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                                          ·喜訊:2012年10月我
                                          ·喜訊:2012年10月我
                                          SF6電氣設備分解物檢測儀
                                          SF6電氣設備氣體綜合檢測儀
                                          SF6微水儀
                                          SF6純度檢測儀
                                          SF6密度繼電器測試儀
                                          SF6檢漏儀
                                          局部放電檢測儀
                                          油中溶解水和氫在線監測儀
                                          四川電力試驗研究院故障檢測報
                                          內蒙古電力科學研究院使用報告
                                          西藏電力公司電力科學研究院使
                                          寧夏電科院用書使用報告
                                          加華檢出SF6電氣設備故障案
                                          最新文章 >> 開斷電弧能量對SF6電氣設備中氣體分解物影響的試驗研究                         發布時間:2009-6-11
                                                
                                          開斷電弧能量對SF6電氣設備中氣體分解物影響的試驗研究
                                           
                                          楊韌 (陜西電力科學研究院)
                                             薛軍、汪金星(陜西省電力公司)
                                           
                                          【摘要】本文對SF6斷路器開斷時SF6氣體分解物中的SO2和H2S含量進行了詳細的研究。通過大量試驗分別研究了開斷電流和燃弧時間對SF6分解物中SO2和H2S含量的影響;并對在滅弧室中有吸附劑和無吸附劑進行了對比試驗研究;研究和分析了電弧能量對SF6氣體分解物的影響及SF6分解物中SO2和H2S含量在有吸附劑和無吸附劑下隨時間的變化關系。本文結果對根據SF6分解物含量進行SF6設備狀態判斷或缺陷﹑故障判斷以及在線檢測提供參考。
                                           
                                          【關鍵詞】SF6斷路器  開斷  氣體分解物  能量
                                           
                                          1、 引言
                                           
                                               SF6氣體具有極好絕緣性能和滅弧性能,SF6電氣設備是利用SF6氣體作為絕緣介質和滅弧介質的。SF6電氣設備目前已經廣泛應用于高壓和超高壓領域,它有體積小﹑重量輕﹑容量大﹑成套速裝﹑維修量少等優點[1-2]。某些正在運行的SF6電氣設備存在缺陷或故障,影響了設備的正常運行,甚至釀成事故,因此及時發現SF6 電氣設備內部缺陷或故障,對保證設備和電網的安全運行具有重要意義。SF6氣體在電弧﹑放電和過熱作用下存在分解現象,通過檢測SF6分解產物的含量診斷設備內部是否存在故障,將成為SF6 電氣設備在線監測和故障診斷的一種有效方法[3-5]。
                                           
                                              開斷電弧作用下SF6氣體分解物的情況在試驗和理論已經有了很多研究成果,但在實際應用方面的研究不多。電弧作用下SF6氣體分解產物主要有硫化物和氟化物。硫化物主要有SO2、H2S、SF4、SO2F2、SOF2等;氟化物主要有HF、CF4和金屬氟化物[6-7]。上述的分解物中SF4、SOF2 含量較大但不穩定,很快在氧氣(O2)和水氣(H2O)雜質影響下產生穩定的SO2和HF,HF具有強腐蝕性,會與內部金屬發生再反應,通常開斷或故障后檢測到的氟化氫(HF)含量較小或檢測不到;CF4在新氣中含量就很大(200ul/l左右),而在電弧作用下增加量卻相對較小,故不能作為檢測氣體。其它氣體分解物在設備內部的含量極少。因此,把SO2、H2S作為檢測氣體研究SF6氣體分解物是可行的[8-9]。檢測的SO2 濃度是直接分解和水解產物的總量,H2S 是固體絕緣材料分解的特征組分。本文從實際應用出發對SF6斷路器開斷時SF6氣體分解物中的SO2和H2S含量進行了詳細的研究,試驗研究和分析了開斷電流、燃弧時間、電弧能量、吸附劑等因素對SF6分解物的影響,為根據SF6分解物含量進行SF6設備狀態判斷或缺陷﹑故障判斷以及在線檢測提供參考。
                                           
                                          2、 試驗系統及試品
                                           
                                               試驗系統如圖1所示,試驗是在高壓合成回路中進行的。實驗中短路電流由L1、C1 構成的單頻振蕩電流源提供,振蕩頻率為50Hz,恢復電壓由L2、C2 構成的電壓源提供。試驗前先對電容器C1、C2進行充電,并將SF6斷路器(圖1中3)閉合,然后斷開充電裝置。試驗中首先閉合開關K1,電容器C1沿閉合回路放電,提供短路電流,然后令SF6斷路器動作開斷短路電流。
                                                   
