0 引言

SF₆气体绝缘开关设备广泛应用于我国电网中,其内部发生不同缺陷和故障时^[1-4],分解产物的种类和含量存在一定的特性和规律。因而近年来分解产物检测已成为运行气体绝缘设备状态评价的重要手段^[5-8]。随着京都议定书的制定,SF₆在环保方面的劣势受到了全世界的关注和限制,且SF₆在低温条件下易液化、价格比较高。故在绝缘气体中混入N₂等其它气体以满足设备绝缘和环保要求^[9-11]。然而,混合气体可能导致多种组分参与反应,使得分解产物与设备故障的关系变得复杂。因此对SF₆混合气体及其分解特性的研究具有重要的意义。

目前,国内外集中研究了SF₆混合气体的放电特性和绝缘特性等^[12-13]。如E.Kuffel研究了SF₆和N₂混合气体的特性^[14],李峰等人对混合气体放电特性进行了分析^[15]。针对混合气体分解特性,主要研究了混合气体局部放电和火花放电下的分解产物^[16-17]。张鸣超等人探究SF₆/CO₂在火花放电下的分解产

物^[18],李康等人探究了c-C₄F₈及其与N₂混合绝缘气体在典型故障时的分解产物^[19],马凤翔等人研究了SF₆/CF₄混合气体分解特性实验^[20]。对于SF₆/N₂混合气体在开断电流后分解产物的研究未见报道。故而对SF₆/N₂混合气体分解特性的研究有利于分析替代气体的绝缘特性,同时也为混合气体设备内部缺陷和故障诊断提供参考。

本文基于40.5 kV断路器开展了SF₆/N₂混合气体开断电流后的分解产物实验,研究了分解产物的特征组分,分析了不同的燃弧能量和N₂含量对混合气体分解产物的影响,并且还获得了SF₆体积分数对分解产物体积分数比φ(SO₂+SOF₂)/φ(CO₂+CF₄)的影响规律,可为SF₆混合气体开关设备内部缺陷诊断提供参考。

1 实验平台及研究方法

1.1 实验平台

为了模拟现实运行过程中SF₆断路器的开断情况,本文选用40.5 kV SF₆断路器作为实验对象进行实验。其额定短路开断电流为36 kA,额定工作气压为0.6 MPa。图1所示为断路器实物图。

电流开断实验在高压合成回路中完成,图2所示为合成回路原理图。合成回路由两个独立的回路组成：左侧为电流源,通过RL串联谐振可以产生50 Hz的工频电流,为试品断路器提供开断电流;右侧为电压源,通过同步点火控制装置,在电流过零后提供恢复电压。

在实验过程中,将试品断路器SP闭合,断开主合闸开关K₁,通过充电装置对电容进行充电。完成充电后,闭合主合闸开关K₁,试品断路器开断大电流产生电弧。

1.2 实验方案

对充有SF₆/N₂混合气体的断路器进行开断实验,实验中不使用吸附剂,额定工作气压为0.6 MPa,混合气体比例确定为：SF₆体积分数分别占60%、52%和40%,同时设置一组SF₆纯气体作为对照。每组实验进行不同开断电流的实验,开断电流范围在5~25 kA。

实验前将试品断路器以及检测装置连接到合成回路中。采用配气仪实现特定混合比例的混合气体,并使用纯度分析仪对其组分混合比例进行检测。开断后用气相色谱仪对分解产物进行检测,用高压探头和罗氏线圈分别测量电弧弧压和燃弧电流,用示波器记录波形和数据。

1.3 分解组分检测

本文采用气相色谱法对SF₆/N₂混合气体的分解产物进行检测,其工作流程如图3所示。

图1 40.5 kV SF₆气体断路器 Fig.1 40.5 kV SF₆ gas circuit breaker

图2 合成实验回路原理图 Fig.2 Schematic of synthetic experimental circuit

图3 气相色谱仪工作流程图 Fig.3 Spectrometer working flow chart

仪器配备2个氦离子化检测器（PDHID）,利用五阀六柱的中心切割技术实现SF₆气体中O₂、N₂、CF₄、CO、CO₂、C₂F₆、C₃F₈、SO₂F₂、SOF₂、SO₂、H₂S等15种气体的分离与定量检测。利用各组分的出峰时间和峰面积进行定性和定量分析,各组分的出峰时间见表1。

