220kvgis sf6 ct气室闪络分析

2008 中国国际供电会议 1 220kV GIS SF6 CT 气室闪络分析 裘吟君 1，刘岩1，姜宏仁1，姚唯建2，周永言2，陈锦清2，钱艺华2 1. 海南电力试验研究所 海南 海口 570203；2. 广东电力试验研究所 广东 广州 510600 摘 要：通过常规与非常规化学、电气试验手段，对GIS SF6 CT气室中闪络故障前后固体粉末、气体成分及CT气室内的 化工材料进行排查试验，证明频繁发生闪络故障的内置式CT气室内存在丁腈橡胶板。其腐蚀性硫与气室内触头等镀银件 反应形成硫化银，并最终形成导电通道，引起CT气室闪络击穿。GIS SF6 CT气室内化工材料测评与质量监控缺少相应的 行业或国家标准，是导致目前国产GIS CT气室杂质含量高，故障率也相对较高的根本原因。 关键词：SF6；分析；腐蚀；标准 南方电网平高厂 2005 年间投产的 LW105- 252W 型 GIS 开关，于 2006 年 811 月间连续 4 个间隔的 CT 下位 气室出现 5 次相同闪络击穿故障， 均表现为母差保护动作。 经检查各气室 SF6气体压力正常，录波仪记录事故前运行 电流 80140 A，故障电流 1013 kA，对检出 SO2、HF 气体的 CT 气室解体后发现 CT 气室内有大量白色粉末物， 靠断路器侧绝缘盆子上附着大量黑色粉末物，电连接变 黑，电连接基座右上侧金属熔缺。2006 年 11 月 12 日在对 从未投运的同型备用间隔 CT 气室解体检修时，在电连接 触子上也发现黑色粉末物。 1 化学、电气排查试验 对多项事故现场与试验大厅的电气及摸拟性电气试 验结果排除了 CT 气室机、电、热的影响因素，怀疑对象 集中转向 SF6气室。推断存在挥发极性杂质的未知劣质化 工材料，致使 CT 气室内电场畸变进而发生击穿事故。故 障分析试验重点也转向从化学角度对闪络故障前、后 CT 气室内固体粉末及 SF6气体成分进行全组分分析。同时模 拟现场环境，进行排除可疑对象的加速仿真性电气试验， 并将仿真试验前后的气体与固体组分与洛基站故障前后 气体与固体组分进行比对，拟通过全方位的电气、化学联 合试验，查找故障原因。 1.1 试验用固体、气体样品的取样与制备 (1) 运行设备固体、气体样品取样。 试验用故障前（运行）气体样品取自海南洛基 站 2 号主变上 CT、2 号主变下 CT 及 2 号主变断路器 气室。试验用故障后气体取自海南洛基站闪络后的洛鹅 II 线下 CT 气室。试验用故障前固体粉末取自海南洛基站洛 鹅 III 间隔上 CT 电连接触子，该间隔为没有出线，且从未 投运的备用间隔。试验用故障后的固体粉末取自洛基站故 障闪络后的洛鹅 II 间隔下 CT 绝缘盆子。 (2)加速仿真性电气试验后气体样品的制备。 试验装置一的气样：按洛基站原来的工艺要求， 装配 CT 气室，电连接型号工艺同洛基站，涂抹同样的 FLZ-4 润滑脂，气室抽真空至 133 Pa，充入 0.35 确 Mpa 的新 SF6气体， 3150 A 通流 48 h， 146 kV 老练 48 h， 耐压、 局放试验后取气。 试验装置二的气样：试验装置一试验结束后，从 CT 气室中拿去耐油黑橡胶缓冲垫，再重装 CT 气室，电连 接、 润滑脂同装置一， 气室抽真空至 133 Pa， 充入 0.35 Mpa 的新 SF6气体，同时对 CT 筒体外部加热,筒壁温度为 50 60 ，加压 146 kV，48 h 后取气。 试验装置三的气样：全新的 CT 气室，内装纤维 板作缓冲垫,试验方式与过程同装置二，48 h 后取气。 (3)气体取气方法。本次试验用气体，均采用真空钢瓶 自然压力平衡法取气。 2 试验手段与结果 2.1 运行设备、仿真电气试验后 CT 气室气相成 分常规分析 (1) 现场微水、纯度检测。 