基于分解组分分析的sf6设备绝缘故障诊断方法与技术的研究现状-唐炬.pdf

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1、2016 年 10 月 电 工 技 术 学 报 Vol.31 No. 20 第 31 卷第 20 期 TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Oct. 2016 基于分解组分分析的 SF6设备绝缘故障 诊断方法与技术的研究现状 唐 炬 杨 东 曾福平 张晓星 （武汉大学电气工程学院 武汉 430072） 摘要 随着全封闭式组合电器（GIS）设备在各电压等级中日益广泛应用，一旦发生绝缘故障将严重危及电力系统的安全运行，对GIS设备进行绝缘状态监测与故障诊断是降低其故障率和运维费用的有效手段之一。针对目前国内外研究热点，基于分解组分分析（DCA

2、）的SF6设备绝缘故障诊断方法与技术进行综述，以推动该领域的理论与技术进步。首先，在分析国内外气体绝缘装备故障统计的基础上，介绍常见的绝缘故障及其诱因；其次从引发SF6气体分解过程及机制出发，分析基于SF6分解组分的故障诊断原理，重点评述SF6故障分解特征产物，并对以分解组分比值为特征量的故障诊断研究进展情况进行小结；最后结合当前研究现状和尚需解决的难点问题，指出基于分解组分分析的SF6设备绝缘故障诊断方法与技术的研究要点及发展趋势。 关键词：分解组分分析 SF6故障诊断 分解机制 特征比值 分解产物 中图分类号： TM85 Research Status of SF6Insulation E

3、quipment Fault Diagnosis Method and Technology Based on Decomposed Components Analysis Tang Ju Yang Dong Zeng Fuping Zhang Xiaoxing （ School of Electrical Engineering Wuhan University Wuhan 430072 China） Abstract With the gas insulated switchgear (GIS) equipment increasingly and widely used in each

4、voltage levels, insulation fault of the GIS equipment will seriously endanger the safe operation of power system. The condition monitoring and fault diagnosis of GIS is an effective method to reduce failure rate and operational cost. This paper reviews the research status of SF6insulation equipment

5、fault diagnosis method and technology based on decomposed components analysis which is a research hotspot in the world, to promote the theory and technical progress of the field. On the basis of the analysis of gas-insulated equipment fault statistics at home and abroad, common insulation failure an

6、d its causes were introduced firstly. Then, from the point of SF6decomposition process and mechanism, the fault diagnosis mechanism based on SF6decomposed components was analyzed and SF6fault decomposition characteristic products were emphatically commented. Whats more, research progress of fault di

7、agnosis that regards decompose component ratio as characteristic quantity was summarized. Finally, combining with current research status and unsolved difficult problems, this paper points out the research points and development tendency of SF6insulated equipment fault diagnosis method and technolog

8、y based on decomposition component analysis. Keywords： Decomposed components analysis, SF6, fault diagnosis, decomposition mechanism, concentration ratio, decomposition products 国家自然科学基金重点资助项目（ 51537009）。 收稿日期 2016-06-14 改稿日期 2016-07-06 万方数据 42 电 工 技 术 学 报 2016 年 10 月 0 引言 六氟化硫（ SF6）在常温常压下是一种无色、无味、无

9、毒、不燃的稳定气体，具有优良的电绝缘和灭弧性能1；作为绝缘介质可大幅减小设备尺寸，提高绝缘强度，已在各电压等级的全封闭式组合电器（ Gas Insulated Switchgear， GIS）中得到广泛应 用2。尽管 GIS 的可靠性高于普通的电气设备，但其在运行中依然会出现事故3。针对 GIS 的放电性故障诊断可以采用电测法、超声法和特高频法等，但由于现场存在各种强烈干扰，使得电测法、超声法易受现场电磁噪声干扰；特高频法虽然抗干扰能力较强，但是其难以对放电进行定量分析，很难对绝缘运行状态作出准确判断4。而针对 GIS 外部过热性（ Partial Over Thermal, POT）故障，尽

