龐先海， 王 瀟， 修士新， 景皓， 孫志恒

(1.國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司電力科學(xué)研究院，石家莊 050021；2.西安交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，西安 710049)

0 引 言

以SF6氣體為絕緣介質(zhì)和滅弧介質(zhì)的電氣設(shè)備如SF6高壓斷路器、GIS等在高電壓領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，但由SF6氣體絕緣設(shè)備內(nèi)部缺陷、故障引起的事故也隨之增多，因此尋找有效評(píng)估內(nèi)部狀態(tài)的方法顯得尤為重要。SF6電氣設(shè)備缺陷及故障下分解產(chǎn)物會(huì)發(fā)生改變，SF6的氣體分解產(chǎn)物與電氣設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)密切關(guān)聯(lián)[1-5]，因此進(jìn)行SF6斷路器滅弧室內(nèi)部的不同故障缺陷條件下分解產(chǎn)物種類(lèi)及其特性研究，對(duì)SF6電氣設(shè)備的缺陷與故障的預(yù)防及診斷具有重要意義。

目前已有研究主要針對(duì)SF6氣體在電弧、放電和受熱情況下的分解問(wèn)題[6-9]。例如F.Y.Chu等人研究了電弧作用下SF6氣體的分解產(chǎn)物[10]。M. Piemontesi等人研究了電暈放電條件下SF6氣體分解產(chǎn)物[11]。有學(xué)者研究了在局部放電、火花放電以及過(guò)熱等故障條件下氣體分解產(chǎn)物[12-15]，而對(duì)SF6氣體設(shè)備常見(jiàn)的其他故障缺陷類(lèi)型研究較少。

斷路器在分閘時(shí)由提升桿帶動(dòng)壓氣缸高速運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，一方面壓氣缸內(nèi)的SF6氣體被壓縮增壓，另一方面，利用電弧產(chǎn)生的能量對(duì)壓氣缸內(nèi)的SF6氣體增壓。斷路器分閘過(guò)程中，高速的SF6氣體通過(guò)噴口將氣流聚集，吹向電弧，高速運(yùn)動(dòng)的氣體能夠帶走電弧產(chǎn)生的熱量，以便有效地對(duì)電弧進(jìn)行冷卻，同時(shí)高壓力使得SF6氣流絕緣強(qiáng)度增大，能夠更好地阻止電弧復(fù)燃。

當(dāng)斷路器壓氣缸出現(xiàn)故障，壓氣缸在分閘時(shí)壓氣不足，會(huì)導(dǎo)致壓縮的SF6壓力不足，致使斷路器開(kāi)斷能力下降，甚至出現(xiàn)更加嚴(yán)重的故障諸如開(kāi)斷失敗，造成事故范圍的擴(kuò)大，對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生不利影響。因此對(duì)壓氣缸壓氣不足缺陷下的SF6斷路器開(kāi)斷電流后氣體分解產(chǎn)物特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究非常有意義。

本文通過(guò)建模仿真模擬了壓氣不足缺陷下壓氣缸內(nèi)氣壓的變化，并與壓氣缸正常情況下進(jìn)行了對(duì)比，繼而確定了壓氣不足的缺陷設(shè)置方法；隨后通過(guò)對(duì)40.5 kV SF6斷路器進(jìn)行電流開(kāi)斷實(shí)驗(yàn)，對(duì)設(shè)置了壓氣缸壓氣不足缺陷的斷路器和壓氣正常的斷路器在電流開(kāi)斷后的氣體分解產(chǎn)物進(jìn)行測(cè)量分析，探究滅弧室內(nèi)氣體分解產(chǎn)物的種類(lèi)、含量及其隨燃弧能量等的變化規(guī)律，將兩種情況下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，探究壓氣不足對(duì)分解產(chǎn)物的影響。

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及研究方法

1.1 壓氣缸壓氣不足仿真模擬及缺陷設(shè)置

為研究斷路器在壓氣缸故障(壓氣不足)條件下開(kāi)斷電流后氣體分解產(chǎn)物的變化規(guī)律，本文采取的辦法是在壓氣缸上鉆孔的方式來(lái)體現(xiàn)壓氣不足。對(duì)斷路器壓氣缸進(jìn)行三維建模，采用Fluent軟件進(jìn)行仿真分析，定量分析開(kāi)孔后斷路器斷開(kāi)過(guò)程中，壓氣缸氣壓的變化。

