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局部过热状态下六氟化硫气体的分解特性 重庆大学硕士学位论文 （专业学位） 学生姓名：潘建宇 指导教师：唐 炬 教 授 学位类别：工程硕士（电气工程领域） 重庆大学电气工程学院 二 o 一四年五月 thermal decomposition characteristics of sf6 under overheating fault in sf6 insulated equipment a thesis submitted to chongqing university in partial fulfillment of the requirement for professional degree by pan jianyu superviseed by prof. tang ju specialty: me. (electrical engineering field) college of electrical engineering of chongqing university, chongqing, china may, 2014 重庆大学硕士学位论文 中文摘要 i 摘 要 由于六氟化硫气体（sf6）在常温常压下化学性质非常稳定，且具有优良的绝 缘灭弧性能，因而已被广泛用在电气设备的气体绝缘和灭弧介质。然而，经过探 索性实验发现，当 sf6气体绝缘设备局部达到一定温度时，sf6气体绝缘介质也会 发生分解并生成如 hf、so2f2、sof2和 so2等特征分解产物。一方面，这些分解 特征气体具有强腐蚀性，会加速设备老化，造成绝缘强度下降，从而进一步危及 设备的安全。另一方面，sf6局部过热分解特性和产生的特征气体又与运行中的设 备状态和故障类型有密切的关联关系。 因此， 通过检测 sf6在过热状态下的分解组 份及其含量变化规律， 不仅可以弥补现有 sf6分解理论的不足， 同时可以更进一步 完善对 sf6气体绝缘设备内部局部过热性故障的监测和诊断， 实现 sf6电气设备局 部过热性故障的早期预警。 本文在研制的局部过热下 sf6热分解模拟试验平台上进行了大量试验， 通过气 相色谱仪、气相色谱质谱联用仪和傅里叶变换红外光谱仪对不同故障温度下 sf6 分解组分进行了定量测量。然后首先探索了 sf6的初始分解温度，研究了 400以 下各分解组分在不同故障温度下的含量变化特性， 确定了 sf6在过热状态分解时的 特征稳定组分，并阐述了各组分在过热状态下的形成机理。同时，本文进一步从 特征分解总量、 有效产气速率和特征产物含量比值这三个角度构建了表征 sf6绝缘 设备过热性故障状态的特征量，并分析了各个特征量的表征能力。 研究结果表明：sf6在 300时开始出现比较明显的分解，其分解产物主要有 co2、so2f2、sof4、sof2、so2、h2s 和 hf，故障温度的升高将促进各分解组分 的形成，但促进规律各不相同；sof2和 so2是 sf6最主要分解产物并选定特征稳 定产物，h2s 是在过热性故障温度达到一定程度（360）后才会出现的关键组分； 特征分解总量 tdc能合理表征过热故障下 sf6介质的整体分解劣化程度； 特征组分 的产气速率能有效反映 sf6过热故障的发展趋势和严重趋势， 过热故障安全反应时 间 tms从 sf6绝缘介质角度明确了过热故障发生到恢复的最大允许反应时间； 含量 比值c(so2)/c(so2f2)和c(so2f2+sof4)/c(sof2)可以对该sf6气室内故障性质是否 属于局部过热性故障进行识别和判断， 有效过热关联比值量 ret可以对过热故障温 度 300400内的各故障温度值进行更准确的定量关联， 并得到了过热故障温度和 ret的数学关联表达式。 关键词关键词：sf6，过热性故障，热分解特性，特征量提取，故障表征 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 ii abstract insulation gas sf6 has stable chemical property and strong electronegativity, with excellent insulation and arc-suppressing performance. however, exploratory experiments find that sf6 will decompose into various components when temperature of sf6 insulated equipment reaches to some degree, such as so2, sof2, so2f2, and hf. on one hand, these characteristic decomposed components is highly corrosive. they can accelerate aging speed and cause reduction of insulation strength, which will further jeopardize the safety of the sf6 insulated equipment. on the