摘要 采用柔性内置特高频(UHF)天线传感器是解决气体绝缘组合电器(GIS)内部潜伏性局部放电(PD)绝缘缺陷微弱高频电磁波信号感知的有效方法,而柔性UHF天线传感器基底材料和SF6及其故障分解气体之间的相容是实现柔性UHF天线传感器内置于GIS的关键。基于此,该文通过搭建SF6及其故障分解气体与PD柔性UHF天线传感器基底相容性实验平台,结合GIS实际运行环境温度,开展了多种常用PD柔性UHF天线传感器基底材料与SF6及其故障分解气体相容性实验研究,利用傅里叶变换红外光谱仪、气相色谱质谱联用仪、扫描电镜、X射线光电子能谱仪分别从SF6气体成分侧、柔性基底表面形貌及元素变化情况侧进行测试分析。实验发现,聚酰亚胺(PI)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和聚二甲基硅氧烷(PDMS)三种常用PD柔性UHF天线传感器基底材料均不会对SF6气体成分造成影响;常用的PI柔性UHF天线传感器基底会与SF6故障分解气体中的SOF2发生反应,导致SOF2含量明显减少;PET在纯SF6最高允许运行温度110℃条件下会发生轻微氧化;PI、PET两种PD柔性UHF天线传感器基底表面均会生成较多的含氟化合物;在研制柔性UHF天线传感器时宜选用PDMS基底。研究成果对GIS柔性内置UHF天线传感器的设计和应用具有重要的参考价值。
关键词:柔性特高频天线传感器 气体绝缘组合电器(GIS) 柔性基底 相容性
SF6因具有良好的绝缘能力和灭弧能力被广泛应用于气体绝缘组合电器(Gas Insulated Switchgear, GIS)等电力设备中[1-2]。局部放电(Partial Discharge, PD)是指绝缘体中只有局部区域发生放电,放电并没有贯穿施加电压的导体之间的现象。长期的PD极有可能诱导击穿放电的发生,导致设备故障[3-6]。特高频(Ultra High Frequency, UHF)法是利用天线传感器感知PD辐射的高频电磁波信号,具有抗干扰能力强、可靠性高等优点,被广泛应用于GIS PD绝缘缺陷的检测[7-8]。目前我国新投运220 kV及以上电压等级的GIS均安装有UHF检测系统,或者预留有UHF检测接口。
根据安装位置的不同,GIS PD检测用UHF天线传感器可分为内置式和外置式两类[9-11]:外置式UHF天线传感器会受到因GIS自身金属外壳结构而造成PD向外泄漏电磁波信号严重衰减的影响,以及外界环境中电晕和通信等干扰信号的影响,导致其对GIS内PD,尤其是间歇性PD信号感知存在灵敏度不足的缺陷;虽然内置式UHF天线传感器可以有效克服外置式UHF天线传感器存在的不足,但是目前内置于GIS中的UHF天线传感器大多以FR-4环氧树脂等刚性材料作为基底[12-14],导致其无法与GIS圆筒状金属结构外壳共形,或者需要对设备本身的法兰盘进行复杂的结构改造,并且刚性基底内置式UHF天线传感器还存在影响设备内部电场分布等风险问题[15]。针对GIS PD检测柔性内置UHF天线传感器,本课题组前期研发出基于热固性聚酰亚胺(Ployimide, PI)及聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane, PDMS)两种PD柔性基底的多款UHF GIS PD检测天线[16-20],这些柔性天线具有超小形(最大尺寸小于60 mm)、超薄(厚度可达0.2 mm)、辐射性能优异,并且在150~500 mm弯曲半径形变范围内保持性能稳定等明显的优点。
然而,对于柔性UHF天线传感器而言,不仅需要具有优良的检测性能,还要与设备内部的绝缘气体具有良好的相容性。若柔性UHF天线传感器与设备内部的绝缘气体不相容,一方面可能会使PD柔性UHF天线传感器基底被绝缘气体腐蚀,引入新的不确定危险因素;另一方面可能会使绝缘气体发生分解,造成绝缘性能下降。而目前对于内置式UHF天线传感器柔性基底与SF6及其故障分解气体是否相容,以及哪种内置式UHF天线传感器柔性基底与SF6及其故障分解气体具有更好的相容性还不清楚,而这直接关系到内置式柔性UHF天线传感器在GIS内部长期运行的安全性和该项技术的现场可实施性。
