（国网石嘴山供电公司 753000）
摘要：本文介绍SF6断路器受过电压冲击等不良工况后，通过气体分解产物、纯度和湿度诊断设备内部状态，并结合局部放电进行综合分析，及时检出内部隐患，为设备状态检修提供科学依据。本文介绍了分解物检测原理、方法、正常含量和检测周期，总结出设备故障类型、可能部位和故障诊断方法。
关键词：SF6断路器；不良工况；气体检测；状态维修
Summary：This paper introduces how SF6 circuit breakers get impacted under some adverse conditions，such as，voltage shock，etc.It has provided the scientific basis for the equipment’s good-condition maintenance strategy by means of analyzing the gas decomposition products，purity，humidity inside the equipment so as to diagnose the internal state of the device，and combining with the partial discharge testing inside the equipment for the further comprehensive analysis so as to detect the equipment's internal hidden faulty in time.The article describes the decomposition detection principles，methods，normal percentage of its content and the detection period.The article also summarizes the different types of equipment failure，the possible fault location and the fault diagnosis methods.
Key Words：SF6 circuit breaker Under Adverse Conditions Gas Detection Equipment Maintenance
0引言
SF6断路器是主要的变电设备，起着系统的运行方式，接通和断开空载及负荷电流，当系统发生故障时能与保护装置相配合，迅速切断故障电流，防止事故扩大，确保系统安全运行。当线路出现冰闪时，引起断路器跳闸后，往往又重合闸，在短时间内多次动作后，不仅使触头容易损伤，灭弧室灼伤，而且可能引起内部螺丝和部件的松动，若不能及时排除，有可能引发事故。一年来，公司220kV变、110kV变和35kV变等27座变电站受到过电压冲击，断路器在短时间内动作多次，为了对这些断路器的状态作进一步分析，及时检出内部隐患，公司拟定对120台断路器进行分解物、水分和纯度测试，由于H2是聚酯乙烯、绝缘纸等碳水化合物裂解的特征气体，其在CO传感器有较大的响应，为了准确测出CO含量，本项目增加了H2含量测试，从普查数据可知，H2含量在150μL/L以上的有25台，占异常设备的73.5%，表明了检测氢气的必要性。这次检测发现期中14座变电站的34台断路器异常，应缩短监督周期，及时了解设备状态，为计划维修提供科学依据。
SF6气体具有稳定的化学性能和优异的电气性能，自上世纪80年代后在电力系统得到广泛应用。电气设备在设计、制造和安装维护上还存在一些盲目性，使内部存在一些隐患，而现有的试验方法难以检出，带隐患设备投运后，在热和电的作用下，隐患不断发展，引起故障区域的SF6气体和固体绝缘材料分解，绝缘性能下降，最终酿成事故。因此，上世纪九十年代以来，国内外学者提出通过分解产物含量、纯度和水分等方法来诊断SF6电气设备内部故障。国网运检部于2015年和2016年连续开展330kV及以上GIS分解产物、水分、局部放电、红外测温和泄漏检测，发现数百台异常设备，其中通过分解物和水分检出数十台设备隐患。认为固体绝缘材料的分解是危及设备安全的重大威胁，从近年来检出的事故充分证明了气体检测诊断SF6电气设备内部故障的有效性和必要性。