other hand, variance regularity of sf6 thermal decomposed component is close related with thermal fault type and status of sf6 insulated equipment. hence, by detecting decomposed components and clarifying their variance regularity under local thermal fault, it can not only ameliorate the deficiency of sf6 decomposition theoretical system, but also improve the method of using decomposed component to monitor and diagnose local thermal fault in sf6 insulated equipment. as a result, it can lay solid foundation to realize early warning of thermal fault in sf6 insulated equipment. this thesis conducted serials of experiments on the designed sf6 thermal decomposition stimulation testing system, gas chromatograph, chromatography-mass spectrometry, and fourier infrared spectroscopy were used to quantitatively measure decomposed components. based on this, decomposition beginning temperature of sf6 under thermal fault was investigated, concentration variance regularity of each component with different temperature was analyzed, the most significant characteristic component under thermal fault was identified, and the formation mechanism of decomposed component was explained. besides, this thesis established three types of feature parameters, namely, total decomposition amount, effective formation rate, and characteristic component ratio, to reflect thermal fault property and severity of sf6 insulated equipment, the representation ability of each feature parameter was also discussed. result shows that: sf6 begins to decompose at 300 and contains co2, so2f2, sof4, sof2, so2, h2s and hf; the improvement of fault temperature will promote the formation of decomposed components, but the influence regularity of each component is different; sof2 and so2 are the most stable characteristic components and h2s is the special component which occurs only when the temperature is above 340；total 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 iii decomposition amount tdc can reasonably represent the overall degradation status of insulation medium sf6; components formation rate can effectively reflect the severity and development tendency of thermal fault of sf6 insulated equipment; combining iec standard, the obtained thermal fault maximum safe time tms can