基于此,本文提出了PD柔性UHF天线传感器基底与SF6实验研究,首先搭建SF6气体与PD柔性UHF天线传感器基底相容性实验平台,进行SF6气体与PD柔性UHF天线传感器基底热加速实验。同时考虑到GIS内部会发生局部放电或局部过热等故障,可能产生SF6故障分解气体,因此还搭建SF6故障分解气体与PD柔性UHF天线传感器基底相容性实验平台来探究SF6故障分解气体与PD柔性UHF天线传感器基底相容性。本文采用傅里叶变换红外光谱(Fourier Transform Infrared spectrometer, FTIR)仪、气相色相联用质谱(Gas Chromatography-Mass Spectrometry, GC-MS)仪分析实验前后气体成分变化情况,并采用扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope, SEM)及X射线光电子能谱仪(X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS)对实验前后PD柔性UHF天线传感器基底表面形貌及元素变化情况进行测试分析[21-27],为GIS PD柔性内置式UHF天线传感器的设计和工程应用提供基础参考数据。
本文搭建的SF6气体与PD柔性UHF天线传感器基底相容性实验平台如图1所示,主要由气压表、导管、高压密封罐、恒温加热箱、尾气处理装置组成。恒温加热箱具有温度控制系统和开关系统,实验开始时通过温度控制系统对实验温度进行调节。高压密封罐外壳由不锈钢制成,气密性良好,最大可承受0.8 MPa气压,容量约为400 mL。气室内置一个不锈钢网状支架,用于放置PD柔性UHF天线传感器基底。内置不锈钢网状支架一方面是为了使PD柔性UHF天线传感器基底与SF6气体充分接触;另一方面是为了保证样品受热均匀。实验前多次使用SF6气体清洗高压密封罐,充气时使用气压表对气室中的压力值进行检测。尾气处理装置用于收集多余的气体,减少对环境的污染。
图1 相容性实验平台
Fig.1 Compatibility experimental platform
由于柔性可穿戴设备的不断发展,近年来柔性天线已成为研究热点。柔性天线具有很高的形变能力,可以实现与复杂结构的共形,因此选择合适的PD柔性UHF天线传感器基底是实现柔性UHF天线传感器研发的关键。常见柔性介质基底主要有热固性聚酰亚胺(PI)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(Polyethylene Terephthalate, PET)和聚二甲基硅氧烷(PDMS)等。这些材料不仅拉伸强度高,还具有弯曲能力强、无毒、耐高温、绝缘性能好、低介电常数和尺寸稳定性好等优点,使得它们成为制作柔性天线的理想材料[28-29]。因此本文选取PI、PET、PDMS三种PD柔性UHF天线传感器基底作为研究对象,探究其与SF6及其故障分解气体的相容性。实验样品尺寸如图2所示。
图2 实验样品尺寸
Fig.2 Experimental sample size
玻璃化转变温度是高分子材料中的一项重要指标,其物理意义是指高分子材料在玻璃态和高弹态之间互相转化所对应的温度[30]。当PD柔性UHF天线传感器基底所处温度超过自身的玻璃化转变温度时,其物理化学性能会发生改变,因此本实验温度设置不超过基底材料的玻璃化转变温度。GIS设备运行的环境温度一般为30℃左右,GB/T 11022—2020《高压交流开关设备和控制设备标准的共用技术要求》中指出设备可触及的部件允许的最高温度为70℃,DL/T 617—2019《气体绝缘金属封闭开关设备技术条件》中指出腔体内允许最大温升为40 K[31-32]。因此为探究不同运行温度下GIS气室内部SF6与柔性UHF天线传感器基底的相容性,将实验温度分别设置为30℃、70℃、110℃,同时为排除温度对样品表面形貌的影响,本文还设置了一组110℃真空条件下的对照实验用于形貌对照,每组实验时间为7天。参考GB/T 11021—2014《电气绝缘、耐热性和表示方法》与IEC 60505:2011《电气绝缘系统的评定与鉴别》,根据6度法则,得出设置的实验温度与实验时间可较好地模拟气体绝缘设备正常工况下使用年限内的相容性,等效公式为
式中,t1为热加速实验时长;t2为GIS运行温度下的等效时长;T1为实验温度;T2为GIS运行温度。
