气体分析技术在GIS故障定位和故障类型判断中的应用

Jun. 2009 High Voltage Apparatus Vol.45 No.3 收稿日期：2008 -10 -27； 修回日期：2009 -01 -23 作者简介：刘 永（1977），男，工程师，从事绝缘化学工作。 0 引言 气体绝缘全封闭组合电器（GIS）由于占地面积 小、可靠性高，在电力系统中得到了广泛应用。 如何 对这种可靠性高、免维护设备进行有效的检测，避免 事故的发生一直是国内外学者研究的热点[ 1 ]。 随着 对 SF6气体分解机理的深入研究以及检测技术和仪 器的发展， 气体分析技术已成为诊断 SF6电气设备 内部状况的有力工具。 用该技术作为诊断工具的主 要特点是不需对 SF6电气设备作任何改动， 不需要 停电，不影响设备的正常运行。 1 气体分析技术简介 在以 SF6气体作为绝缘绝缘介质的电气设备中 发生放电性和过热性故障时，会导致 SF6气体分解， 并同时和有关杂质气体发生化学反应， 产生一系列 新的杂质气体。 气体分析技术就是通过对这些杂质 气体的检测来了解和判断设备中内部故障性质的分 析技术。 促使 SF6气体分解的放电形式以放电过程中耗 能的大小分为电弧放电、火花放电和电晕放电（或局 部放电）3种。 电弧放电主要是由于设备发生短路故 障引起的，火花放电是一种气隙间极短时间的电容性 放电，能量较低，产生的分解产物与电弧放电产生的 分解产物有明显的差异；另外一种放电形式是电晕放 电或局部放电，长时间的电晕放电或局部放电会导致 分解产物的积累。除了上述 3种能够引起 SF6气体分 解的主要放电过程外， 过热作用也会促使 SF6气体 分解[ 2 ]。SF6气体在 GIS不同的故障下会分解出 SF4、 C3F8、SOF2、SO2F2、SOF4、HF、SO2、CO、CO2、CF4等中的 一种或多种杂质气体。 2 GIS故障实例分析 2008 年 1 月 15 日重庆水碾变电站 220 kV GIS 母差保护动作，263 号间隔发生故障，但当时故障具 体部位及原因不明。在进一步的分析中，首先用检测 管技术对故障进行了定位， 然后用钢瓶采集了正常 运行设备和故障设备的气体带回实验室进行分析。 2．1 利用检测管在现场对故障定位 检测管是根据要测定的样品气与检测管内填充 的化学物质发生反应生成特定的化合物， 生成的化 合物与检测管内的指示剂作用发生颜色的变化，由 气体分析技术在 GIS故障定位和故障类型判断中的应用 刘 永， 印 华， 姚 强， 邱 妮 （Chongqing Electric Power Test and Research Institute， Chongqing 401123， China） The Application of Gas Analysis Technology to Fault Location and Fault Diagnosis of GIS （重庆电力科学试验研究院， 重庆 401123） LIU Yong， YIN Hua， YAO Qiang， QIU Ni Abstract: A GIS incident is analyzed with gas analysis technology， and the fault chamber is determined by using detecting tube technique. The gas in the gas chambers concerned are analyzed by ion chromatography， GC-FTIR method， and gas chromatography. This case study also probes into the variation of the gas in a damaged GIS and the relation between the gas variation and failure causes. Key words: GIS； fault； gas analysis technology 摘要： 笔者采用气体分析技术对一起 GIS 事故进行了分析、判断，通过检测管技术确定了故障气室；应用离子色谱法、GC-FTIR 联用法、气相色谱法对相关气室的气体进行了分析。 通过该事例研究了故障下 GIS 中气体成分的变化情况，探讨了故障下 GIS 中气体成分变化与故障性质的关系。 