accurately assess the largest duration time when equipment occurs thermal fault; component characteristic ratio c(so2)/c(so2f2) and c(so2f2+sof4)/c(sof2) can qualitatively judge the fault property whether it belongs to thermal fault; the defined thermal correlation ratio tr can availably to differentiate the temperature point of thermal fault among 300400. key words: sf6, thermal fault, thermal decomposition characteristics, feature extraction; fault recognization 重庆大学硕士学位论文 目 录 iv 目 录 中文摘要中文摘要 i 英文摘要英文摘要 ii 1 绪绪 论论 . 1 1.1 研究研究 sf6气体热分解的意义气体热分解的意义 . 1 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 2 1.2.1 过热性故障普遍性与危害性 2 1.2.2 sf6热分解特性 . 5 1.2.3 sf6分解组分表征故障状态信息 . 8 1.3 研究内容与技术路线研究内容与技术路线 9 1.3.1 主要研究内容 9 1.3.2 技术路线 10 2 sf6热分解试验平台热分解试验平台 11 2.1 局部过热下局部过热下 sf6热分解模拟平台热分解模拟平台 11 2.1.1 系统结构及发热源 11 2.1.2 温度控制方法 13 2.1.3 温度场模拟仿真 13 2.2 分解组分检测系统分解组分检测系统 15 2.2.1 气相色谱仪 16 2.2.2 气相色谱质谱联用仪 17 2.2.3 傅里叶变换红外光谱仪 19 2.3 试验方案制定试验方案制定 20 2.3.1 试验前杂质气体的检测 20 2.3.2 气体的采样与进样 21 2.3.3 试验方法及步骤 22 2.4 本章小结本章小结 22 3 局部过热下局部过热下 sf6分解特性及机理分析分解特性及机理分析 23 3.1 sf6热分解起始温度热分解起始温度 . 23 3.2 sf6热分解组分含量变化特性热分解组分含量变化特性 . 25 3.2.1 cf4和 co2含量变化特性 25 3.2.2 sof4、so2f2、sof2和 so2含量变化特性 . 27 3.2.3 h2s 和 hf 组分特性分析 . 31 重庆大学硕士学位论文 目 录 v 3.3 特征稳定组分及机理分析特征稳定组分及机理分析 33 3.3.1 特征稳定组分 33 3.3.2 分解组分形成机理分析 34 3.4 本章小结本章小结 37 4 sf6热分解组分特征量提取与故障表征热分解组分特征量提取与故障表征 . 38 4.1 特征分解总量特征分解总量 38 4.2 产气速率产气速率 39 4.2.1 产气速率与有效产气速率 39 4.2.2 产气速率与故障温度关联特性 40 4.2.3 过热故障安全反映时间 42 4.3 比值法比值法 43 4.3.1 特征组分比值 44 4.3.2 特征组分有效过热关联比值 46 4.4 本章小结本章小结 47 5 结论与展望结论与展望 49 5.1 结论结论 . 49 5.2 展望展望 . 49 致致 谢谢 . 51 参考文献参考文献 . 52 附附 录录 . 57 a. 作者在攻读学位期间发表的论文目录作者在攻读学位期间发表的论文目录 57 b. 作者在攻读学位期间申请的发明专利目录作者在攻读学位期间申请的发明专利目录 57 c. 作者在攻读学位期间参加的科研项目作者在攻读学位期间参加的科研项目 58 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 1 1 绪 论 1.1 研究 sf6气体热分解的意义 sf6电气设备（气体绝缘组合电器 gis，气体绝缘变压器 git，气体绝缘管线 gil，气体绝缘断路器 gcb 等）因其占地面积小、运行安全可靠、检修周期长等 突出优势而广泛应用于高压和超高压输变电领域中，并已逐渐成为现代大中城市 变电站首选设备和电能输送的枢纽1-3 。但 sf6电气设备中大量使用的接头常常因 制造工艺问题出现镀银不均、脱落或者形成氧化层4-6等，使接头处的有效接触面 积减小或接触不良而造成回路接触电阻过大5-7。而作为电能输送枢纽的 sf6电气 设备中流过的电流往往高达数千安培8，当如此高的电流流过接触电阻过大处时， 必将产生不正常发热，最终引发设备产生局部过热性故障。有研究表明1-3：当设 备发生局部过热性故障时， 会使 sf6气体绝缘介质发生分解， 其分解组分与混杂在 设备内的微量水分、 氧气等杂质会进一步发生一系列复杂的化学反应生成如 sof2、 so2、hf 等物质9,10，在生成的这些物质中，活性气体如 hf 和 so2会腐蚀设备内 的金属构件9，特别是连接处的金属构件，使接触电阻进一步加大或加速绝缘缺陷 劣化，形成发热更为严重的恶性循环，并最终因过热导致突发性故障的发生。 