SF6分解产物检测在GIS故障诊断中的应用

郭 伟，刘韧强，蒋成杰，朱元杰，邱 刚，周福好

(1.国网安徽省电力公司马鞍山供电公司，安徽 马鞍山 243000；2.国网安徽省电力公司淮北供电公司，安徽 淮北 235000)

SF6分解产物检测在GIS故障诊断中的应用

郭 伟1，刘韧强2，蒋成杰1，朱元杰1，邱 刚1，周福好1

(1.国网安徽省电力公司马鞍山供电公司，安徽 马鞍山 243000；2.国网安徽省电力公司淮北供电公司，安徽 淮北 235000)

介绍了一例110 kV GIS设备发生故障跳闸之后，检测人员通过对SF6气体分解产物中的SO2+SOF2，H2S，CO等成分含量的检测，快速地查找到故障点所在的气室位置。通过对SF6气体分解产物形成机理的分析和研究，得出运用SF6气体分解产物成分检测技术，不仅可以诊断设备故障的位置，也可以成为检测设备状态的一种有效手段，利用这一技术为设备的故障诊断和状态检修提供有力的科学支撑。

绝缘缺陷；母线故障；六氟化硫；分解产物；诊断方法

0 引言

SF6气体具有很好的化学稳定性和优异的电气性能，被广泛应用于GIS(Gas Insulated Switchgear，气体绝缘全密封组合电器)中。但因GIS的设计、材质和工艺等原因使其内部出现绝缘缺陷和导电杆连接不良等问题，进而产生局部放电，造成SF6气体分解和固体绝缘材料裂解。当局部放电累积到一定程度时，缺陷会变大，并进一步发展成设备故障，导致事故发生，影响电力生产的正常进行。

GIS由断路器、隔离开关、接地开关、避雷器、互感器、套管、母线、连接件和出线终端等部分组成，这些设备或部件全部封闭在接地的金属母线筒中。如果某一设备或部件出现问题，将直接影响GIS的安全运行。

目前对SF6电气设备的试验方法主要有电气法和化学法。电气法一般需在停电时才能使用，而且试验电压低、电流小，难以检出设备的早期隐患；化学法中常用SF6纯度、湿度检测和检漏，这些方法只能评价安装维护工艺，与内部故障没有直接关系。通过分析SF6电气设备气体中SO2+SOF2，H2S，CO等分解产物的含量，可以快速、准确地检测出GIS内部故障。

1 SF6气体分解产物的形成机理

在GIS内部存在放电的情况下，SF6气体分解和还原过程的化学反应式如下：

上述反应式中，C代表碳元素，M代表Al，Ag，Wu，Cu等金属元素，CFn代表CF4，C3F8等气体分解产物，MFn代表产生的固体粉末物质AlF3，AgF，WuF6，CuF2等。

由于放电形式的不同，SF6分解产物的种类和组分也有所不同。

(1) 在电弧作用下，分解产物主要是SO2，H2S，SOF2及HF等。

(2) 在火花放电中，分解产物主要是SO2，H2S，SOF2及HF等，但与电弧作用下生成物之间的比值有所变化。

(3) 在电晕放电中，分解产物为SO2及HF。

(4) 在放电和热分解以及水分作用下，气体分解产物为SOF2，SO2，HF和SO2F2。

(5) 当故障涉及固体绝缘材料时，还会产生CF4，H2S，CO及CO2等。

实践表明，以SO2和H2S气体组分作为判断被检测设备是否存在故障的特征分解产物，可准确、快速诊断设备内部缺陷和检测设备的潜伏性故障。

由于组成GIS的断路器动触头及其拉杆、隔离开关导电杆等的主要成分为Al，Ag，Wu，Cu等金属元素，当气室内发生局部放电时，在高温电弧的作用下，SF6气体不仅自身会发生分解和复合，其分解产物与金属元件及SF6气体中的杂质3者之间还会发生一系列的化学反应。

2 事故跳闸经过及现场分析情况

某220 kV变电站110 kV GIS，型号为ZF10-126 G，出厂日期为2012-11-02，于2013-06-05投运。2013-08-02T02:11，110 kV母差保护动作，造成I母母线整段停电。

故障发生后，生产厂专业人员到达现场检查，未发现110 kV GIS整体外观有明显异常工况痕迹。之后化验人员对SF6气体进行成分分析，发现1号主变7011刀闸母线侧气室内SF6气体主要分解产物成分含量异常，如表1所示，其中SO2含量达到102.34 μL/L，H2S含量达到9.21 μL/L；其他气室数据正常。

根据国家电网公司Q/GDW1896—2013《SF6气体分解产物检测技术现场应用导则》，分解产物参考指标如表2所示。依据表2，诊断出该气室存在严重的放电故障;因检测出的H2S气体含量较高，初步判断放电故障与固体绝缘的分解有关。

表1 故障气室SF6气体主要分解产物成分含量 μL/L

表2 SF6气体分解产物组分、检测指标和评价结果μL/L

3 事故处理措施

事故该变电站专业人员迅速与设备生产厂家联系后，决定将该三工位隔离开关及与其对接的部分主母线拆卸后运回厂内检修，待返厂检修合格后再运回现场进行安装对接。

2013-08-03，专业人员在现场对故障部位的三工位隔离开关、主母线壳体与导体进行了拆卸，并对拆卸后的工程对接面进行紧急处理，同时将拆卸下来的三工位隔离开关、主母线壳体与导体运回制造厂检查、分析。