對(duì)壓氣缸按實(shí)際尺寸進(jìn)行建模，壓氣缸高度為100 mm，直徑為75 mm，模型建立時(shí)，在壓氣缸上預(yù)留兩個(gè)圓孔，圓孔直徑為10 mm，進(jìn)行氣流場(chǎng)仿真分析，在仿真壓氣缸正常狀態(tài)時(shí)將預(yù)留圓孔邊界條件定義為壁面，模擬壓氣不足時(shí)用排氣孔進(jìn)行定義。

首先對(duì)斷路器壓氣缸正常狀態(tài)下開(kāi)斷過(guò)程中壓氣缸壓縮過(guò)程進(jìn)行仿真分析，根據(jù)實(shí)際斷路器參數(shù)，設(shè)置壓氣缸內(nèi)初始?xì)鈮簽?.60 MPa，斷路器行程為68 mm，在活塞運(yùn)行30%行程后噴口打開(kāi)。在此條件下進(jìn)行氣流場(chǎng)分析，得到噴口打開(kāi)時(shí)刻氣缸內(nèi)氣壓分布如下圖1所示，由氣壓分布圖可見(jiàn)，由于氣缸壓縮，在噴口打開(kāi)時(shí)刻，壓氣缸內(nèi)氣壓介于0.96 MPa和0.98 MPa之間，靠近活塞處壓力最大。

對(duì)鉆孔的壓氣缸進(jìn)行仿真，其他參數(shù)不變，噴口打開(kāi)前氣壓分布如圖2所示，可見(jiàn)，壓氣缸內(nèi)部壓力最大值為0.76 MPa左右，排氣孔處氣壓與壓氣缸外氣壓接近，約為0.60 MPa。

鉆孔后的壓氣缸在壓縮過(guò)程中部分氣體通過(guò)圓孔吹到壓氣缸外，氣體流速如下所示，由圖3可見(jiàn)，壓氣缸鉆孔后，會(huì)有氣體從鉆孔處噴出，在氣孔處噴出氣體速度可以達(dá)到20 m/s以上。

圖1 正常開(kāi)斷噴口打開(kāi)時(shí)刻氣壓分布Fig.1 Pressure distribution when the spout is open in a normal breaking

圖2 故障開(kāi)斷時(shí)噴口打開(kāi)時(shí)刻氣壓分布Fig.2 Pressure distribution when the spout is open in a fault breaking

圖3 故障開(kāi)斷噴口打開(kāi)時(shí)刻速度矢量圖Fig.3 Speed vector illustration when the spout is open in a fault breaking

通過(guò)圖1與圖2對(duì)比發(fā)現(xiàn)，壓氣缸鉆孔后，在活塞壓縮過(guò)程中，氣體從開(kāi)孔處流出，壓氣缸內(nèi)氣體壓力明顯下降，壓氣缸鉆孔前后，噴口開(kāi)斷時(shí)刻壓氣缸內(nèi)外氣壓差分別為0.38 MPa和0.16 MPa，可見(jiàn)在壓氣缸鉆孔之后，氣缸內(nèi)外氣壓差下降為原有的42%，氣體壓力已明顯降低。

1.2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

本文實(shí)驗(yàn)通過(guò)在斷路器的壓氣缸上鉆2個(gè)直徑為10 mm圓孔以模擬壓氣缸壓氣不足故障，在壓氣缸上部鉆一個(gè)孔，另一個(gè)孔位于該孔對(duì)側(cè)。對(duì)設(shè)置好缺陷的斷路器和正常斷路器通過(guò)高壓合成回路提供開(kāi)斷電流，在斷路器上進(jìn)行電流開(kāi)斷實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)后對(duì)分解產(chǎn)物進(jìn)行研究。

本實(shí)驗(yàn)選擇額定電壓為40.5 kV、額定電流為2 000 A的戶內(nèi)罐式SF6斷路器，額定工作氣壓為0.60 MPa，額定開(kāi)斷電流為36 kA，斷路器內(nèi)部安裝分子篩吸附劑。

