摘要：CS2可作为一种新的特征分解气体用于GIS中盆式绝缘介质放电故障的诊断。本文分析了GIS中盆式绝缘子沿面放电的新特征气体CS2。
关键词：GIS中盆式绝缘子；沿面放电；特征气体
为了降低GIS运行故障率，特别为防止盆式绝缘子沿面闪络或绝缘击穿事故的发生，保证电力系统的安全可靠运行，对GIS内部尤其是涉及盆式绝缘子的潜伏性缺陷进行检测尤为重要。
一、CS2简介
CS2是一种广泛性的酶抑制剂，它在常温常压下为无色透明微带芳香味的脂溶性液体，有杂质时呈黄色，具有极强的挥发性、易燃性和爆炸性。主要用于生产人造粘胶纤维和粘胶薄膜，还用以制造四氯化碳、二硫代氨基甲酸铵、黄原酸酯、浮选矿剂、溶剂和橡胶硫化剂。同时，CS2也是硫、磷、硒、溴、碘、樟脑、树脂、蜡、橡胶和油脂等的良好溶剂，也是许多有机物进行红外光谱测定和氢质子核磁共振光谱测定用的溶剂。
二、模拟试验
1、试验装置。试验平台主要包括模拟试验罐、试验变压器和高压套管。其中，模拟试验罐前后两端安装石英玻璃观察窗口，以便使用紫外成像仪对内部放电状况进行监测。模拟试验罐内部设置可更换电极，根据模拟不同缺陷的需要更换不同的电极。模拟试验罐还设置有压力表和取气口，同时能连续调节试验电压、电极距离和SF6气压。
试验变压器采用轻型充气(SF6)式高压试验变压器，额定电压100kV。试验罐体由不锈钢材料制成，试验时充入0.4MPa的SF6气体，微水含量控制在运行GIS允许范围，罐体内部喷涂特富龙涂料防止分解的特征气体被内壁吸附，在高压端与低压端间用环氧树脂材料制作的绝缘子连接。
2、检测方法。SF6分解产物检测方法是用化学法进行GIS故障诊断的基础，但要实现各成分的准确定量难度大，待测气体组成复杂，类型多样，部分组分间性质相近，分析测定时存在相互干扰。另外，特征气体CS2浓度低，而背景值SF6浓度高，给定性定量测量带来较大难度。
在对现有检测手段全面分析比较的基础上，本研究针对性地设计开发了基于毛细管柱的配备热导检测器(TCD)和火焰光度检测器(FPD)串联的气相色谱定量分析SF6分解产物的方法，系统考察了该方法对各待测组分的灵敏度和稳定性，研究了气相色谱–质谱联用法在该领域的应用。结果表明，毛细管柱/TCD–FPD气相色谱法稳定可靠，可满足六氟化硫主要和关键成分的检测需求。其中，TCD检测器可用于定量CF4和空气，FPD检测器适于定量SO2和S2OF10等主要的含硫分解产物。气相色谱–质谱联用法则通过将待测组分的特征荷质比与保留时间相结合，排除了SF6强背景气体对个别组分的干扰，且能定量出低浓度的不含硫物质，可作为毛细管柱/TCD–FPD气相色谱法的有效补充，该方法还可对未知组分进行定性，实用有效。以上两种方法相互弥补与配合，实现了对各SF6主要分解气体成分的准确检测。
3、试验结果。试验中缓慢升高电压直至出现火花放电，之后维持该电压。高频率的火花放电沿着绝缘子表面向低压端发展，但仍未贯穿。试验中每0.5h取气样检测1次，结果表明，放电过程中除检测到SO2F2、SO2和S2OF10的含量随放电时间的增加而显著增加外，还检测到CF4和另一种未知成分的含量也随放电时间的增加而增长。使用气相色谱–质谱联用仪对未知气体成分进行进一步分析，推断该种成分为CS2。之后通过与标准气体的检测结果进行比对，发现质荷比m/z与停留时间完全一致，进一步证实了上述判断。盆式绝缘子持续沿面放电下，各SF6分解产物的变化规律见图1。解体后发现，绝缘子局部表面形态发生改变，且出现烧焦的痕迹和散落大量的粉尘。
图1
三、110kV GIS母线段试验
1、试验设置。母线段主要由3个独立气室组成，气室间由盆式绝缘子隔开，试验在中间气室进行，气体压力和水分含量等参数均与实际运行的GIS一致。设置缺陷的故障间隔前后两端均设置有石英玻璃观测窗，可使用紫外成像仪对其内放电状况进行观测。试验过程中，通过设置在故障间隔上的取样口定期采集气样并进行成分分析，重点检测SO2F2、SO2、S2OF10、CF4和CS2等在绝缘子沿面放电条件下的变化规律。
2、局放测试。为了与电气故障诊断法进行对照，同时利用多通道数字式局部放电综合分析仪TWPD-2B(multi-channel digital PD integrative analyzer)监测脉冲电流信号，检测频率为20～400 kHz。
