开断电弧能量对SF6电气设备中气体分解物影响的试验研究
杨韧 (陕西电力科学研究院)
薛军、汪金星(陕西省电力公司)
【摘要】本文对SF6断路器开断时SF6气体分解物中的SO2和H2S含量进行了详细的研究。通过大量试验分别研究了开断电流和燃弧时间对SF6分解物中SO2和H2S含量的影响；并对在灭弧室中有吸附剂和无吸附剂进行了对比试验研究；研究和分析了电弧能量对SF6气体分解物的影响及SF6分解物中SO2和H2S含量在有吸附剂和无吸附剂下随时间的变化关系。本文结果对根据SF6分解物含量进行SF6设备状态判断或缺陷﹑故障判断以及在线检测提供参考。
【关键词】SF6断路器 开断 气体分解物 能量
1、 引言
SF6气体具有极好绝缘性能和灭弧性能，SF6电气设备是利用SF6气体作为绝缘介质和灭弧介质的。SF6电气设备目前已经广泛应用于高压和超高压领域，它有体积小﹑重量轻﹑容量大﹑成套速装﹑维修量少等优点[1-2]。某些正在运行的SF6电气设备存在缺陷或故障,影响了设备的正常运行,甚至酿成事故,因此及时发现SF6 电气设备内部缺陷或故障,对保证设备和电网的安全运行具有重要意义。SF6气体在电弧﹑放电和过热作用下存在分解现象，通过检测SF6分解产物的含量诊断设备内部是否存在故障，将成为SF6 电气设备在线监测和故障诊断的一种有效方法[3-5]。
开断电弧作用下SF6气体分解物的情况在试验和理论已经有了很多研究成果，但在实际应用方面的研究不多。电弧作用下SF6气体分解产物主要有硫化物和氟化物。硫化物主要有SO2、H2S、SF4、SO2F2、SOF2等；氟化物主要有HF、CF4和金属氟化物[6-7]。上述的分解物中SF4、SOF2 含量较大但不稳定，很快在氧气（O2）和水气（H2O）杂质影响下产生稳定的SO2和HF，HF具有强腐蚀性，会与内部金属发生再反应，通常开断或故障后检测到的氟化氢（HF）含量较小或检测不到；CF4在新气中含量就很大（200ul/l左右），而在电弧作用下增加量却相对较小，故不能作为检测气体。其它气体分解物在设备内部的含量极少。因此,把SO2、H2S作为检测气体研究SF6气体分解物是可行的[8-9]。检测的SO2 浓度是直接分解和水解产物的总量，H2S 是固体绝缘材料分解的特征组分。本文从实际应用出发对SF6断路器开断时SF6气体分解物中的SO2和H2S含量进行了详细的研究，试验研究和分析了开断电流、燃弧时间、电弧能量、吸附剂等因素对SF6分解物的影响，为根据SF6分解物含量进行SF6设备状态判断或缺陷﹑故障判断以及在线检测提供参考。
2、 试验系统及试品
试验系统如图1所示，试验是在高压合成回路中进行的。实验中短路电流由L1、C1 构成的单频振荡电流源提供，振荡频率为50Hz，恢复电压由L2、C2 构成的电压源提供。试验前先对电容器C1、C2进行充电，并将SF6断路器（图1中3）闭合，然后断开充电装置。试验中首先闭合开关K1，电容器C1沿闭合回路放电，提供短路电流，然后令SF6断路器动作开断短路电流。
图1实验系统结构图
1，2—充电装置；3—示波器；4—罗氏线圈； L1、L2－电流源和电压源电抗；C1、C2－电流源和电压源电容； K1－主合闸开关；K、K2－充电开关；K3－辅助开关；TB－SF6断路器；R01、R02、C01、C02－调频电阻和调频电容；F、F1、F2－分流器；FV－分压器；D－点火球隙
试验用的SF6断路器主要技术参数如表1所示。本试验为了便于研究，只选择了SF6断路器中的一相进行开断，但三向气室相连通。本试验通过改变电容器C1上所充的电压调节短路电流大小；由于SF6断路器的开断角度不能控制，燃弧时间的长短也就不能选定，所以进行多达60次开断试验，选择适当的试验数据进行分析。在短路电流被开断后每隔一到两个小时用SF6分解物测量仪测量灭弧气室内气体分解物SO2和H2S的含量，并记录下来。
表1断路器主要技术参数
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额定电压: 40.5kV |
额定短路开断电流:25kA |
