SF6放电分解机理及其在故障分析领域的研究进展

SF6放电分解机理及其在故障分析领域的研究进展

发布时间：2022-03-31T05:43:00.464Z 来源：《科学与技术》2021年25期作者：燕宁

[导读] 虽然以SF6气体为绝缘介质的气体绝缘全封闭组合电器优势众多，但也存在一定安全隐患。

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摘要：虽然以SF6气体为绝缘介质的气体绝缘全封闭组合电器优势众多，但也存在一定安全隐患。在电气设备长期运行过程中，内部发生放电故障或过热故障不可避免，这些故障会导致SF6分子因电子碰撞或过热而分解，进一步在气体绝缘设备内部与气体杂质、金属或绝缘材料发生复杂化学反应。SF6的分解产物大都有剧毒和强腐蚀性，不仅会对电力设备安全运行产生巨大影响，还严重威胁着运维人员及环境安全。

关键词：SF6放电分解机理；故障分析领域；研究进展

1SF6气体分解过程及其机理

1.1SF6分子解离过程分析

在GIS内部常见的放电形式包括：有电晕放电、火花放电、电弧放电等，而SF6气体的解离产物与放电过程中能量泄放形式存在着一定的联系。对于电弧放电和火花放电而言，放电过程能量释放强度较高，SF6分子的解离主要是由电子碰撞和局部过热造成的；而在电晕放电过程中，SF6气体的解离则主要是由于电子碰撞引发的。

1.2SF6常见分解产物的生成路径

SF6气体在初步解离过程中，会形成各种低氟硫化物，大部分的低氟硫化物会与F原子迅速结合，结合并恢复为SF6分子，但当腔体内部含有水分和氧气时，这些低氟硫化物会与H2O、O2等发生更加复杂的化学反应，生成多种新型产物。

在故障条件下，受电子碰撞等因素影响H2O和O2会解离产生O、OH等具有高活性的粒子，低氟硫化物将与OH、O结合，生成HF、SOF4、SO2F2、S2OF10、SOF2及SO2等产物。其中SOF2主要由SF4与H2O或OH反应产生，SO2F2主要由SF2与O2反应产生，SO2主要由SOF2与H2O反应产生，S2OF10主要由SF5与O反应产生，SOF4主要由SF5与O或OH反应产生。由于SF5O稳定性较差，其中大部分会分解成SOF4，少部分会与SF5反应产生S2OF10。

当放电发生在金属电极附近或金属外壳表面时，由SF6解离而出现的F原子还可能与金属原子发生反应，形成CuF2、AlF3等各类金属氟化物。考虑放电过程中CHx基团可能从绝缘子表面环氧树脂分子上脱落，这些基团会与F原子、HF分子发生反应，C原子周围的H原子将被F 原子替代而生成自由基·CF3，由于自由基·CF3反应活性极强，会与SF6气体分子进一步反应生成CF4，自由基·CF3也可能直接与F原子或低氟硫化物发生化学反应生成CF4。此外，SF6气体分子所生成的SF活性很高，在极短的时间内会迅速生成S2，这些S2会与CHx基团反应生成CS2。

1.3基于密度泛函理论的SF6分解机理研究

由于SF6反应的复杂性，过去通过实验手段检测到的稳定产物的形成机理尚不清楚，即使对于相似的产物生成规律，也可能由完全不同的反应路径和反应机理产生。此外，分解产物的测量只是表面现象，不同放电状态的产物应与相应的微观反应过程对应。因此，通过对最终分解产物的测量来检测SF6的分解机制仍然有很多局限性。

量子化学以薛定谔方程描述任意给定化学系统，而密度泛函理论(densityfunctionaltheory，DFT)是薛定谔方程提供近似解的最有效的量子化学方法之一。DFT通过高精度模拟理论进行量子化学计算，可以分析不同反应条件下化学反应行为，并在原子和分子水平上模拟反应物、产物及过渡态物质。此外，它可以提供所有可能的结构变化和化学反应能量，通过能量相对变化趋势分析分解反应路径，并阐释反应过程与机理。DFT是揭示复杂化学反应微观机理的一种非常有效的方法，越来越多的学者基于DFT开展SF6分解机理的相关研究。

2SF6分解产物检测方法

2.1气相色谱法

气相色谱法(gaschromatography，GC)主要分为气—液分配色谱法(GLC)和气—固吸附色谱法(GSC)，均为基于物理分离技术的分析方法。气相色谱法首先基于物质在气相色谱固定相与流动相两相中的分配系数的差异，将未知混合气体在两相间进行反复多次的分配并达到两相间平衡——实现组分分离；进一步通过色谱检测器将分离组分特有的化学特性转化为微电子信号并进行数据处理，实现待测物质及其含量的可视化表征。当前气相色谱法是SF6分解产物最常用的检测技术之一，为IEC与国家标准共同推荐。IEC60480—2019、IEC60376—2018等标准均指出气相色谱检测技术在SF6绝缘设备故障评估中的应用前景广阔，相关研究也表明，针对纯SF6、SF6/N2及SF6/CF4混合气体等获得实际应用的绝缘气体组分，气相色谱法可以有效实现其特征分解产物的高精度检测。

2.2光学检测法

典型的气体光学检测方法包括：红外吸收光谱法、激光拉曼光谱法及紫外差分吸收光谱法，光学检测技术利用不同气体分子对于不同波段的光具有的吸收、折射、散射、衍射等特性，分析单元通过提取返回光信号光谱的特征信息，由此实现SF6及其分解产物的光学检测。下面简要介绍红外吸收光谱法。

红外吸收光谱法是最具代表性的气体光学检测技术之一。当物质分子振动、转动频率与红外辐射频率一致时，分子通过偶极矩的变化吸纳光能量，基于郎伯—比尔定律发现红外光谱的吸收峰面积与被测物质浓度存在线性关系，利用该特性的红外吸收光谱法可实现SF6及其分解产物的定量检测。20世纪90年代以来，国内外学者基于该方法对SF6及其分解产物，进行了大量的定量研究，已推广应用至气体绝缘装备故障的现场检测。目前，红外吸收光谱技术已经相对成熟，正向高精度、高可靠性的方向发展，出现了以中红外量子级联激光器为代表的新型检测终端，以实现痕量气体成分的定量检测。

3基于SF6分解产物分析的故障诊断研究

传统的SF6气体绝缘设备的故障诊断是在脉冲电流法、超声波法、超高频法等局部放电检测方法的基础上开展系统的信号分析，但这些方法有各自的局限性，如易受外界干扰，这些扰动会对局部放电数据采集的灵敏性和可靠性产生影响，并进一步影响故障诊断的准确程度。鉴于SF6在故障条件下表现出的分解特性，利用相关气体成分检测手段，可以开展基于SF6分解产物分析的GIS故障诊断。基于气体组