利用高壓合成回路進(jìn)行了40.5 kV斷路器的開(kāi)斷電流實(shí)驗(yàn)。該合成回路由L1、C1構(gòu)成的單頻振蕩電流源提供短路電流，圖4為實(shí)驗(yàn)回路原理圖，振蕩頻率為50 Hz，L2、C2振蕩形成施加在試品上的恢復(fù)電壓。

L1、L2-電流源和電壓源電感；C1、C2-電流源和電壓源電容； K1-主合閘開(kāi)關(guān)；K2-引弧開(kāi)關(guān)；K3-輔助開(kāi)關(guān)；SP-試品；R2-引弧電阻；R01、R02、C01、C02-調(diào)頻電阻和調(diào)頻電容；F、F1、F2-分流器；FV-分壓器；D-點(diǎn)火球隙。圖4 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.4 Experiment system

實(shí)驗(yàn)中，試品SP(斷路器)閉合，主回路開(kāi)關(guān)K1斷開(kāi)，充電裝置Ⅰ對(duì)電容C1充電。充電完成后閉合K1和K3，斷路器直接開(kāi)斷大電流產(chǎn)生電弧。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，通過(guò)羅氏線圈采集電弧電流信號(hào)，即為流過(guò)斷路器的電流，同時(shí)利用高壓探頭檢測(cè)斷路器兩端電壓及電弧電壓。利用示波器檢測(cè)和記錄斷路器開(kāi)斷過(guò)程的弧壓以及開(kāi)斷電流的波形和數(shù)據(jù)，并根據(jù)弧壓和電流的有效值及燃弧時(shí)間，計(jì)算斷路器開(kāi)斷過(guò)程的電弧能量。

通過(guò)示波器采集到的電弧電壓和開(kāi)斷電流數(shù)據(jù)，依據(jù)下式計(jì)算燃弧能量：

(1)

式中：U為示波器采集的電弧電壓數(shù)據(jù)；I為開(kāi)斷電流的離散數(shù)據(jù)；Δt為采樣間隔；N為采樣點(diǎn)數(shù)。

1.3 分解產(chǎn)物檢測(cè)系統(tǒng)

1.3.1 檢測(cè)儀器的選擇及氣體分解產(chǎn)物的定性

本實(shí)驗(yàn)使用采氣瓶取樣氣體分解產(chǎn)物，并利用電化學(xué)傳感器法和氣相色譜法相結(jié)合來(lái)進(jìn)行分解產(chǎn)物檢測(cè)。

1)電化學(xué)傳感器法。

電化學(xué)傳感器可以對(duì)二氧化硫(SO2)、硫化氫(H2S)、一氧化碳(CO)3種分解產(chǎn)物進(jìn)行測(cè)量。

2)氣相色譜法。

采用氣相色譜儀配置氫火焰離子化檢測(cè)器(FID)和脈沖火焰光度檢測(cè)器(PFPD)，對(duì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的SF6氣體樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)分析。圖5和圖6分別為兩種檢測(cè)器的色譜。

圖5 氣相色譜儀FID檢測(cè)器色譜出峰Fig.5 Chromatographed peaks of gas chromatograph FID detector

圖6 氣相色譜儀PFPD檢測(cè)器色譜圖Fig.6 Chromatograph of gas chromatograph PFPD detector

3)氣體取樣裝置。

在開(kāi)斷實(shí)驗(yàn)后，將氣室內(nèi)待測(cè)氣體取樣，在氣相色譜儀上進(jìn)行化驗(yàn)，本實(shí)驗(yàn)使用采氣瓶來(lái)采集斷路器內(nèi)開(kāi)斷后的SF6氣體分解產(chǎn)物的樣氣。取氣瓶實(shí)物圖重8.0 kg，采氣瓶體積約為0.7 L，在使用后需對(duì)氣瓶進(jìn)行抽真空處理。

