SF6氣體絕緣設(shè)備的放電特性試驗研究

雷 蕾（國網(wǎng)陜西省電力公司商洛供電公司，陜西 商洛 726000）

0 引 言

目前，我國工業(yè)化進(jìn)程發(fā)展迅速，逐漸完成了從手工制造業(yè)向自動化生產(chǎn)線的轉(zhuǎn)型。自動化生產(chǎn)離不開機械設(shè)備，而機械設(shè)備的動力來源是電能。隨著設(shè)備的增多，電能的使用量逐年增加，弊端逐漸顯現(xiàn)。雖然電能有效提高了工廠生產(chǎn)的效率，但是電能增加也嚴(yán)重威脅著設(shè)備本身。傳統(tǒng)的生產(chǎn)設(shè)備并不具備絕緣功能，當(dāng)某處電纜發(fā)生漏電時，會直接損毀設(shè)備，嚴(yán)重時出現(xiàn)爆炸。因此，對設(shè)備絕緣性能的研究尤為重要。

1 絕緣設(shè)備發(fā)展概述和試驗前的相關(guān)準(zhǔn)備

1.1 設(shè)備發(fā)展概況相關(guān)介紹

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國逐漸完成由農(nóng)業(yè)大國向工業(yè)大國的轉(zhuǎn)型，各類電氣設(shè)備在工業(yè)生產(chǎn)中得到了大量普及，有效提高了生產(chǎn)效率，為我國工廠的自動化生產(chǎn)做出了巨大貢獻(xiàn)。自動生產(chǎn)依靠電能為機械設(shè)備提供動力，因此必須做好設(shè)備的絕緣工作，有效提高生產(chǎn)過程的安全性。氣體絕緣設(shè)備能夠提高機械設(shè)備的絕緣性能，且具有諸多優(yōu)點：占空間小、操作簡單；投資成本較低，工作性能優(yōu)越；不會產(chǎn)生較大噪聲，節(jié)能環(huán)?！，F(xiàn)階段，我國氣體絕緣設(shè)備的發(fā)展已經(jīng)取得了巨大進(jìn)步，但是在實際生產(chǎn)過程中還存在放電、漏電現(xiàn)象，需要相關(guān)研究人員盡快改進(jìn)和完善。

1.2 試驗前的準(zhǔn)備工作

1.2.1 方案確定

在確定方案前要做好相應(yīng)的準(zhǔn)備工作，要系統(tǒng)認(rèn)識了解SF6氣體組成、性質(zhì)和特點，并整理其發(fā)展歷程，明確我國對該氣體檢測過程中存在的不足，然后根據(jù)其分解產(chǎn)物準(zhǔn)備相應(yīng)的試驗樣品，最后匯總所有信息，設(shè)計初步的試驗方案。

該項試驗又分為若干小試驗，通過控制變量法進(jìn)行每一個缺陷下的設(shè)備放電模擬試驗。試驗需要準(zhǔn)備的儀器有仿真模擬儀器、放電測試裝置、光譜分析裝置以及納米傳感裝置等。在確定相關(guān)設(shè)備后，系統(tǒng)規(guī)劃試驗方案，并合理調(diào)整試驗細(xì)節(jié)。

1.2.2 原理分析和傳感器的選擇

在試驗原理上，需要著重掌握以下兩方面內(nèi)容：紅外線測量原理和氣相色譜測量原理。前者通過光線分束器將光一分為二，通過改變光照方向產(chǎn)生相應(yīng)的光程差。當(dāng)兩束光在不同方向上進(jìn)行反射時，回程會經(jīng)過氣體檢測池，從而達(dá)到檢測氣體各項數(shù)據(jù)的目的。后者通過色譜柱實現(xiàn)對氣體的檢測。色譜柱的主要作用是將氣體按照其性質(zhì)分離成不同的色帶，檢測其通過色帶的信息，將檢測信息傳回系統(tǒng)控制終端[1]。

