广西电网有限责任公司电力科学研究院
1SF6气体局部放电下的分解情况研究
美国国家标准局的R. J. Van Brunt最先开展了SF6电晕放电分解试验，并获得SOF2、SO2F2、SO2和SOF4的产气速率[1]，提出了等离子体化学模型对PD分解理论进行详细阐述[2]，分析了分解产物SOF2、SO2F2、SO2、SOF4和S2F10产量随时间、电晕放电电流、H2O含量和O2含量的变化规律。等离子化学模型分为辉光区、离子漂移区和主气室区，如图1.3所示。三个区域内发生的反应各不相同：辉光区，即针尖处的电场强度较高，在该区SF6、H2O和O2分子在放电所产生的电子碰撞下首先形成低氟硫化物及其他自由基；离子漂移区主要发生离子-分子化学反应，但这些反应大部分仅实现了正负电荷的交换与转移，对分解组分含量的影响不大；在辉光区所产生的SFx与自由基等扩散至气室将与微H2O或O2反应产生各种复杂的分解产物，当放电附近存在金属材料等固体材料时，固体材料中的微量C原子与游离态F*结合形成四氟化碳，还会与微氧发生反应生成二氧化碳。
国内重庆大学唐炬等人对局部放电故障下SF6分解特性的研究始于2011年，其中涉及缺陷类型、微水含量、微氧含量、气压等因素对PD分解产物的影响[3]。实验中检测到的CF4十分微量，SOF2、SO2F2和CO2产气量均随着微水含量的增加而明显增大；SO2F2和SOF2生成量与微量氧气含量之间也存在着明显的正相关特性，其中对SOF2的影响更为显著，但对CO2含量的影响作用甚微；气压的下降使得分解组分的含量在一定程度上得到提高，但对SO2F2的生成有一定的阻碍作用。
2 SF6气体局部过热下的分解情况研究
Mukaiyama开展了SF6过热分解试验[4]，指出当试验温度设置为230℃和290℃，实验中检测到SF6过热含碳分解产物，主要有CO、CO2、CH4和乙醛，无含硫产物生成。O Zivny利用分子动力学软件计算标准热力学方程[5]，研究发现当试验温度低于5700 K时，F-的体积摩尔分数超过电子的含量；而当温度为3000~4000 K时，热解产生的离子主要有F-和S2+，如图1.4所示。
国内重庆大学唐炬课题组系统性地开展SF6过热分解试验，包括温度、微水含量、微氧含量、吸附剂、有机固体绝缘材料[6]等因素对分解产物的影响机理。研究发现SF6在260℃时便会发生过热分解，产物主要包括CO2、SOF2、SO2F2、SOF4、SO2和H2S，指出H2S是SF6局部过热分解下产量显著的产物。随着微水含量的上升，SOF4产量呈倒"U"型曲线变化，SOF2、SO2和SO2F2产量不同程度地增多；SOF2产量随微氧含量的变化没有明显差异，而微氧含量的增多对SOF4、SO2和SO2F2的生成量皆有显著的促进作用；当涉及绝缘材料时还检测到重要产物CS2，且所有分解产物随局部过热温度升高呈J型增长趋势；随吸附剂用量的增多，对SOF2和SO2的吸附作用愈加显著，对SO2F2有一定吸附能力，而对CO2吸附作用最校此外，广东电力公司电力科学研究院王宇等人也开展相关研究，指出当温度超过350℃时，SF6发生热分解，检测到H2S、SO2和HF。
3 SF6气体电弧放电下的分解情况研究
国内外学者对SF6气体电弧放电的研究包括电弧放电主要分解产物的初步检测、杂质对电弧放电分解产物的影响、电弧放电仿真模型的推导和计算[7]等。从上世纪70年代末开始，Boudene等人提出SF6电弧放电主要分解产物是SOF2，同时检测到微量SOF4和SO2F2。而气室中微水的存在促进HF的生成。Belmadani和Casanovas团队开展了系统的SF6气体电弧放电分解实验，研究不同设计形态的断路器、有机绝缘材料和气体杂质等对分解产物的影响规律。研究发现SO2F2产气速率明显低于SOF2，主要分解产物的含量自多至少为：（SOF2 + SO2）、CF4、SO2F2，且分解产物产量与放电能量之间具有极其密切的内在联系。
国内关于SF6电弧放电下分解研究起步较晚。2013年，中国电力科学研究院季严松等学者开展了126kV断路器开断大电流试验，研究了开断电流和燃弧时间等对电弧放电下SF6分解产物的影响，实验中检测到的稳定气体分解产物主要有SO2F2、SOF2、SOF4、SO2、H2S、HF和金属氟化物等[8]。
4 SF6气体火花放电下的分解情况研究
从上世纪80年代开始，美国Oak Ridge National Laboratory的I. Sauers[9]展开对SF6火花放电分解的研究，并取得了初步的研究成果。通过放电气室与二极子质谱仪连接，观察火花放电产生的正负离子的变化过程，研究发现正负离子产生的多少不仅取决于SF6分解气体的产量，还与气压和放电能量密不可分。火花放电下，正离子S2F7+是形成其他正负离子的先导，当气压下降时，检测到较多S8+，当分解反应涉及到电极材料时，检测到大量负离子。此外，I. Sauers还对SF6中性分解产物进行检测，指出SF4既是产量最多的低氟硫化物，又是形成其他分解产物的先导产物。