关键词： 气体绝缘金属封闭开关设备； 故障； 气体分析技术 中图分类号： TM595 文献标志码： A 文章编号：1001 -1609（2009）03 -0132 -03 第 45 卷 第 3 期 2009 年 6 月 Vol.45 No.3 Jun. 2009High Voltage Apparatus132· · 2009 年 6 月 第 45 卷 第 3 期 颜色变化的深浅、 长短检出样品中待测组分的体积 分数， 检测管可以用来测定 SF6气体中的某一种杂 质组分， 该方法可以快速地判断设备内部是否存在 较严重的故障[ 3 ，4]。 现场用取样袋采集了 263号间隔各气室及母线 气室的气体， 用 HF检测管和 H2S检测管对样品进行 了检测，经检测除了在 2631号气室中 HF的体积分数 超过 30 μL/L（检测管的最大检测限），其他所有样品 中都没有 HF和 H2S。 低硫氟化物在有水分存在的情 况下会产生 HF，一旦检出，可以判断设备内部存在潜 伏性故障。由此判断该 GIS故障发生在 2631号气室。 2．2 实验室的进一步分析 2．2．1 采用离子色谱法的分析 检测管分析方法只能快速地判断设备内部是否 存在较严重的故障，其精度不理想，仅能作为半定量 测量。 在 SF6分解产生的低氟化物中有的极易水解和 碱解， 通过测定可水解氟化物的体积分数可以在一 定程度上反映出 SF6气体中低硫氟化物杂质的体积 分数[ 2 ]。 传统的氟离子选择电极法测定可水解氟化物操 作复杂，缺乏选择性，受干扰大，灵敏度低。 采用快 速、准确、灵敏度高的离子色谱法替代传统方法对样 品中的可水解氟化物进行检测， 具有更强的可操作 性。 我国实行的六氟化硫气体质量标准中规定可水 解氟化物（HF 表示）的体积分数小于 1.0 μL/L，这主 要是针对 SF6新气的标准， 虽然国内目前还没有颁 布运行设备中 SF6气体可水解氟化物标准， 但从国 内外的研究资料和经验来看， 当运行设备中 SF6气 体可水解氟化物的体积分数超过 1 μL/L 时，要引起 注意，当超过 10 μL/L 时，则认为该设备存在异常。 图 1为故障设备离子色谱图， 表 1为故障样品可水 解氟化物的测试结果。 从表 1中可以看出被测的正 常运行设备 2632 号中可水解氟化物的体积分数只 有 0.05μL/L，而故障设备 2361 号中 SF6气体可水解 氟化物的体积分数达到 317.79 μL/L， 远远超过了 10 μL/L，表明该设备内发生了严重的故障。 2．2．2 运用 GC-FTIR联用法进行定性分析 要判断设备的故障类型就必须对故障产生的杂 质进行准确定性和定量分析。 由于 SF6气体杂质的 组分比较复杂，有些物质的保留时间十分接近，在某 些条件变化后，其保留时间也会发生变化，这就给采 用气相色谱进行定性带来很大困难，而 GC-FTIR（气 相色谱———傅里叶变换红外光谱） 联用技术可以解 决这一难，通过 GC-FTIR 联用，即能很好地利用 了色谱优良的分离性能， 又能发挥了红外光谱能够 准确定性的特点。 GC-FTIR联用仪是由一台气相色 谱仪通过光管接口与一台傅里叶变换红外光谱仪连 接而成。 样品经气相色谱分离后各组分按分离顺序 通过接口后由红外系统进行扫描， 可以得到样品的 红外色谱图及红外光谱图， 从红外色谱图的不同时 间提取各组分的红外光谱图， 用计算机进行处理后 将其同各组分的标准红外图进行对比分析。 如图 2 所示，从样品 2631号的红外色谱图 2.68 min 处提取 红外光谱图（a），该吸收谱图比较复杂，对其进行多 次差谱处理得到谱图（b），将其同 SOF2的标准谱图 （c）进行比较，能够很清楚地看出二者有相同地吸收 峰，同时用计算机进行检索，可以确定该样品中存在 SOF2杂质， 通过同样的分析方法在样品中发现了 CF4、C3F8等物质的吸收峰， 表明故障样品中存在这 些杂质。 2．2．3 用气相色谱法进行定量分析 气相色谱法是目前实验室分析 SF6气体杂质最 普遍的方法。 由于热导检测器还不具备直接测定 μL/L 级低氟化物的灵敏度，因此采用热导（TCD）及 火焰光度（FPD）双检测器串联气相色谱法对样品中 的痕量杂质进行分离测定[ 3 ]，TCD 检测器检测空气、 CO2、CO、CF4、C3F8 等，FPD 检测器对于含硫化合物 有特殊的选择性及灵敏度， 在切除 SF6主峰后可检 测位于 SF6主峰后的含硫氟化物杂质。 