目前，针对 sf6电气设备局部过热性故障，还没有一套行之有效的检测方法。 通常做法是在离线例行检修时，通过测量设备整个回路的接触电阻11来对设备的 回路整体连接状况做初略的评价。 如果将直接测温的温度传感器安装在 sf6电气设 备最容易产生过热故障的连接触头处会导致整体绝缘强度的下降11，而间接测温 的红外技术由于 sf6气体红外光能的强吸收性和触头材料红外光低发射率以及连 接构件的复杂结构12导致很难准确获取触头的真实温度。然而，由于 sf6在设备 发生过热故障时将发生分解并产生一系列的分解产物，其分解过程与设备内部的 温度有着直接的联系。 因此， 不仅可以通过 sf6在过热状态下的分解组分信息来揭 示 sf6电气设备内的过热故障及其严重程度， 还可以通过 sf6在过热状态下的分解 特性来揭示设备内部过热性故障的产生和发展过程。 同时， 在较为严重的局部放电过程中也伴随着过热过程， 同样会出现 sf6过热 分解现象3，如果仅仅利用 sf6在局部放电作用下的分解理论和分解特性来对 sf6 电气设备进行故障诊断必然是片面的，而且会导致诊断结果出现偏差，甚至误判。 所以， 通过对 sf6在过热状态下的分解现象进行系统的研究， 获取其过热分解特性， 掌握其在过热条件下发生分解的化学与物理过程，并建立 sf6的过热分解理论和 sf6电气设备过热故障诊断方法，不仅可以弥补现有 sf6电气设备绝缘故障诊断方 法的不足，还可以完善 sf6的分解理论。 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 2 综上所述，通过 sf6电气设备过热故障下 sf6热分解组分特性的研究，不仅可 以完善 sf6分解理论，也可以通过检测 sf6分解组分反映 sf6电气设备内的过热故 障及其严重程度， 从而推断过热故障的产生和发展过程， 弥补现有 sf6电气设备绝 缘故障诊断方法的不足，实现 sf6电气设备过热性故障的早期诊断和预测。 1.2 国内外研究现状 sf6电气设备局部过热状态下 sf6分解特性的研究现状主要包含以下几方面： 过热故障存在的原因、普遍性及其危害性，已有过热故障的监测手段及其局限 性；现有 sf6热分解特性及分解机理的研究，sf6气体分解组分的选择和检测标 准， sf6气体组分表征故障特性方法的研究 1.2.1 过热性故障普遍性与危害性 气体绝缘设备中常见的故障类型主要有三类：放电性故障、机械性故障和过 热性故障13-15。放电性故障是由于气体绝缘设备内出现各种绝缘缺陷造成非正常 放电引起的，如金属突出物、自由微粒或者表面污秽等。机械性故障是指设备内 部机械连接结构（如螺丝，铰链）在长期运行后发生松动或者脱落，造成气体绝 缘设备动作不正常。过热性故障是由于设备内部局部集中过热造成异常升温，加 速绝缘材料或者金属构件的腐蚀、变质、老化从而引发的设备故障。 多种电气设备故障如接触不良、大电流过载、磁饱和等，均会引发设备内部 的局部过热现象。其中，触头接触不良是引发过热性故障最常见的类型16。这是 由于在气体绝缘设备流经的电流往往达到数千安，如果接头处的有效接触面积减 小或接触不良而造成回路接触电阻过大，很容易产生不正常发热。长期运行过程 中，额外的发热会导致接触电阻的继续增大并加剧接触不良，从而形成恶性循环 并最终形成过热故障。 一旦过热故障形成， 它对 sf6电气设备安全运行会构成以下 危害： 电气性能劣化 固体支撑类绝缘材料17会发生软化而不再能够承受外力的作用；固体绝缘材 料发生脆化而断裂、发生化学分解、碳化，甚至着火燃烧；sf6分解而使绝缘强度 下降、分解产物进一步腐蚀固体绝缘材料和金属构件，进而引发突发性绝缘故障。 物理和化学性能劣化 接触电阻过大而引起发热后，其温度升高，使导体的导电电阻进一步增大， 从而形成恶性循环，进一步使温度升高，进而形成事故；绝缘介质在高温下运行， 会造成电气绝缘性能的下降，使盆式绝缘子的绝缘性能发生热老化，可能导致热 击穿，将导致 sf6设备的寿命大大缩短，最终威胁着电网的安全可靠运行。 力学性能劣化 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 3 金属构件长期处于高温过热故障状态下运行时，其机械强度会明显降低，造 成设备失去应有的功能，甚至形成事故；严重时会导致塑性变形，发生热胀冷缩， 使连接部位松动，进而使接触电阻增大直至形成事故18。 （b 相母线连接梅花触头 组件） （a）故障前母线连接梅花触头 （b）烧蚀后母线连接梅花触头 图 1.1 热故障前后母线连接梅花触头对比图 fig.1.1 comparison of fault-before and fault-after plum contact 2006 年， 渭南变电站16330kv gis 母线由于在安装时没有严格按照装配要求， 内部绝缘支持台和导体母线连接处没有安装定位止钉，由于长期运行过程中不同 工况使导体发生移动，进而造成导体相对于绝缘支持台的位置异常， 触指与静触 头接触不良，使得接触点过热，绝缘支持台在长期过热作用下，加速绝缘支持台 的绝缘老化，最终引发母线筒被击穿。 2008 年， 北京电网19220kv 草桥变电站因电缆终端气室内 gis 本体与电缆连 接处接触不良，导致长期过热运行，使绝缘劣化，发生热击穿。