1 应用气体分析诊断SF6电气设备内部故障原理
SF6电气设备内部有电回路和磁回路，当回路存在缺陷时，将产生局部放电，并使缺陷周围的绝缘材料发生分解，产生硫化物、氟化物、碳化物和水分，随分解物和湿度的增加、纯度的降低，使绝缘性能逐渐下降，局部放电能量将不断增加，直至酿成事故。据国内外统计资料得知近年来的事故中，绝缘事故约占60%，其中固体绝缘材质不良引起的事故又占约80%。因此，及时检出固体绝缘材料的绝缘缺陷，是提高电网安全经济运行的重要措施。
从绝缘材料的性质和元素组成得知，当SF6电气设备存在故障时，故障区域的绝缘材料在热和电的作用下裂解，主要产生SO2、H2S、CO和CF4。CF4是聚四氟乙烯分解的主要成分，属于SF6生产过程的附属物，虽然经吸附处理，但新气中含量有100μL/L左右，若用这么大含量的增加值来评价故障，显然其灵敏度和可靠性就大为降低，而且CF4的检测方法较复杂，现场难以实现。而在聚四氟乙烯热解产生CF4的同时也产生CO，通过检测CO可以较灵敏地反映出内部隐患，因此，检测CF4的必要性不大，DL/T1205-2013 《SF6电气设备分解产物试验方法》和国网公司Q/GDW1896-2013《SF6气体分解产物检测技术现场应用导则》对检测仪的配置中都只要求检测SO2、H2S和CO。我们认为H2是聚酯尼龙、聚酯乙烯和绝缘纸等碳水化合物裂解的特征气体，而H2在CO传感器上有比较大的响应，为了准确测出CO含量，本项目增加了H2含量测试，从普查数据可知，H2含量在150μL/L以上的有25台，占异常设备的73.5%，占检测设备的20.8%，表明了检测氢气的必要性。
2 SF6电气设备内部绝缘材料
SF6电气设备内部绝缘材料，包括SF6气体和固体绝缘材料两类。SF6气体是所有六氟化硫电气设备共同的；而固体绝缘材料则不同设备有所不同，主要有热固形环氧树脂、聚四氟乙烯、聚酯尼龙、聚酯乙烯、绝缘纸和绝缘漆等。在断路器中的固体绝缘材料有环氧树脂、聚酯尼龙和聚四氟乙烯；隔离刀闸、接地刀闸有环氧树脂和聚酯尼龙；其它设备有除环氧树脂、聚四氟乙烯外，还有聚酯乙烯、绝缘纸和绝缘漆。各种绝缘材料的性质和裂解特性简介如下：
2.1 SF6气体的分解特性
SF6是由卤族元素中最活泼的氟原子与硫原子结合而成，其分子结构是一个完全对称的八面体，硫原子居于八面体的中心，六个角上是氟原子，分子式为SF6。纯净的SF6是一种无色、无臭、无味、无毒、不燃的气体，在+20℃时的密度为6.16g/L，约为空气的五倍；熔点为-50.8℃，临界温度为45.64℃，临界压力为3.85MPa，分子直径为4.77A，热传导率约为空气的四倍，温室效应系数约为CO2的23000倍，应做好回收利用。
SF6气体化学性质非常稳定，在常温常压下，不与任何物质反应，在一个大气压下分解温度大于500℃，但对于运行设备，气体压力在0.4MPa以上，其分解温度降低到250℃左右，主要产生SO2、SOF2和HF，典型反应式为（1）、（2）：
SF6→SOF2+HF （1）
SOF2 +H2O→ SO2 +HF （2）
SF6的负电性很强，很容易吸收电子，加之密度大，分子半径大，移动速度慢，因此具有很好的绝缘性能和灭弧性能，是目前理想的绝缘介质，在电气设备中起着绝缘、灭弧和冷却散热的作用。
2.2固体绝缘材料的分解特性
（1）热固形环氧树脂
主要用作GIS中的盆式绝缘子、支柱绝缘子和断路器、隔离刀闸及接地刀闸的绝缘拉杆。环氧树脂有双酚型和酚醛型两类，为多种大分子量的混合物；具有很好的绝缘性能和化学稳定性，由C、H、O、S和N等元素构成，还添加氧化铝，以增强机械性能，其分解温度为500℃，主要产生H2S、CO、AlF3和少量低分子烃（CH4、C2H4、C3H8），典型反应式为（3）、（4）：
SF6+H2O →H2S+SOF2+HF+S+O2 （3）
9S+6H2O →6H2S+3SO2 （4）
（2）聚四氟乙烯