                                          圖1實驗系統結構圖
                                           
                                          1,2—充電裝置;3—示波器;4—羅氏線圈; L1、L2-電流源和電壓源電抗;C1、C2-電流源和電壓源電容; K1-主合閘開關;K、K2-充電開關;K3-輔助開關;TB-SF6斷路器;R01、R02、C01、C02-調頻電阻和調頻電容;F、F1、F2-分流器;FV-分壓器;D-點火球隙
                                              試驗用的SF6斷路器主要技術參數如表1所示。本試驗為了便于研究,只選擇了SF6斷路器中的一相進行開斷,但三向氣室相連通。本試驗通過改變電容器C1上所充的電壓調節短路電流大;由于SF6斷路器的開斷角度不能控制,燃弧時間的長短也就不能選定,所以進行多達60次開斷試驗,選擇適當的試驗數據進行分析。在短路電流被開斷后每隔一到兩個小時用SF6分解物測量儀測量滅弧氣室內氣體分解物SO2和H2S的含量,并記錄下來。
                                          表1斷路器主要技術參數
                                          額定電壓: 40.5kV
                                          額定短路開斷電流:25kA
                                          額定電流: 1600A
                                          額定常溫工作氣壓: 0.6MPa
                                          額定頻率: 50Hz
                                          常溫所裝氣體質量:1.5kg
                                           
                                              本試驗用的SF6氣體滿足IEC標準和中國國家標準,其中水分含量為40~50ppm。本試驗所用的吸附劑是分子篩,測量儀器是JH型SF6電氣設備分解物檢測儀。
                                           
                                          3、試驗結果及分析
                                           
                                              SF6斷路器開斷后分解物含量與氣室內是否有吸附劑有著密切的關系。在投有吸附劑的氣室由于吸附劑對分解產物的吸附使測量數據與無吸附劑時的測量數據差別很大,但是實際運行的SF6斷路器中均投放有吸附劑,所以本試驗對有無吸附劑的情況進行對比研究。
                                           
                                          3.1 有或無吸附劑時SO2和H2S含量隨時間的變化
                                           
                                               圖2(a)是無吸附劑電流為7kA(峰值)時電弧電壓和電流波形,電弧電流波形是反相顯示的。有圖2(a)可知在0ms時主回路斷路器閉合,短路電流通過SF6斷路器,在16.8ms時觸頭間電壓突然增大,說明斷路器斷開,有電弧出現,電弧在29.8ms時因截流現象提前熄滅,燃弧時間為13ms. 圖2(b)是開斷后在取氣口測量到的氣體分解物SO2和H2S的含量隨時間的變化曲線。剛開斷時測量到的SO2含量為10.14uL/L,H2S的含量為0.86uL/L,然后隨著時間的增加SO2和H2S的含量均上升,25個小時后含量趨于達到最大值,并最后趨于穩定在一個范圍,SO2在120uL/L上下波動,波動的原因與測量時的氣溫﹑氣體分解物的不均勻分布以及測量儀器的隨機誤差有關;H2S基本上穩定在19uL/L。
                                          電弧電流(kA)      電弧電壓(kV)
                                           
                                                                        時間(ms)
                                                              (a)電弧電流及電弧電壓波形
                                           
                                           
                                          SO2含量(μL/L)    H2S含量(μL/L
                                                                          時間(小時)
                                                                      1SO2,2H2S
                                                                 (b)分解物含量變化曲線
                                           
                                          圖2 無吸附劑電流為7kA(峰值)時電壓波形及分解物含量變化趨勢;
                                           
                                          圖3(a)是無吸附劑電流為15kA(峰值)時電弧電壓和電流波形(反相顯示)。有圖3(a)可知SF6斷路器在22.8ms時開始動作,觸頭間電壓增大,有電弧出現,電弧在30ms熄滅,燃弧時間為7.2ms.
                                           
                                          圖2(b)是開斷后氣體分解物SO2和H2S的含量隨時間的變化曲線。開斷后隨著時間的增加SO2和H2S的含量均迅速上升,18個小時后含量趨于穩定在一個范圍,SO2和H2S分別在95.86uL/L 和16uL/L上下波動。
                                           