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额定电流: 1600A |
额定常温工作气压: 0.6MPa |
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额定频率: 50Hz |
常温所装气体质量：1.5kg |
本试验用的SF6气体满足IEC标准和中国国家标准，其中水分含量为40～50ppm。本试验所用的吸附剂是分子筛，测量仪器是JH型SF6电气设备分解物检测仪。
3、试验结果及分析
SF6断路器开断后分解物含量与气室内是否有吸附剂有着密切的关系。在投有吸附剂的气室由于吸附剂对分解产物的吸附使测量数据与无吸附剂时的测量数据差别很大，但是实际运行的SF6断路器中均投放有吸附剂，所以本试验对有无吸附剂的情况进行对比研究。
3.1 有或无吸附剂时SO2和H2S含量随时间的变化
图2（a）是无吸附剂电流为7kA(峰值)时电弧电压和电流波形，电弧电流波形是反相显示的。有图2（a）可知在0ms时主回路断路器闭合，短路电流通过SF6断路器，在16.8ms时触头间电压突然增大，说明断路器断开，有电弧出现，电弧在29.8ms时因截流现象提前熄灭，燃弧时间为13ms. 图2（b）是开断后在取气口测量到的气体分解物SO2和H2S的含量随时间的变化曲线。刚开断时测量到的SO2含量为10.14uL/L，H2S的含量为0.86uL/L，然后随着时间的增加SO2和H2S的含量均上升，25个小时后含量趋于达到最大值，并最后趋于稳定在一个范围，SO2在120uL/L上下波动，波动的原因与测量时的气温﹑气体分解物的不均匀分布以及测量仪器的随机误差有关；H2S基本上稳定在19uL/L。
电弧电流（kA) 
电弧电压（kV)
时间（ms）
（a）电弧电流及电弧电压波形
SO2含量（μL/L） 
H2S含量（μL/L）
时间（小时）
1—SO2，2—H2S
（b）分解物含量变化曲线
图2 无吸附剂电流为7kA(峰值)时电压波形及分解物含量变化趋势；
图3（a）是无吸附剂电流为15kA(峰值)时电弧电压和电流波形（反相显示）。有图3（a）可知SF6断路器在22.8ms时开始动作，触头间电压增大，有电弧出现，电弧在30ms熄灭，燃弧时间为7.2ms.
图2（b）是开断后气体分解物SO2和H2S的含量随时间的变化曲线。开断后随着时间的增加SO2和H2S的含量均迅速上升，18个小时后含量趋于稳定在一个范围，SO2和H2S分别在95.86uL/L 和16uL/L上下波动。
电弧电流（kA) 
电弧电压（kV)
时间（ms）
（a）电弧电流电压波形
SO2含量 （μL/L）
H2S含量（μL/L）
时间（小时）
1—SO2，2—H2S
（b）分解物含量变化曲线
图3 无吸附剂电流为15kA(峰值)时电压波形及分解物含量变化趋势
由图2（b）和图3（b）分解物中SO2和H2S的变化曲线可知在电弧燃烧时有SF6直接分解产生的SO2含量很少，大部分SO2是由其它中间分解物的进一步反应产生。试验研究证实电弧高温作用下SF6分解的主要气体产物是SF4、SOF2，但SF4、SOF2很快水解产生稳定的SO2和HF[10-12]。一般认为H2S气体是固体绝缘材料分解的特征组分，其含量与绝缘材料的种类有关，本试验用的SF6断路器气体喷口绝缘材料是聚四氟乙烯。
对图2和图3进行比较可知：开断电流为7kA却比开断电流为15kA的分解物含量还高，对比两者的电弧电流及电压波形可知：图3开断电流虽大但是其电弧电压和燃弧时间相比图2差很多。通过计算证实图2（a）所示的电弧能量为8.56kJ,而图3(a)所示的电弧能量仅为5.82kJ。图2虽比图3的开断电流小但其能量比较大，分解物含量也较高，可见分解物含量与电弧能量直接相关。
