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SF6电气设备内部故障的可行性分析

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

 

一、关于SF6气体及其在电力方面的应用

SF6气体常态下是一种无色、无味、无毒的不可燃气态气体。比重约为空气的五倍。其惰性与氮气相似,具有极好的化学稳定性能,纯态下即使在500゜C也不易分解。由于SF6有较强的电负性,使SF6气体具有很高的绝缘强度;同时,SF6的分解时需吸收大量的热量,能使电弧迅速冷却下来,而且具有极高的分解复合性,复合后性能无明显下降,因此,SF6气体的灭弧能力相当同等条件下空气的100倍。

正是由于SF6气体具有极好的化学稳定性能,具有优异的绝缘性能和灭弧能力的电气性能,是一

种理想的绝缘介质,所以,在国内外电气设备中逐步替代了常规的绝缘油材料。充SF6气体的电气设备以其体积小、噪音低、维护工作量小等特点,得到了广泛应用。

但是,正是由于SF6的稳定性极强,其温室效应还高于CO2,对环境影响严重,所以不论从经济或环境上来考虑,SF6气体的泄露及排放都应严格控制。(1992年,在巴西里约热内卢全球首脑会议上通过了自愿排放目标;1997年,在日本京都,165个国家通过了强制性排放目标。)


二、SF6电气设备在我国使用情况及其分解物的状况

现今,采用SF6作为绝缘介质的电气设备主要有断路器、变压器、电缆、GIS站等。在我国,220V电压等级的设备约有一半以上采用SF6气体绝缘;330V电压等级的设备将近100%采用SF6气体绝缘;550V电压等级的设备及GIS全部采用SF6气体绝缘;在110KV及以上新建输变电设备与城网改造中,SF6设备成为首选;因此,及时测定SF6纯度、湿度、泄露,分析SF6气体分解物的含量并作出故障判断与对故障部位的查找日益显得重要。

工作中SF6气体成分主要由SF6生产过程中混入的气体杂质及SF6在电气设备经电晕、火花和放电分解产生的各种有毒、腐蚀性气体与固体分解产物。因此,工作中SF6气体大致包含以下成分:空气(O2,N2)、水气(H2O)、矿物油、氟化亚硫酰(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)、氟化氢(HF)、二硫化碳(CS2)、氟化铜(CuF2)、二氟二甲基硅[Si(CH3)2F2]及三氧化铝(AlF3)等。详细请参看下面国标“DL/T 639-1997”附录A和B。

 

工作场所中SF6气体及具毒性分解物的容许含量

毒性气体及固体名称

容许含量(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

氟化亚硫酰

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

氟化氢

HF

3µL/L

二硫化碳

CS2

10µL/L

三氟化铝

AlF3

2.5mg/m3

氟化铜

CuF2

2.5mg/m3

二氟化二甲基硅

Si(CH3)2F2

1 mg/m3

注:表中TLV—TWA为物质加权浓度,选用美国ACGIH(1978年)和NIOSH(1982年)公布的值

 

SF6气体质量标准

指标名称

IEC标准

国家标准

空气(氧、氮)

≤0.05%(质量分数)

≤0.05%(质量分数)

四氟化碳

≤0.05%(质量分数)

≤0.05%(质量分数)

湿度

≤15µg/g

≤8µg/g

游离酸(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

矿物油

≤10µg/g

≤10µg/g

六氟化硫

≥99.80%(质量分数)

≥99.80%(质量分数)

生物毒性实验

无毒

无毒

 

工作中的SF6气体当温度超过500゜C后,才会开始分解。对于正常运行的SF6电气设备,其非电弧室中一般没有分解产物,即使在有电弧的断路器室、也因其分合速度快,又有良好的灭弧功能,再加上SF6的高复合性(复合率达99.8%以上),所以,不会有明显的分解产物;对于故障的SF6电气设备,则会因故障区域的高电弧放电及高温产生大量的分解物,因此SF6分解物含量的测量对于预防可能产生的SF6故障及快速判断SF6故障部位有很大的帮助。

三、SF6电气设备内部可能故障状态分析及相应分解物状况

电气设备内部故障可分为局部放电和过热两大类,其中,局部放电又可细分为悬浮电位放电、电晕放电、火花放电和电弧放电。故障区域内的SF6气体与固体绝缘材料分解产生氟化物和硫化物,因而,SF6电气设备内部故障状态大致有以下几种情况:

一)、悬浮电位放电

金属对金属的电位放电。故障主要表现为因动触头与拉杆间的接触不良和CT电容屏顶部固定螺丝松动而引起金属间悬浮电位放电。此类放电性故障一般能量不大,通常只会使SF6气体分解;分解物主要有二氧化硫(SO2)、氟化氢(HF)及金属氟化物等,同时可能会有少量的硫化氢(H2S)产生。

