以,我們可以通過對分解物的主要成分的含量分析來預期檢出內部故障和快速判斷內部故障的位置。

 

四、關于SF6分解物在電氣設備內部故障方面的應用及未來發展展望上面的分析中知道,內部故障分解物的主要成分為二氧化硫(SO2)、氟化氫(HF)和硫化氫(H2S)。

因而,我們可以選定一種或二種成分進行含量測試,這樣不僅檢測方便,而且完全可能快速準確的判斷設備內部缺陷。建議以二氧化硫(SO2)和氟化氫(HF)或二氧化硫(SO2)與硫化氫(H2S)為檢測對象;二氧化硫(SO2)為主測對象,氟化氫(HF)或硫化氫(H2S)為輔測對象(從收集到的資料及根據各省中試院關于這方面的分析、實測來看,實際上,在微水雜質的影響下,由于氟化氫(HF)的強酸腐蝕性,會與內部金屬發生再反應,通常故障后檢測到的氟化氫(HF)含量都較小或有可能檢測不到,短時間內現場測量效果可能好些;另外,硫化氫(H2S)一般只有當設備內部故障且能量相當時才會少量分解產生,有時亦難以檢測;因此推薦以二氧化硫(SO2)為主測對象。)。

我們曾采用德國DILO的分解物測量儀對故障現象為動觸頭和拉桿處嚴重放電、固體絕緣材料燒毀的故障氣體進行分析,以二氧化硫(SO2)和氟化氫(HF)為檢測對象,應用試管比色法測定(試管比色測法的好處在于不象普通傳感器那樣腐蝕性差、價格昂貴且壽命短),結果二氧化硫(SO2)大于200µL/L,硫化氫(H2S)亦遠超正常標準(目前,關于SF6電氣設備內部故障分解物含量的有關行業標準國家還沒有明確的規定,國家標準只對工作場所中SF6氣體分解物容許含量做出明確規定,較多考慮到的是工作人員的人身安全,各省的運行控制指標一般參照國家有關標準制定);為便于今后工作的開展,建議總結各省研究實測經驗,盡快建立行業的相關標準。

 

從上面不難看出,應用多在于內部故障部位的快速查找,對于運行中監控運用的實例還不多,而且分解物的測量現階段多是只在各中試院中進行。這一方面是由于技術上的原因,一方面還有實際操作上的問題,但也說明了應用SF6分解物判斷SF6電氣設備內部故障是可行的。

五、結束語

電氣設備內部故障是一個復雜的綜合過程,在判斷內部故障時,必須結合設備的各種情況綜合考慮,

望、聞、切、問、思、鑒,才能提高對故障分析判斷的水平。

可以斷言,隨著SF6電氣設備廣泛應用,SF6分解物在設備安全運行、設備內部故障部位快速查找方面的應用技術定會發展普及開來。

 

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