利用 DL 公司的纯度仪、DP19 镜面露点仪及维萨拉 DMT-242P 阻容式露点仪， 检测 CT 与非 CT 气室纯度与水 分。 微水、纯度检测试验结果： 各气室纯度均在 99%以上，正常； 各气室水分也在正常值范围内； CT 气室用 DP19 镜面露点仪与维萨拉阻容式露 点仪进行比对检测。镜面法较阻容法在 CT 气室水分检测 中有 200 ppm 的水分高差，初步判定 CT 气室中有少量未 知组分干扰水分在镜面正常结露。 (2) SF6定性检测管检测。 故障后用 SO2、 HF 定性检测管， 对故障间隔进行检测, 结果四次故障均在检出 SO2、HF 的 SF6 CT 气室中，解体 2 2008 中国国际供电会议 后找到故障闪络部位。 (3) SF6分解产物气相色谱分析。 为收集比对设备故障更多共异性，还对不同出厂时间 的设备进行取气分析。海南洛基站、佛山丹桂站、深圳腾 飞站作为平高 2005 年投运设备试验代表，湛江吴川站作 为 2003 年投运设备试验代表。SF6分解产物色谱分析结果 如下。 (a) 故障后 SF6气体。 洛基站洛鹅线 CT 故障气室，故障后 SF6气体中有 明显 CH4、SO2F2分解产物故障峰。 (b) 运行中 SF6气体。 洛基站 2 号主变上 CT、 2 号主变断路器及广东丹 桂站多个非故障 CT 气室、母线气室、断路器气室均检出 有不明成分的峰， （其出峰时间较 SO2F2出峰时间晚 10 s， 对该峰杂质组分还需进一步试验查证） ； 平高 2003 年出厂的 GIS 组合电气湛江吴川站色 谱峰正常，无杂质峰。 (c) 电气试验装置试验后气体。 电气试验装置二与深圳鹏飞站运行与备用 CT 气 室检出不明组分峰； 装置一和装置三色谱峰相同。 (d) SF6色谱分解产物分析结论。 平高 2003 年投运设备及电气试验装置三，在本 次色谱检测中，SF6色谱峰正常，其他气室均因不明原因 出现各类色谱杂峰。 由于对 SF6开关设备中 SF6气体分解产物的气相 色谱定性定量分析，目前还没有相应的标准。再加之获取 SF6气体中间分解产物标样有很大难度，本次试验暂不能 对洛基与丹桂站 CT 与非 CT 气室色谱图为何出现相似的 色谱杂峰及电气试验装置二试验后气体为何又与鹏飞站 运行与备用 CT 气室的色谱图相似，及各峰对应的杂质组 分做出解释。 2.2 运行设备、仿真电气试验后 CT 气室气体相 成分非常规分析 (1) 动态离子分析仪检测SF6气体内杂质总含量 动态离子分析仪迁移波谱峰值差与样气杂质含量及污 染等级关系见表 1。 本次试验采用 TEIMS-PortablePM 动态离子分析仪进 行试验，试验结果见表 2。 表 1 迁移波谱峰值差与样气杂质含量及污染等级关系 污染等级 迁移波谱峰值差值/ms 样气中总杂质含量 （/1×10-6） 无污染 0-1.5 6 2 000 表 2 应用动态离子分析仪的试验结果 设备 样气杂质总含量/ ppmv 洛基 2 号主变下 CT 500 洛基 2 号主变断路器 500 洛基 2 号主变上 CT 5001 000 洛鹅线下 CT（故障后） 未检 电气试验装置一 1 0002 000 电气试验装置二 5 001 000 电气试验装置三 500 动态离子对 SF6气体相杂质总含量及污染情况检测 结果表明： 洛基 2 号主变下 CT 气室、 2 号主变断路器气室、 装置三均无杂质污染； CT 气室中杂质总含量或污染等级跟气室的运行 时间有关，跟 CT 气室是装耐油橡胶板有关，电工绝缘纸 板对 CT 气室不造成杂质污染。 装置三 CT 气室中微量杂质是否由该 CT 气室除 去橡胶板后微量残留引起，有必要重新进行装置三电气及 化学（色谱及动态离子）复检性试验。 综合第(2)小节发射光谱仪对试验装置二、三试验 后气体组分试验结果， 装置二中的杂质组分应该不是硫系物。 (2) 发射光谱仪对故障前后、电气试验装置试验后气 体进行元素成分分析。 