当实验时长为7天、实验温度为110℃,取GIS运行温度为30℃,根据式(1)可计算出GIS运行等效时长为197.94年[33]。
用无水乙醇仔细擦洗高压密封罐体,去除罐中残留的杂质;同时在热加速实验前再次使用无水乙醇对小块实验样品表面进行擦拭,待样品和罐体自然风干后,将PD柔性UHF天线传感器基底实验样品放于高压密封罐内部支架上。实验前使用SF6对气室进行洗气并抽真空,重复以上操作3次,以避免杂质气体影响结果。再往气罐中充入0.5 MPa体积分数为99.99%的SF6气体,将气罐放入恒温加热箱中加热处理7天,同时设置一组常温(20℃)对照实验。实验完毕后使用FTIR检测气体成分的变化情况,并使用SEM、XPS分别观测实验前后样品表面形貌变化,检测样品表面元素变化。
GIS内部的局部过热缺陷和局部放电绝缘缺陷均会导致SF6分解产生SOF2等痕量特征气体(简称故障气体)。两类缺陷导致SF6分解产生的故障气体种类一致[34-35],区别在于局部放电情况下SF6生成的故障气体含量远远低于局部过热条件下生成的SF6故障气体[34-35]。因此在探究SF6故障分解气体与PD柔性UHF天线传感器基底相容性时只需研究局部过热故障下的情形。
图3为实验室搭建的SF6过热分解模拟实验平台[36],平台主要由密封罐体、加热棒、气压表、开关电源、固态继电器和智能数显温度控制仪组成。加热棒用于模拟局部过热条件下的局部过热源;气压表用于测量罐体内的实际气压值;开关电源向加热棒提供低压直流大电流;智能数显温度控制仪用于实时显示温度传感器检测到加热棒上的温度;固态继电器通过对回路电流进行斩波以达到对加热棒温度的控制;密封罐体采用耐腐蚀的医用不锈钢加工而成,容积约为15 L,最高耐受气压为0.5 MPa;进气口用以充入所需的SF6新气;采气口用于采集过热分解后的混合气体样品。
图3 SF6过热分解模拟实验平台
Fig.3 SF6 thermal decomposition simulation experiment under local overheating
用无水乙醇仔细擦洗实验罐体,去除罐中残留的杂质。将实验罐体抽真空后充入0.1 MPa的SF6新气,再抽真空,重复该洗气过程3次,然后向实验罐体内充入0.5 MPa的SF6新气。接通实验平台的电路,将自动温控系统的温度调至500℃[37],开始实验。实验连续进行10 h,每隔1 h使用采气袋进行采集,10 h后再将剩余的混合故障分解气体充入提前清洗好的高压密封罐中,并将高压密封罐中气压调至0.4 MPa。最后将气罐放入恒温加热箱,设置温度为110℃,加热处理7天。实验完毕后使用GC-MS检测气体成分的变化情况,使用SEM观测实验前后样品表面形貌变化,使用XPS检测样品表面元素变化。
FTIR是基于对干涉后红外光进行傅里叶变换而开发的红外光谱仪,主要由红外光源、光阑、干涉仪(分束器、动镜、定镜)、样品室、检测器以及各种红外反射镜、激光器、控制电路板和电源组成。因不同的官能团产生的化学振动可以吸收不同波数的红外光,而FTIR可以通过傅里叶变换对光信号进行处理,得到含有吸光度随波数变化的红外吸收光谱图。因此可以通过对比实验前后FTIR谱图实现对SF6的定性和定量分析。
分别对PI、PET、PDMS三种PD柔性UHF天线传感器基底在纯SF6气体环境下进行30℃、70℃和110℃三种不同温度的7天热加速实验后,利用采气袋采集实验后的SF6气体进行FTIR检测,结果如图4~图6所示。
从图4~图6中可以看出,纯SF6气体与实验后SF6气体在红外光谱图上出峰一致,说明实验后SF6气体成分并没有发生变化,PI、PET和PDMS三种PD柔性UHF天线传感器基底不会对纯SF6造成影响。
图4 PI材料在纯SF6环境下不同温度实验后气体与纯SF6气体傅里叶红外光谱图
Fig.4 Fourier infrared spectroscopy of PI material after experiment with pure SF6 gas and pure SF6 gas at different temperatures
图5 PET材料在纯SF6环境下不同温度实验后气体与纯SF6气体傅里叶红外光谱图
Fig.5 Fourier infrared spectroscopy of PET material after different temperature experiments with pure SF6 gas