1.3.2 氣體分解產(chǎn)物的定量

本文選擇外標(biāo)法對(duì)SF6氣體分解產(chǎn)物進(jìn)行定量，分別對(duì)各個(gè)濃度的標(biāo)氣進(jìn)行相同條件下的色譜分析，測(cè)得各個(gè)濃度下標(biāo)氣的色譜峰面積，然后以色譜峰面積平方根為橫坐標(biāo)，濃度含量為縱坐標(biāo)，在色譜的線性范圍內(nèi)擬合出該氣體組分的標(biāo)準(zhǔn)曲線。圖7所示為擬合后某種氣體組分的標(biāo)準(zhǔn)曲線，圖中的點(diǎn)即為某個(gè)濃度標(biāo)氣所測(cè)量的色譜峰面積平方根對(duì)應(yīng)濃度在曲線上的定位。

圖7 氣體組分的標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.7 Standard curve of gas composition

圖7中標(biāo)準(zhǔn)曲線可以用如下公式表示：

Ci=α+KiAi。

(2)

式中：Ci為i組分的濃度；α為氣體組分標(biāo)準(zhǔn)曲線截距；Ki為標(biāo)準(zhǔn)曲線斜率；Ai為i組分色譜峰面積平方根。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，可得氣體成分的氣體色譜的峰面積，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線表達(dá)式計(jì)算出相應(yīng)的濃度。表1是本文中在相同實(shí)驗(yàn)色譜條件下的部分氣體分解產(chǎn)物的截距和斜率。

表1 部分氣體分解產(chǎn)物PFPD、FID標(biāo)準(zhǔn)曲線的截距和斜率

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 分解產(chǎn)物種類(lèi)及其含量隨時(shí)間變化規(guī)律

對(duì)壓氣缸鉆孔的斷路器進(jìn)行電流開(kāi)斷，控制斷路器內(nèi)SF6氣體的空氣和水分含量在正常范圍內(nèi)，安裝吸附劑，在額定氣壓0.6 MPa下進(jìn)行開(kāi)斷實(shí)驗(yàn)，開(kāi)斷電流范圍在6.2 kA～13.9 kA之間，在電化學(xué)傳感器和氣相色譜上檢測(cè)到的分解產(chǎn)物有CO、CO2、CS2、SO2、SOF2。開(kāi)斷后在不同時(shí)間點(diǎn)對(duì)氣室內(nèi)氣體進(jìn)行采樣測(cè)量，在每次氣體分解產(chǎn)物檢測(cè)完成后對(duì)斷路器內(nèi)氣體進(jìn)行更換，再進(jìn)行下一次電流的開(kāi)斷。

下面以開(kāi)斷電流為7.3 kA的情況為例具體介紹分解產(chǎn)物隨時(shí)間的變化規(guī)律。

圖8所示為開(kāi)斷電流為7.3 kA時(shí)的開(kāi)斷電流和電弧電壓波形圖，電弧在第二個(gè)半波內(nèi)被引燃，在第三個(gè)半波內(nèi)熄滅，燃弧時(shí)間為10.8 ms，通過(guò)公式(1)計(jì)算得到此次燃弧的電弧能量為1.71 kJ。

1-開(kāi)斷電流波形5.00 kA/div；2-電弧電壓波形200 V/div圖8 7.3 kA開(kāi)斷的開(kāi)斷電流和電弧電壓波形Fig.8 Waveform of breaking current and arc voltage at 7.3 kA

開(kāi)斷后立即對(duì)斷路器分解產(chǎn)物在電化學(xué)傳感器檢測(cè)儀上進(jìn)行測(cè)量，未檢測(cè)到滅弧室內(nèi)分解產(chǎn)物，說(shuō)明在開(kāi)斷后瞬間，滅弧室內(nèi)氣體尚未擴(kuò)散至斷路器取氣孔。在開(kāi)斷0.5h進(jìn)行測(cè)量，檢測(cè)到含量為1.7 μL/L，隨后在開(kāi)斷后不同時(shí)刻對(duì)氣室內(nèi)分解產(chǎn)物進(jìn)行測(cè)量。如圖9所示為電化學(xué)傳感器檢測(cè)儀檢測(cè)到的SO2含量在開(kāi)斷后不同時(shí)刻的變化趨勢(shì)，可以看出，SO2含量在1.5 h時(shí)達(dá)到最大值，在1.5 h到6 h過(guò)程中，SO2含量穩(wěn)步下降，6 h后由于吸附劑的吸附作用，SO2含量降低為零。