2 实验结果与分析

2.1 开断后SF₆/N₂混合气体分解产物种类及含量的变化规律

对充有52%SF₆+48%N₂混合气体的断路器,进行不同电流等级的开断实验。以开断电流为25.6 kA的实验为例,分析SF₆/N₂混合气体在实验后的分解产物及其变化趋势。

图4为实验的燃弧电流和电弧电压波形,在第1个电流半波发生起弧,并且在电流过零点发生熄灭,燃弧时间9.3 ms,通过计算得到本次开断实验的燃弧能量为5.27 kJ。

图5所示为开断后22 h,气相色谱仪上检测得到的各种成分的色谱图。可以看出,检测出气体组分中新气体成分有CF₄、CO₂、SO₂和SOF₂。表2为各种成分种类及含量。

图6为52%SF₆+48%N₂混合气体在开断电流为25.6 kA的分解产物含量随时间变化的曲线。本次实验的燃弧能量为12 kJ,分解产物含量随着时间的增加而增加,最后都趋于稳定。

表1 各组分出峰时间 Table 1 Peak time of each component

表2 断路器开断25.6 kA电流后22 h检测到的 气体成分及含量 Table 2 Gas composition and content detected at 22 h after breaking the current

2.2 SF₆/N₂混合气体分解产物机理分析

通过气相色谱仪检测,开断后分解产物主要为SOF₂、SO₂、CF₄、CO和CO₂。

SF₆气体在电弧的高温作用下,易分解产生SF₄、SF₂和S₂F₂等多种低氟硫化物。若SF₆气体不含杂质,随着温度降低,分解气体可快速复合还原为SF₆。

图4 燃弧电流和电弧电压波形 Fig.4 Arc current and arc voltage waveform

图5 开断后SF₆/N₂混合气体的色谱图 Fig.5 Chromatogram of SF₆/N₂ mixed gas after breaking

图6 开断电流为25.6 kA时的分解组分含量变化曲线 Fig.6 Decomposition component change curve when the breaking current is 25.6 kA

SF₆气体在电弧的高温作用下,易分解产生SF₄、SF₂和S₂F₂等多种低氟硫化物。若SF₆气体不含杂质,随着温度降低,分解气体可快速复合还原为SF₆。

\(\text{S}{{\text{F}}_{\text{6}}}\to \text{S}{{\text{F}}_{\text{4}}}\text{+2F}\to \text{S}{{\text{F}}_{\text{2}}}\text{+4F}\to \text{S+6F}\) (1)

实际的运行设备中SF₆气体含有微量的空气、水分和矿物油等杂质,上述低氟硫化物性质较活泼,易与氧气、水分等再反应,生成相应的气体和固体分解产物,相关反应如下：

\(\text{S}{{\text{F}}_{\text{4}}}\text{+ }{{\text{H}}_{\text{2}}}\text{O }\to \text{ SO}{{\text{F}}_{\text{2}}}\text{+ 2HF}\) (2)

\(\text{S}{{\text{F}}_{\text{2}}}\text{+O}\to \text{SO}{{\text{F}}_{\text{2}}}\) (3)

\(\text{SO}{{\text{F}}_{\text{2}}}\text{+}{{\text{H}}_{\text{2}}}\text{O}\to \text{S}{{\text{O}}_{\text{2}}}\text{+HF}\) (4)

当反应涉及到固体绝缘物质时,会有CO、CO₂、以及碳氟化物生成。

\(\text{C+}{{\text{H}}_{\text{2}}}\text{O}\to \text{CO+}{{\text{H}}_{\text{2}}}\) (5)

\(\text{C+O}\to \text{CO}\) (6)

\(\text{CO+O}\to \text{C}{{\text{O}}_{\text{2}}}\) (7)

\(\text{S}{{\text{F}}_{\text{6}}}\text{+C}\to \text{C}{{\text{F}}_{\text{4}}}\text{+S}{{\text{F}}_{\text{2}}}\) (8)