10、管可以通过红外直接测量其表面温度来判断5， 但是当 GIS内部发生 POT 时，故障表面温度受 SF6气体热阻系数、热源与设备壳体表面距离等影响，不能直接通过红外测量其表面温度来判断内部局部过热点温度，也不能像放电性故障那样通过放电过程中所激发的相关电、磁、光、超声信号进行实时监测6。 纯净的 SF6气体化学性质非常稳定， 不易分解。国内外大量研究发现6-8，在局部放电（ Partial Discharge，PD）、火花放电、电弧放电和局部过热等因素作用下，会促使 SF6气体分子中的离子键发生断裂导致其裂解， 形成 SF5、 SF4、 SF3、 SF2和 SF 等低氟化物 （ SFx） 。在没

11、有任何杂质存在的情况下，只要引起裂解的外部因素消失，这些 SFx会迅速与 F 原子复合还原成SF6分子。 但是， 当 SF6气体中含有微量的水分 （ H2O）和氧气（ O2）等杂质气体以及固体有机绝缘材料、金属材料等物质时，形成的 SFx会与其发生反应而进一步生成其他物质，此时 SFx不会再还原成 SF6分子。 GIS 设备在长期运行过程中，内部不可避免会存在不同含量的微量水分和氧气等杂质。 一方面，SF6气体裂解后产生的 SFx（ x=1,2,3,4,5）与杂质反应生成的新组分气体，会导致设备绝缘性能降低。另一方面，有些新组分气体（称之为特征组分）又与引起裂解的内部故障因素有着密切的关联，利

12、用这些特征组分的生成及变化规律建立的基于分解组分分析（ Decomposed Components Analysis， DCA）方法，能够实现 SF6气体绝缘装备的状态监测和故障诊断9。 由于 DCA 是基于气体色谱分析理论的化学检测法，不受环境噪声和强电磁干扰的影响，与脉冲电流法、超声波法和特高频法等相比，其优势 在于无需对设备本体进行改造或植入复杂的检测元件，气体取样和分析工作可在设备运行时进行。目前， 该方法的研究进展倍受国内外同行的广泛关注，国际大电网会议组织（ CIGRE）近期也成立了 WG B3-25 （ SF6gas analysis for AIS, GIS and MTS C

13、ondition assessment）工作组，以期建立 SF6气体绝缘设备的故障组分分析导则，实现对 SF6或者混合气体绝缘设备的绝缘故障诊断和状态评价6。因此，有必要了解基于 DCA 的 SF6设备绝缘故障诊断原理、方法与技术的最新研究进展，以推动本学科的理论与技术进步。 本文首先介绍气体绝缘装备常见绝缘故障统计情况，并对常见绝缘故障及其诱因进行综述；然后，从 SF6气体分解过程及机制出发，分析基于 SF6分解组分分析的故障诊断原理；其次，重点评述 SF6故障分解特征产物，对以分解组分比值为特征量的故障诊断研究情况进行综述；最后，结合当前研究现状和存在的问题， 指出基于 DCA 的 SF6

14、设备绝缘故障诊断技术的发展趋势。 1 气体绝缘装备常见绝缘故障 1.1 气体绝缘装备中常见故障统计 SF6气体绝缘装备一直被普遍认为是少维护甚至是免维护的高压电器装备， 但是根据 CIGRE 的统计3，其故障率远高于 IEC 标准建议的故障水平。在这些故障中，以绝缘故障的发生比例最高。据CIGRE 统计3， 1985 年以前投入的 SF6气体绝缘装备共发生故障 562 起， 其中绝缘故障比例高达 60%；1985 年以后投入的共发生故障 247 起，绝缘故障占51%。 据国家电网公司不完全统计10， 在 2003 2008年，国家电网公司系统 72.5kV 及以上 GIS 设备共发生缺陷 2

15、897 个间隔 次，实际消除缺陷 2 867 个间隔 次，消缺率为 99.0%； 2005 年以后，共引发192 次设备自身原因的非计划停运。其中，危急缺陷 201 个间隔 次，共造成设备自身非停 85 次，消缺率为 100%；严重缺陷 452 个间隔 次，共造成设备自身非停 103 间隔 次，实际消除缺陷 451 个间隔 次，消缺率为 99.8%；一般缺陷 2 244 个间隔 次，实际消除缺陷 2 215 个间隔 次，消缺率为 98.7%。而这期间，由于绝缘缺陷引起的国家电网公司系统72.5kV 及以上组合电器设备故障 107 台 次，其中，事故 33 台 次， 障碍 74 台 次。 故障主

