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SF6电气设备中气体分解物影响的试验研究

文章出处:WFS 作者:Abdie 人气: 发表时间:2018-04-02 20:12:25

 

SF6电气设备中气体分解物影响的试验研究

SF6断路器开断时SF6气体分解物中的SO2H2S含量进行了详细的研究。通过大量试验分别研究了开断电流和燃弧时间对SF6分解物中SO2H2S含量的影响;并对在灭弧室中有吸附剂和无吸附剂进行了对比试验研究;研究和分析了电弧能量对SF6气体分解物的影响及SF6分解物中SO2H2S含量在有吸附剂和无吸附剂下随时间的变化关系。根据SF6分解物含量进行SF6设备状态判断或缺陷﹑故障判断以及在线检测提供参考。

 

SF6气体具有极好绝缘性能和灭弧性能,SF6电气设备是利用SF6气体作为绝缘介质和灭弧介质的。SF6电气设备目前已经广泛应用于高压和超高压领域,它有体积小﹑重量轻﹑容量大﹑成套速装﹑维修量少等优点[1-2]。某些正在运行的SF6电气设备存在缺陷或故障,影响了设备的正常运行,甚至酿成事故,因此及时发现SF6 电气设备内部缺陷或故障,对保证设备和电网的安全运行具有重要意义。SF6气体在电弧﹑放电和过热作用下存在分解现象,通过检测SF6分解产物的含量诊断设备内部是否存在故障,将成为SF6 电气设备在线监测和故障诊断的一种有效方法[3-5]

 

开断电弧作用下SF6气体分解物的情况在试验和理论已经有了很多研究成果,但在实际应用方面的研究不多。电弧作用下SF6气体分解产物主要有硫化物和氟化物。硫化物主要有SO2H2SSF4SO2F2SOF2等;氟化物主要有HFCF4和金属氟化物[6-7]。上述的分解物中SF4SOF2 含量较大但不稳定,很快在氧气(O2)和水气(H2O)杂质影响下产生稳定的SO2HFHF具有强腐蚀性,会与内部金属发生再反应,通常开断或故障后检测到的氟化氢(HF)含量较小或检测不到;CF4在新气中含量就很大(200ul/l左右),而在电弧作用下增加量却相对较小,故不能作为检测气体。其它气体分解物在设备内部的含量极少。因此,SO2H2S作为检测气体研究SF6气体分解物是可行的[8-9]。检测的SO2 浓度是直接分解和水解产物的总量,H2S 是固体绝缘材料分解的特征组分。本文从实际应用出发对SF6断路器开断时SF6气体分解物中的SO2H2S含量进行了详细的研究,试验研究和分析了开断电流、燃弧时间、电弧能量、吸附剂等因素对SF6分解物的影响,为根据SF6分解物含量进行SF6设备状态判断或缺陷﹑故障判断以及在线检测提供参考。

 

分解物中SO2H2S的变化曲线可知在电弧燃烧时有SF6直接分解产生的SO2含量很少,大部分SO2是由其它中间分解物的进一步反应产生。试验研究证实电弧高温作用下SF6分解的主要气体产物是SF4SOF2,但SF4SOF2很快水解产生稳定的SO2HF[10-12]。一般认为H2S气体是固体绝缘材料分解的特征组分,其含量与绝缘材料的种类有关,本试验用的SF6断路器气体喷口绝缘材料是聚四氟乙烯。

开断后随着时间的增加SO2H2S的变化趋势基本上一致,含量均迅速上升,6个小时后 SO2含量达到最大值96.57uL/L7个小时时 H2S含量达到最大值13.14uL/L。达到最大值后分解物含量在吸附剂的作用下又迅速下降,在200小时后H2S含量降为0,但SO2的含量趋于稳定在3.14uL/L30天后测定SO2仍稳定在3.14uL/L H2S含量为0。在不换吸附剂的情况下重新开断5kA(峰值)的电流发现吸附剂仍具有吸附功能,可见吸附剂并为饱和,但SO2的浓度趋于稳定在3.43uL/L。试验和分析证实本试验使用的吸附剂—分子筛对SO2的吸附是物理吸附,当吸附剂吸附的量达到一定程度时吸附剂对SO2的吸附速率和SF6气体中SO2的含量浓度间达到动态平衡,平衡浓度的大小与吸附剂的饱和程度以及气体压强有关。在试验中发现:在开断电流小于15kA(有效值)时在吸附剂的吸附下分解物都将变为0,而大于20kA(有效值)时SO2在长达一个月的吸附后仍有剩余。

3.2 开断电流大小对SO2H2S含量的影响

无吸附剂时开断电流(有效值)大小对分解物含量影响拟合曲线。由于断路器操作机构的动作时间离散性使各开断电流下燃弧时间有所不同,但相差不大,燃弧时间控制在9.7ms10.2ms之间,基本上是半个周期的燃烧电弧。各开断电流下的数值是无吸附剂时分解物达到稳定时的数值。由图5SO2H2S的含量均随着开断电流的增大而增加,且增长的速度越来越快,图示SO2H2S含量拟合曲线均是二阶曲线,说明分解物与电流的二次方成正比,这与理论相吻合。

有吸附剂时开断电流(有效值)大小对分解物含量影响拟合曲线。燃弧时间控制在9.6ms10.1ms之间。由于在有吸附剂的时候分解物含量随时间变化较快(见图4),图6显示的各开断电流下的数值是有吸附剂时分解物含量的最大值。由图6SO2H2S的含量均随着开断电流的增大而增加,增长的速度在开断电流小于5kA时变化较慢,在515kA时基本上成线性变化,在大于15kA时增长非常迅速。这是吸附剂的吸附速率造成的,吸附剂的吸附速率和分解物的浓度有关。开断电流小于5kA时分解物浓度较小,吸附剂很快就完全吸附;开断电流在515kA时分解物浓度保持在一定范围内,此时吸附剂吸附速率随分解物含量浓度增大而增加;开断电流在20kA或以上时分解物浓度很大,吸附剂的吸附速率将不再随浓度增加而增大了。

有吸附剂相比无吸附剂时在同样大的开断电流下分解物含量最大测量值明显偏小,且不及无吸附剂时测量值的四分之一。这一方面是由于吸附剂吸收了SF6气体中的水分等杂质,降低了SF6气体的直接分解;另一方面是由于分解物在测量过程中被吸附剂吸附。吸附剂具有这两个方面的作用。

 

4、 结论

对不同参数条件下SF6分解物的试验研究表明:电弧下直接产生的SO2含量较少,大部分是中间产物继续水解产生的,H2S含量相比SO2较小。对于额定短路电流为25kASF6断路器在无吸附剂时电弧开断后SO2H2S的含量均增加,且在几十个小时内达到稳定值;有吸附剂时分解物含量迅速增加后又迅速降低,在小于15kA(有效值)电流开断时分解物含量最终吸附到零,大于20kA时分解物有剩余。

在燃弧时间相同,电弧电压变化趋势一致的条件下,分解物含量与开断电流的二次方成正比。在开断电流相同的条件下,分解物含量随燃弧时间增长而增大,但在10ms附近增长缓慢,在5ms15ms等开断电流峰值附近增长迅速。无吸附剂时分解物含量与电弧能量成正比,且每千焦能量分解物大概在15uL/L20uL/L之间。吸附剂对分解物含量影响很大,有吸附剂时测量值大概是无吸附剂时测量值的1/51/4,吸附剂的吸附速率与分解物的含量浓度有关,并随着分解物浓度的增大而增大。

 

 

 

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