图4（a）是有吸附剂电流为28kA(峰值)时电弧电压和电流波形（电流反相显示）。有图4（a）可知SF6断路器在19.8ms时开始动作，触头间电压增大，有电弧出现，电弧在30ms熄灭，燃弧时间为10.2ms. 图4（b）是开断后气体分解物SO2的含量随时间的变化曲线，图4（c）是开断后气体分解物H2S的含量随时间的变化曲线。开断后随着时间的增加SO2和H2S的变化趋势基本上一致，含量均迅速上升，6个小时后 SO2含量达到最大值96.57uL/L，7个小时时 H2S含量达到最大值13.14uL/L。达到最大值后分解物含量在吸附剂的作用下又迅速下降，在200小时后H2S含量降为0，但SO2的含量趋于稳定在3.14uL/L。30天后测定SO2仍稳定在3.14uL/L ，H2S含量为0。在不换吸附剂的情况下重新开断5kA（峰值）的电流发现吸附剂仍具有吸附功能，可见吸附剂并为饱和，但SO2的浓度趋于稳定在3.43uL/L。试验和分析证实本试验使用的吸附剂—分子筛对SO2的吸附是物理吸附，当吸附剂吸附的量达到一定程度时吸附剂对SO2的吸附速率和SF6气体中SO2的含量浓度间达到动态平衡，平衡浓度的大小与吸附剂的饱和程度以及气体压强有关。在试验中发现：在开断电流小于15kA（有效值）时在吸附剂的吸附下分解物都将变为0，而大于20kA（有效值）时SO2在长达一个月的吸附后仍有剩余。由图4（b）和（c）浓度变化曲线对比图2（b）和图3（b）知有吸附剂时测量到的SO2和H2S含量远低于同条件下无吸附剂时的测量数值，显示了吸附剂对分解物的重大影响。
电弧电流（kA) 
电弧电压（kV)
时间（ms）
（a）电弧电流电压波形
SO2含量 （μL/L）
时间（小时）
（b）SO2 含量变化曲线
H2S含量 （μL/L）
图4有吸附剂电流为28kA(峰值)时电压波形及分解物含量变化趋势
3.2 开断电流大小对SO2和H2S含量的影响
图5是无吸附剂时开断电流(有效值)大小对分解物含量影响拟合曲线。由于断路器操作机构的动作时间离散性使各开断电流下燃弧时间有所不同，但相差不大，燃弧时间控制在9.7ms到10.2ms之间，基本上是半个周期的燃烧电弧。各开断电流下的数值是无吸附剂时分解物达到稳定时的数值。由图5知SO2和H2S的含量均随着开断电流的增大而增加，且增长的速度越来越快，图示SO2和H2S含量拟合曲线均是二阶曲线，说明分解物与电流的二次方成正比，这与理论相吻合。
图6是有吸附剂时开断电流(有效值)大小对分解物含量影响拟合曲线。燃弧时间控制在9.6ms到10.1ms之间。由于在有吸附剂的时候分解物含量随时间变化较快（见图4），图6显示的各开断电流下的数值是有吸附剂时分解物含量的最大值。由图6知SO2和H2S的含量均随着开断电流的增大而增加，增长的速度在开断电流小于5kA时变化较慢，在5到15kA时基本上成线性变化，在大于15kA时增长非常迅速。这是吸附剂的吸附速率造成的，吸附剂的吸附速率和分解物的浓度有关。开断电流小于5kA时分解物浓度较小，吸附剂很快就完全吸附；开断电流在5到15kA时分解物浓度保持在一定范围内，此时吸附剂吸附速率随分解物含量浓度增大而增加；开断电流在20kA或以上时分解物浓度很大，吸附剂的吸附速率将不再随浓度增加而增大了。
由图5和图6 对比可知：有吸附剂相比无吸附剂时在同样大的开断电流下分解物含量最大测量值明显偏小，且不及无吸附剂时测量值的四分之一。这一方面是由于吸附剂吸收了SF6气体中的水分等杂质，降低了SF6气体的直接分解；另一方面是由于分解物在测量过程中被吸附剂吸附。吸附剂具有这两个方面的作用。
分解物含量（μL/L）
开断电流（kA)
图5 无吸附剂时分解物含量随开断电流(有效值)变化拟合曲线
分解物含量（μL/L）
开断电流（kA)
图6 有吸附剂时分解物含量随开断电流(有效值)变化拟合曲线
3.3 燃弧时间对SO2和H2S含量的影响
图7是无吸附剂时分解物含量随燃弧时间的变化曲线，开断电流是6kA（有效值）。各开断电流下的数值是无吸附剂时分解物达到稳定时的数值。由图7知SO2和H2S的含量均随着燃弧时间的增长而增加，但并不是成正比例。无吸附剂时分解物含量相对燃弧时间的增长率在小于8ms是较大，在10ms附近时较小，在大于12ms时又较大。这是由交流电弧的特点决定的，交流电弧在5ms时出现第一个半波的最大值，在15ms时出现第二个半波的最大值，而10ms附近时过零点，电流值较小。电弧瞬时值的大小反应了电弧瞬时能量大小。