主要用作断路器中的压缩气缸、灭弧室和变压器及互感器，分子式为C2F4，具有很好的绝缘性能和化学稳定性，只有在400℃以上时才开始产生少量的CF4、CO、H2和低分子烃。
（3）聚酯尼龙
用作绝缘拉杆，由多层聚酯乙烯和尼龙制成，主要由C、H、O等元素组成，当温度大于120℃时聚酯材料开始裂解，250℃以上尼龙材料明显裂解，主要产生CO、H2和低分子烃。
（4）聚酯乙烯
主要用于互感器、电容器、变压器匝绝缘和套管电容材料，分子式为C2F4，当温度大于120℃时开始裂解，主要产生CO、CO2、H2和低分子烃。
（5）绝缘纸
主要用于互感器、电容器、变压器匝绝缘和套管电容材料，是碳水化合物，由C、H、O等元素组成，当温度大于120℃时开始裂解，主要产生CO、H2和CO2。
（6）绝缘漆
其浸衬在互感器、变压器矽钢片和铜线表面，作为导线间和矽钢片表面绝缘，为碳氢化合物，由C、H、O、N等元素组成，当温度大于120℃时开始裂解，主要产生CO、CO2。
聚酯乙烯、绝缘纸和绝缘漆都是碳水化合物，分子结构表示为CxHyOz，其分解将产生CO、H2和CO2，典型反应式为（5）：
CxHyOz → CO +H2 + CO2 + H2O （5）
从上述可知，热固型环氧树脂、聚四氟乙烯只有当温度超过400℃后才会开始分解；设备中SF6气体和尼龙在250℃以上才明显裂解；而匝层间用的聚脂乙烯、纸和漆的热解温度在120℃左右。对于正常运行的SF6电气设备，其内部温度不高于80℃，因此不会有SF6等绝缘材料的分解产物。断路器在分、合闸时产生2000℃以上的高温电弧，使SF6生成带电离子和少量HF、SO2、SOF2、SF4等分解物，但因其分、合闸速度极快，又有高效的灭弧功能，使带电离子又在瞬间复合成SF6，其复合率达99.9％以上，所产生的少量分解物又被放置于内部的吸附剂吸收，因此，对于正常运行的断路器，在分、合闸48小时后，气室中的SO2、H2S含量不大于1μL/L；这在对数千台断路器的检测中得到证实。但若设备内部存在局部放电、重燃和严重过热性故障时，将使故障区域的固体绝缘材料和SF6气体发生分解，产生的硫化物、氟化物、碳化物和氢气，因此，通过检测SO2、H2S和CO的含量就可以判断设备内部状态。
3分解产物的检测方法
目前SF6电气设备分解产物的检测方法有电化学法、化学比色法、色谱法，色谱法虽然其灵敏度较高、稳定性也尚好，但由于SF6气体密度大，内部温差很小，气体流动性很差，设备本体至排气口一般用2～3分管相连，从排气口流出的少量气体难以反映内部气体的真实浓度，因此难以检出潜伏性故障，现场不适用，仅适用于试验室对SF6气体的验收。采用流动方式检测的电化学法和化学比色法适用于SF6电气设备分解物的检测，但化学比色法灵敏度低，耗气量大，难以检出隐患；只有电化学法的灵敏度高、稳定性好、耗气量少、响应速度快，能有效地检出内部潜伏性故障。DL/T1205-2013 《SF6电气设备分解产物试验方法》主要采用电化学法，且我省普遍选用气体综合检测仪，能同时检测分解物、水分和纯度，具有灵敏度高、稳定性好、操作方便、检测速度快、耗气量少，有利环保。
4 SF6电气设备内部故障的分类
SF6电气设备内部故障可分为放电和过热两大类。放电又分为电晕放电、火花放电和电弧放电。通过对我省数百台SF6断路器、互感器和GIS等电气设备故障实例的综合分析，将内部常见的故障部位归纳为以下六种：
4.1导电金属对地放电
这类故障主要表现在SF6气体中存在颗粒杂质和绝缘子、拉杆缺陷引起导电杆对地放电。这种放电性故障能量大，产生大量的SO2、SOF2、H2S和HF等。2009年1月22日某厂500kVGIS投入运行不久隔离刀闸对地短路放电气室SO2：48μL/L，H2S：4.6μL/L，CO：265μL/L，判断内部存在严重放电故障，并涉及固体绝缘材料分解。解体发现绝缘拉杆严重放电，故障如附图1。
4.2悬浮电位放电