分别对样品 在取回的当天、一天后及一周后进行了色谱分析，气 相色谱图见图 3、4，分析数据见表 2 在分析 SF6设备故障类型时， 以目前的研究成 果和资料表明[ 3 ，4]，实际能够用于判定故障类型的杂 质成分主要包括 ：CO2、CO、CF4、C3F8、SOF2、SO2F2 和 SO2。 根据国内外的研究资料和经验， 如果检测出 SO2的体积分数高于 SOF2或 SO2F2， 其故障类型以 过热性故障为主。 而通过比较 SOF2和 SO2F2的体积 表 1 样品可水解氟化物测试结果 样品吸收液中 氟离子/（mg·L－1） 可水解氟化物 （用 HF 表示）/（μL·L－1） 正常设备 2632 号 0.002 9 0.05 故障设备 2631 号 18.597 0 317.79 133· · Jun. 2009 High Voltage Apparatus Vol.45 No.3 表 2 气相色谱测试数据 杂质体积分数/（μL·L-1） CF4 CO CO2 C3F8 SOF2 SO2F2 SO2 正常设备 2632 号 6.0 0 10.0 188.5 0 0 0 故障设备 2631 号当天 591.8 65.4 234.4 1 237.4 3 774.2 0 0 故障设备 2631 号一天后 614.8 58.6 249.4 1 228.7 4 056.6 0 46.8 故障设备 2631 一周后 588.8 62.3 251.6 1 202.9 3 781.9 0 256.0 分数，可以判断内部故障的放电性质。 虽然电弧、火 花和电晕放电都能产生 SOF2和 SO2F2， 但是在电弧 放电中，SOF2/SO2F2比率较高，火花和电晕放电较电 弧放电更容易产生 SO2F2，SOF2 产生量的多少直接 取决于影响 SF6的电弧能量的大小。 从样品的气相色谱图和表 2中可以看出故障发 生的当天对样品测试中，2631 号中不含有 SO2，而一 天后及一周后的样品测试中，SO2 的体积分数呈明 显的增长趋势， 说明在故障发生时， 并没有 SO2产 生， 它的增加量是在样品放置过程中由其他低硫氟 化物水解生成，因此排除了设备过热性故障的可能。 在设备 2632 号中不含有 SOF2 和 SO2F2，说明 正常运行设备中是不含 SOF2 和 SO2F2 的，而在故 障设备 2631 号中 SOF2 的体积分数突然增加到 3 774.2 μL/L，SO2F2 的体积分数没有变化，SOF2 的 体积分数远远超过 SO2F2， 因此判断 2631 号气室发 生了严重的电弧放电故障。 在正常运行的设备中， 一般都会有不同程度的 CO2、CO、CF4、C3F8 等杂质存在 ， 如果检测到 CO2、 CO、CF4、C3F8的体积分数较原始值有较大增加时则 内部的故障可能涉及到固体绝缘材料。 从表 2中可 以看到， 正常运行的设备中 CO2、CO、CF4、C3F8的体 积分数都比很小， 但是发生故障后这几种杂质的体 积分数都有明显的大幅增加，并且比较稳定，因此最 终判断在 263 号开关间隔 2631 号气室发生了严重 的涉及固体绝缘材料的电弧放电故障。 通过对故障设备的解体， 发现故障气室内发生 了严重电弧放电故障， 盆式绝缘子严重烧毁 （如下 图），最后认定是 263 号间隔内置式 CT 气室低位 A 相静触头触座上的屏蔽罩对地击穿放电， 与用气体 分析技术作出的故障性质判断是相符的。 解体的故 障气室见图 5。 3 结语 SF6气体分析技术可以在不影响设备运行的情 况下，快速、准确的对设备异常或故障进行定位和判 断， 是保障 SF6气体绝缘设备安全运行的有效监督 手段。 SF6气体绝缘设备故障的多样性和 SF6气体杂 质的复杂性决定了在分析故障时不能靠其中单一的 方法来实现， 必须根据现场情况和自身条件选取合 适的分析方法来进行综合判断。 目前运行中故障样 品数据量较少，同时相关的测试及监督标准欠缺，如 何解决这一问题是下一步研究的主要方向。 参考文献： [1] 仲伟涛， 张 健， 申 强 . 高压 SF6 封闭组合电器的发展及 故障诊断[J]. 黑东江电力， 2003， 25（6）： 485－488. [2] 朱芳菲， 孟玉蝉， 郑 铉. 六氟化硫气体分析技术[M]. 北京： 兵器工业出版社， 1998. [3] 罗运柏， 何 志. SF6气体分解产物的现场检测与实验室分析 技术[J]. 高压电器， 1990， 26（3）： 40－45. [4] 黄云光， 朱立平， 王 琪. 气体分析在 GIS 闪络定位中的应 用[J]. 广西电力（增刊）， 2003： 85－87. 图 5 解体的故障气室 134· ·