圖9 電化學(xué)檢測(cè)到的SO2含量變化曲線Fig.9 SO2 content curve detected by electrochemical sensor

圖10是分解產(chǎn)物SO2含量變化率隨時(shí)間變化曲線。由圖可以看出，在開(kāi)斷電流后0.5 h時(shí)，SO2增長(zhǎng)率最大，達(dá)到3.4 μL/Lh，1.5 h內(nèi)SO2的增加速度逐漸減小，隨后變化率變?yōu)樨?fù)值，SO2含量逐漸下降。

圖10 SO2含量變化速率隨時(shí)間變化曲線Fig.10 SO2 content rate varies with time

開(kāi)斷后在氣相色譜PFPD檢測(cè)器上檢測(cè)到的分解產(chǎn)物有CS2、SO2、SOF2，F(xiàn)ID檢測(cè)器上檢測(cè)到CO、CO2。對(duì)氣相色譜儀上檢測(cè)到的不同時(shí)刻的分解產(chǎn)物的含量作圖，如圖11所示。圖中SO2和SOF2的含量采用峰面積平方根進(jìn)行表示是因?yàn)樵赑FPD檢測(cè)器的氣相色譜上兩者的出峰時(shí)間接近，難以區(qū)分，同時(shí)又難以確定氣體組分內(nèi)兩者的含量比例，難以對(duì)二者含量進(jìn)行定量，而采取和含量成正比的峰面積平方根數(shù)據(jù)予以表示。

從圖11可以看出，分解產(chǎn)物SO2、SOF2、CS2、CO2含量在開(kāi)斷后隨時(shí)間先增加，在3 h之后，相關(guān)物質(zhì)產(chǎn)生減弱，由于吸附反應(yīng)，含量逐漸降低并達(dá)到穩(wěn)定值。分解產(chǎn)物CO在開(kāi)斷后逐漸增加，3 h后基本穩(wěn)定，這是由于CO相對(duì)穩(wěn)定，對(duì)吸附劑不敏感。

圖11 氣相色譜檢測(cè)到的分解產(chǎn)物含量變化曲線Fig.11 Changes in the content of decomposition products detected by gas chromatogram

2.2 開(kāi)斷后分解產(chǎn)物形成過(guò)程機(jī)理分析

由以上分解產(chǎn)物種類(lèi)及其含量隨時(shí)間變化規(guī)律的研究可知，開(kāi)斷后檢測(cè)到的主要?dú)怏w成分有SO2+SOF2、CS2、CO、CO2，這些氣體產(chǎn)物主要來(lái)自于以下反應(yīng)過(guò)程：

開(kāi)斷電流過(guò)程中伴隨巨大能量的短時(shí)釋放，電弧區(qū)域附近溫度很高，SF6的S-F鍵在高能電子作用下發(fā)生斷裂，產(chǎn)生低氟化物和氟原子，反應(yīng)如(3)所示，氣體中雜質(zhì)也會(huì)在高溫作用下發(fā)生分解，即

SF6→SF4+2F→SF2+4F→S+6F，

(3)

O2→2O;H2O→H+OH。

(4)

在電弧熄滅后，電弧周?chē)掷m(xù)高溫，SF6離解物與氣體中雜質(zhì)發(fā)生反應(yīng)生成相關(guān)產(chǎn)物，如下式：

SF4+H+OH→SOF2+2HF,

(5)

SOF2+H2O→SO2+HF，

(6)

SF4+H2O→SOF2+2HF，

(7)

2SF4+O2→2SOF4，

(8)

2SOF4+H2O→2SOF2+2HF。

(9)

開(kāi)斷電流產(chǎn)生的巨大能量使得電弧附近溫度迅速升高，周?chē)h(huán)境如絕緣介質(zhì)中含有的碳元素會(huì)與分解產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)，生成CO、CO2、CS2，即

C+H2O→CO+H2，

(10)

2C+O2→2CO，

(11)

C+O2→CO2，

(12)

C+S→CS2。

(13)

隨著電弧熄滅，電弧附近溫度降低，大部分低氟化物與F原子發(fā)生復(fù)合，生成SF6，即

S+6F→SF2+4F→SF4+2F→SF6。

(14)

