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SF6气体绝缘装备(气体绝缘组合电器GIS,气体绝缘断路器GCB,气体绝缘变压器GIT和气体绝缘管线GIL等)因其占地面积小、运行安全可靠、电磁污染小等突出优势被广泛应用于高压、超/特高压输变电和大中城市群供电系统中,已成为构建智能电网、建设现代变电站的首选设备。 然而,SF6气体绝缘装备在运行过程中,其内部不可避免地会存在接触不良、磁路饱和、磁短路等缺陷,这些缺陷如果得不到及时的处理,会造成SF6气体绝缘装备局部过热,出现局部过热性故障(Partial Over-thermal Fault,POF)。如不及早发现并及时治愈POF,它会像设备内部前期“肿瘤”一样,由小变大,由弱变强,甚至由局部发展到整体,逐步发展成为严重的局部热烧蚀等突发性绝缘故障,使设备绝缘能力完全丧失,最终可能导致因设备故障诱发电网大面积停电的严重事故。令人遗憾的是目前尚无一种能够有效监测SF6气体绝缘装备内部POF故障的监测方法。另外,学界有关SF6热稳定性的认识普遍集中在“低于500℃时不会发生分解”这一学术观点。本文在研究过程当中发现SF6在大约260℃时便会发生分解,而SF6在POF作用下的分解过程与POF故障状态具有极其密切的内在联系。为此,本文提出利用SF6过热分解原理来监测气体绝缘装备POF的学术思路,以期解决SF6气体绝缘装备内部POF监测的难题。开展的主要工作和所取得的创新性成果如下: ①根据SF6气体绝缘装备内部POF的特点,研制用于实验模拟POF的物理缺陷模型,设计出模拟SF6在POF作用下分解的过热分解实验系统以及实验分析方法;采用有限元法对所研制的SF6过热分解实验密闭气室内部的热场和SF6气体发生对流的速度场进行仿真建模分析,同时利用温度传感器阵列对密闭气室内部的温度进行了测量。仿真和实测结果表明:所研制的SF6过热分解实验系统能够有效的模拟SF6气体绝缘装备内部POF的局部高温效应,且在模拟实验过程中,密闭气室腔体表面的温度最高不会超过70℃,避免了实验过程中 SF6气体与气室内壁发生附加反应,为系统研究SF6过热分解特性及其分解机理奠定了实验基础。 ②在研制的POF分解实验系统上进行大量SF6分解实验,获取了SF6在POF温度为260~500℃之间的过热分解特性,根据所得SF6过热分解规律和各分解组分的性质,确定了表征SF6过热分解特性和POF故障属性的主要特征组分,并揭示各特征分解组分所代表的物理意义。研究发现:SF6在POF温度为260℃时便会开始有明显的分解过程,其主要分解组分有SO2F2、SOF4、SOF2、SO2、H2S、HF、CO2和CF4等,且不同产物与POF故障严重程度的内在关系差异显著;SO2F2、SOF4、SOF2和SO2是SF6在POF作用下所形成的最为主要的特征组分,其生成量在很大程度上表征了SF6绝缘介质的劣化程度;H2S是故障达到一定程度(360℃)后才会出现的特征组分,是表征POF故障性质跃变的标志性特征组分;CF4和CO2是表征POF涉及有机绝缘材料的关键特征产物。 ③为了建立利用SF6分解原理诊断SF6气体绝缘装备POF故障状态的标准,根据所得的SF6过热分解特性,并结合SF6气体绝缘装备内部典型POF的形成机理,构建出三类(共17个)表征SF6气体过热分解特性和POF故障属性的特征量,并揭示了各特征量所蕴含的物理意义,在此基础上给出POF故障状态区间划分准则。研究表明:所构建的总分解量、特征分解产物有效产气速率RRMS和组分含量特征比值等三类(共17个)特征量能够有效的表征POF故障性质、发展趋势和严重程度,据此给出的POF故障划分准则可以为现场初步检测、评判POF提供了理论依据。 ④根据低气压降低液体介质沸点的原理,提出了一种微量H2O精确注入控制装置与方法,在此基础上结合SF6气体绝缘装备安全运行所允许的微量H2O范围,研究了微量H2O对SF6过热分解过程的影响特性及其作用机制。研究表明:由于微量H2O直接作用于各特征组分的生成过程,其对各特征分解产物的生成量都有影响,但与H2O含量之间的关系因组分种类的不同而差别迥异。 ⑤依据微量H2O对各特征分解组分的生成影响机制,进一步研究了微量H2O与表征 POF故障属性的特征量之间的内在联系。研究表明:除了特征比值C(SO2F2+SOF4)/Log10C(SOF2+SO2)在H2O含量低于1000ppm时几乎不受H2O含量的影响外,总分解量、各特征产物RRMS以及其余组分含量特征比值都将会以不同形式随H2O含量的提高而提高,同时结合实际情况,初步给出了各特征量与H2O含量的数学关系式,可据此对其进行校正。