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气体杂质对SF6气体分解产物影响研究

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第29卷第3期 河北工业科技 Vo1.29,No.3 2012年5月 Hebei Journal of Industrial Science and Technology May 2012 文章编号:1008—1534(2012)03-0141—05 气体杂质对SF6气体分解产物影响研究 景 皓 ,常鲜戎 ,庞先海。,孙秫。,高 飞 (1.华北电力大学电气与电子工程学院,河北保定071003;2.河北省电力研究院,河北石家庄 050021) 摘要:对SF。气体内的氮气、水分、氧气和四氟化碳4种气体杂质在放电情况下对SF 气体分解 产物的影响进行了详细的试验研究。结果表明,在低能量放电情况下,氮气和四氟化碳含量变化对 SF 气体分解产物影响较小,水分和氧气杂质能促进SF 气体分解产物的生成。研究结果为通过 SF6分解产物判断设备故障提供参考。 关键词:SF 气体;气体杂质;分解产物 中图分类号:TQ125.1 52 文献标志码:A Influence of gas iInfluence of as mpuriurlt?t On ,r on SF6 6 g  as decomposed products decomposed productsJING Hap ,CHANG Xian—rong ,PANG Xian—hai ,SUN Yi。,GAP Fei。 (L School of Electrical and Electronic Engineering.North China Electric Power University.Baoding Hebei 071003。 China;2.Hebei Electric Power Research Institute,Shijiazhuang Hebei 050021,China) Abstract:The influence of gas impurity including N2,H2 0,02 and CF4 on SF6 gas decomposed products was studied by de— tailed experiment.The results show that the content of N2 or CF|has limited influence on the formation of SF6 decomposed products.but H2 O or()2 has great influence on making SF6 decomposed products,in the case of low-energy discharge.The re— suits will provide reference for fault diagnosis of GIS equipments through SF6 decomposed products. Key words:SF6 gas;gas impurity;decomposed products 目前,SF (六氟化硫)电气设备因其体积小、质 质,这些杂质对SF 气体分解产物的含量具有一定 量轻、容量大、维修量少等优点而广泛应用于高压和 影响[2 ]。为准确判断SF 电气设备缺陷状况,切实 超高压领域。某些正在运行的SF。电气设备存在 把握设备运行状态,研究气体杂质对SF 气体分解 内部绝缘缺陷,如果不及时发现,可能造成故障,甚 产物的影响具有重要意义。笔者通过大量试验,分 至酿成事故。因此及时发现SF6电气设备内部缺 别研究和分析了氮气、氧气、水分和四氟化碳4种气 陷或故障,对保证设备和电网的安全运行具有重要 体杂质在放电情况下对SF 气体分解产物含量的 意义。SF。气体在电弧、放电和过热作用下存在分 影响,为SF 电气设备运行状态判断和故障诊断提 解现象,通过检测SF 气体分解产物的含量,诊断 供参考。 设备内部是否存在缺陷或故障,是SF 电气设备在 线监测和故障诊断的一种有效方法[1 ]。 