16、要集中在 126kV和 252kV 电压等级，占 83.2%。从故障设备的投运万方数据 第 31 卷第 20 期 唐 炬等 基于分解组分分析的 SF6设备绝缘故障诊断方法与技术的研究现状 43 时间看，约有 34 台 次设备于 1998 2002 年之间投运，占总数的 73.9%。其中，属于断路器隔室及其操动机构的有 38 次，占 35.5%；属于隔离开关（接地开关）气室或单元有 24 次，占 22.4%；属于电流互感器气室有 5 次，占 4.7%；属于避雷器气室有 1次， 占 0.9%； 属于电压互感器气室有 4 次， 占 3.7%；属于进出线或母线气室的有 17 次，占 15.9%；其他情

17、况有 18 次，占 16.8%。按故障部位分类统计如图1 所示。 图 1 GIS 绝缘故障部位分布 Fig.1 GIS insulation fault location distribution 另据统计11由不同缺陷引发 GIS 故障所占比例如图 2 所示，从图 2 中可以看出，在所有的 SF6气体绝缘装备故障类型中， 接触不良占据的比例最高，其次是金属微粒、未知故障和绝缘子缺陷引起的故障率。 图 2 不同缺陷引发 GIS 故障的比例 Fig.2 Insulation fault rate caused by different defect in GIS 1.2 气体绝缘装备绝缘故障及其

18、诱因 SF6气体绝缘装备在制造、运输、安装、运行及检修等过程中，由于生产工艺、机械振动、安装疏忽、运动磨损及检修不严等原因，不可避免地造成 SF6气体绝缘装备内出现不同程度和类型的绝缘缺陷。按照 SF6气体绝缘装备的故障性质，可以把SF6气体绝缘装备的故障分为放电性故障、过热性故障和机械性故障，然而机械性故障常以过热性故障和放电性故障的形式表现出来，因此仅需针对放电性故障和过热性故障进行研究6。 1.2.1 气体绝缘装备放电性故障 从目前研究形成的共识看，引起放电性绝缘故障主要是由于 GIS 等气体绝缘装备内部存在着各种缺陷，这些缺陷使设备内部的电场发生畸变，最终导致了设备发生各种绝缘故障（主

19、要诱发放电性故障） 。从缺陷的种类来看，绝缘类缺陷主要包括：自由导电微粒、金属突出物、绝缘子缺陷和悬浮电位体等12，绝缘缺陷在 GIS 腔体内出现的部位如图 3 所示。 图 3 GIS 腔体内绝缘缺陷出现的部位 Fig.3 Insulation defect in GIS 在运行中的电应力、各种分解产物造成的化学腐蚀及机械振动等一系列外在因素的作用下，这些绝缘缺陷会不断发展并加剧，直至形成绝缘故障，造成设备停电事故。在气体绝缘装备内部出现绝缘缺陷的不同时期， 会表现出不同形式的放电性故障，如果按照放电性故障的表现形式和严重程度来划分，大致可划为 PD、火花放电和电弧放电三大类，PD 一般是绝缘

20、缺陷的早期表象， 火花放电是绝缘缺陷的中期表象，电弧放电则是绝缘缺陷严重的表 象13。 （ 1）自由导电微粒。自由导电微粒14是指在电极之间存在可在电场作用下自由跳动的金属微粒或碎屑。它一般出现在设备金属腔体与高压导体之间的空间里。其可能是制造或装配过程中未清洗干净而产生的遗留物，也可能是机械装置动作过程中金属磨擦而产生的金属粉末。 这些金属微粒形状各异，有颗粒状、片状、粉末状和尖刺状等。由于这些颗粒是金属的，它们会在电场中感应出电荷，并且其质量很小，在电场力的作用下会发生移位和跳动。这些微粒的运动与电场强度、微粒形状和质量以及一些随机因素相关，如果微粒跳动的范围足够大，数量足够多，就可能在高

21、压导体和外壳之间形成导电通路或者贯穿性的电弧通道，从而造成设备严重的故障15,16。因此，这些导电微粒对运行中的设备万方数据 44 电 工 技 术 学 报 2016 年 10 月 危害较大。在导电微粒导致腔体内发生贯穿性的放电前，最容易表现的电气特征就是产生 PD。 （ 2）金属突出物。金属突出物通常有两种存在形式：金属突起毛刺；金属微粒附着在固体绝缘表面。它是因加工不良、机械破坏或装配时的相互擦刮而产生，通常异常尖锐，以致在尖头突出部位形成绝缘气体中的高场强区。 在稳态工作条件下，这些高场强区所产生的电晕有时显得较为稳定，不一定会引起击穿。然而，在快速暂态过电压下，譬如在操作过电压或雷电过电