图6 PDMS材料在纯SF6环境下不同温度实验后气体与纯SF6气体傅里叶红外光谱图
Fig.6 Fourier infrared spectra of PDMS materials after different temperature experiments with pure SF6 gas
IEC 60480:2019标准[38]指出,当SF6气体绝缘设备发生故障时,其气体分解组分主要有SO2、SOF2、SO2F2。因此本文将重点关注SO2、SOF2、SO2F2三种SF6故障分解气体组分与PI、PET、PDMS三种PD柔性UHF天线传感器基底的相容性。
本文采用GC-MS对SF6故障分解气体以及进行相容性实验之后的混合故障分解气体进行检测,检测结果分别如图7和表1所示。
由图7可以看出,SOF2、SO2、SO2F2三种故障分解气体含量随局部过热故障时间的增长呈现上升的趋势,最高含量分别达到了2 472 μL/L、2 345 μL/L和12.6 μL/L。
图7 局部过热故障10 h三种特征气体含量变化
Fig.7 Changes of three characteristic gas contents after pyrolysis for 10 h
表1 局部过热下混合故障分解气体与三种PD柔性UHF天线传感器基底进行热加速实验后三种特征气体的含量
Tab.1 Concentrations of three characteristic gases after thermal acceleration experiments with three PD flexible UHF antenna sensor substrates under local overheating
基底SO2/(μL/L)SO2F2/(μL/L)SOF2/(μL/L) PDMS2 507.252 311.768 31909.838 04 PET2 562.033 011.869 18898.252 61 PI2 676.320 411.824 25190.337 5
对比图7和表1可以看出,SO2F2和SO2含量基本保持不变;混合故障分解气体与PI材料进行热加速实验后SOF2减少得最为明显。由于纯SF6气体开始分解温度在300℃左右[36],而本文热加速实验最高温度为110℃,因此推测PI柔性UHF天线传感器基底会与SOF2气体之间存在一定的化学/吸附反应,从而导致SOF2含量明显低于PET、PDMS两种材料实验后的含量。
如果SF6及其故障分解气体与PD柔性UHF天线传感器基底之间发生反应,不仅可能导致SF6及其故障分解气体产生分解,而且还可能会对PD柔性UHF天线传感器基底造成腐蚀,引入新的不确定危险因素。
3.3.1 柔性基底形貌检测
为了探究PD柔性UHF天线传感器基底表面形貌变化情况,采用SEM对实验前后PD柔性UHF天线传感器基底表面分别放大300倍和2 500倍进行观测[39]。由于PDMS粘连度较低,无法稳定固定在SEM样品台上,因此本文仅对PI和PET两种材料表面形貌进行了SEM分析,结果分别如图8和图9所示。
从图8、图9中可以看出,在纯SF6环境下,当放大倍数为300倍时,30、70、110℃三种温度下PI、PET两种材料表面光滑,没有明显腐蚀现象;当放大倍数为2 500倍时,因不同温度下PI、PET两种材料的测试点不同,故两种材料表面形貌有所不同。在30℃纯SF6环境下表面杂质相对较少,在70℃和110℃纯SF6环境下表面杂质相对较多,其中PI材料在110℃纯SF6环境下以及PET材料在70℃纯SF6环境下的表面杂质均呈现小岛形状。因在30、70和110℃三种不同温度纯SF6环境下PI、PET两种材料表面均表现为杂质形貌,并且没有明显腐蚀现象,可以得出PI、PET两种材料均不与纯SF6气体发生反应。在110℃真空环境下,PI、PET两种材料表面光滑平整,没有明显腐蚀现象,由此可以排除温度对PI、PET两种材料表面形貌的影响。在110℃混合故障气体环境下,当放大倍数为2 500倍时,PI、PET两种材料表面均可以看到沟壑,这说明PI、PET两种材料与混合故障气体发生了反应,并且通过GC-MS检测发现SOF2含量减少,进一步推断可能是PI、PET与SOF2发生了某种化学反应。