3、试验现象及特征。升高电压直至出现稳定的局部放电信号，并且每24h提高施加电压直至发生闪络。施加电压的大小分别为64kV、70kV、80kV。试验过程中每12h取气检测1次，每s记录1次局放量Q。试验过程中发现，提高施加电压，放电信号发生明显改变。其中，从64kV升高至70kV时，放电量突然增大为210pC(平均值)，并持续2h，而后放电量回落至20pC；从70kV升高至80kV，放电量突然增大至230pC，持续4h，而后放电量保持在20pC。局部放电结果表明：提高施加电压初期，盆式绝缘子表面发生较为明显的放电，并持续一定时间后放电信号逐渐变弱，维持在20pC左右(背景值5pC)。
试验中，检测到SO2和SO2F2随放电时间的增长而增长。从第36h开始检测到CS2，且随放电时间的增长其浓度不断增加。试验结束后发现，沿面放电后的绝缘子表面被侵蚀。实体110kV GIS试验与小型模拟试验平台试验得到一致结论：当盆式绝缘子发生沿面放电时会出现气体CS2，其生成量随放电时间增加而增加，生成速率随局部放电程度的增强而变大。显然，CS2可作为一种有效的特征气体用于诊断GIS中涉及盆式绝缘子沿面放电故障。
四、CS2生成机理
本文采用B3P86/6−31G(d,p)量子化学计算方法对SF6组合电器在发生局部放电时所有可能的化学反应进行量子化学计算，计算过程不受试验结果的影响，与接近极限的RCCSD(T)/AVQZ方法对照证明该方法可靠，可用于典型分解产物反应途径的理论计算研究。此外，盆式绝缘子等固体绝缘材料通常为环氧树酯型。
当绝缘材料表面放电时，表面的原子会被电离或直接高温分解，产生各种CHx碎片。只有那些活性自由基碎片，如C、自由基CH和CH2等才有可能继续反应，与含S的组份反应生成CS2。对CF4等已有组分分解产生的CFy碎片，其活性远弱于CHx，可认为CS2中的C主要来自于CHx自由基。
当系统中存在S原子时，在高温低压条件下，将会有一定量的S2分子存在于气相产物中。计算结果表明，CHx可直接与S2反应产生CS2，而且反应不需额外能量，生成CS2为强放热自发过程。其中，由C原子与S2反应产生CS2也是一个自旋允许的过程，即
在深度放电条件下，有可能产生C原子，这有利于直接产生CS2。CHx与S2反应不仅能产生CS2分子，同时还随着CS分子的产生及HCSSH中间产物。除上述反应过程外，在一定条件下还存在多种CS2的生成途径。
CS2中的C来源于绝缘材料(盆式绝缘子等)，在强放电条件下(如持续火花放电)将产生C原子，能与S2分子反应直接生成CS2，但仅属于局部过程。在通常环境中，CS2产生过程与H2S有关。且其产生机制受HCS中间体的控制，即CS2主要在气相反应区产生。计算结果表明，在GIS内部环氧树脂介质(盆式绝缘子)发生沿面放电条件下，GIS内部发生复杂的化学反应，会有多种途径生成CS2。
量子化学计算与实验室小型模拟器试验、110kV GIS试验结果保持一致，相互验证，充分说明CS2能作为一种特征气体用于判断GIS内部涉及固体介质，特别是盆式绝缘子是否发生沿面放电被侵蚀。与其他判断固体介质受损的特征气体相比，CS2化学性质稳定，产生后不易与其他物质继续发生反应，且在SF6生产、配送过程中不会被掺入新气中；CS2的检出限低，在现有实验室条件下能被有效检出。因此，CS2能作为电气设备绝缘介质放电故障诊断的特征气体，尤其在新气CF4杂质含量高时具有重要的指示价值。
五、结语
综上所述，GIS因其占地面积小、可靠性高和检修周期长等优点在电力系统中得到了大量应用。随着GIS运行年限的增加和电压等级的逐步提高，GIS内部的故障发生率和故障种类越来越多。运行实践发现，相当比例的GIS内部故障与盆式绝缘子有很大关系。
参考文献：
[1]唐炬.不同气压下SF6的局部放电分解特性[J].高电压技术，2014，40(08):2257-2263.
[2]赵现平.GIS局部放电检测方法的分析研究[J].高压电器，2012，48(08):13-17.
论文作者:潘忠韬
论文发表刊物:《电力设备》2019年第4期
论文发表时间:2019/7/5
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