金属微粒几何尺寸对SF6直流局部放电分解特性的影响研究

摘要

电网中以穿墙套管为代表的六氟化硫（sulfur hexafluoride，SF6）气体绝缘设备具有占地面积小、可靠性高以及电磁环境好等突出优势，已在电网中得到广泛的应用。同时，随着特高压直流（ultrahigh voltage direct current，UHVDC）输电和离岸大规模海上风电输送工程的建设，直流SF6气体绝缘设备必将拥有巨大的应用前景。与交流气体绝缘设备类似，直流设备内部也不可避免地会存在各种金属微粒，常见的金属微粒缺陷形状有线形、片形和颗粒（粉末，近球形），并在运行中引起电场畸变进而产生有危害的局部放电（partial discharge，PD），若得不到及时处置，有可能因PD的逐步加剧而发展为绝缘故障。基于SF6分解组分分析原理建立的绝缘故障监测法（decomposed components analysis，简称DCA）认为SF6在PD作用下分解生成的特征组分体积分数和产气速率等与引起PD的绝缘缺陷故障程度和类型有着密切的联系，已成为本领域研究和关注的热点，但这种故障诊断技术能否完全适用于直流设备，还需大量实验论证。因此，为完善基于DCA的直流SF6气体绝缘设备绝缘故障监测法提供理论依据，本文将开展SF6在金属微粒缺陷下直流PD分解特性的影响研究，为建立和完善直流SF6气体绝缘设备绝缘缺陷故障诊断技术提供理论和实验支持。　　本文通过大量的SF6高压直流PD分解实验，研究了金属微粒几何尺寸对SF6 PD分解特性的影响，据此建立了用于直流SF6气体绝缘装备内部PD故障诊断的组分特征量，通过构建合理有效的特征量，实现对SF6正/负极性直流PD故障程度的表征。主要结论有：　　①选取了 CF4、CO2、SOF2、SO2F2和 SO2这五种较为稳定的产物作为直流PD下SF6分解的特征组分，利用含硫特征分解组分总分解量CS、有效产气速率rGMS和特征组分比值f(SOF2+SO2)/f(SO2F2)来表征SF6正/负极性直流PD故障程度。在直流PD作用下，CF4和CO2的生成情况与绝缘缺陷模型是否涉及有机绝缘材料相关联，因此在金属微粒缺陷下，CF4和CO2的生成情况并不能良好的表征直流PD故障程度；本文重点分析的三种含硫特征分解组分（SO2F2、SOF2和SO2）的生成情况与金属微粒的几何尺寸有着明显的相关性，表现为 SO2F2、SOF2和 SO2和含硫特征分解组分总分解量CS的体积分数均随PD时间成增长趋势，线形金属微粒造成的SF6绝缘劣化程度随PD时间将高于片形和球形金属微粒，且与线形金属微粒直径成反比，与长度成正比。　　②在正/负极性直流PD作用下，三种含硫组分气体的有效产气速率rGMS大小均表现为SOF2>SO2F2>SO2；从不同形状金属微粒条件来看，三种含硫组分气体的有效产气速率大小排序均表现为：线形微粒>片形微粒>球形微粒；三种含硫组分气体的有效产气速率大小按直径排序均表现为：0.3mm＞0.4mm＞0.5mm＞0.6mm，按长度排序均表现为：3mm＞5mm＞7mm＞9mm。　　③特征组分比值f(SOF2+SO2)/f(SO2F2)在正/负极性直流PD作用下，能作为有效识别金属微粒缺陷类型的重要依据。实验结果表明随着直流PD时间的发展，特征组分比值可以识别不同几何尺寸的金属微粒造成的SF6绝缘劣化程度，其中越细越长的线形金属微粒造成的PD故障程度最严重。　　上述研究为完善基于DCA的直流SF6气体绝缘设备绝缘故障监测法提供实验与理论依据，具有重要的现实意义。

目录

1 绪 论

1.1 选题背景及意义

1.1.1 直流SF6气体绝缘设备

1.1.2 基于SF6特征分解组分监测直流气体绝缘设备局部放电的意义

1.2 金属微粒缺陷的研究现状

1.2.1 金属微粒缺陷的研究现状

1.2.2 基于SF6分解组分的直流局部放电研究现状

1.3.1 研究内容

1.3.2 研究思路

2 金属微粒缺陷下SF6高压直流PD分解实验

2.1.1 分解实验气室的设计

2.1.2 自由金属微粒缺陷模型

2.1.3 高压直流分解实验装置

2.1.4 气相色谱质谱联用仪

2.2 直流PD分解实验方法

2.2.1 实验前气室杂质组分的测定

2.2.2 实验步骤

2.3 本章小结

3 不同形状的金属微粒对SF6直流PD分解特性影响

3.1 不同形状金属微粒下SF6直流PD分解实验

3.2.1 不同形状下CO2特征分解组分分解规律

3.2.2 不同形状下CF4特征分解组分分解规律

3.2.3 不同形状下SO2F2特征分解组分分解规律

3.2.4 不同形状下SOF2特征分解组分分解规律

3.2.5 不同形状下SO2特征分解组分分解规律

3.3 不同形状金属微粒对SF6直流PD分解特征量的影响

3.3.1 对含硫特征分解组分总分解量的影响

3.3.2 对有效产气速率的影响

3.3.3 对特征组分比值的影响

3.4 本章小结

4 不同尺寸的线形金属微粒对SF6直流PD分解特性影响

4.1 不同尺寸的线形金属微粒下SF6直流PD分解实验

4.2.1 不同直径下CF4特征分解组分分解规律

4.2.2 不同直径下SO2F2特征分解组分分解规律

4.2.3 不同直径下SOF2特征分解组分分解规律

4.2.4 不同直径下SO2特征分解组分分解规律

4.3.1 不同长度下CF4特征分解组分分解规律

4.2.2 不同长度下SO2F2特征分解组分分解规律

4.2.3 不同长度下SOF2特征分解组分分解规律

4.2.4 不同长度下SO2特征分解组分分解规律

4.4.1 对含硫特征分解组分总分解量的影响

4.3.2 对有效产气速率的影响

4.3.3 对特征组分比值的影响

4.5 不同尺寸线形金属微粒对SF6直流PD分解影响的作用机制

4.6 本章小结

5 结论与展望

5.1 主要结论

5.2 后续工作展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读硕士学位期间参与的科研项目

C. 学位论文数据集

致谢