该设备热故障的 发生导致 220 kv c 站全站和其所带的 3 座 110 kv 变电站停电。 其他 4 座 110 kv 和 2 座 220kv 变电站发生自投相继动作。整体造成的停电事故涉及 16 座开闭变 电站和 2 个核心供电用户，损失用电负荷量达到 78 mw。 福建省20自1998到2004年间300多台次的sf6电气设备检验中， 共发现10 次 故障和缺陷，其中有 3 次是由于因为导杆接触不良长期过热导致的，过热性故障 设备事故率占总事故率的 30%。2000 年 cigre23.10 工作组国际调查报21的统计 数据显示，在固定突出物、受潮、金属微粒、接触不良等多种因素导致电气设备 故障中，由于接触不良引发过热及一系列不良影响导致设备故障率是最高的，如 图 1.2 所示。该比例与福建省的 sf6电气设备过热故障事故率一致。 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 4 图 1.2 电气设备故障原因调查 fig.1.2 causual investigation of fault in electrical equipment equipment 以上实例表明：sf6电气设备过热性故障是真实存在的并且具有普遍性。因触 头接触不良严重发热而导致设备故障是 sf6电气设备故障最主要因素之一。 该故障 一旦发生， 对 sf6电气设备有着严重危害， 对整个变电站和电网系统的安全也会造 成威胁。因此，亟需开展对 sf6电气设备过热性故障的研究工作。 目前，由于各种原因发生接触部位过热是变电站电气设备内故障最常见的现 象。此类问题在一些设备老和负荷重的变电站尤其突出。然而，目前用于评价接 头发热状态的几种措施中都存在一些局限性： 测量设备整个回路的接触电阻22。该方法可以通过测量接触电阻大小判断 触点是否接触良好，具有较好的可信度。但是在实际检测中需要停运设备，会对 原有运行系统造成影响，只有在离线检修的时候才能进行。同时该方法也难以对 发热的具体部位进行定位。 温度传感器。温度传感器23是一种接触式测温方式，具有精度高响应度好 等特点。但是如果将温度传感器直接安装在设备内最易形成过热故障的连接触头 处，增加的传感器会导致设备绝缘强度的减小11，同时加大设备生产成本。 红外测温技术。红外测温技术24, 25是一种非接触的测温方式，对设备的运 行不会造成影响，也具有较好的测温精度。但是在实际 sf6电气设备使用中中，一 方面由于接头处金属材料的红外光低发射率和 sf6红外光强吸收性， 令一方面由于 sf6电气设备的复杂结构，导致红外测温技术难以探测到接触触头处的准确温度。 腊片法。在该方法中，设备是否发热通过贴于电气设备上的腊片26是否熔 化及变色来推断，但在实际操作中所贴的腊片容易自行脱落。该方法只有发热及 其严重时才可应用，不能引用于预防和事先控制接头发热问题。 综述所述，接触触头过热故障在一定程度上能通过上述几种方法进行评判， 但很难达到接头发热问题事先预防和控制的目的。在处理过程中需要被迫停电处 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 5 理或由调度转移负荷到其它地区，在实际运行中往往比较被动。一旦发现不及时， 局部过热故障很可能进一步发展并引起设备事故。然而，在局部过热状态下，绝 缘介质 sf6气体会发生分解并产生一系列的特征产物， 其分解规律与特征现象与设 备内部的过热温度有密切联系。 因此， 通过检测 sf6在过热状态下的分解组份及其 含量变化规律， 可以用来揭示 sf6电气设备内的过热故障状态信息， 更进一步完善 对 sf6气体绝缘设备内部局部过热性故障的监测和诊断， 实现 sf6电气设备局部过 热性故障的早期预警。 1.2.2 sf6热分解特性 sf6气体是一种无色、无味、无毒、不易燃烧的气体。它具有优良的绝缘性能 和灭弧性能，并在电力行业中得到广泛的使用。在常温常压下，sf6化学性质非常 稳定，很难与其它物质发生化学反应。然而，当温度提高到一定程度，sf6气体不 再保持稳定，可以和许多金属和非金属材料产生化学反应。 1952 年， 学者 camilli 采用红外光谱技术27探究了 sf6气体在密闭玻璃管内铜 丝高温下的稳定特性， 发现 sf6开始分解的温度在 500以上。 在 500温度以下， 纯净 sf6气体的红外光谱和试验后的 sf6没有差异，而在 600温度以上，检测到 有明显的 sf4和 sf2生成。该试验现象表明金属与 sf6的临界反应温度在 500到 600之间。但是，后期的一系列研究表明这个结论是需要怀疑的。 1960 年前后， 英国学者 wilkins28, 29在 sf6热稳定性研究中发现： 绝缘介质 sf6 在温度超过 1500k 时，主要会形成产物 sf4。 1967 年，学者 w frie30采用了平衡离子浓度计算方法，得到了如图 1.4 所示 的过热温度与 sf6等离子平衡离子数目的关联图谱。 该图表明绝缘介质 sf6气体在 温度高于 1500k 时，它的浓度会呈现明显减少趋势，与之相应的分解产生的 sf4 浓度和 f 原子会迅速上升。 该现象与 wilkins 的发现一致。 而当温度高于 4000k 时， 大部分 sf6分子会完全分解。 1971 年，学者 feldman 和 wray31, 32主要探究了 sf6与 o2和 o 在高温下的化 学反应。