2.3 燃弧能量對(duì)分解產(chǎn)物的影響

本節(jié)通過(guò)對(duì)多次開(kāi)斷實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行匯總，計(jì)算不同開(kāi)斷電流下的燃弧能量，將不同燃弧能量下的分解產(chǎn)物含量匯總并進(jìn)行對(duì)比。

開(kāi)斷后FID檢測(cè)器檢測(cè)到CO和CO2含量最大值隨燃弧能量變化關(guān)系分別如圖12和圖13所示，可以看出隨著燃弧能量的增加，分解產(chǎn)物CO和CO2含量增加。

氣相色譜儀PFPD檢測(cè)到的SO2+SOF2的混合氣體含量在不同燃弧能量下隨時(shí)間變化如圖14。

圖12 氣相色譜檢測(cè)到的CO含量隨燃弧能量變化Fig.12 Changes in the content of CO with arc energy detected by gas chromatogram

圖13 氣相色譜檢測(cè)到的CO2含量隨燃弧能量變化Fig.13 Changes in the content of CO2 with arc energy detected by gas chromatogram

圖14 不同燃弧能量SO2+SOF2含量隨時(shí)間變化Fig.14 Content of SO2+SOF2 varies with time at different arc energy

從圖14可以看出，隨著燃弧能量的增加， 分解產(chǎn)物SO2+SOF2的含量隨之增加。取各此開(kāi)斷后SO2+SOF2的峰面積平方根最大值，作圖可以得到下圖15?？梢钥闯觯谌蓟∧芰繛?.71 kJ～6.50 kJ范圍內(nèi)，開(kāi)斷后氣室內(nèi)分解產(chǎn)物SO2+SOF2的含量最大值近乎呈直線增加，在燃弧能量大于7 kJ以后，分解產(chǎn)物SO2+SOF2增長(zhǎng)速度放緩，隨著燃弧能量增加。

圖15 SO2+SOF2含量隨燃弧能量的變化Fig.15 Content of SO2+SOF2 varies with arc energy

電化學(xué)傳感器測(cè)得的不同的燃弧能量下SO2組分含量變化如圖16所示。由圖16可以得到，不同電流等級(jí)的分解產(chǎn)物變化趨勢(shì)是相同的，分解產(chǎn)物在開(kāi)斷后1.5 h～2 h內(nèi)增加很快，在1.5 h～2 h左右達(dá)到最大值，隨后開(kāi)始下降，在6 h后下降到比較低的值穩(wěn)定。

圖16 不同燃弧能量SO2含量隨時(shí)間變化Fig.16 Content of SO2 varies with time at different arc energy

綜上，在壓氣缸壓氣不足時(shí)，開(kāi)斷后的分解產(chǎn)物SO2+SOF2、CO、CO2均隨燃弧能量的增大而增加。這是由于燃弧能量增大時(shí)，電弧周?chē)鷾囟雀?，從而加劇了分解產(chǎn)物的反應(yīng)，分解物增多。

2.4 壓氣缸壓氣不足與壓氣正常實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比研究

通過(guò)壓氣缸壓氣不足與壓氣正常的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，兩種情況下開(kāi)斷電流后，氣體分解產(chǎn)物的種類(lèi)相同，氣室內(nèi)均檢測(cè)到CO、SO2、SOF2、CO2、CS2，且壓氣缸壓氣不足和壓氣缸正常條件下開(kāi)斷后的分解產(chǎn)物變化趨勢(shì)一致，均在1.5 h左右其含量達(dá)到最大值，隨后逐漸下降。

控制其他實(shí)驗(yàn)條件相同，在壓氣不足和壓氣正常情況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。開(kāi)斷后氣相色譜儀檢測(cè)到的CO含量最大值隨能量變化如圖17所示。

圖17 壓氣不足與壓氣正常CO含量隨燃弧能量的變化Fig.17 Content of CO varies with arc energy at pressure insufficient fault and normal conditions

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，壓氣缸壓氣不足與壓氣缸正常狀態(tài)時(shí)CO含量均隨著燃弧能量的增加而增加，在壓氣缸壓氣不足時(shí)，開(kāi)斷電流后氣室內(nèi)分解產(chǎn)物CO含量比壓氣缸正常時(shí)低，在燃弧能量為4 kJ時(shí)，壓氣缸壓氣正常時(shí)檢測(cè)到的CO含量為5 μL/L，在壓氣缸壓氣不足時(shí)檢測(cè)到的CO含量?jī)H為1 μL/L，在壓氣缸壓氣不足時(shí)，CO含量約為壓氣正常時(shí)含量的20%。