22、压下，往往会引发击穿故障。另外，绝缘子表面吸附的固体金属微粒，若是暂时粘在绝缘子表面，通常会移动到低场强区而不发生 PD， 但在某些情况下会长期固定在绝缘子表面，作为固定金属微粒，它粘贴在绝缘表面的作用类似于金属突起物17,18。 （ 3）绝缘子缺陷。绝缘子缺陷12,17,19有可能发生在绝缘子表面或内部。表面缺陷是由其他缺陷类型引起的二次效应，比如 PD 产生的分解物、金属微粒或者绝缘气体中可能过多水气引起的破坏；在现场测试时，闪络产生的树痕，在某种情况下也可以被视为绝缘表面缺陷。内部缺陷通常很小，常常是一些在制造过程中形成但又很难检测到的缺陷，比如在制造过程中渗入的金属微粒、环氧树脂在固化

23、过程中的收缩以及环氧树脂和金属电极不同的热膨胀系数而出现的内部空隙或层离； 由于装配误差，导体的机械运动也可能给绝缘子造成损伤。 （ 4）悬浮电位体。在气体绝缘装备内部，被广泛地用来改善危险部位电场分布的屏蔽电极与高压导体或接地导体间的电气连接，通常是所谓轻负载接触（即连接部分只传输很小的容性电流） 。然而，一些连接部件在最初安装时虽然接触良好，但随着开关电器操作所产生的机械振动会导致移位或随时间推移带来老化，这些都有可能造成静电屏蔽体的接触不良，从而出现浮动电位20。同时，静电屏蔽体或导体连接点机械上的不良接触又会加剧因静电力引起的机械振动，从而进一步导致接触不良，最终出现电极电位浮动。对于

24、大多数电位浮动的电极所形成的等效电容，在充电过程中会产生 PD，并 伴有较强的电磁辐射和超声波，同时放电还会形成腐蚀性的分解物和微粒，从而加速缺陷的恶化，甚至污染附近的绝缘表面，严重时导致绝缘故障的发 生20,21。 1.2.2 气体绝缘装备过热性故障 SF6气体绝缘设备在运行等过程中，其内部不可避免地会存在接触不良、磁路饱和、磁短路以及各种放电等缺陷， 这些缺陷如果得不到及时的处理，在缺陷部位的热稳定性将被破坏，会造成 SF6气体绝缘装备局部过热现象，严重时可能引起局部过热性故障。这些早期 POT 会不同程度地损伤绝缘材料，绝缘材料的损伤又加重局部过热，从而进一步加快绝缘材料的劣化，以致形成

25、恶性循环，最终可能导致绝缘击穿或烧蚀6,22。 2 基于 SF6分解组分分析的故障诊断原理 2.1 SF6气体分解过程及机制 由于 SF6气体绝缘装备内部出现早期潜伏性绝缘故障时，常常会伴随不同形式和强度的 PD 或者POT 物理现象，产生的局部强电磁能及局部高温炽热会使 SF6绝缘气体介质发生不同程度的分解，生成各种 SFx（ x=1,2,3,4,5） ，如果 SF6气体绝缘装备内部同时存在微量的 H2O 和 O2等杂质，其分解物还会进一步与之发生反应，生成如 SO2F2、 SOF2、SO2、 HF 及 H2S 等组分气体6,8,23-25；如果内部有固体绝缘与金属材料，还会生成 CO2和

26、CF4等含碳组 分6,8,26。 SF6分解物与 H2O、 O2、 C 和金属结合过程的示意如图 4 所示。 图 4 SF6分解组分的形成 Fig.4 Decomposition process of SF6目前，针对 SF6分解过程及其产物， 已经形成了统一的认识，但是针对 SF6气体的放电分解机制，仍没有得出系统的研究成果27。 美国国家标准局的 R. J. Van Brunt 对 SF6在 PD 下的分解机理进行了系统的研究，提出了“区域分解模型”来解释 SF6在 PD 下的分解机理，用针 -板电极作为放电物理模型，形象地阐述了 SF6在 PD 下的区域分解过程28,29， 如图 5所示