1试验装置及试验方法 SF 气体含有氮气、氧气、水分和四氟化碳等杂 I.1试验装置 试验装置如图1所示。将220 V的工频电压通 收稿日期:2012—01—15l修回日期:2012—03—01 责任编辑:张士莹 过调压器调压接到升压变压器上,将变压器输出的 作者简介:景皓(1982一),女,河北石家庄人,工程师,主要从事 工频高压在滤波电感和滤波电容滤波后接在串有保 变电配电专业技术方面的研究。 护电阻的针状电极两端。试验在充有SF 气体的 l42 河北工业科技 第29卷 有机玻璃容器里进行,有机玻璃容器为圆柱形罐体, 内径为20 cm,长度为100 cm。 过测量电阻,利用示波器采集测量电阻上的电压信 号,对电压信号进行分析,可以计算出每次放电的放 电时间和放电量。 1.2试验方法 针一针电极间距为3 mm,材料为铜。SF 气体 压力为0.5 MPa时电极间等效阻抗约为400 MQ, 串联保护阻抗为2O MQ,测量电阻为l 000 Q。高 压变压器输出的电压在针一针电极未击穿前主要分 布在针一针电极两端,通过调压器调节电极两端电压 在电力设备内,绝大部分放电缺陷的放电量都在 100 pC以下,特别是局部放电的放电量更小。本放电 试验为结合设备现场实际情况,研究低放电量下SF6 可以有效调节放电量。针一针电极放电后,电流将通 气体的分解产物,将最大放电量维持在20 pC。 交流 图l试验装置图 Fig.1 Diagram of experimental facility 本试验在SF。气体中混入不同浓度的气体杂 质,充入玻璃容器内,气压为0.5 MPa。然后通过调 压器升压,当变压器升压至6 kV时停止升压,这时 …l 测量电阻上的放电波形如图2所示。然后将每组试 I 验维持放电一段时间,停止试验后抽取sF。气体样 耋 I 本,用气相色谱仪测量sF 气体分解产物含量。由 I 图2可知,一个工频周期约放电30次,正半周期放 I 电次数略多于负半周期。每次放电时间约为 1 0.2 tLs,最大放电量为20 pC,大部分放电量为6~ O 1O 10 pC。 时间/ms a)电压测量波形 2试验结果及分析 30o 2.1氮气的影响 氮气在SF 新气中含量为250×10一。~350× g 10 (体积分数,下同),在现场运行中氮气的含量会 出 更高。本试验通过在SF 气体中混入不同浓度的 1o0 氮气,然后在放电作用下进行试验来研究氮气对 SF。分解产物的影响。本试验选择4组含有氮气杂 质的SF 气体,氮气体积分数分别为326×10~, O 1 2 0.5%,1 和2 ,SF 气体其他杂质含量满足IEC 时间 标准和中国国家标准。 b)20 pC放电波形 每组试验放电24 h后,抽取气体样本,测量结 果如表1所示。分析表1可知,4组不同含氮量的 图2 6 kV时放电波形 SF。气体分解产物差别很小,考虑到放电试验的难 Fig.2 Discharge wave of 6 kV 第3期 景 皓等 气体杂质对SF6气体分解产物影响研究 l43 以重复性,测量数据的微弱差别在试验误差的允许 范围之内。由此判断在低能量放电作用下,氮气对 SF 气体的分解产物影响很小。 表1 不同氮气含量下SF 分解产物 Tab.1 Decomposed products S gas under different lO一,SFe气体其他杂质含量满足IEC标准和中国 国家标准。含有不同水分值的SF 气体在放电试 验下的分解产物如表2所示。由表2可知,随着水 分含量的升高,sF6气体分解物总含量大幅度增加, 其中s0。+SoF 和Hzs的含量增加幅度较大, content of N2 自然条件下,氮气是比较稳定的,N=N分开需 要大量能量,氮气分解的热反应方程式如式(I) 所示。 N2—2N;AH一十946 kJ/mol。 (1) SF 气体在放电作用下会发生分解,热反应方 程式 。 如式(2)、式(3)所示。 SF6— SF4+2F;AH一十611.9 kJ/tool。 (2) SF4— SF2+2F;AH=+625.7 kJ/mol。 (3) 由式(1)一式(3)可知,SF 和SF 的分解都比 氮气直接分解更加容易,所以SF 气体抑制了氮气 在放电作用下的分解。在SF。局部放电_中,电子的 平均能量为5~10 eVE ],SF6分解成SF 需要的能 量一般为6.5~7 eV,氮气分解需要的能量一般为 lO~10.5 eV。