4 设备现场拆检情况

(1) 三工位开关内部导体B相导电杆与电连接对接位置处有明显烧损现象，同时B相导电杆与电连接对接处缝隙较大，现场对此处的连接螺栓拧动时发现螺栓未紧固。

(2) 三工位隔离开关内部A相与C相导电杆表面都有明显融蚀痕迹，但A相与C相导电杆与绝缘拉杆动触头对接良好，无缝隙和烧损痕迹。

(3) 三工位隔离开关的底部有白色粉末。

(4) 三工位开关其余部位未见明显异常。

5 设备返厂拆检情况

设备返厂后，厂家专业人员对运回部件进行了拆卸和检查。经检查，未发现从现场运回的4段壳体间的内部导体及壳体内部有异常，遂对导体擦拭后重新组装，试验测试合格。在拆卸三工位隔离开关内部导体时，A相与C相导体拆解均无异常，但B相导电杆与电连接处不能完全拆卸，有1组螺栓因为变形严重已经无法拆解。

三工位隔离开关内部导体具体情况为：B相电连接与导体对接处有比较严重的烧损，表面已经变黑且有缺损现象；A相与C相导电杆表面有明显的熔蚀痕迹；A相与C相电连接无烧损；三相导体另一侧与触座对接部位无损坏。

5 故障原因分析

根据三工位隔离开关在现场的拆检结果，并结合返厂拆解结果，分析故障原因如下。

(1) 在设备现场对接安装过程中，未将B相三工位隔离开关的触头与导电杆的连接螺栓拧紧，使得对接导体的压接力不够，接触电阻大，在长时间带电运行后，对接导体处的温度升高，接触电阻随之升高，接触电阻的升高又会导致连接部位的温度更快速地升高，如此造成恶性循环。

当导体连接处的温度超过导体熔点后，导体熔化，使内部电场失稳，以致发生畸变，先引起B相与A相之间发生放电击穿，再导致三相之间放电击穿。导体之间的放电击穿引起熔化的导体熔液飞溅，以致在三工位内部发生热喷现象。

热喷使得高温熔液飞溅至另外2相导电杆的位置，造成A，C相导电杆表面被熔蚀。三相导体相互间的放电击穿引起三相短路以及对地短路，进而引起I母整段停电。同时因为B相导体是起始烧损部位，电连结与导体连接处产生了比较严重的烧损变形现象。

(2) B相三工位隔离开关的触头与导电杆的连接处螺栓未拧紧，2者之间存在间隙，触头与导体之间产生悬浮电位。在运行电压和电动力的作用下，悬浮放电发生的电弧放电，以及短路故障时发生的电弧放电使SF6气体发生分解。SF6气体的分解产物再与金属蒸气如Al，Ag，Wu蒸气等进一步化合生成AlF3，AgF，WuF6等金属化合物白色粉末，覆盖在设备内部元件上。对三工位隔离开关内的白色粉末进行X荧光元素成分分析，其分析结果如表3所示。

表3 三工位隔离开关内的的白色粉末成分分析结果

6 结束语

(1) 通过上述案例的分析结果得出：SF6气体分解产物(H2S，SO2，SOF2等)检测法是判断设备故障位置和设备潜伏性缺陷的重要方法之一，该方法具有定位准确、灵敏度高、方便快捷、受现场环境干扰小等优点，应用前景很广。

(2) GIS对设计、绝缘材料的选材、零部件加工的精度及组装工艺等要求极高，应选派实践经验丰富、技术精湛、责任心强的人员进行驻厂监造和验收，不放过任何一个细节，确保设备不带病出厂。

(3) 目前国内GIS采用单元运输、现场组装的安装方式，由于GIS内部空间狭小，对其在制造、组装、运输及安装等过程中的任何一个细节控制不严，都会给设备留下安全隐患。因此，产品在厂内组装及现场安装过程中，应严格按照安装作业指导书的规定作业，提高安装质量和设备的可靠性，以消除人为因素造成的现场运行问题。

(4) GIS现场安装完毕后应按照设备交接试验规定进行各项试验，其中交流耐压试验是检测电气设备绝缘强度最直接的方法，能有效地发现电气设备存在的各类绝缘缺陷(包括包装、运输、储存和安装调试中的损坏，整体受潮等)。气体分解产物检测法、超声波局放试验及超高频局放试验可以发现设备内部接触不良或松动、颗粒及异物、高压导体尖刺等放电性缺陷，为GIS缺陷诊断及故障排除提供有力的技术支持。

1 国家电网公司科技部．Q/GDW 1896—2013 SF6气体分解产物检测技术现场应用导则[S].北京：中国电力出版社，2013．

2 季严松，王承玉，杨 韧，等．SF6气体分解产物检测技术及其在GIS设备故障诊断中的应用[J].高压电气，2011，47(2):100-103.

3 毛建坤，汤会增，洪西凯，等．SF6气体分解物组份检测法在GIS局部放电故障诊断中的应用[J].电气技术，2016，17(8):99-102.

来稿日期：2016-11-20。

郭 伟(1970—)，男，工程师、技师，主要从事油、气检测与监督，高压电气设备故障诊断及在线装置研究等工作，email：lrq8710@163.com。

刘韧强(1970—)，男，高级技师，主要从事电力系统油、气设备检测与监督工作。

蒋成杰(1968—)，男，高级技师，主要从事高压电气设备检修、维护等工作。

朱元杰(1991—)，男，工程师，主要从事高压电气设备检修、维护等工作。

邱 刚(1968—)，男，助理工程师，主要从事变电设备直流系统的检修及维护工作。

周福好(1972—)，男，助理工程师，主要从事变电设备直流系统的检修及维护工作。