壓氣缸在正常狀態(tài)和壓氣缸壓氣不足狀態(tài)下的分解產(chǎn)物SO2含量與燃弧能量變化對(duì)比見(jiàn)圖18，壓氣缸壓氣不足的SO2含量比壓氣缸正常情況的含量低，在燃弧能量為5 kJ時(shí)，壓氣缸壓氣正常時(shí)檢測(cè)到的SO2含量為18 μL/L，在壓氣缸壓氣不足時(shí)檢測(cè)到的SO2含量?jī)H為10 μL/L，在壓氣缸故障時(shí)，分解產(chǎn)物SO2含量降至壓氣缸正常時(shí)的56%左右。

在壓氣缸壓氣不足時(shí)，開(kāi)斷電流產(chǎn)生的分解產(chǎn)物CO、SO2含量比壓氣正常時(shí)減少。這是由于在斷路器壓氣缸壓氣不足時(shí)，壓氣缸內(nèi)的氣體在開(kāi)斷過(guò)程中氣壓比正常時(shí)小，吹弧速度慢，流過(guò)電弧周?chē)臍怏w總量減少，相關(guān)生成分解產(chǎn)物的反應(yīng)減弱。

圖18 正常條件下與壓氣缸故障下的SO2含量對(duì)比Fig.18 Comparison of SO2 content between pressure insufficient fault and normal conditions

3 結(jié) 論

本文以40.5 kV SF6斷路器為試品，設(shè)置斷路器壓氣缸壓氣不足缺陷，通過(guò)對(duì)缺陷條件下的氣體分解產(chǎn)物進(jìn)行定性定量分析，研究壓氣缸壓氣不足情況下開(kāi)斷電流后氣體分解產(chǎn)物的變化規(guī)律，并與壓氣缸正常時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，得到結(jié)論如下：

1)斷路器電流開(kāi)斷后氣體分解產(chǎn)物主要有CO、CO2、CS2、SO2、SOF2；分解產(chǎn)物SO2、SOF2、CS2、CO2含量在開(kāi)斷后隨時(shí)間先增加，在2 h之后，產(chǎn)物含量減少，由于吸附反應(yīng)，含量逐漸降低并在6 h后達(dá)到穩(wěn)定值；而CO對(duì)吸附劑不敏感，CO在開(kāi)斷后逐漸增加，在達(dá)到最大值后含量趨于穩(wěn)定，這是由于斷路器內(nèi)吸附劑主要為堿性吸附劑，對(duì)CO2、CS2、SO2、SOF2具有吸附作用，而CO對(duì)吸附劑不敏感；對(duì)比多次開(kāi)斷測(cè)量結(jié)果，發(fā)現(xiàn)分解產(chǎn)物含量隨著燃弧能量的增加而增加。

2)對(duì)比壓氣缸壓氣不足與壓氣缸正常狀態(tài)時(shí)開(kāi)斷實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，開(kāi)斷后檢測(cè)到的CO、SO2含量比壓氣缸正常時(shí)的含量低。在斷路器壓氣缸壓氣不足時(shí)，會(huì)使斷路器的額定開(kāi)斷能力下降，在開(kāi)斷小電流時(shí)，由于壓縮氣體壓力不足，流過(guò)電弧周?chē)臍怏w總量減少，發(fā)生反應(yīng)生成分解產(chǎn)物進(jìn)程減弱。

(3)由于實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，斷路器開(kāi)斷電流并未達(dá)到斷路器滿容量時(shí)的開(kāi)斷電流，斷路器能夠在電流過(guò)零時(shí)刻開(kāi)斷，實(shí)際運(yùn)行中，斷路器達(dá)到較大開(kāi)斷電流時(shí)，壓氣缸氣吹壓力不足，會(huì)影響到SF6電氣設(shè)備的氣體絕緣水平，導(dǎo)致絕緣性能減弱，可能導(dǎo)致開(kāi)斷失敗。