SF6气体分解物与在线监测技术

SF6气体分解物与在线监测技术

摘要：本文指出SF6气体分解物性质，SF6气体分解机理的研究现状，SF6放电分解气体监测技术及其发展。

关键词：SF6气体分解物；在线监测测技术；研究现状及发展

0、引言

纯净的SF6气体是无色、无味、无毒、不燃的惰性气体，其自身的分解温度大于500℃，在正常运行的情况下分解产物极少，但与金属材料共存时，在200℃时就有可能发生微量分解。作为气体绝缘组合电器（GIS）的绝缘介质，六氟化硫(SF6)气体具有优良的绝缘和灭弧性能，可以大大减小设备尺寸，因此广泛应用于GIS和SF6断路器等设备中。实际上使用中的SF6气体总含有一定量的空气、水分,，由于上述分解生成的多种低氟硫化物很活泼，即与SF6 气体中的微量水分和氧气等发生反应。由于SF6分解物与水分结合生成的H F 和H2SO3、2等化合物，均对设备内其他绝缘及金属材料有强腐蚀作用，进而加速绝缘劣化，最终导致设备发生突发性故障。而GIS设备在安装与运行过程中，由于GIS内部缺陷如电极表面毛刺、自由导电微粒、悬浮导体等造成局部放电或过热等问题。

国内外大量研究表明：当SF6设备中发生绝缘故障时，放电产生的高温电弧使SF6气体发生分解反应,，生成SF4 、SF3 、SF2 、S2 F10等多种低氟硫SF SF化和物。而不同绝缘缺陷引起的局部放电会产生不同的分解化合气体，相应的分解化合气体成份、含量以及产生速率等也有差异。这样使得通过分析分解产物的组分来判断故障类型成为可能，并可以通过检测设备中SF6气体分解气体组分及化合产物，来判断绝缘缺陷类型、性质、程度及发展趋势。因此局部放电检测是对GIS进行故障诊断的重要手段之一。

1、SF6气体分解物性质介绍

纯净的SF6气体是无色、无味、无毒、不燃的惰性气体，其自身的分解温度大于500℃，在正常运行的情况下分解产物极少，但与金属材料共存时，在200℃时就有可能发生微量分解。

当SF6设备中发生绝缘故障时，放电产生的高温电弧使SF6气体发生分解反应，生成SF4、SF3、SF2和S2F10等多种低氟硫化物，均为毒性气体。如果是纯净的SF6气体，上述分解物将随着温度降低会很快复合、还原为SF6气体。实际上使用中的SF6气体总含有一定量的空气、水分，由于上述分解生成的多种低氟硫化物很活泼，即与SF6气体中的微量水分和氧气等发生反应,生成SOF2，SO2F2，SOF4，SO2，HF等毒性气体。

高温下SF6及其分解物还会与金属发生反应，，形成金属氟化物，如CuF2、AlF3、FeF3或FeF2以及WF6（WF6为气体，其他金属氟化物为粉末状固体）。若涉及含SiO2材料，还可能产生SiF4和（CH3）2SiF2。它们的极限安全浓度均为 2.5mg/m3。若固体生成物落在绝缘支撑表面且又吸附气体中的水分时，使闪络电压下降。要清除固体生成物，必须将GIS隔室打开。目前，没有用于检测固体生成物的种类和含量的可行技术。

2、SF6气体分解机理的研究现状

在上世纪80年代末，美国Oak Ridge国家实验室的Isidor Sauers从氧气对SF6局部放电分解产物的影响角度做了研究并提出：氧气的增加将使SOF4和SO2F2含量增加，但对SOF2影响很小。

法国Paul Sabatier大学的A Derdouri从水和固体绝缘对SF6局部放电分解产物的影响角度做了研究并提出：在水分存在时只有SOF2和SO2F2是稳定的；当放电涉及固体绝缘时会产生CF4。

国内邱毓昌对SF6放电分解产物做了初步定性研究，设计了一个SF6放电分解装置并用气相色谱法对SF6放电分解产物进行研究，得出SF6放电分解产物有SO2和SOF2等产物。

R J Van Brunt等对SF6局放分解机理才进行了比较系统的研究，提出了“区域反应模型”。该模型认为在针电极附近的电晕放电区域SF6会分解为SF4、SF5以及F原子，其中SF4和SF5会与O原子发生反应；而在离子游离的中间区域则主要是带电离子与SO2、先前产生的SOF4和硫原子发生反应；在板电极附近的气体区域，先前生成的SF4、SF5以及SOF4则主要与容器内存在的氧气和水进一步反应生成SO2F2、HF等。该模型反映了不同区域由于放电能量的不同，放电类型的不同，就可能导致各分解气体产物的生成量、生成速率、成分构成呈现出不同的特点。

随着研究的深入以总结出了一些分解规律和结论：

（1）不管哪种形式的放电，SF6发生分解后产物的量与放电能量大致成比例关系，并且当处在高能量放电形式(如电弧放电)下时将产生大量的分解气体，出现局部放电下很少出现的气体成分如SF4、CF4等，且产物中SOF2含量较其他形式放电而言要高。

（2）普遍认为通过SO2、SOF2、SO2F2含量比例可分析判断放电剧烈程度，放电越剧烈，放电能量越大，SO2含量增多，SOF2／SO2F2体积分数之比增大等。

（3）通过H2S组分含量大小可判断故障的放电能量及故障是否涉及固体绝缘。

（4）通过CF4含量可分析判断固体绝缘情况。

（5）电极材料的消耗与分解物的形成也有直接关系，气体分解产生的物质含量取决于电极材料的金属蒸发量。

3、SF6放电分解气体检测技术

SF6分解过程非常复杂，涉及复杂的物理化学过程，其分解过程的主要影响因素有：缺陷类型、放电能量、金属材料、绝缘材料、水分含量、氧气含量等。其主要机理是各种绝缘缺陷产生的局部放电(包括电晕和火花放电)下，使SF6气体分解，并与在故障处的固体绝缘介质、微量O2、微量水分或金属等发生极其复杂的化学反应，生成不同类型的化合产物。为检测SF6气体分解物，国内外的研究者出了各种方法：

气体检测管法

优点：检测管能够检测到其体积分数10-6级的SO2或HF。

缺点：容易受到温度、湿度和存放时间的影响，并且对其它主要分解气体没有检测作用，不能全面反应SF6放电分解气体组分情况,限制了它的应用推广。

气相色谱法(GC)

优点：它具有检测组分多、检测灵敏度高等优点。

缺点：存在取样和分析过程中可能混入水分导致一些组分水解、对S02F2和SO2的检测比较困难、不能检测HF和局部放电主要成分之一的SOF4等缺点。气相色谱检测法中色谱进样的特性决定了检测时间较长，不可能做到连续在线监测；温度对色谱柱分离效果的影响以及