                                           
                                                  電弧電流(kA) 電弧電壓(kV)
                                          時間(ms
                                           a)電弧電流電壓波形
                                           
                                           
                                           
                                           
                                                      SO2含量 μL/L H2S含量(μL/L
                                                                              時間(小時)
                                                                      1SO2,2H2S
                                                                     (b)分解物含量變化曲線
                                           
                                               圖3 無吸附劑電流為15kA(峰值)時電壓波形及分解物含量變化趨勢
                                          由圖2(b)和圖3(b)分解物中SO2和H2S的變化曲線可知在電弧燃燒時有SF6直接分解產生的SO2含量很少,大部分SO2是由其它中間分解物的進一步反應產生。試驗研究證實電弧高溫作用下SF6分解的主要氣體產物是SF4、SOF2,但SF4、SOF2很快水解產生穩定的SO2和HF[10-12]。一般認為H2S氣體是固體絕緣材料分解的特征組分,其含量與絕緣材料的種類有關,本試驗用的SF6斷路器氣體噴口絕緣材料是聚四氟乙烯。
                                           
                                               對圖2和圖3進行比較可知:開斷電流為7kA卻比開斷電流為15kA的分解物含量還高,對比兩者的電弧電流及電壓波形可知:圖3開斷電流雖大但是其電弧電壓和燃弧時間相比圖2差很多。通過計算證實圖2(a)所示的電弧能量為8.56kJ,而圖3(a)所示的電弧能量僅為5.82kJ。圖2雖比圖3的開斷電流小但其能量比較大,分解物含量也較高,可見分解物含量與電弧能量直接相關。
                                          圖4(a)是有吸附劑電流為28kA(峰值)時電弧電壓和電流波形(電流反相顯示)。有圖4(a)可知SF6斷路器在19.8ms時開始動作,觸頭間電壓增大,有電弧出現,電弧在30ms熄滅,燃弧時間為10.2ms. 圖4(b)是開斷后氣體分解物SO2的含量隨時間的變化曲線,圖4(c)是開斷后氣體分解物H2S的含量隨時間的變化曲線。開斷后隨著時間的增加SO2和H2S的變化趨勢基本上一致,含量均迅速上升,6個小時后 SO2含量達到最大值96.57uL/L,7個小時時 H2S含量達到最大值13.14uL/L。達到最大值后分解物含量在吸附劑的作用下又迅速下降,在200小時后H2S含量降為0,但SO2的含量趨于穩定在3.14uL/L。30天后測定SO2仍穩定在3.14uL/L ,H2S含量為0。在不換吸附劑的情況下重新開斷5kA(峰值)的電流發現吸附劑仍具有吸附功能,可見吸附劑并為飽和,但SO2的濃度趨于穩定在3.43uL/L。試驗和分析證實本試驗使用的吸附劑—分子篩對SO2的吸附是物理吸附,當吸附劑吸附的量達到一定程度時吸附劑對SO2的吸附速率和SF6氣體中SO2的含量濃度間達到動態平衡,平衡濃度的大小與吸附劑的飽和程度以及氣體壓強有關。在試驗中發現:在開斷電流小于15kA(有效值)時在吸附劑的吸附下分解物都將變為0,而大于20kA(有效值)時SO2在長達一個月的吸附后仍有剩余。由圖4(b)和(c)濃度變化曲線對比圖2(b)和圖3(b)知有吸附劑時測量到的SO2和H2S含量遠低于同條件下無吸附劑時的測量數值,顯示了吸附劑對分解物的重大影響。
                                           電弧電流(kA)       電弧電壓(kV)
                                                                          時間(ms)
                                                                 (a)電弧電流電壓波形
                                           
                                           
                                               SO2含量 μL/L
                                                                               時間(小時)
                                                                    bSO2 含量變化曲線
                                                  H2S含量 μL/L
                                                                              時間(小時)