選用傳感器時要嚴(yán)格按照國家標(biāo)準(zhǔn)，在經(jīng)濟(jì)條件允許的范圍內(nèi)，盡可能選擇頻率較高的傳感器，提升檢測結(jié)果精度。在該項試驗中，可供選擇的傳感器有兩種——圓板式傳感器和錐形傳感器。這兩種傳感器都有自身獨特的優(yōu)勢，前者具有較強的靈敏性，擁有極快的傳輸速度，后者與整個系統(tǒng)的阻抗相吻合，工作效率能夠達(dá)到最大。試驗中，要根據(jù)實際情況選擇合適的傳感器。

1.2.3 模型初步組建和相關(guān)材料收集

一切工作就緒，開始組建試驗?zāi)Ｐ偷碾r形。試驗中的每個小試驗都要組建相應(yīng)的模型，約有七八種試驗，如毛刺缺陷、金屬微粒以及固體顆粒物等。組建模型時要注意外界環(huán)境對試驗結(jié)果的影響，如溫度、濕度等因素。此外，需要做好相關(guān)記錄，以保證試驗數(shù)據(jù)的精確性。在組建模型的同時，需要搜集每個小試驗需要的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)加以分析和整理，從而選出最恰當(dāng)?shù)臍怏w產(chǎn)物進(jìn)行試驗。最后，需要對相關(guān)儀器進(jìn)行空載啟動，并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，校核精度存在問題的儀器。

2 毛刺缺陷條件下試驗

2.1 試驗內(nèi)容

需要建立毛刺缺陷模型，該缺陷通常存在于金屬尖端。利用控制變量法，對電壓、氣壓以及含水量分別進(jìn)行控制，在發(fā)生變化的同時記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。該項試驗以陶罐體作為模型，利用其空腔中的毛刺開展試驗。毛刺需要兩極通電，兩電極材料分別為鎢和圓弧不銹鋼，且兩電極分布在同一軸線上。毛刺缺陷試驗主要以陶罐體的下部分為主要試驗部位，因此進(jìn)行圖紙設(shè)計時要重點設(shè)計下罐體。

2.2 毛刺試驗步驟

該試驗大致分為三個階段。第一階段，控制電壓。首先將陶罐體中的氣體抽空，并維持該狀態(tài)，使放電腔的液體氣化向外擴散，有效推動試驗的進(jìn)行。其次，充入定量氣壓，將電壓作為變量有序變化，而工作人員需要記錄每一時間段的電壓變化。最后，待試驗完成后，利用光譜分析法和氣象色譜儀處理數(shù)據(jù)，并繪制相應(yīng)的曲線圖。第二階段，控制氣壓。與上階段相同，將罐體抽空后，施加一定量的電壓額氣壓，并在該電壓下間隔相等時間記錄PRPD譜圖，并用文中提到的方法分析處理數(shù)據(jù)，之后不斷改變氣壓重復(fù)上述過程。第三階段，控制含水量。前面的步驟都與上述階段類似，但在對數(shù)據(jù)處理后需要加入一定的硅膠，放置一段時間后，重復(fù)相關(guān)步驟。

2.3 試驗結(jié)論

無論是哪一種試驗，分解產(chǎn)物相同。紅外光譜分析下，會多出SOF4氣體?？刂谱兞渴请妷簳r，紅外光譜分析法可以直接得出相關(guān)柱狀圖，隨著電壓的不斷增高，SF6氣體分解越徹底，得到的產(chǎn)物濃度也會不斷增加?？刂谱兞渴菤鈮簳r，隨著氣壓的不斷升高，SF6氣體分解程度越低，得到的分解產(chǎn)物濃度越稀?？刂谱兞渴呛繒r，水分的增加能夠有效提高SO2的濃度，其他分解產(chǎn)物隨水分增加變化不大。

3 其他缺陷條件下試驗的相關(guān)分析

3.1 火花放電試驗

該試驗?zāi)M強放電現(xiàn)象，控制變量和毛刺缺陷相似，唯一不同是需要將電極端末端磨平，以減小損耗?；鸹ǚ烹娫囼炐枰B續(xù)的交流電作支撐，且需要每0.5 h進(jìn)行降壓采氣操作，同時記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。試驗時分別進(jìn)行氣相測量、超聲測量以及高頻測量，并記錄相關(guān)過程，經(jīng)過相應(yīng)數(shù)據(jù)處理和分析，繪制精確的曲線圖。SO2F2和CS2是放電的主要產(chǎn)物，放電能夠?qū)怏w徹底分解得到大量的分解氣體，同時釋放大量能量使得頻譜圖波動較為劇烈[2]。