SF₆气体中混有N₂时,SF₆气体分子浓度降低,SF₆分子分解成的F原子含量低,复合生成SF₄或SF₅减少,SO₂、SOF₂等含硫氟化物的产量减少,因此相比于纯净SF₆气体,混有氮气时有利于抑制分解产物形成。

2.3 SF₆/N₂混合气体分解产物随燃弧能量的变化关系

图7所示为4种分解产物在不同燃弧能量和开断电流下随时间的变化曲线。总体上讲,含碳氧化物CF₄和CO₂和含氟化合物（SOF₂和SO₂）随着燃弧能量的增加呈现上升趋势,而且两次开断的分解产物含量明显高于单次开断实验的产物含量,大约是相同燃弧能量的两倍。

以电弧能量为横坐标,绘制出了体积分数52%SF₆+48%N₂混合气体各种分级组分与燃弧能量E_a的关系曲线,如图8所示。分析了CF₄、CO₂、SO₂和SOF₂在5组不同燃弧能量下的稳定含量的变化趋势,燃弧能量范围为5.36~15.3 kJ。

在电弧能量比较低时（0~3 kJ）,分解产物的含量随燃弧能量上升的不明显。当燃弧能量继续增大时,CO₂增长非线性,CF₄、SO₂和SOF₂近似线性增加。

2.4 气体混合比例对SF₆/N₂混合气体电弧分解产物的影响

图9为纯SF₆和SF₆/N₂混合气体的分解产物含量对比。如图9所示,与纯SF₆相比,混合气体产

图7 燃弧能量和开断电流对分解产物的影响 Fig.7 Effect of arc current breaking energy and current

图8 SF₆和N₂混合气体分解产物对燃弧能量的变化趋势 Fig.8 Relationship between the decomposition products of SF₆/N₂ mixed gas and the energy of arc

图9 纯SF₆与SF₆/N₂混合气体分解产物对比 Fig.9 Comparative analysis of decomposition products of pure SF₆ and SF₆/N₂ mixed gas

生的分解产物明显减少。可以看出,氮气的加入对分解产物的产生有抑制作用。

图10为SF₆+N₂混合气体在不同体积分数混合比例下分解产物随时间的变化曲线。两种气体的燃弧能量相差不大,其中60%SF₆+40%N₂的燃弧能量为1.73 kJ,40%SF₆+60%N₂的燃弧能量为1.49 kJ。

SF₆/N₂混合气体在燃弧能量为1.5 kJ左右的作用下,两种比例的产物中SO₂和CO₂含量较低,都随着SF₆含量的增加而增加。随着混合气体中SF₆体积分数从40%上升至60%,产生的CF₄含量增加了两倍多,SOF₂增加的更加明显,体积分数从5.2×10^-6增加到31.4×10^-6。

2.5 体积分数φ(SO₂+SOF₂)/φ(CO₂+CF₄)的比值

在相同燃弧能量下,对比了3组实验,3组实验中SF₆体积分数分别为40%、52%、60%。得到如图11所示为φ(SO₂+SOF₂)/φ(CO₂+CF₄)的值随SF₆体积分数的变化曲线。从图11可知,在SF₆体积分数<50%时,φ(SO₂+SOF₂)/φ(CO₂+CF₄)随着SF₆体积分数增加逐渐缓慢增长;当SF₆体积分数>50%后,φ(SO₂+SOF₂)/φ(CO₂+CF₄)的值随SF₆体积分数的增加增长迅速。主要是由于SF₆体积分数在增大到一定程度之后使得硫化物反应增多,导致比例迅速增长。

3 结论

通过利用40.5 kV断路器开展了SF₆/N₂混合气体的分解产物实验,研究了分解产物的特征组分,分析了不同的燃弧能量和N₂含量对混合气体分解产物的影响,得到如下结论：

1）开断后,气相色谱仪检测出气体组分中含有CF₄、CO₂、SO₂和SOF₂。且CF₄、CO₂、SO₂和SOF₂含量随着时间的增加而增加,最后都趋于稳定。说明分解产物中含有CF₄、CO₂、SO₂和SOF₂。体积分数从大到小依次是SOF₂>CF₄>SO₂>CO₂。