可见只有较强放电时,能量较大的电 子才能使氮气分解。因此,SF。气体中的微量氮气 在低放电能量时难以分解,对SF 气体分解产物影 响很小。 2.2水分的影响 水分是SF 电器设备内危害最大的杂质。在 SF 新气中水分的含量较小,一般小于4O×10 (体 积分数),但在运行设备中含水量一般较高,所以运 行中对气体监督的主要目的是对含水量进行测定和 控制。SF 气体含水量过高会影响电器设备的安全 运行,主要表现在3个方面。1)水分的存在影响气 体分解物的生成;2)水分和酸性分解产物在一起会 腐蚀材料,破坏绝缘结构,加剧局部放电;3)水分在 低温下会在固体绝缘表面形成凝露,降低绝缘强度, 导致事故的发生。 本试验选择3组含有水分杂质的SF 气体,水 分体积分数分别为36×10~,280×10 和4 200× SO。F 增加趋势较缓。 表2 不同水分含量下SF 分解产物 Tab.2 Decomposed products SF6 gas under different content of H20 在水分含量较大时,SF 气体分解的SF ,S2 F2 等不稳定的气体杂质与水分发生反应,反应式如式 (4)和式(5)所示。由式(5)可知,水分含量较大时, 直接促成H S生成。由式(4)和式(5)生成的SOF2 是不稳定的物质,其继续与SF 气体中的水分和氧 气等杂质发生反应,反应式如式(6)和式(7)所示。 由式(6)可知,水分含量较大时,促成SO。含量的增 加;由式(7)可知,因水分含量增大,SOFz含量增 加,在氧气含量一定的情况下,SO F。含量也有一定 程度的增加。 SF4+H2O— SOF2+2HF, (4) S。F:+H。0一SoF2+H2S, (5) SOF2十H2 O— SO2+2HF, (6) 2SOF2+02—2SO2Fz。 (7) 水分易参与SF。气体的分解主要有以下几个 原因 引:1)水分子分解为H和OH需要的能量小 于SF 分解成SF 的能量,水分解的热化学方程式 如式(8)所示。水分子分解为H和oH需要4.5~ 5 eV,小于SF。分解成SF4需要的6.5~7 eV;2) OH与SF 分解物结合为放热反应,如式(9)和式 (10)所示,这样水分解物和SFs分解物反应后更加 促进反应进行;3)水作为极性分子,易与SFs气体 分解出来的氟原子结合,且释放能量,加剧反应的进 行,如式(1.1)所示。 H2O—H+OH;△H一+465 kJ/tool。 (8) SF4+OH— SOF2+HF+F;△H一一130 kJ/mol。 (9) SF +OH— S0F2+HF;△H:==一35l kJ/mol。 (10) H2O+F—HF+OH;△H<O。 (11) 河北工业科技 第29卷 2.3氧气的影响 7 eV[ ]。由此可见,局部放电中能量较小的电子就 氧气在新气中的体积分数一般不超过100× 能促使氧气分解,能量中等的电子才能使SF6 10一,设备投入运行后由于各种原因会使内部的氧 分解。 气含量增大。氧气的化学性质比较活泼,容易和其 O2—2O;AH一+439 kJ/mol。 (14) 他气体生成化合物。在sF 的气体分解物中,大部 另外,SF 气体分解产生的SF ,S 和SFz等 分分解产物都含有氧元素,这些氧元素有些来自 粒子与氧原子反应均是放热反应,如式(15)一式 SF 气体中的氧气杂质,有些来自含有氧元素的绝 (17)所示L6]。 缘材料的分解。本试验选择4组含有氧气杂质的 SF4+O—SOF2+2F;AH=一124 kJ/tool。 SF 气体,氧气体积分数分别为92×10一,0.5 9/6, (15) 1 和2 9/5,SF 气体其他杂质含量满足IEC标准和 SF。+O—SOF2+F;AH一一213 kJ/mol。 中国国家标准。 (16) 含有不同含量氧气的SF。气体在放电试验下 SF2+o— S0F2;AH一一496 kJ/mol。 (17) 的分解产物如表3所示。由表3可知,氧气体积分 可见,SF 气体内氧气的存在加剧了SF 气体 数由92×lO 增至0.5 时,在同样的放电时间和 的分解,破坏了SF 向SF 的复合,促使了SF 气 放电强度下,SO。Fz含量明显提高,(SOz+SOFz)和 体分解产物的生成,所以电器设备内应该尽量减少 H。