他们主要在冲击管内通入混合的 sf6和 o2来进行。研究发现高温下 sf6 分子并不会直接与 o 原子发生反应，相应的，它会首先裂解出低硫氟化物，然后 与 o 原子结合产生 so2f2。 1975 年， 学者 padma 和 murthy33研究了不同材质玻璃管内 sf6在高温下的分 解特性。试验温度为 700900内，玻璃管分别是不锈钢管、铜管、铝管和石英玻 璃管。 研究发现， 在四种试验管内均可以检测到明显的 sf4， 但是在石英玻璃管中， 还有会 sif4和 sof2产生。 不锈钢管和铜管里面内 sf6的分解速率基本类似。 因此， 这两位学者探究得到的结论与 wilkin 在sf6热稳定性研究中发现的试验现象一致， 进一步证明了在温度高于 1500k 时，sf4是一种极其重要的分解产物。此外，玻璃 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 6 管内的 h2o 与 o2会影响 sf6在过热情况下的分解产物和分解规律。 离 子 浓 度 (n/cm-3) 温度/k 图 1.3 sf6中各离子浓度与温度的函数关系 fig.1.3 equilibrium particle densities in a sf6 plasma with temperature 1980 年， 学者 m shirai 和 k hirooka34探索了 100以上 sf6气体在硅钢环境 下的热稳定性。 研究结果表明sf6在低于150温度时也可以检测到一些分解产物。 这表明 sf6 与金属材料在较低温度下就可能发生反应，学者 camilli 得出的金属与 sf6的临界反应温度在 500到 600之间是可疑的。 温度/ 平 均 寿 命 / 年 sf6平均寿命曲线 图 1.4 sf6 5%分解率随温度时间关系 fig.1.4 temperature dependence of time to reach 5% decomposition of sf6 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 7 相同期间，学者 t w dakin35和 r e wootton36测试了 sf6在与环氧树脂，铝 结构材料共存时的热稳定性。当 sf6被加热至 200时，在试验环境下 sf6绝缘气 体在 28 天后会有 1.3%的气体发生分解；当温度达到 225时，同样时间段 sf6的 分解率会达到 5.5%。 t w dakin 依据阿伦尼乌斯方程推测出 sf6在 140时分解量 达到 5所需要的时间，预计为 10000 天左右。不同温度下 sf6分解量达到 5%时 所需要的时间如图 1.4 显示。值得注意的是，dakin 的试验结果并不考虑电场存在 的情况，只有过热温度热场的作用。同时，他们的研究还发现当 sf6气体在高于 200时就能与许多金属反应。试验末通过分析金属表面化合物发现，其表面有明 显的金属氟化物和金属硫化物产生， 而产生的气体分解产物中含有大量的 so2。 不 同材质容器下 sf6年分解率的变化规律如表 1.1 所示。 表 1.1 不同材料容器中 sf6年分解率 tab.1.1 sf6 thermal stability in different tanks 容器材料 年分解率/% 200 250 铝 0.006 中碳钢 0.2 2 硅钢 0.005 0.01 铜 0.18 4 后期学者 f y chu 和 r m massey37研究了铜和铝两种金属材料下， 过热温度 对 sf6分解特性的影响规律。研究表明；在两种金属材料下将 sf6 在 650保持 90 小时，试验末可检测到明显的 sof2、so2f2及 so2等产物。其中，在铝制材料 中，分解产物只有 so2f2，而铜材料的最终分解产物中可检测到大约 37000l/l 的 so2及 2700l/l 的 sof2。实验中检测到大量 so2生成的结果与之前的报道称 so2 为主要分解产物的结论相一致。 2011 年，广东电科院的王宇38等人在断路器的一段套管中进行了实验，模拟 了 200、250、300、350、400、450、500 的状态下 sf6气体的分解反应并对 so2、 h2s 和 hf 三种气体进行了检测。模拟器中所充 sf6的压力为 0.30mpa。研究得出 sf6在 350时就开始有明显分解，会产生大量的 so2、h2s 和 hf，但是更多的组 分种类和具体的影响特性都没有涉及。除此之外，还未见相关文献报道这方面的 研究成果。 通过上述学者的研究表明，在气体绝缘设备内出现的过热性故障导致的局部 高温的作用下 sf6气体会发生分解， 且其分解产物的类型及生成规律与温度及故障 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 8 区域的材料等相关。然而，关于高温下 sf6分解特性的研究多数是在研究 sf6的其 它特性的时候得到的， 目前还鲜有人对 sf6的热分解特性及其分解机理进行系统的 研究， 更没有人提出利用 sf6的热分解组分来对 sf6电气设备中过热性故障进行综 合诊断和评估。 