因试验用发射光谱仪只能进行液体相成分检测， 故对 被测气体用硝酸吸收后进行试验。用优级纯硝酸配制 1:1 浓度，取 10 ml，置入 U 型吸收管中，通入被检气体，流 速约为 0.50.6 L/min，90 min 后对液体相进行元素检测。 试验结果见表 3。 (3) 热场发射扫描电镜与能谱仪联用对活性碳吸附 后气体进行元素成分分析。 考虑难溶化合物的化学溶解吸附特性， 故对被检气样 用活性碳吸附后，再用热场发射扫描电镜与能谱联用仪对 固体相元素进行定性定量分析。 试验仪器用仪器为 FEL Quanta 400 F 热场发射扫描 电镜和 INCA 能谱联用仪。 将色谱柱用 2035 目活性碳装 入 1 ml 移液管中， 通入气体， 3050 min 后对吸附后的活 性碳进行检测。试验结果见表 4。 表 3 应用发射光谱仪的试验结果 元素含量/(10-6l·L-1) 设备 S Al SF6 新气 4.656 洛基 2 号主变下 CT 4.749 洛基 2 号主变断路器 6.245 洛基 2 号主变上 CT 7.474 3.891 洛鹅 II 线下 CT（故障后） 195.1 4.403 电气试验装置一 61.876 电气试验装置二 7.747 电气试验装置三 13.982 2008 中国国际供电会议 3 表 4 热场发射扫描电镜和 INCA 能谱联用仪的试验结果 设备 Ag 元素含量重量比/% 活性碳 洛基 2 号主变下 CT 洛基 2 号主变断路器 洛基 2 号主变上 CT 洛鹅 II 线下 CT（故障后） 0.09 电气试验装置一 0.01 电气试验装置二 电气试验装置三 第(2)小节及第(3)小节对气体相元素成分分析试验结 果表明： 被检的运行 CT 气室与断路器中均含元素 S，且 元素 S 在 CT 气室中的含量与气室运行时间成正比，元素 Al 在 CT 气室内的浓度也随运行时间增加而增加。 含丁腈橡胶板的电气加速试验装置一的腐蚀性 硫明显高于不含橡胶板的装置二、三。 在洛基故障后与电气加速试验装置一试验后之 气体中均检出银,其他气室未出银。 需要说明的是， 洛基 2 号主变下 CT 为故障后新充 SF6 气体， 至被检日运行时间约为 1 个月， 洛基 2 号主变上 CT 自投运后一直运行至采样日，时间约为 1 年。 (4) 用气质联用仪对CT与非CT气室有机组分进行检 测。为查证有机物在本次故障中的作用，特进行运行气体 CT、非 CT 气室有机成分分析。在中科院广州地球化学所 环境资源与保护重点实验室， 利用安捷伦 GC-MAS 气质联 用仪对洛基站 2 号主变断路器及丹桂站 CT 气室气体有机 组分进行检测。结果见表 5。结果表明，CT 气室有机物浓 度较非 CT 气室明显高，但由于浓度在 ppbv 水平上，故该 极微量的有机物浓度应不至造成气室的闪络。 表 5 应用气质联用仪的试验结果 各气室的气体有机组分/(10-12l·L-1) 有机成分 丹桂站 CT 气室 洛基站 CT 气室 苯 11.7 2.55 甲苯 81.11 4.92 乙苯 28.39 3.36 对二甲苯 45.34 3.40 C3 苯 15.97 2.37 正十烷 26.07 3.22 正十二烷 27.02 5.94 间二甲苯 1.96 邻二甲苯 19.06 2.3 CT 气室中固体粉末成分分析 利用热场发射扫描电镜/能谱联用对故障前、 故障后固 体粉末进行分析。试验结果表明，故障前黑色固体粉末成 分为 Ag2S（硫化银） ，故障后黑色固体粉末主要成分为硫 化银、碳等，故障后白色粉末为 AlF3（氟化铝） 。 3 故障原因分析、腐蚀机理与验证性试验 3.1 故障原因分析 对洛基故障气室及电气加速试验装置试验后气体、固 体组分分析试验，分析显示： 设备故障前 （运行） 及加速仿真性电气试验后 SF6 气体组分中元素 S、A