3.2 顆粒物缺陷下的相關(guān)試驗

該試驗是分析固體顆粒物對氣體分解的影響，主要控制變量有顆粒物數(shù)量和氣壓。在試驗中通常用銅片代替顆粒物，將試驗?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行充真空并維持此狀態(tài)，然后加入定量的氣壓和電壓，之后可通過控制銅片的多少和氣壓高低進(jìn)行檢測。大量重復(fù)試驗表明，SOF4氣體是該試驗下的分解產(chǎn)品，與顆粒物數(shù)量和氣壓成正比關(guān)系，即顆粒越多，氣壓越高，分解氣體的濃度就越大。

3.3 絕緣子劃痕下的相關(guān)試驗

此試驗中，絕緣子表面劃痕的多少是決定SF6氣體放電能力的關(guān)鍵因素。經(jīng)過一系列的試驗測量可知，該條件的分解產(chǎn)物是CO2，且隨著時間的推移，分解氣體逐漸呈現(xiàn)出線性增加趨勢。無論是紅外光測量、氣相測量還是高頻測量，它的分解氣體都隨反應(yīng)的進(jìn)行不斷增加。

3.4 螺絲松動引起設(shè)備過熱的相關(guān)試驗

該缺陷條件下可能引起模型設(shè)備發(fā)熱，當(dāng)溫度升高到一定程度時，模型內(nèi)部的電爐絲會發(fā)生熔斷現(xiàn)象，從而造成機械設(shè)備故障。針對引起的過熱缺陷，需要控制電爐絲溫度的高低，在試驗過程中間隔相等的時間記錄數(shù)據(jù)。試驗中電爐絲溫度的變化是由低到高依次遞增的，試驗完成后將分解氣體經(jīng)氣相色譜儀分析處理，即可畫出相應(yīng)曲線。需注意，分解氣體種類較多，必須仔細(xì)分析。分解氣體的濃度和溫度變化呈現(xiàn)線性關(guān)系，即溫度越高，分解物濃度越大。

3.5 螺絲松動導(dǎo)致懸浮電位變化的相關(guān)試驗

懸浮電位缺陷試驗是模擬GIS在設(shè)備內(nèi)部的運行情況，當(dāng)螺絲出現(xiàn)松動時，設(shè)備內(nèi)部線路可能會出現(xiàn)接觸不良，從而導(dǎo)致懸浮電位發(fā)生變化。在組裝試驗設(shè)備時，要在松動螺絲附近安裝正負(fù)電極板，用來監(jiān)測設(shè)備電壓的變化情況。該電極板與測量裝置相連通，可直接記錄電位變化數(shù)據(jù)。經(jīng)過氣相色譜儀對數(shù)據(jù)的處理分析可知，分解氣體種類繁雜，且隨著懸浮電位的增加，分解產(chǎn)物逐漸減少。

3.6 其他缺陷的試驗

除上述試驗外，絕緣設(shè)備的缺陷還包括受潮缺陷和設(shè)備內(nèi)部吸附劑對放電特性的影響。進(jìn)行試驗時，通常將毛刺和受潮缺陷組合起來研究放電特性。試驗曲線成U型分布，即在試驗初期和末期分解氣體濃度較大[3]。吸附劑往往對放電性能的影響不大。通過不同吸附劑對氣體分解的研究可看出，吸附劑的存在不利于氣體分解。

4 結(jié) 論

綜上所述，通詳細(xì)介紹SF6氣體絕緣設(shè)備試驗前的準(zhǔn)備工作、毛刺缺陷對放電特性的影響以及其他缺陷存在時的放電試驗，使人們對其有了系統(tǒng)的認(rèn)識和了解。工業(yè)生產(chǎn)中，設(shè)備的絕緣程度越高，生產(chǎn)過程的安全保障越大。上述試驗氣體放電性能高低是依靠分解產(chǎn)物濃度判斷的，濃度越高，放電性越強。通過試驗可判斷影響絕緣性能的主要缺陷，需對其進(jìn)行改進(jìn)，進(jìn)一步提高生產(chǎn)的安全性。