S分解含量有所降低;对比氧体积分数为0.5 , 氧气的含量。 1 和2 下SF 气体分解产物可知,分解产物含量 2.4四氟化碳的影响 差别很小,在试验误差的允许范围之内,推测这和氧 四氟化碳在SF 新气中的含量大约为100× 气的饱和有关。 10 (体积分数),它是在SF 制造中伴随产生的。 表3 不同氧气含量下SF 分解产物 本试验选择3组含有四氟化碳杂质的SF 气体,四 Tab.3 Decomposed products SFe gas under different 氟化碳的体积分数分别为106×10一,0.5 和1 , content of O2 SF。气体其他杂质含量满足IEC标准和中国国家标 准。表4为尖端放电情况时不同四氟化碳含量下 sF6气体的分解产物。 表4 不同四氟化碳含量下SF。分解产物 Tab.4 Decomposed products S gas under different content of CL 氧气含量较大时,部分SF6气体分解产生的 SF 直接与氧气发生反应,如式(12)所示。反应生 成的SOF 与水分发生水解反应,生成SOF2和腐 蚀性极强的HF,如式(13)所示。由于SOF4与水分 发生反应,在水分一定的情况下,抑制了式(4)一式 由表4可以看出,含有106×10 四氟化碳的 (6)的进行,降低了(SO。+SOF )和H S分解物的 SF。气体和含有0.5 或1 9,6四氟化碳的SF 气体 生成含量。 在同样放电条件下分解产物差别不大,考虑到放电 2SF4+O2— 2SOF , (12) 试验难以重复,测量数据的微弱差别应在试验误差 SOF4+H2O—SO2F2+2HF。 (13) 允许的范围之内。表4数据结果说明,在低能放电 氧气非常顺利地参与SF 气体的分解反应得 条件下四氟化碳对SF。分解产物的影响是有限的。 益于氧气的键能并非太高,氧气的热化学反应方程 四氟化碳的热解方程式如式(18)和式(19)所示[7.8_。 式如式(14)所示。比较式(14)、式(2)和式(3)可知, 四氟化碳失去2个氟原子需要的能量为9.5~ 氧气的分解比SF。分解成SF 或SF 分解成SF 10 eV,而SF 失去2个氟原子需要的能量为6.5~ 需要更少的能量。在SF 局部放电中,电子的平均 7 eV,可见CF4相比SF 更加稳定。由此可知,四 能量为5~10 eV,氧气的分解大概需要5 eV,而 氟化碳对SF 气体分解产物的影响较小。 SF 分解成SF 或SF 分解成SF 需要6.5~ CF4一CF3+F;△H一+541.8 kJ/mol。 (18) 第3期 景 皓等气体杂质对SF6气体分解产物影响研究 145 CF3一CF2+F;AH=+367.2 kJ/mol。 (19) 参考文献: [1]张晓星,姚 晓,唐炬,等.sF6放电分解气体组分分析的 3 结 论 对氮气、氧气、水分和四氟化碳4种气体杂质在 放电情况下对SF 气体分解产物含量的影响进行 了试验研究,并对试验数据进行了分析,得出以下 结论。 现状和发展[盯.高电压技术,2008,34(4):664—669. [2] SPILIOPoULOS I.The effects of moisture and gaseous addi— tives on SF6 recovery characteristics[J].European Transae— tlons Electrical Power,2006,16(2):121—136. [3] SHOTARO T,HIROSHI K,KOICHI H.SF6 gas analysis technique and its application for evaluation of internal condi- 1)混入不同含量氮气的SF。气体在放电作用 下分解产物没有明显变化,氮气分解需要的能量远 tions in SFe gas equipment[J].IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems,1981,100(9):4 196-4 206. [4]ROTGER M,BOUDON V,LOETE M.The ground state ro— 大于SF 分解成四氟化碳需要的能量,氮气比SF tational spectrum of SOz F2[J].Journal of Molecular Spectros— 气体在放电情况下更加稳定。