2）在燃弧能量比较低时（0~3 kJ）,分解产物的含量随燃弧能量上升得不明显。当燃弧能量继续增大时,燃弧能量范围在5.36~15.3 kJ,CO₂体积分数非线性增加,CF₄、SO₂和SOF₂近似线性增加。

3）对不同体积分数比例的SF₆/N₂的解产物的进行比较,以研究混合比例对SF₆/N₂混合气体分解产物的影响,3种体积分数混合比的燃弧能量均为1.5 kJ左右。分析得到,3种比例的产物种类相同,均为CF₄、CO₂、SO₂和SOF₂,而且4种分解产物

图10 不同体积分数混合比例下分解组分含量变化曲线 Fig.10 Decomposing component content with different mixing ratios

图11 (SOF₂+SO₂)/(CO₂+CF₄)的比值与SF₆体积比的关系 Fig.11 (SOF₂+SO₂)/ (CO₂+CF₄) ratio with different SF₆ volume ratio

的含量随着混合气体中SF₆含量的增加而增加。

4）在混合气体中SF₆体积比较低时,生成物中体积分数之比φ(SO₂+SOF₂)/φ(CO₂+CF₄)的值随SF₆体积分数增加增长缓慢,当SF₆体积分数>50%后,分解产物中φ(SO₂+SOF₂)/φ(CO₂+CF₄)的值随SF₆的体积分数增加增长迅速。

参考文献

[1] BELMADANI B, CASANOVAS J.SF₆ decomposition under power arcs physical aspects[J]. IEEE Transactions on Electrical insulation. 1991, 26(6): 1161-1176.

[2] HIROOKA K, KUWAHARA H, NOSHIRO M, et al.Decomposition products of SF₆ gas by high-current arc and their reaction mechanism[J]. Electrical Engineering in Japan, 1975, 95(6): 14-19.

[3] SPILIOPOULO I.The effects of moisture and gaseous additives on SF₆ recovery characteristics[J]. European Transactions on Electrical Power, 2006, 16(2): 121-136.

[4] HEISE H M, KURTE R, FISCHER P, et al.Gas analysis by infrared spectroscopy as a tool for electrical fault diagnostics in SF₆ insulated equipment[J]. Fresenius’ Journal of Analytical Chemistry, 1997, 358(7/8): 793-799.

[5] 季严松,颜湘莲,王承玉,等. 电弧作用下SF₆气体分解产物的实验研究[J]. 高压电器,2013,19(6):22-25. JI Yansong, YAN Xianglian, WANG Chenyu, et al.Experimental study on SF₆ decomposition products under the stress of electrical Arc[J]. High Voltage Apparatus, 2013, 49(6): 22-25.

[6] 张宝军,刘洋,关艳玲,等. SF₆分解产物分析在GIS绝缘故障诊断中的现场应用[J]. 东北电力技术,2013(5):18-20. ZHANG Baojun, LIU Yang, GUAN Yanling, et al.The site application of SF6 decomposition products analysis to two GIS insulation fault diagnosis of SF₆ electric equipment[J]. Northeast Electric Power, 2013(5): 18-20

[7] 杨勇,徐华,吴金木,等. SF₆气体分解产物检测技术的研究现状及发展[J]. 浙江电力,2016(10):15-21,39. YANG Yong, XU Hua, WU Jinmu, et al.Research status and development of SF₆ decomposition products detection technology[J]. Zhejiang Electric Power, 2016(10): 15-21, 39.

[8] 颜湘莲,王承玉,杨韧,等. 应用SF₆气体分解产物的高压开关设备故障诊断[J]. 电网技术,2011,35(12):118-123. YAN Xianglian, WANG Chengyu, YANG Ren, et al.Fault diagnosis of high voltage switchgears by decomposition products of SF₆[J]. Power System Technology, 2011, 35(12): 118-123.