27、。 尽管“区域分解模型”能够对 SF6气体绝缘设备中产生的气体分解过程及结果进行合理的解释。 万方数据 第 31 卷第 20 期 唐 炬等 基于分解组分分析的 SF6设备绝缘故障诊断方法与技术的研究现状 45 图 5 SF6气体在 PD 下的区域分解模型 Fig.5 Model of SF6reaction in different areas under PD 然而，该模型是针对金属突出物缺陷在负极性直流条件下提出的，存在很大的局限性。当外加电压为正极性直流或者交流时，或在其他绝缘缺陷，或火花、电弧放电下，其气体分解机制及过程可能并不完全相同， SF6气体分解物理模型有待进一步的研究27。此

28、外，针对 SF6气体过热微观分解机制还是一片空白，亟需深入研究6。 2.2 DCA 故障诊断原理 SF6分解组分（如 HF、 H2S 等）会腐蚀设备内固体绝缘及金属部件材料，加速设备内部整体绝缘劣化，导致设备发生突发性绝缘故障4。但在众多的分解组分中，某些称之为特征组分的含量大小及其变化规律与绝缘故障类型和严重程度有密切关 系25,30,31，如图 6 和图 7 所示。因此，可通过对 SF6分解生成的特征组分特点来及时发现 SF6气体绝缘装备内部的早期潜伏性绝缘故障，并对其绝缘状态进行科学评价，以降低 SF6电气设备发生突发性绝 （ a）金属突出物缺陷 （ b）绝缘子表面污秽缺陷 （ c）自由

29、金属微粒缺陷 （ d）绝缘子气隙缺陷 图 6 SF6在不同绝缘缺陷类型 PD 下的分解特性 Fig.6 SF6decomposition characteristics in different types of insulation defect under PD （ a） CF4组分 （ b） CO2组分 （ c） SOF4+SO2F2组分 （ d） SOF2组分图 7 SF6在过热状态下特征组分的分解特性 Fig.7 SF6decomposition characteristics in an overheated state 万方数据 46 电 工 技 术 学 报 2016 年 10

30、月 缘故障的概率。 同时，由于 SF6的分解特性与绝缘故障类型和严重程度关系极为密切，分解组分的变化规律不仅可以反映出故障的性质，而且还可以反映出故障的产生机理、发展与演变过程。为此，通过对 SF6在不同故障模式下分解特性的系统研究，可以从本质上提取出揭示 SF6气体绝缘装备内部不同绝缘故障产生、发展及演变过程的特征信息或特征量，建立内部绝缘状态综合评价模型，最终构建出 SF6气体绝缘装备内部绝缘故障诊断与预警体系。 3 SF6故障分解特征产物 目前，国内外对 SF6气体绝缘设备的绝缘性能监测，还没有形成像变压器油中溶解气体分析那样成熟而具体的检修标准或导则，仅有 IEC 6037620053

31、2和 IEC 60480 200433分别对 SF6新气和可回收再利用 SF6气体做了一个初步概略性的规定。造成这个现状的最根本原因是没有掌握 SF6分解特征气体种类及其含量变化规律与 SF6气体绝缘设备绝缘缺陷状态之间的关系，无法建立表征 SF6气体绝缘设备绝缘状态的分解组分特征量体系。 3.1 PD 故障的特征组分 文献 34对尖刺放电、悬浮放电和沿面放电三种缺陷引起的 PD 与 SF6放电分解组分的关系进行了试验研究，在气室中检测出 SOF2、 SO2、 HF 等产物，且发现随着 PD 严重程度的加重， SOF2、 SO2、HF 的含量也随之增大，可以将这些组分作为 GIS PD 的特征

32、气体。文献 35研究了 PD 条件下的 SF6分解特性，发现 SO2F2与 SOF2两种主要分解产物都随放电量线性增加（ Q 0.4C），其中 SOF2表现出一定的饱和趋势，其含量低于 SO2F2。文献 36通过试验研究不同放电类型和放电程度下 S2OF10随时间的变化规律，并通过和量子化学理论研究了 S2OF10的生成机理， 通过试验和理论研究发现 S2OF10在 GIS 气室内 PD下不会大量产生， 不能作为 PD 放电特征气体。 文献 37对盆式绝缘子进行了沿面放电试验，并借助理论计算， 发现 CS2可作为一种新的特征分解气体用于 GIS盆式绝缘介质放电故障的诊断。 国内外针对 SF6分