1.2.3 sf6分解组分表征故障状态信息 通过对 sf6的分解特性来诊断和评估气体绝缘设备故障与绝缘状态是一种不 受现场强电磁干扰影响的化学监测手段， 与用油中溶解气体分析法(dga)对变压器 状态进行在线监测一样，是一种具有发展潜力的间接故障与绝缘状态监测法，已 成为国内外同行广泛关注和研究的热点。为此，国际大电网组织(cigre) 39成立 了 wgb3-25(sf6 gas analysis for ais, gis and mts condition assessment)工作组， 拟 建立sf6组分分析导则对sf6或者混合气体绝缘的gis等设备进行故障诊断和状态 评估。 目前， 已有一些国家、 国际标准针对 sf6电气设备气室内杂质气体组分检测类 型，含量允许值等参数建立参考值。通过这些组分参考值，可以在一定程度上反 映气室内的 sf6气体是否符合要求，并对 sf6电气设备运行状态进行一般性诊断。 根据 gb/t8905-1996，sf6电气设备中气体的检测项目主要有：空气，cf4，水， 酸度，可水解氟化物和矿物油。iec 60480-200440和 iec60376-200541对 sf6电气 设备中气体的检测分为两种情况。一种情况是为了定量的检测气体中各种杂质的 含量，检测项目主要有：空气，cf4，hf，矿物油，sf4 ，sof2，so2f2，so2。 另一种情况是为了确认六氟化硫是否需要进行回收处理进行的现场检测，检测项 目主要有：sof2so2（12l/l） ，hf（25l/l） ，空气，cf4，水和矿物油。其 中，两者对于 sf6电气设备气室内杂质组分最大允许值如下表所示： 表 1.2 现有 iec 标准对 sf6气体杂质含量的规定 tab.1.2 guideline of impurities in sf6 by iec standard iec60376-2005 iec60480-2004 杂质组分 最大允许含 量 杂质组分 最大允许含量 气压低于 0.2mpa 气压高于 0.2mpa 空气 1% volume 空气或者 cf4 3% volume 3% volume cf4 4000l/l h2o 750l/l 200l/l h2o 200l/l 活性气体总量 杂质气体总量 50l/l 或者 so2+sof2含量 12l/l 或者 hf 含量 25l/l hf 7.3l/l 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 9 然而， 由于 sf6在故障下分解组分的多样性和分解过程的复杂性， 仅仅根据分 解组份含量的绝对值是很难对故障性质、故障部位、严重程度等状态特性进行关 联和表征。因此，在利用 sf6分解组分表征故障状态时，需要进一步深入挖掘 sf6 分解组分所代表特定的物理含义和能否利用各组分建立新的特征量更好与设备故 障状态进行关联， 为更好利用 sf6气体分解组分对 sf6电气设备进行诊断和评估打 下基础。 chu f.y, casanovas j 和 morrison hd 等学者2, 42-45研究表明： sof2是 sf6在局 部放电下和火花放电下的主要产物；so2f2也是在 sf6在局部放电下的主要分解产 物，要明显高于电弧放电和火花放电下的产气量；sof4主要会在局部放电和电弧 放电中产生；so2在局部放电和火花放电中产量不高，sof2在一定程度上会通过 水解转化形成 so2。 而唐炬等学者46-48在对四种典型绝缘缺陷（针板缺陷，自由金属微粒缺陷， 气隙缺陷和污秽缺陷） 下 sf6气体在局部放电中分解特性进行了系统研究， 发现不 同绝缘缺陷下 sf6的分解特性存在明显差异，通过构建比值量 c(sof2)/c(so2f2)、 c(cf4)/c(co2) c(sof2+so2f2)/c(co2+cf4) /so2f2，能有效区分局部放电下不同绝 缘缺陷类型和判断局部放电严重程度。 因此，sf6的分解组分与利用它们构建的特征量在一定程度上能够表征 sf6电 气设备内的故障特征信息。 然而， 对于局部过热故障状态下 sf6的代表性组分是哪 几种， 它们代表的特定物理含义， 以及如何利用他们构建特征量对 sf6电气设备过 热故障状态信息进行表征，目前都鲜有研究。 1.3 研究内容与技术路线 1.3.1 主要研究内容 目前， 国内外开展的 sf6分解组分检测与分析研究工作总体上还不够深入， 尤 其是局部过热状态下 sf6气体分解特性的研究还鲜有开展。 因此， 本文研究的主要 内容为： 搭建局部过热性故障模拟试验装置并对温度场仿真，调试气相色谱仪、气 相色谱质谱联动仪和傅里叶红外测量仪三种检测仪器到至最佳工作状态；探索局 部过热性故障模拟的试验条件、试验步骤和合理可靠的试验方案。 利用三种检测仪器定量获取局部过热状态下 sf6分解组分信息，探索 sf6 起始分解温度和主要分解产物类型， 研究不同故障温度下 sf6各分解组分含量的形 成规律， 确定局部过热状态下 sf6分解的稳定特征组分， 并分析各组分的形成机理。 借鉴变压器油中气体故障诊断方法，提取基于局部过热状态下 sf6分解组 分特性的特征量，探索各个特征量与过热故障性质、严重程度及发展趋势的关联 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 10 关系和表征能力，构建利用特征量对 sf6设备过热故障信息进行诊断评估的方法。 1.3.2 技术路线 用设计制造的sf6过热分解模拟试验系统对局部过热状态下sf6气体的分解状 况进行模拟。