SF6气体分解物与在线监测技术

产品简介

SF6气体密度继电器是用来监测运行中SF6开关本体中SF6气体密度变化的重要元件，其性能的好坏直接影响到SF6开关的运行安全。现场运行的SF6气体密度继电器因不常动作，经过一段时期后常出现动作不灵活、触点接触不良等现象，有的还会出现密度继电器温度补偿性能变差，当环境温度突变时常导致SF6密度继电器误动作。

因此DL/T596-1996《电力设备预防性试验规程》规定：各SF6开关使用单位应定期对SF6气体密度继电器进行校验。从实际运行情况看，对现场运行中的SF6密度继电器、压力表进行定期校验也是非常必要的。

国内外大量研究表明：当SF6设备中发生绝缘故障时，放电产生的高温电弧使SF6气体发生分解反应,，生成SF4 、SF3 、SF2 、S2 F10等多种低氟硫SF SF化和物。而不同绝缘缺陷引起的局部放电会产生不同的分解化合气体，相应的分解化合气体成份、含量以及产生速率等也有差异。这样使得通过分析分解产物的组分来判断故障类型成为可能，并可以通过检测设备中SF6气体分解气体组分及化合产物，来判断绝缘缺陷类型、性质、程度及发展趋势。因此局部放电检测是对GIS进行故障诊断的重要手段之一。   

1、SF6气体分解物性质介绍   

纯净的SF6气体是无色、无味、无毒、不燃的惰性气体，其自身的分解温度大于500℃，在正常运行的情况下分解产物极少，但与金属材料共存时，在200℃时就有可能发生微量分解。  当SF6设备中发生绝缘故障时，放电产生的高温电弧使SF6气体发生分解反应，生成SF4、SF3、SF2和S2F10等多种低氟硫化物，均为毒性气体。如果是纯净的SF6气体，上述分解物将随着温度降低会很快复合、还原为SF6气体。实际上使用中的SF6气体总含有一定量的空气、水分，由于上述分解生成的多种低氟硫化物很活泼，即与SF6气体中的微量水分和氧气等发生反应,生成SOF2，SO2F2，SOF4，SO2，HF等毒性气体。  

高温下SF6及其分解物还会与金属发生反应，，形成金属氟化物，如CuF2、AlF3、FeF3或FeF2以及WF6（WF6为气体，其他金属氟化物为粉末状固体）。若涉及含SiO2材料，还可能产生SiF4和（CH3）2SiF2。它们的极限安全浓度均为 2.5mg/m3。若固体生成物落在绝缘支撑表面且又吸附气体中的水分时，使闪络电压下降。要清除固体生成物，必须将GIS隔室打开。目前，没有用于检测固体生成物的种类和含量的可行技术。   

SF6气体分解机理的研究现状

在上世纪80年代末，美国Oak Ridge国家实验室的Isidor Sauers从氧气对SF6局部放电分解产物的影响角度做了研究并提出：氧气的增加将使SOF4和SO2F2含量增加，但对SOF2影响很小。  

法国Paul Sabatier大学的A Derdouri从水和固体绝缘对SF6局部放电分解产物的影响角度做了研究并提出：在水分存在时只有SOF2和SO2F2是稳定的；当放电涉及固体绝缘时会产生CF4。   

国内邱毓昌对SF6放电分解产物做了初步定性研究，设计了一个SF6放电分解装置并用气相色谱法对SF6放电分解产物进行研究，得出SF6放电分解产物有SO2和SOF2等产物。  R J Van Brunt等对SF6局放分解机理才进行了比较系统的研究，提出了“区域反应模型” 。该模型认为在针电极附近的电晕放电区域SF6会分解为  SF4、SF5以及F原子，其中SF4和SF5会与O原子发生反应；而在离子游离的中间区域则主要是带电离子与SO2、先前产生的SOF4和硫原子发生反应；在板电极附近的气体区域，先前生成的SF4、SF5以及SOF4则主要与容器内存在的氧气和水进一步反应生成SO2F2、HF等。该模型反映了不同区域由于放电能量的不同，放电类型的不同，就可能导致各分解气体产物的生成量、生成速率、成分构成呈现出不同的特点。 

随着研究的深入以总结出了一些分解规律和结论： 

（1）不管哪种形式的放电，SF6发生分解后产物的量与放电能量大致成比例关系，并且当处在高能量放电形式(如电弧放电)下时将产生大量的分解气体，出现局部放电下很少出现的气体成分如SF4、CF4等，且产物中SOF2含量较其他形式放电而言要高。     

（2）普遍认为通过SO2、SOF2、SO2F2含量比例可分析判断放电剧烈程度，放电越剧烈，放电能量越大，SO2含量增多，SOF2／SO2F2体积分数之比增大等。     

（3）通过H2S组分含量大小可判断故障的放电能量及故障是否涉及固体绝缘。    

（4）通过CF4含量可分析判断固体绝缘情况。     

（5）电极材料的消耗与分解物的形成也有直接关系，气体分解产生的物质含量取决于电极材料的金属蒸发量。    

3、SF6放电分解气体检测技术  SF6分解过程非常复杂，涉及复杂的物理化学过程，其分解过程的主要影响因素有：缺陷类型、放电能量、金属材料、绝缘材料、水分含量、氧气含量等。其主要机理是各种绝缘缺陷产生的局部放电(包括电晕和火花放电)下，使SF6气体分解，并与在故障处的固体绝缘介质、微量O2、微量水分或金属等发生极其复杂的化学反应，生成不同类型的化合产物。为检测SF6气体分解物，国内外的研究者出了各种方法： 气体检测管法    优点：检测管能够检测到其体积分数10-6级的SO2或HF。     缺点：容易受到温度、湿度和存放时间的影响，并且对其它主要分解气体没有检测作用，不能全面反应SF6放电分解气体组分情况,限制了它的应用推广。  

气相色谱法(GC)   

优点：它具有检测组分多、检测灵敏度高等优点。   

缺点：存在取样和分析过程中可能混入水分导致一些组分水解、对S02F2和SO2的检测比较困难、不能检测HF和局部放电主要成分之一的SOF4等缺点。气相色谱检测法中色谱进样的特性决定了检测时间较长，不可能做到连续在线监测；温度对色谱柱分离效果的影响以及色谱柱使用一段时间后需要清洗等固有特性决定了色谱技术对环境要求高，不适于现场在线监测应用。  

缺点：SF6及其部分分解气体的吸收峰十分接近，有交叉干扰现象，必须使用标气得到参考图谱对分析结果进行校正，而有些标气如SOF4非常不稳定；红外光源强度低，SF6密度继电器校验仪检测器灵敏度低，造成其定量精度不如紫外-可见光谱等方法。  

固体电解质传感器   

优点：它具有检测速度快，效率高，可以与计算机配合使用从而实现自动在线检测诊断等突出优点。    

缺点：存在检测气体组分单一等缺点；另外，它存在组分间的干扰问题，如：H2S传感器会对SO2有响应以及HF传感器使用寿使用寿命短等问题。 

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