[9] 张辉,焦俊韬,肖登明,等. 六氟化硫的替代灭弧气体电气特性研究综述[J]. 电工电气,2016(3):1-5. ZHANG Hui, JIAO Juntao, XIAO Dengming, et al.Review on electrical characteristics of substitute arc extinguishing gases of sulfur hexafluoride[J]. Electrotechnics Electric, 2016 (3): 1-5.

[10] 牛文豪,张国强,林涛,等. 氟碳介质热致气液两相流的工频击穿特性及其在GIL中的应用展望[J]. 高电压技术,2017,42(3):743-753. NIU Wenhao, ZHANG Guoqiang, LIN Tao, et al.AC breakdown initiated by thermally induced bubble of nonflammable fluorocarbon and its application prospect in GIL[J]. High Voltage Engineering, 2017, 43(3): 743-753.

[11] 汤昕,廖四军,杨鑫. SF₆混合/替代气体绝缘性能的研究进展[J]. 绝缘材料,2014,47(6):18-22. TANG Xin, LIAO Sijun, YANG Xin.Research progress in insulating property of SF₆ mixing/substituting gases[J]. Insulation Materials, 2014, 47(6): 18-22.

[12] 张刘春. SF₆替代气体c-C₄F₈及其混合气体的绝缘性能研究[D] . 上海:上海交通大学,2007. ZHANG Liuchun.Study on insulation characteristics of c-C₄F₈ and its gas mixtures substituting SF₆[D]. Shanghai, China: Shanghai Jiao Tong University, 2007.

[13] VAN BRUNT R J, SIDDAGANGAPPA M C. Oxidation mechanisms using SF₆/¹⁸O₂/H₂¹⁶O and SF₆/¹⁶O₂/H₂¹⁸O gas mixtures[J]. Plasma Chemistry and Plasma Processing, 1988, 8(2): 207-221.

[14] QIU Y, KUFFEL E.Comparison of SF₆/N₂ and SF₆/CO₂ gas mixtures as alternatives to SF₆ gas[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 1999, 6(6): 892-895.

[15] 李峰,张潇,张周胜. 温度变化对SF₆/N₂混合气体放电生特性的影响[J]. 高电压技术,2017,43(3):736-742. LI Feng, ZHANG Xiao, ZHANG Zhousheng.Effect of temperature variation on discharge characteristics of SF₆/N₂ gas mixtures[J]. High Voltage Engineering, 2017, 43(3): 736-742.

[16] PRADAYROL C, CASANOVAS A, CASANOVAS J.Influence of O₂, and H₂O on the spark decomposition of SF₆, and SF₆ +50% CF₄, mixtures[J]. Experimental Technology & Management, 1996, 2(3): 149-153.

[17] CASANOVAS A M, COLL I, PRADAYROL C, et al.Influence of a solid insulator on the spark decomposition of SF₆ and 50% SF₆ + 50% CF₄ mixtures[J]. Journal of Physics D: Applied Physics, 1998, 31(20): 2835.

[18] 张鸣超,邱毓昌. SF₆及SF₆混合气体火花放电生成物分析[J]. 高压电器,1992,35(6):17-21. ZHANG Mingchao, QIU Yuchang.Analysis of composition of SF₆ and SF₆/N₂ mixtures after spark discharge[J]. High Voltage Apparatus, 1992, 35(6): 17-21.

[19] 李康,张国强,邢卫军,等. c-C₄F₈及其与N₂混合绝缘气体在典型故障时分解生成物的试验分析[J]. 高电压技术,2012,38(4):985-992. LI Kang, ZHANG Guoqiang, XING Weijun, et al.Experiment analysis of decomposition products in typical fault of c-C₄F₈ gas and insulating gas mixture containing c-C₄F₈ and N₂[J]. High Voltage Engineer, 2012, 38(4): 985-992.

[20] 马凤翔,于坤,程伟,等. 开断电弧下混合绝缘气体(SF₆+CF₄)分解特性试验研究[J]. 高压电器,2016,59(12):116-121. MA Fengxiang, YU Kun, CHENG Wei, et al.Experimental study of the decomposition of SF₆+CF₄ mixture under arcing conditions[J]. High Voltage Apparatus, 2016, 59(12): 116-121.