这类故障通常表现在断路器动触头与绝缘拉杆间的接触不良和“CT”二次引出线电容屏上部固定螺丝松动引起插销两侧金属或螺帽与螺杆间悬浮电位放电。这种放电性故障能量不大，一般情况下只有SF6分解产物，主要生成SO2、HF、金属氟化物和H2S。如2014年10月18日四川省检修公司雅安500千伏变电站运维人员巡视时发现500千伏II母BB2C气室在运行中时有异响，随即检测SO2+SOF2含量为12.5μL/L，H2S、HF均为0，CO也很少，仪器判断内部存在悬浮电位放电故障，但未涉及固体绝缘材料分解，解体发现500千伏II母BB2C气室盆式绝缘子母线导体对接插接头的均压罩松动。故障照片见附图2。又如2015年3月13日漳州220 kV和平变运行人员在巡视时发现#1主变220kV侧22A开关附近有异常声响后，当日下午检测发现22A3刀闸气室内气体含有SO2：19.5μL/L，CO：21.2μL/L，仪器诊断“分解物含量较高，内部可能存在放电性故障，但未涉及固体绝缘材料分解”。解体发现传动绝缘杆表面及GIS筒壁有大量白色分解物，绝缘杆下方传动拨叉处的等电位弹簧已烧毁，有一小段弹簧掉落在导电杆的槽中，动触头传动轴销与等电位弹簧连接处有电腐蚀的痕迹，分析结果与设备解体相吻合。
4.3导电杆的连接接触不良
当设备内部气体压力为0.4MPa时，故障点温度超过250℃后，SF6和周围固体绝缘材料开始热分解。当温度达700℃以上时，将造成动、静触头或导电杆连接处梅花触头外的包箍蠕变断裂，最后引起触头融化脱落和绝缘材料的分解，其主要产物为SO2、HF、H2S等。如陕西渭南变330kVGIS GM24A相气室SO2浓度为81μL/ L，H2S为10.7μL/ L，仪器诊断“该气室存在局部放电，停电检查发现GB1气室B相梅花触头严重过热。
4.4互感器、变压器匝层间和套管电容屏匝层间电晕、短路放电
当内部故障时，将使故障区域的SF6气体和聚脂乙烯、纸和漆等绝缘材料裂解，主要产生SO2、CO和低分子烃。2015年8月29日泉州500 kV5031断路器跳过闸后检测检出5031A相CT故障A相SO2：1.6μL/L，CO：165μL/L，SO2浓度虽然略微超过国网的注意值，但考虑到该设备投运才7天，气体总量达80kg，因此产生的SO2、CO总量大，判断内部存在放电故障，并涉及固体绝缘材料裂解。设备返回厂家解体，发现盆式绝缘子放电，故障得以验证，故障照片如附图3。
4.5断路器重燃
断路器正常开断时，电弧一般在一个周波内熄灭，但当灭弧状指不正常或电流不过零的时候，电弧不能熄灭，将灭弧室和触头灼伤，此时SF6气体和聚四氟乙烯分解，主要产生SO2、SOF2和HF。如2006年4月28日福建某500kV变电站5013断路器对电抗器做投切试验时，因为B、C两相电流不过零时间较长，重燃电弧将灭弧室灼伤，在事故后36天检测仍有少量的SO2含量，分析判断认为存在严重燃弧现象，设备返厂发现喷口严重灼伤，故障图片如附图4。
4.6避雷器故障
避雷器故障主要表现为电阻片固体螺帽松动仪器悬浮电位放电，其特征组分为SO2、H2S含量都很高，CO少量。如某电厂2009年3月7日凌晨5031断路器跳闸后，重合闸成功，故障录波记录A相故障电流达10kA。为了查清开关跳闸原因，当晚检测发现A相SO2、H2S含量都很高，CO少量，仪器诊断为“该气室严重放电性故障，但未涉及固体绝缘材料分解”。当晚对A相避雷器进行解体，电阻片固定螺母松动，一起悬浮电位放电，罐体底部及罐体内表面附着有大量灰白色粉末，引起均压环对壳放电，均压屏蔽罩对壳放电击穿一孔，故障图片见附图5、图6。
5 SF6电气设备中分解产物的正常含量和检测周期
5.1运行设备分解物、纯度和水分正常值
由于SF6电气设备内部的SF6气体和热固型环氧树脂等绝缘材料的分解温度较高而故障初期的能量一般都较低，所产生的分解产物的浓度小，加上设备中放置有能吸附水和分解产物的F-03收附剂，而且预防性试验周期又长，因此，要检出内部早期故障就必须严格控制分解产物的浓度，根据国网和电力行业标准，提出下表1参考指标：
5.2运行设备分解物的评价参考标准
根据国网Q/GDW1896-2013《SF6气体分解产物检测技术现场应用导则》，提出运行设备分解物的评价参考标准如下表2：
注：对断路器的分解物含量为在动作48h 后的检测值。
5.3 SF6电气设备分解产物的检测周期
鉴于这种方法的有效、方便，耗气量又是少，一般均可在运行状态下进行检测，因此，应尽快推广应用，检测周期建议按电压等级按下表3进行：