从 200开始一直升高温度到 400（温度间隔 20），每个温度点 进行 10 小时分解试验。利用气相色谱仪、气相色谱-质谱联用仪和傅里叶红外变换 光谱仪对不同故障温度下 sf6分解气体样本进行了定量测量。 在获得的试验数据上， 首先探索 sf6开始出现明显分解产物的温度点， 然后对 各分解组分含量与故障时间、故障温度建立定量关联关系，通过对比各分解组分 之间产气规律，确定局部过热状态下 sf6气体分解的特征稳定产物。同时，参照变 压器油中溶解气体对变压器故障信息表征的分析方法， 从 sf6绝缘介质整体劣化程 度，产气量增长规律和特征组分比值量三个角度来表征局部过热故障状态特征信 息， 为通过 sf6在过热状态下的分解特性对 sf6电气设备过热故障进行诊断探索新 思路。 重庆大学硕士学位论文 2 sf6热分解试验平台 11 2 sf6热分解试验平台 2.1 局部过热下 sf6热分解模拟平台 为了明确明确过热故障下 sf6分解特征规律，利用 sf6分解组分对 sf6电气设 备过热性故障性质及严重程度进行辨识， 首先必须设计一个合理可靠的 sf6电气设 备过热性故障模拟平台。 本文所搭建的局部过热下 sf6热分解模拟试验平台， 采用 合理有效的发热体来模拟 sf6电气设备内的局部过热性故障， 通过无差的闭环控制 方式实现对故障温度的准确控制，采用通过有限元分析软件49,50对试验物理模拟 模型可靠性进行仿真和测试。在试验平台允许范围内，本模拟平台能连续调节 sf6 气体压强、发热体温度等多种影响因素进行试验研究。 2.1.1 系统结构及发热源 （a）局部过热下 sf6 热分解模拟试验原理图 （b）模拟密闭气室实验装置实物图 2.1 局部过热下 sf6 热分解模拟试验平台 fig.2.1 sf6 thermal decomposition simulation experimental platform 搭建的 sf6过热分解模拟试验系统如图 2.1 所示，主要由密闭缸体、发热体、 真空压力表、开关电源、固态继电器、智能数显温度控制器和气体组分检测仪器 重庆大学硕士学位论文 2 sf6热分解试验平台 12 组成。发热体、开关电源和固态继电器构成自整定比例-积分-微分温度控制环节， 实现对发热体温度进行精确控制。 其中， 过热性故障密闭缸体主要用于模拟真实 sf6绝缘设备内的气室， 发热体 用以模拟形成过热性故障的局部热源，真空压力表用于测量缸体内的实际气压值， 开关电源用以向发热体提供低压直流大电流，智能数显温度控制器可以实时显示 温度传感器检测到发热体表面温度和设定的目标温度值，固态继电器通过接收智 能数显温度控制器的调节信号，对回路电流进行斩波以达到对发热体过热温度的 调控。 气体组分检测系统主要由三种仪器构成， 用于探测 sf6分解组分类型和浓度。 缸体整体气室采用耐腐蚀的医用不锈钢加工而成气室容积约为 15l， 最高耐受气压 值 0.5mpa。电源引线通过瓷套管引入气室内并与气室中部的发热体相连。进气口 用以充入所需的 sf6新气，采气口用于采集过热分解后混合气体样品。 电源线 不锈钢外壳 信号线 陶瓷封口 热电偶 发热丝 （a）发热体结构示意图 （b）发热体实物图 图 2.2 发热体 fig.2.2 structure and real object of heating unit 发热体是模拟局部过热性故障的核心元件。所设计的发热体必须满足以下几 点要求：发热体温度能够在较高范围内变化（300）并且长时间稳定工作。 发热体表面温度能被准确控制和测量。 发热体表面材质能模拟气体绝缘设 备易发过热性故障处的材质，比如 gis 内大量使用的不锈钢壳体， git 硅钢材质 的铁芯，gis 和 gil 采用的铝质镀银接头等。发热体体积不宜过大，否则 sf6 气体会与装置壳体发生反应；发热体体积不宜过小，避免发热丝产热量过于集中 重庆大学硕士学位论文 2 sf6热分解试验平台 13 容易烧断而不适用于长时间工作。 因此，本文选取镍钼铝发热丝作为热源，304 不锈钢作为热电极的外壳，k 型热电偶51作为温度传感器。发热体内部采用传热性能好、耐高温性能强和不易 发生化学反应的的氧化镁填充，两端再以不与 sf6发生反应的陶瓷进行封装以达 到发热体密封性。镍钼铝发热丝具有熔点高、工作时间长、发热功率大等优点。 热电极的外壳选择 304 不锈钢，主要用于模拟早期气体绝缘电气设备的连接接头 及设备外壳等材质52。k 型热电偶作为温度传感器，具有检测范围宽，耐高温能 力强，检测精度高等优点。将 k 型热电偶固定于热电极外壳内表面，一方面提高 了对发热体表面温度检测的准确性，另一方面也保证了对发热体表面温度检测的 响应速度。发热体热电极直径6mm、长60mm，其结构和实物如图2.2所示。将该 热电极进行电镀处理，可以模拟不同材质即不同故障点处的过热分解，如镀银可 以模拟 gis 和 gil 因触头接触不良发热导致 sf6发生分解等。 2.1.2 温度控制方法 为了准确探究局部过热状态下 sf6分解特性， 需要设计准确可靠的发热体过热 温度控制系统。本文选择无差闭环控制方式，采用比例-积分-微分（pid）控制策 略53,54对温度进行控制，控制原理框图如图 2.3 所示。具体发热源的温度调节过程 如下：智能温度控制器通过温度传感器实时检测发热体表面工作温度，然