由于本试验是直接切断短路电流，所以燃弧时间8ms意味着当短路电流过零点2ms时开关开始动作至10ms时电弧熄灭，电弧是半波的一部分但小于半波；燃弧时间10ms意味着在短路电流过零点时开关动作，电弧正好是半波；电弧12ms意味着开关在短路电流过零点前2ms动作，电弧过零点后重燃，又延长了一个半波。可见在燃弧时间在10ms附近因电弧能量较小所以分解物含量增长较缓慢，在靠近5ms或15ms的燃弧时间处因电弧能量较大分解物含量增长较快。
分解物含量（μL/L）
燃弧时间（ms）
1—SO2，2—H2S
图7 无吸附剂时分解物含量随燃弧时间变化曲线
图8为有吸附剂开断电流为6kA(有效值)时分解物含量随燃弧时间变化曲线，各燃弧时间下的数值是有吸附剂时分解物含量的最大值。有吸附剂时相对无吸附剂时分解物含量随燃弧时间变化规律基本一致，即在10ms附近时增长缓慢，在越靠近5ms和15ms处增长越迅速。对比图8和图7知有吸附剂时在同样燃弧时间下分解物含量的测量值较无吸附剂时小很多，原因仍是吸附剂两个方面的作用的结果。
分解物含量（μL/L）
燃弧时间（ms）
1—SO2，2—H2S
图8 有吸附剂时分解物含量随燃弧时间变化曲线
3.4 电弧能量和SO2和H2S含量的关系
通过前面的分析和比较我们最终停留在电弧能量上。图9是无吸附剂时分解物含量随电弧能量变化拟合曲线，从拟合曲线可以看出SO2和H2S的含量均和电弧能量成线性关系。但该线的延长线并不过原点，说明在电弧能量越靠近零的时候越偏离线性关系；同理在电弧能量较大时，分解物含量也将偏离线性关系，因为电弧能量较大时高温电弧周围的SF6气体的量限制了分解物的含量。通过线性关系内的数据可知每千焦分解物大概在15uL/L～20uL/L之间，且随着能量的增大每千焦的分解物含量在降低。
图10是有吸附剂时分解物含量随电弧能量变化拟合曲线，各燃电弧能量下分解物含量是有吸附剂时分解物含量的最大值。从图10中可以看到有吸附时测到的分解物含量最大值随电弧能量的增加而增大且加速增大。这是因为吸附剂对SO2和 H2S的吸收速率是随着分解物的浓度的增大而增大但增长趋势变慢造成的。
分解物含量（μL/L）
电弧能量（kJ)
1—SO2，2—H2S
图9 无吸附剂时分解物含量随电弧能量变化拟合曲线
分解物含量（μL/L）
电弧能量（kJ)
1—SO2，2—H2S
图10 有吸附剂时分解物含量随电弧能量变化拟合曲线
4、 结论
对不同参数条件下SF6分解物的试验研究表明：电弧下直接产生的SO2含量较少，大部分是中间产物继续水解产生的，H2S含量相比SO2较小。对于额定短路电流为25kA的SF6断路器在无吸附剂时电弧开断后SO2和H2S的含量均增加，且在几十个小时内达到稳定值；有吸附剂时分解物含量迅速增加后又迅速降低，在小于15kA（有效值）电流开断时分解物含量最终吸附到零，大于20kA时分解物有剩余。
在燃弧时间相同，电弧电压变化趋势一致的条件下，分解物含量与开断电流的二次方成正比。在开断电流相同的条件下，分解物含量随燃弧时间增长而增大，但在10ms附近增长缓慢，在5ms和15ms等开断电流峰值附近增长迅速。无吸附剂时分解物含量与电弧能量成正比，且每千焦能量分解物大概在15uL/L～20uL/L之间。吸附剂对分解物含量影响很大，有吸附剂时测量值大概是无吸附剂时测量值的1/5到1/4，吸附剂的吸附速率与分解物的含量浓度有关，并随着分解物浓度的增大而增大。
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姓名：杨韧
单位：陕西电力科学研究院
邮寄地址：陕西省西安市友谊东路308号
邮政编码：710054
联系电话：02985763195
作者简历：1970年3月18日出生，西安交通大学硕士研究生，高级工程师，1992年进入陕西电力科学研究院（原西北电力中心试验所）工作至今，一直从事高压开关类设备运行相关技术研究，现任陕西电力科学研究院高压电器所副所长。
（获2009年全国输变电设备状态检修技术交流研讨会优秀论文）