                                          cH2S含量變化曲線

                                               圖4有吸附劑電流為28kA(峰值)時電壓波形及分解物含量變化趨勢
                                           
                                          3.2 開斷電流大小對SO2和H2S含量的影響
                                              圖5是無吸附劑時開斷電流(有效值)大小對分解物含量影響擬合曲線。由于斷路器操作機構的動作時間離散性使各開斷電流下燃弧時間有所不同,但相差不大,燃弧時間控制在9.7ms到10.2ms之間,基本上是半個周期的燃燒電弧。各開斷電流下的數值是無吸附劑時分解物達到穩定時的數值。由圖5知SO2和H2S的含量均隨著開斷電流的增大而增加,且增長的速度越來越快,圖示SO2和H2S含量擬合曲線均是二階曲線,說明分解物與電流的二次方成正比,這與理論相吻合。
                                              圖6是有吸附劑時開斷電流(有效值)大小對分解物含量影響擬合曲線。燃弧時間控制在9.6ms到10.1ms之間。由于在有吸附劑的時候分解物含量隨時間變化較快(見圖4),圖6顯示的各開斷電流下的數值是有吸附劑時分解物含量的最大值。由圖6知SO2和H2S的含量均隨著開斷電流的增大而增加,增長的速度在開斷電流小于5kA時變化較慢,在5到15kA時基本上成線性變化,在大于15kA時增長非常迅速。這是吸附劑的吸附速率造成的,吸附劑的吸附速率和分解物的濃度有關。開斷電流小于5kA時分解物濃度較小,吸附劑很快就完全吸附;開斷電流在5到15kA時分解物濃度保持在一定范圍內,此時吸附劑吸附速率隨分解物含量濃度增大而增加;開斷電流在20kA或以上時分解物濃度很大,吸附劑的吸附速率將不再隨濃度增加而增大了。
                                              由圖5和圖6 對比可知:有吸附劑相比無吸附劑時在同樣大的開斷電流下分解物含量最大測量值明顯偏小,且不及無吸附劑時測量值的四分之一。這一方面是由于吸附劑吸收了SF6氣體中的水分等雜質,降低了SF6氣體的直接分解;另一方面是由于分解物在測量過程中被吸附劑吸附。吸附劑具有這兩個方面的作用。
                                                    分解物含量(μL/L
                                                                                        開斷電流(kA)

                                            1SO2,2H2S

                                               圖5 無吸附劑時分解物含量隨開斷電流(有效值)變化擬合曲線
                                          分解物含量(μL/L
                                                    開斷電流(kA)

                                                1SO2,2H2S

                                          圖6 有吸附劑時分解物含量隨開斷電流(有效值)變化擬合曲線
                                                                             
                                          3.3 燃弧時間對SO2和H2S含量的影響
                                           
                                              圖7是無吸附劑時分解物含量隨燃弧時間的變化曲線,開斷電流是6kA(有效值)。各開斷電流下的數值是無吸附劑時分解物達到穩定時的數值。由圖7知SO2和H2S的含量均隨著燃弧時間的增長而增加,但并不是成正比例。無吸附劑時分解物含量相對燃弧時間的增長率在小于8ms是較大,在10ms附近時較小,在大于12ms時又較大。這是由交流電弧的特點決定的,交流電弧在5ms時出現第一個半波的最大值,在15ms時出現第二個半波的最大值,而10ms附近時過零點,電流值較小。電弧瞬時值的大小反應了電弧瞬時能量大小。   
                                          由于本試驗是直接切斷短路電流,所以燃弧時間8ms意味著當短路電流過零點2ms時開關開始動作至10ms時電弧熄滅,電弧是半波的一部分但小于半波;燃弧時間10ms意味著在短路電流過零點時開關動作,電弧正好是半波;電弧12ms意味著開關在短路電流過零點前2ms動作,電弧過零點后重燃,又延長了一個半波?梢娫谌蓟r間在10ms附近因電弧能量較小所以分解物含量增長較緩慢,在靠近5ms或15ms的燃弧時間處因電弧能量較大分解物含量增長較快。
                                          分解物含量(μL/L)
                                           
                                           燃弧時間(ms)
                                          1—SO2,2—H2S
                                              圖7 無吸附劑時分解物含量隨燃弧時間變化曲線
                                                                            
                                              圖8為有吸附劑開斷電流為6kA(有效值)時分解物含量隨燃弧時間變化曲線,各燃弧時間下的數值是有吸附劑時分解物含量的最大值。有吸附劑時相對無吸附劑時分解物含量隨燃弧時間變化規律基本一致,即在10ms附近時增長緩慢,在越靠近5ms和15ms處增長越迅速。對比圖8和圖7知有吸附劑時在同樣燃弧時間下分解物含量的測量值較無吸附劑時小很多,原因仍是吸附劑兩個方面的作用的結果。
                                                
                                               分解物含量(μL/L)
                                           