33、解组分与 PD 能量的关联关系进行大量研究，已经取得一定的成果。文献 38指出在 SF6气体绝缘电器设备中，由于绝缘缺陷引起的 PD 能量相对较低， 引起 PD 区域附近温度变化不大，可认为常温下的 SF6气体放电分解的主要原因是电效应，即常温下在陡脉冲强电场激发的高能电子碰撞下引起 SF6气体分解。由于 SF5的生成只需 PD 产生的电子流在撞击 SF6分子时断裂 1 个 S-F键，需要的电子流能量较低，大约为 420kJ/mol39。而生成 SF4需要 SF6同时断裂 2 个 S-F 键，相对需要的能量较生成 SF5所需电子流能量高， 依次类推，生成 SF3、 SF2、 SF、 S 的 P

34、D 能量将依次增大，但其中 SF、 SF3、 SF5分子结构不对称，使得其化学性质极不稳定40， 极易与游离的 F 原子结合生成 SF2、SF4和 SF6。在极高能量 PD 作用下，有可能使 SF6分子同时断裂所有 S-F 键而产生单质硫 S 或者高能电子在撞击完 SF6分子后，由于能量的损失而附着在 S 上面形成 S2， S2再与 H+结合生产 H2S，因此H2S 是高能 PD 的特征产物。 虽然， SF6在 PD 作用下形成的低氟硫化物或者分子碎片不可避免地会在 PD 辉光区内发生二次电离， 但是 R. J. Van Brunt 通过研究将 SFx在 PD 作用下的二次电离速率列于表 1，

35、由表 1 可见各低氟硫化物发生二次电离生成其他低氟硫化物的概率和速率几乎一致，认为低氟硫化物发生二次或多次电离对最终分解产物的影响甚微，可忽略不计。因此，所生成的最终低氟硫化物的种类及其含量主要取决于 SF6在 PD 作用下发生的首次电离36。也就是说，SF4、 SF2、 S 和 H2S 的产率直接反映出 PD 能量大小，成为揭示 PD 能量大小的特征组分41。 表 1 SFx在 PD 作用下的二次电离速率40 Tab.1 SFxsecondary ionization rate under PD 反应过程 反应速率常数 /(cm3/s) SF5 SF4+F K1=6.5109SF4 SF3+

36、F K2=6.5109SF3 SF2+F K3=8.8109SF2 SF+F K4=5.5109由于 SF4和 SF2主要存在于辉光区， S 为固体颗粒，因此这三种物质均不利于取样和检测。然而，当 SF4和 SF2通过扩散作用进入到主气室后， SF4极易与 H2O 发生水解反应生成 SOF2， 同时 SF2也易与 O2反应，生成 SO2F2。据此，文献 41指出 SOF2和 SO2F2的产率能够在一定程度上间接地反映出PD 能量的大小，即产生 SOF2所需的 PD 能量较SO2F2低，而且 SOF2和 SO2F2主要存在于主气室，便于采样和检测，因此提出可利用 SO2F2和 SOF2作为间接表

37、征 PD 能量的特征组分。 通过以上研究结果可以得到这样的结论： SO2F2、SOF2、 SO2、 HF 和 CS2可以作为反映是否存在 PD万方数据 第 31 卷第 20 期 唐 炬等 基于分解组分分析的 SF6设备绝缘故障诊断方法与技术的研究现状 47 的特征气体，其中 SO2F2和 SOF2可作为间接表征PD 能量大小的特征组分。 3.2 高能放电性故障的特征组分 高能放电性故障包含电弧放电故障和火花放电故障，其为内部绝缘故障发展到一定阶段后所表现出来的一种对设备内部绝缘破坏性极强的放电现象，并极有可能危及设备的安全运行。 SF6在 PD 作用和高能放电性故障下的分解机理有着本质不同。电