在进行内部故障诊断时，要求专业人员有较丰富的知识，具有综合分析判断能力，才能作出较准确的判断。本文提出的分解物的监督指标、检测周期和故障诊断的基本思路，仅供参考。随着这项检测技术的发展，检测组分、含量和检测周期将更加科学。
7 公司检出异常设备情况
公司于2016年8月中旬使用厦门电力科技有限公司生产的JH5000D-4SF6电气设备气体综合检测仪，在该公司的积极配合下，对某地区220kV变、110kV变和35kV变等27座变电站的120个气室内的分解物、水分和纯度进行测试，发现有34个气室异常，其中某220kV变步乙线45212和朔乙线45214 两气室，不仅一周内使用厦门加华公司仪器检测两次，还使用北京泰普仪器复测，表明数据可信，现将异常设备的分析归纳如下：
（1）220kV隆鼎变惠鼎线53211（A）气室纯度不合格（92.61%v），建议二个月复测；
（2）220kV镇朔变步乙线45214、朔乙线45212 两气室SO2超过正常值，CO和H2含量很高，内部可能存在涉及固体绝缘材料的低能量放电性故障，建议二个月复测，做局部放电测试，并作综合分析；
（3）35kV新利变新阳线322气室有少量SO2、H2S，H2含量偏高，建议半年内复测；
（4）220kV镇朔变镇步朔乙线45214、朔变朔德甲线45211、2号主变45202，35kV雁窝池变雁德线331四气室含有少量SO2，H2含量偏高，建议半年内复测；
（5）110kV吉宏变吉工乙线321、太沙变太万线311，110kV崇岗变崇水线311、崇西线321，110kV太沙变太金线314，35kV新利变新滨线314、新阳线322七气室含有少量H2S，CO偏高，建议半年内复测；
（6）110kV崇岗变崇水线311、崇西线321，110kV吉宏变吉工甲线322、2号主变302，35kV前进变五香线313，35kV园林变园特线321，35kV平罗变平园线323等七气室CO和H2偏高，建议半年内复测；
（7）220kV镇朔变1号主变45201、35kV 1号主变301，220kV隆鼎变雁金线315，110kV大武口变1号主变101、母联100、2号主变102、110kV崇岗变崇水Ⅱ回线323，35kV红乐变乐崖线313，35kV平罗变太平线321，35kV柳园变柳铁线311，35kV燕子墩变1号主变301等11个气室H2偏高，35kV雁窝池变雁发线323气室CO偏高，建议半年内复测。
8.几点看法
（1）通过分解物检测能有效地诊断SF6电气设备内部故障，因此，当SF6断路器受过电压冲击等不良工况后，应进行气体分解产物、纯度和湿度测试，了解设备内部状态，必要时结合局部放电进行综合分析。
由于电化学传感器存在零位漂移的现象，因此，在每次开机时应检查其零位，确认正常后，进入检测。当检出分解物异常时，应复测确认。
环境湿度和设备排气口的水分将严重影响水分测试准确性，因此，当检出水分异常时，应检查处理排气口、仪器进气口和导气管，确认干燥后进行复测。
（2）为了使该法发挥更大作用，对检测仪器、使用和分析判断提出以下看法：
a.仪器性能必须满足检测潜伏性故障要求。
选用符合潜伏性故障检测要求的产品，建议能同时检测分解物、水分和纯度的综合检测仪。检测前应检查传感器零位正常；操作时要防止气体流量过大，损害传感器；且每年进行标定，确保仪器性能。
b.将分解物列入技术监督的正常检测项目，并重视固体绝缘材料的分解，将分解物含量纳入检测组分。
c.当检出分解物异常时可使用比色管法和局部放电进行佐证，并结合设备的运行、结构、检修、电气试验和气体总量等作综合分析。
附图：
图3.2015年9月1日福建泉州500kV
变电站5031A相CT放电故障
图4.福建宁德500kV变电站2008年4月28日
5013断路器重燃电弧将灭弧室灼伤
图5、图6.Y20WF5-444/1106罐式避雷器故障。
论文作者:刘刚,黄囤,王若曦,滚晓虎,代文章,任国康,张鹏
论文发表刊物:《电力设备》2016年第22期
论文发表时间:2017/1/21
标签：分解论文; 故障论文; 气体论文; 绝缘材料论文; 断路器论文; 设备论文; 电气设备论文; 《电力设备》2016年第22期论文;