不同电极材料下GIS绝缘子表面爬电放电SF6分解组分比值特性分析

沈渡 屈江江

（华北电力大学，北京 102206）

摘要：为研究不同电极材料下GIS绝缘子表面爬电放电SF6分解组分特性，探索识别不同电极材料的分解气体特征量，笔者在真实的110 kV GIS试验平台上，模拟了沿GIS盆式绝缘子表面爬电放电这种典型绝缘缺陷的SF6气体的分解，并用铁和铜两种电极材料做了对比试验，检测了两种电极材料下CO2、CF4、SO2F2、SOF2四种分解气体的含量随时间的变化规律，并研究了两种电极材料下c（SOF2）/c（SO2F2）和c（CF4+CO2）/c（SOF2+SO2F2）两种组分含量比值的特性。结果表明，两种电极材料下c（SOF2）/c（SO2F2）和c（CF4+CO2）/c（SOF2+SO2F2）两种组分含量比值的特性具有明显的不同，因此，可将SF6分解气体的含量比值作为识别GIS绝缘子表面爬电放电两种电极材料的特征量。

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关键词 ：SF6；爬电放电；局部放电；分解气体

1局部放电时SF6气体分解原理

SF6气体作为优良的绝缘介质已广泛应用于气体绝缘组合电器（简称GIS）中。在正常情况下，SF6化学性质十分稳定、不易分解，但在GIS设备内部出现绝缘缺陷并引发局部放电时，SF6气体会发生分解，生成微量的分解气体［1］。

局部放电下陡脉冲强电场激发的高能电子碰撞SF6分子，引起SF6气体分解。

e+SF6→SFX+（6-X）F，X=1~5

e+SFX→SFX-1+F

绝大部分初级分解产物SFX（X=1，2，…，5）会快速复合为SF6分子，但放电气室内部不可避免存在的水分、氧气等杂质会与低氟硫化物SFX（X=1，2，…，5）进一步发生反应，生成CF4、SO2F2、SOF2、SO2和SOF4等产物［2］。

如果放电区域周围存在含碳材料（如不锈钢金属电极、固体绝缘材料等），气室中的F原子和O原子还会与含碳材料释放出的C原子发生反应，生成CF4和CO2等产物。在高温条件下，C原子还会和CO2反应生成CO［3］。

2实验系统概述

整个实验系统由GIS实验模型、加压装置、SF6组分分析装置、局放监测装置组成。如图1所示，GIS实验模型结构为三相共体设备，绝缘等级为110 kV，共分为6个气室。气室之间采用封闭式盆式绝缘子分隔，且每个气室上设有取气口和气压表。其中竖立的两个气室从上到下分别为6#和5#气室。SF6组分分析装置使用华爱GC9760B气相色谱仪。

3GIS绝缘缺陷物理模型构建

在5#、6#气室分别使用铁丝和铜丝设置了盆式绝缘子沿面树枝爬电缺陷，电极一端固定在均压环与绝缘子之间，另一端紧密接触绝缘子表面。铁丝对地净空距离为60 mm，对地沿面距离为63 mm。铜丝对地净空距离为51 mm，对地沿面距离为63 mm。铜丝已经过打磨处理。

4实验数据获取与数据处理

本实验中采用的是高纯SF6气体（纯度为99.999%）。本文对充入放电气室后的SF6气体做了检测，测量结果如下：5#气室CO2含量为1.589 5 ppm，CF4含量为1.489 5 ppm；6#气室CO2含量为1.577 1 ppm，CF4含量为1.476 2 ppm。

尽量保证局放量在一个恒定数值，并通过调节电压来保证局放量。实验采用三相共同加压方式，并监测总体局放量，保持实验电压在31～35 kV之间，5#和6#气室的局放量在800～1 300 pC之间，两个气室SF6气压都是3.5 MPa。进行240 h的持续加压，利用气相色谱跟踪测量SF6放电分解气体（每12～24 h采集一次样品），分析得到SF6局放分解气体的定性定量结果。

4.1两气室相同分解组分的对比关系

把两气室相同组分的含量扣除初始含量后放在一起，然后进行曲线拟合，得到变化规律，如图2所示。

两个气室CO2和CF4含量都随放电时间的延长而增长，并且呈现饱和趋势。其中5#气室的CO2和CF4生成量和增长速率都比6#气室大，5#气室的SO2F2和SOF2生成量比6#气室多。从原理上看，CO2和CF4的产生来源可能为铁丝和盆式绝缘子环氧树脂有机材料，而铜丝生成的碳元素比铁丝少，并且6#气室的放电量可能没有5#气室大。可见用气体组分含量并不能直观区别出两种电极材料。

4.2两气室分解组分比值的对比关系

本文选择c（SOF2）/c（SO2F2）和c（CF4+CO2）/c（SOF2+SO2F2）两组组分含量比值作为识别四种绝缘缺陷的特征量，因为这两组组分含量比值具有明确的物理意义。c（SOF2）/c（SO2F2）的值可用来表征PD能量的大小，c（CF4+CO2）/c（SOF2+SO2F2）的值可用来表征绝缘材料和金属材料的劣化程度。

如图3所示，6#气室的放电缺陷c（SOF2）/c（SO2F2）和c（CF4+CO2）/c（SOF2+SO2F2）含量比5#气室大，且数值大小区分度高，可见用气体组分含量能直观区别出两种电极材料。

5结论

（1） 分析了PD引起SF6气体发生分解的机理，当电极材料为铁和铜时，稳定的气体分解产物都有CO2、CF4、SO2F2、SOF2，并且其含量都随着放电时间的延长而有所增加。

（2） 当电极材料为铁时，CO2、CF4、SO2F2、SOF2的气体组分含量都比当电极材料为铜时要高，这是因为电极材料为铁时，能够分解出更多的碳元素，并且放电量也比较大，但是不能直观区别出两种电极材料。

（3） 两种电极材料的c（SOF2）/c（SO2F2）和c（CF4+CO2）/c（SOF2+SO2F2）两种组分含量比值的特性有着明显差距，其中当电极材料为铜时，这两种组分含量比值比电极材料为铁时要大得多，因此可以用这两种组分含量比值来区分沿GIS盆式绝缘子表面爬电放电电极材料的不同。

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参考文献］

［1］唐炬，胡瑶，裘吟君，等.两种局部放电类型下SF6分解组分检测及特性分析［J］.重庆大学学报，2013，36（1）：55-61.

［2］张晓星，姚尧，唐炬，等.SF6放电分解气体组分分析的现状和发展［J］.高电压技术，2008，34（4）：664-669，747.

［3］连鸿松.根据SF6气体分解产物诊断电气设备故障［J］.福建电力与电工，2005，25（3）：21-24.

收稿日期：2015-08-31

作者简介：沈渡（1990—），男，江苏徐州人，工学硕士，研究方向：高电压及绝缘技术。