小样本SF6微观分解特性下的GIS故障表征及其广义化的研究

以六氟化硫(SF6)为绝缘介质的气体绝缘开关设备(GIS)已成为现代变电站首选设备和重要标志之一。在GIS的总事故率中绝缘缺陷类型故障占较高比例，且某些对设备危害较大的潜伏性异常是随运行时间的推移逐渐发展成故障的，埋下了很大的隐患。当GIS发生此类故障时，SF6会发生分解且其气体分解物组分与故障模式有定量的对比关系。本项目利用故障实验平台，从小样本试验数据出发，以SF6气体分解物为研究对象，分别对电弧放电、火花放电、局部放电和局部过热故障的SF6微观分解特性以及定量GIS故障表征两方面进行基础科学研究。围绕试验数据样本有限且与实际运行存在差异的特点，提出了小样本数据的研究思想和策略，并以SF6断路器为试品，在小样本子空间下探索GIS故障特性的趋势变化空间，评价故障表征的可信度。本项目旨在揭示SF6分解演化规律并确立GIS故障表征方法，为基于分解气体法的GIS在线监测及状态检修提供理论依据。

当SF6气体绝缘电气设备发生绝缘故障时，SF6会分解，并与气体杂质、水分和绝缘材料等进一步反应生成强毒性和强腐蚀性的气体和固体分解物。为分析绝缘故障下SF6气体分解物与故障之间的关系，本项目搭建了模拟绝缘故障的实验系统，包括电晕放电、火花放电、沿面放电和局部过热等，并进行了大量的实验研究。利用气相色谱-质朴仪分析了SF6在绝缘故障下的主要气体分解物及其变化趋势，阐述了不同绝缘故障下分解气体的特征和形成机理。. 电晕放电的主要分解气体为SOF2+SO2、SO2F2、CF4和CO2等，分析了针-板电极和针-针电极下分解物的含量、生成速率及各含量比值，随各因素的变化趋势。其中，SF6分解物含量随施加电压的升高、故障时间的延长而增大，随电晕起始电压的升高、气体压力的增大、电极距离的拉长而降低。硫氟化物比值(SOF2+SO2)/SO2F2随施加电压的增大而减小； (SOF2+SO2)/SO2F2随电晕起始电压的升高、气体压力的升高而增大。推导了SOF2+SO2、SO2F2等气体与气体压力之间的拟合公式，拟合了分解物含量随施加电压和气体压力的变化趋势。. 火花放电的主要分解气体为SOF2+SO2、SO2F2、CF4和CO2等。分解物含量随击穿电压的升高而增大，(SOF2+SO2)/SO2F2随击穿电压的升高而增大，随击穿电压进一步升高，比值呈饱和趋势； CO2/CF4随击穿电压的升高而降低，随击穿电压进一步升高，比值也很快呈现饱和趋势。. 沿面放电中，SF6四种分解物的含量随施加电压的升高而增大。当固体绝缘表面被破坏时，CF4的含量显著增加，其他气体含量略有增加。利用光学显微镜对放电前后固体绝缘表面进行了样貌分析，发现材料表面在放电后出现了严重的放电烧蚀。. 局部过热的主要分解物为SO2和CO2，其含量随过热温度和过热持续时间的增加而增加，不同的金属材料对SF6气体分解物的形成过程有重要影响，导致了分解气体含量的差异。. 放电故障的主要特征产物如SO2F2和CF4在局部过热中的检测均为痕量；放电涉及固体绝缘材料时，CF4的含量明显增大；火花放电产生的能量较电晕放电大，分解物种类也较多。 (SOF2+SO2)/SO2F2受放电强度、气体压力等的直接影响，可用于区分不同类别的故障，并是判断电晕故障严重程度和放电强弱的最重要的指标。