国内学者对火花放电的研究起步于上世纪90年代，但所见的相关报道不多。西安交通大学邱毓昌等开展了SF6/CO2和SF6/N2混合气体火花放电试验，检测到分解产物C2F6、C3F8、SO2F2和SO2，其中在进行SF6/CO2混合气体火花放电试验后黄铜电极上出现紫红色固体生成物，没有发现含碳的金属化合物或碳单质析出。广东电力科学研究院李丽等人利用球针电极来模拟GIS等设备内火花放电故障，提出可以利用SO2和SO2F2产气量变化评估其发展趋势。湖南工业大学的朱怡霖等人开展了交流SF6火花放电分解实验研究，通过红外光谱法检测到SF6火花放电的主要分解产物有SO2F2、SOF2和SO2。重庆大学唐炬等人研究发现SF6分解产物与火花放电能量存在着紧密的相关性[10]。
综上所述，关于SF6分解气体研究具体归纳为以下三个问题：
① 国内外对分解气体研究获得一定成果，但因检测技术的局限性，已有结论仍存在一定分歧，其完整性和准确性有待进一步考量，而现有研究不具系统性，分解特性与各气室环境影响因素的定量关联特性仍不清楚，且部分研究所涉及放电能量过大，不适用于GIS等设备。
② 基于DCA法的SF6电气设备火花放电故障状态评估理论体系尚未提出过。亟需开展对火花放电故障下SF6气体的分解特性和相关影响因素的探究，建立完善的SF6气体火花放电故障分解实验数据库，获取能表征火花放电故障严重程度的关键特征量，为逐步构建完善SF6电气设备火花放电故障的早期诊断和预测理论方法提供实验和理论依据。
③ 目前研究SF6分解时，SOF2、SO2F2、CF4、SO2和HF等作为主要特征组分，但分解气体生成路径及机理依然有待进一步探索，并从中确定适用于现场检测的分解组分。因此，分析分解气体随时间、湿度、氧气含量等变量的变化趋势对研究阶段性SF6电气设备故障状态预测有重大的实际工程意义。
参考文献：
[1]R. J. Vanbrunt. Production-Rates for Oxyfluorides SOF2, SO2F2, and SOF4 in SF6 Corona Discharges[J]. Journal of Research of the National Bureau of Standards, 1985, 90(3): 229-253.
[2]R. J. Vanbrunt, Siddagangappa M. C. Identification of Corona Discharge-Induced SF6 Oxidation Mechanisms Using SF6/18O2/H216O and SF6/16O2/H218O Gas-Mixtures[J]. Plasma Chemistry and Plasma Processing, 1988, 8(2): 207-223.
[3]唐炬, 胡瑶, 姚强, 何建军, 张晓星. 不同气压下SF6的局部放电分解特性[J]. 高电压技术, 2014, (08): 2257-2263.
[4]Mukaiyama Y, Takagi I, Ishihara H, et al. Principal Decomposition by-Products Generated at Various Abnormalities in Gas-Insulated Transformers[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 1994, 6(3):1117-1123.
[5]O. Zivny. Standard Thermodynamic Functions of Diatomic Products of Thermal Decomposition of SF6[J]. High Temperature Material Processes, 2000, 4(3): 385-404.
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[7]Coll I, Casanovas a M, Vial L, et al. Chemical Kinetics Modelling of a Decaying SF6 Arc Plasma in the Presence of a Solid Organic Insulator, Copper, Oxygen and Water[J]. Journal of Physics D Applied Physics, 2000, 33(3):221.
[8]季严松, 颜湘莲, 王承玉等. 电弧作用下SF6气体分解产物的试验研究[J]. 高压电器, 2013, 49(6): 22-25.
[9]I. Sauers, Ellis H. W., Christophorou L. G. Neutral Decomposition Products in Spark Breakdown of SF6[J]. IEEE Transactions on Electrical Insulation, 1986, 21(2): 111-120.
[10]张茜. 六氟化硫火花放电分解实验系统研制及分解特性研究[D]. 重庆大学, 2015.
论文作者:饶夏锦 夏小飞 苏毅 芦宇峰 杨健
论文发表刊物:《科技尚品》2019年第3期
论文发表时间:2019/7/18
标签：分解论文; 产物论文; 气体论文; 火花论文; 含量论文; 电弧论文; 检测到论文; 《科技尚品》2019年第3期论文;