 

二)、导电杆接触不良

因导电杆连接接触不良,导致故障点温度过高。当超过500゜C后,SF6开始分解;达到600゜C时,铝合金导电杆开始熔化,支撑固体绝缘材料分解。此类故障主要分解物有二氧化硫(SO2)、氟化氢(HF)、氟化硫酰和硫化氢(H2S)等。

 

三)、导电金属对地放电

此类故障一般能量较大,主要表现为绝缘缺陷导致对地放电及气体中导电颗粒杂质引起对地放电。故障区域内的SF6气体和固体绝缘材料分解,产生大量的二氧化硫(SO2)、氟化氢(HF)、氟化亚硫酰(SOF2)、金属氟化物和硫化氢(H2S)等。

研究表明,电弧和电火花放电所产生的SF6气体分解物中含有大量的SOF2而其它分解物很少,SOF2产生量的多少率直接取决于影响SF6的电弧能量的大小;内部故障时,还产生少量的四氟化硫(SF4)与四氟化硫酰(SOF4)等分解物,但在氧(O2)和水气(H2O)杂质影响下,此类分解物会再次反应,最后生成较稳定的二氧化硫(SO2)、氟化氢(HF)。参看以下方程式:

2SF4+O2→2SOF4

SF4+H2O→SOF2+2HF

2SOF4+H2O→3SOF2+2HF

SOF2+H2O→SO2+2HF

因此,实际上四氟化硫(SF4)、四氟化硫酰(SOF4)与氟化亚硫酰(SOF2)等分解物的含量一般来说都是比较少的。

总结以上分析,SF6电气设备故障时产生的分解物主要还是二氧化硫(SO2)、氟化氢(HF)和硫化氢(H2S)(因此一般对故障设备解体时有可能会嗅到臭鸡蛋的味道);故障时,分解的产物具有一定的特点和规律。所以,我们可以通过对分解物的主要成分的含量分析来预期检出内部故障和快速判断内部故障的位置。

 

四、关于SF6分解物在电气设备内部故障方面的应用及未来发展展望上面的分析中知道,内部故障分解物的主要成分为二氧化硫(SO2)、氟化氢(HF)和硫化氢(H2S)。

因而,我们可以选定一种或二种成分进行含量测试,这样不仅检测方便,而且完全可能快速准确的判断设备内部缺陷。建议以二氧化硫(SO2)和氟化氢(HF)或二氧化硫(SO2)与硫化氢(H2S)为检测对象;二氧化硫(SO2)为主测对象,氟化氢(HF)或硫化氢(H2S)为辅测对象(从收集到的资料及根据各省中试院关于这方面的分析、实测来看,实际上,在微水杂质的影响下,由于氟化氢(HF)的强酸腐蚀性,会与内部金属发生再反应,通常故障后检测到的氟化氢(HF)含量都较小或有可能检测不到,短时间内现场测量效果可能好些;另外,硫化氢(H2S)一般只有当设备内部故障且能量相当时才会少量分解产生,有时亦难以检测;因此推荐以二氧化硫(SO2)为主测对象。)。

我们曾采用德国DILO的分解物测量仪对故障现象为动触头和拉杆处严重放电、固体绝缘材料烧毁的故障气体进行分析,以二氧化硫(SO2)和氟化氢(HF)为检测对象,应用试管比色法测定(试管比色测法的好处在于不象普通传感器那样腐蚀性差、价格昂贵且寿命短),结果二氧化硫(SO2)大于200µL/L,硫化氢(H2S)亦远超正常标准(目前,关于SF6电气设备内部故障分解物含量的有关行业标准国家还没有明确的规定,国家标准只对工作场所中SF6气体分解物容许含量做出明确规定,较多考虑到的是工作人员的人身安全,各省的运行控制指标一般参照国家有关标准制定);为便于今后工作的开展,建议总结各省研究实测经验,尽快建立行业的相关标准。

 

从上面不难看出,应用多在于内部故障部位的快速查找,对于运行中监控运用的实例还不多,而且分解物的测量现阶段多是只在各中试院中进行。这一方面是由于技术上的原因,一方面还有实际操作上的问题,但也说明了应用SF6分解物判断SF6电气设备内部故障是可行的。

五、结束语

电气设备内部故障是一个复杂的综合过程,在判断内部故障时,必须结合设备的各种情况综合考虑,

望、闻、切、问、思、鉴,才能提高对故障分析判断的水平。

可以断言,随着SF6电气设备广泛应用,SF6分解物在设备安全运行、设备内部故障部位快速查找方面的应用技术定会发展普及开来。

 

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