38、弧作用下促使 SF6分解的原因，除了高能电子的轰击之外，同时还伴随着剧烈的热效应、高能光子以及电弧通道内高温等离子体的协同影响，相关机理还有待进一步深入研究。总体来说，电弧放电的能量高，其特点是 SF6分解特征组分的产气速率急剧增加而且量大，一般难以预测，最终以突发性绝缘事故暴露出来。 火花放电是一种间隙性放电故障，放电能量较 PD 高， SF6在火花放电故障作用下的分解速率也较 PD 作用下快，但要低于电弧放电故障。 3.2.1 电弧放电 国外学者对电弧放电下 SF6的分解特性进行了大量研究，而国内学者在这方面的研究相对较少。K. Hirooka 等42认为电弧放电下， SF6气体主要通过两

39、种方式发生分解，一种是电弧燃烧时由于过热直接产生分解；另一种则是电弧熄灭后产生的分解，设备内部的微量水分只会影响电弧熄灭后的分解过程。其在气室中检测到金属氟化物（ CuF2、 AlF3、WF6等），并发现大量的 SF4，而 S2F2和 S2F10几乎没有检出。 C. Boudene 等43提出当设备内部存在微量的氧气时， SF6电弧放电分解的主要产物是 SOF2，同时可检测到微量的 SOF4和 SO2F2。 W. Becher 和J. Massonne44利用红外光谱仪分析发现，在电弧放电下 SF6极易分解产生 SOF2和 SF4，但没有检测到S2F10O 和 S2F10。 B. Belmad

40、ani 等45发现当放电发生在设备内部绝缘材料附近时，会产生一定含量的CF4。另外， SF6电弧放电条件下发生放电分解后，主要分解产物含量自大到小依次是 SOF2+SO2、 CF4和 SO2F2。 从目前大多数学者的研究结果来看， SF6在电弧放电故障作用下的主要分解产物是 SF4、 SO2、SOF2、 WF6、 AlF3和 CuF2，其次会有少量的 SO2F2。如果当电弧涉及到有机固体绝缘材料时，不仅会伴随产生大量的 CF4、 CO2和 CO，而且因为电弧放电的能量密度高，在电场力作用下会产生高速电子流和大量的等离子体，同时还会释放大量的热量和光子，这些因素共同作用于固体绝缘材料，会使固体绝

41、缘材料受到严重破坏46,47。因此，若对电弧放电故障不及时处理，严重时有可能会造成 SF6气体绝缘设备的重大破坏或爆炸事故。 3.2.2 火花放电 与 SF6在电弧放电故障作用下的分解现象类似，国内学者对其研究较少，但国外学者对其有较多研究。 I. Sauers 等48较为系统地研究了 SF6在火花放电作用下的分解现象， 发现生成物含量依次为：SOF2 SOF4 SiF4 SO2F2 SO2，其中 SOF2为最主要的放电分解产物。橡树岭国家实验室的研究中也检测到了 SF4、 SOF2、 SO2F2、 SiF4、 SOF4等多种气体分解产物27。 W. Becher 和 J. Massonne4

42、4对 SF6气体在火花放电下的分解试验，该次试验中检测到了浓度约为 100L/L 的 S2F10。 W. Becher 等研究49指出，不同于电弧放电，火花放电条件下可以检测到较高浓度的 SO2F2和 SOF4， 同时还可检测到低浓度的 S2F10以及S2OF10。 C. Pradayrol 等50和 C. Beyer 等51也得出类似结论，仅在火花放电中检测到 S2F10和 S2OF10。陈俊52对火花放电和电晕放电进行了试验和理论研究，指出在火花放电下， SO2F2生成量小于 SO2，在电晕放电则相反，因此可以通过比较 SO2F2和 SO2的含量，来确定放电类型。 根据以往的研究可以得到这

43、样的结论：在火花放电故障作用下， SF6气体绝缘介质发生分解所生成的主要分解产物是 SOF2、 SO2F2、 SOF4、 SO2和 SiF4，同时与电弧放电和 PD 故障不同的是，在火花放电故障作用下， SF6的分解产物中还有一定量的 S2F10和 S2F10O46,53-55。同样，当火花放电故障涉及到设备内部的有机固体绝缘材料时，也会伴随产生大量的 CF4、 CO2和 CO，即火花放电故障不仅会使 SF6气体绝缘介质发生劣化，同时还会使其内部的固体绝缘介质发生劣化。但是，目前的研究成果还存在矛盾之处（如 SO2F2和 SO2的含量大小问题） ，仍需对火花放电进行进一步研究。 3.3 局部过