                                              燃弧時間(ms)
                                              1—SO2,2—H2S
                                             圖8 有吸附劑時分解物含量隨燃弧時間變化曲線
                                           
                                          3.4 電弧能量和SO2和H2S含量的關系
                                           
                                              通過前面的分析和比較我們最終停留在電弧能量上。圖9是無吸附劑時分解物含量隨電弧能量變化擬合曲線,從擬合曲線可以看出SO2和H2S的含量均和電弧能量成線性關系。但該線的延長線并不過原點,說明在電弧能量越靠近零的時候越偏離線性關系;同理在電弧能量較大時,分解物含量也將偏離線性關系,因為電弧能量較大時高溫電弧周圍的SF6氣體的量限制了分解物的含量。通過線性關系內的數據可知每千焦分解物大概在15uL/L~20uL/L之間,且隨著能量的增大每千焦的分解物含量在降低。
                                          圖10是有吸附劑時分解物含量隨電弧能量變化擬合曲線,各燃電弧能量下分解物含量是有吸附劑時分解物含量的最大值。從圖10中可以看到有吸附時測到的分解物含量最大值隨電弧能量的增加而增大且加速增大。這是因為吸附劑對SO2和 H2S的吸收速率是隨著分解物的濃度的增大而增大但增長趨勢變慢造成的。
                                          分解物含量(μL/L)
                                                                               電弧能量(kJ)
                                              1—SO2,2—H2S
                                          圖9 無吸附劑時分解物含量隨電弧能量變化擬合曲線
                                           
                                          分解物含量(μL/L) 
                                                  電弧能量(kJ)
                                                    1—SO2,2—H2S
                                              圖10 有吸附劑時分解物含量隨電弧能量變化擬合曲線
                                           
                                          4、 結論
                                           
                                              對不同參數條件下SF6分解物的試驗研究表明:電弧下直接產生的SO2含量較少,大部分是中間產物繼續水解產生的,H2S含量相比SO2較小。對于額定短路電流為25kA的SF6斷路器在無吸附劑時電弧開斷后SO2和H2S的含量均增加,且在幾十個小時內達到穩定值;有吸附劑時分解物含量迅速增加后又迅速降低,在小于15kA(有效值)電流開斷時分解物含量最終吸附到零,大于20kA時分解物有剩余。
                                              在燃弧時間相同,電弧電壓變化趨勢一致的條件下,分解物含量與開斷電流的二次方成正比。在開斷電流相同的條件下,分解物含量隨燃弧時間增長而增大,但在10ms附近增長緩慢,在5ms和15ms等開斷電流峰值附近增長迅速。無吸附劑時分解物含量與電弧能量成正比,且每千焦能量分解物大概在15uL/L~20uL/L之間。吸附劑對分解物含量影響很大,有吸附劑時測量值大概是無吸附劑時測量值的1/5到1/4,吸附劑的吸附速率與分解物的含量濃度有關,并隨著分解物濃度的增大而增大。
                                           
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                                           Influence of a solid insulator on the spark decomposition of SF6 and 50% SF6 + 50% CF4 mixtures
                                          J. Phys. D: Appl. Phys. 31 (1998) 2835–2845. Printed in the UK
                                           
                                          9: Batool Sajad, Parviz Parvin, Mohamad Amin Bassam,
                                          SF6 decomposition and layer formation due to excimer laser photoablation of SiO2 surface at gas–solid system
                                          J. Phys. D: Appl. Phys. 37 (2004) 3402–3408
                                           
                                          10: B. Belmadani, J. Casanovas,
                                           SF6 Decomposition under Power Arcs Chemical Aspects
                                          IEEE Transactions on Electrical Insulation Vol. 26 No. 6, December 1991:1177-1182
                                           
                                          姓名:楊韌
                                          單位:陜西電力科學研究院
                                          郵寄地址:陜西省西安市友誼東路308號
                                          郵政編碼:710054
                                          聯系電話:02985763195
                                          電子郵件:yangren1970@263.net
                                          作者簡歷:1970年3月18日出生,西安交通大學碩士研究生,高級工程師,1992年進入陜西電力科學研究院(原西北電力中心試驗所)工作至今,一直從事高壓開關類設備運行相關技術研究,現任陜西電力科學研究院高壓電器所副所長。
                                          (獲2009年全國輸變電設備狀態檢修技術交流研討會優秀論文)



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