SF 气体中含有微量 copy,2003,222(2):172—179. 氮气对sF6气体分解产物影响较小。 [5] PRADAYROL c,cAsANOVAs A M,AVENTIN C.Produc— 2)SF 气体中水分含量升高时,SF 气体分解 tion of SO2F2,SOF4,(S0F2+S ),S2Flo,S20Flo and Sz02Fa0 in SF6 and(50—50)SF6一CF4 mixtures exposed to nega— 物的总含量大幅度增加,其中(SO +SOF。)和H。s tive coronas[J].Journal of Physics D;Applied Physics,1997, 的含量增加幅度较大,SO。F 含量的增加趋势较缓。 3O(9):1 356-I 369. 可见,SF 气体中水分含量对SF 气体分解产物影 [63 DING W.Analysis of PD-generated SF6 decomposition gases 响较大。 adsorbed on carbon nanotubes[J].IEEE Transactions on Die- 3)SF 气体中氧气含量升高时,分解物总含量 1ectrics and Electrical Insulation,2006,13(6):1 200-1 207. 增加,其中SO F。含量明显提高,(SO。+SOF )和 [7] AOKI N,KUMAI K.Decomposition of SFs by Arc,Dis— charge-Influence of Water,Organic Matter and Electrode Ma— H S含量略有降低。SF 气体中氧气杂质对SF 气 terials upon Arc Decomposition Products of SF6[R].JapanI 体分解产物影响较大。 Central Research Institute of Electric Power Industry Report 4)SF 气体中四氟化碳含量升高时,SF 气体 E278004。1978.80-86. 分解产物没有明显变化,四氟化碳分解需要的能量 [8]SHIH M,LEE W J,CHEN C Y.Decomposition of SF6 and H2S mixture in radio frequency plasma environment[J].In— 大于SF 分解需要的能量,四氟化碳比SF 气体在 dustrical Engineering Chemistry Research。2003,42(13): 放电情况下更加稳定。SF 气体中含有微量四氟化 2 906—2 9】2. 碳对SF 气体分解产物影响较小。 驴驴 (上接第140页) 到的沉淀物抑菌作用明显,抑菌谱也较广,可以抑制 了可观的社会财富,可谓一举多得。 一些革兰氏阳性菌和阴性菌,还有真菌,经验证此沉 淀物为蛋白质类物质。发酵液中的复合抑菌物质的 参考文献: 抑菌效果远高于化学防腐剂的抑菌效果。 [13熊涛,乐易林.生物保鲜技术的研究进展[J].食品与发酵工 基于上述实验结果,可以从丙酸菌厌氧发酵生 业,2004,30(2):111—114. 产维生素B 的发酵废液中分离提取高效广谱的复 [23雷虹.L.乳酸菌酸菜发酵液中小肽类天然防腐剂的研究[J]. 中国林副特产,2005(2):44—45. 合生物抗菌物质,并开发其市场应用价值。这样在 [3]田文利,吴琼,吕红线.乳酸链球菌素的研究进展[J].食品工 生产出高附加值产品的同时又避免了发酵废水大量 业,2000(3):28—30. 排放所造成的资源浪费及环境污染,不仅能够满足 [4]仪宏,王丽丽,冯惠勇.丙酸积累对薛氏丙酸杆菌生长及产酸 清洁生产、保护环境和促进人类健康的需要,又创造 的影响[刀.微生物学通报,2003,30(3):29—32. 

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