44、热性故障的特征组分 国外对局部过热性故障进行了一定的研究。 R. L. Wilkins 通过试验发现56， 当温度高达 1 500K 时，SF6气体主要分解产物是 SF4。 F. Y. Chu 和 R. M. Massey57将铝、 铜和不锈钢置于温度为 650的 SF6气体中进行试验，在铝材料环境中检测到 SO2F2，铜材料环境中检测到 SO2和 SOF2， 而在不锈钢环境中未发现分解产物。 在国内，近年来主要是作者带领的课题组对局部过热性故障下的 SF6分解特性开展了系统探索研万方数据 48 电 工 技 术 学 报 2016 年 10 月 究6,24,25,58,59，研究发现有些结果与上

45、述国外研究存在差异，主要表现：当温度高于 200时， SF6气体能与许多金属发生反应，并可在金属表面检测到金属氟化物及金属硫化物，而在反应后生成的气体中可检测到 SO2F2、 SOF4、 H2S、 CO2、 SOF2、和 SO2。当故障涉及到有机固体绝缘材料时，还会同时产生大量的 CF4。此外，当 SF6发生分解所形成的含硫特征分解产物，出现顺序是 SO2 SOF2SOF4+SO2F2 H2S，含碳分解产物的出现的顺序为CO2 CF4。其中， SOF2和 SO2是 SF6在 POT 作用下发生分解所生成的主要特征分解产物，其产物含量所占比例在 90%左右，这两种主要分解产物的含量能够在很大程度

46、上表征 SF6在 POT 作用下的劣化程度。 H2S 是故障达到一定程度（故障温度高于 340）后才会产生的一种分解特征产物，其可作为POT 故障性质跃变的一个标志性分解产物。 CO2和CF4是区分 POT 是否涉及有机固体绝缘材料的标志性特征产物，其生成量和生成速率直接表征了有机固体绝缘材料劣化的程度。此外， CO2还可作为表征 SF6气体绝缘设备中含碳金属材料在 POT 作用下的劣化程度。 4 以分解组分比值为特征量的故障诊断 4.1 比值法的基本原理 由 SF6分解机制可知，导致 SF6发生分解的关键因素是 PD 或 POT 等故障所激发的高能电子或局部高温使 SF6气体绝缘介质裂解为

47、SFx，能量越高，形成的 SFx中 F 原子的个数越少，最终形成的稳定产物也会随之不同。而特征比值，能够消除分解气室的体积效应，可以得出对故障状态较为可靠的诊断依据。因此，根据 SF6气体绝缘介质在不同故障下所产生的分解特征气体组分含量的相对浓度与故障类型、性质及程度等存在的相互依赖关系，并从众多特征气体中选取能够有效表征 SF6气体绝缘设备故障类型及其严重程度的组分特征比值，作为故障诊断的特征量，可建立起基于分解组分分析的故障诊断方法。目前仅作者课题组在这方面开展了研究，并初步建立起了基于 DCA 的故障诊断方法。 4.2 SF6分解特征组分比值的构建 4.2.1 c(SO2F2)/c(SO

48、F2)的物理意义 SO2F2主要来源是 SF2， SOF2主要来源是 SF4，其中 SF2的产生需要 SF6同时断裂 4 个 S-F 键，而SF4却只需 SF6同时断裂 2 个 S-F 键，故生成 SF2所需的能量要大于产生 SF4所需能量，即生成 SO2F2所需故障能量要比生成 SOF2的高。因此， SOF2和SO2F2含量与 PD 和 POT 故障能量有着密切关系，文献 41,60据此借鉴比值法的原理，提出采用c(SO2F2)/c(SOF2)作为揭示 SF6气体绝缘电气设备中故障源处故障严重程度的能量特征比值（ Energy Ratio, ER）。很显然， c(SO2F2)/c(SOF2)越大，说明PD 和 POT 故障产生的高能电子流在轰击 SF6分子时使其断裂的 S-F 键越多，裂解所生成的低氟硫化物中 SF2与 SF4较接近甚至超过 SF4的含量，即设备内部故障越严重，反之亦然。 4.2.2 c(CF4)/c(CO2)的物理意义 当涉及到有机固体绝缘材料和含碳金属构件时，在故障区域中的含