图8 PI材料SEM图
Fig.8 SEM of PI material
图9 PET材料SEM图
Fig.9 SEM of PET material
3.3.2 柔性基底表面元素检测
为了进一步分析PD柔性UHF天线传感器基底表面可能发生的变化,本文对实验前后所有样品表面元素进行了XPS分析。使用Multipak软件对检测出的吸收峰进行分析,对检测得到的能谱进行Shirley型拟合扣除后,使用高斯(Gaussian)算法进行峰拟合,其中荷电校准元素为C1s(284.8 eV)[40]。三种PD柔性UHF天线传感器基底表面实验前元素全谱如图10所示。从图中可以看出,实验前PI、PET和PDMS三种柔性基底含有C、O和S等元素,并且也含有少量的F元素。
图10 PI、PET和PDMS三种PD柔性UHF天线传感器基底实验前元素全谱
Fig.10 PI, PET and PDMS three PD flexible UHF antenna sensor substrate elements full spectrum before experiment
图11给出了PI、PET和PDMS三种PD柔性UHF天线传感器基底实验前后C1s和F1s元素的高分辨光电子能谱图。从图11a、图11b可以看出,实验前后PI、PET材料的C1s均在284.8 eV和288.5 eV处检测到了特征峰C—C、C—H键以及C=O、O—C—O键;从图11c可以看出,实验前后PDMS材料的C1s只在284.8 eV处检测到了特征峰C—C、C—H键。从图11还可以看出,PI、PET和PDMS三种材料在30、70、110℃三种不同温度纯SF6环境下,C1s的含量随着实验温度的增加没有发生明显变化。同时从图11b可以看出,在110℃纯SF6环境下,PET材料C=O、O—C—O键的吸收峰高于30℃和70℃纯SF6环境下C=O、O—C—O键的吸收峰,并且在110℃真空条件下PET材料也检测到了C=O、O—C—O键,说明PET材料发生了轻微氧化。
图11 PI、PET和PDMS三种柔性基底PD柔性UHF天线传感器基底材料实验前后表面元素精细谱图
Fig.11 PI, PET and PDMS three flexible substrates, PD flexible UHF antenna sensor substrate material before and after the experiment on surface elements fine spectra
除此之外,从图11中可以看出,当PI、PET和PDMS三种材料在纯SF6环境和真空环境下,F1s没有出现明显的吸收峰。而当PI材料在110℃混合故障气体环境下,F1s在结合能为684.5 eV和687.2 eV处分别检测到了Metal—F键和C—F键;当PET、PDMS两种材料在110℃混合故障气体环境下,F1s在结合能为687.4 eV处检测到了C—F键。这说明PI、PET和PDMS三种材料与混合故障气体中的组分发生反应,使得F元素取代了PI、PET和PDMS三种材料中的H元素,生成了新的含氟化合物,并且吸附在三种材料表面,从而导致F元素在三种材料表面累积。同时通过GC-MS检测发现SOF2含量减少,推测三种材料表面的C—F键及Metal—F键可能是来自材料本身与SOF2发生反应生成的含氟化合物。
通过比较PI、PET和PDMS三种材料在110℃时混合故障气体环境下Metal—F键及C—F键的峰强度可以得出,PDMS材料在110℃混合故障气体环境下产生的Metal—F键和C—F键的峰强度小于PI、PET两种材料在110℃混合故障气体环境下产生的Metal—F键和C—F键的峰强度,这说明SF6及其故障分解气体与PDMS材料的相容性优于其与PI和PET两种材料的相容性。
结合上述分析,在研制PD柔性UHF天线传感器时宜选用PDMS基底。
为探究PD柔性UHF天线传感器基底与SF6的相容性,本文分别从气体侧、柔性基底表面形貌以及元素变化情况侧系统地分析了PI、PET和PDMS三种常用柔性UHF天线基底材料与SF6及其故障分解气体的相容性,得到以下结论:
1)实验前后SF6气体成分基本一致,PI、PET和PDMS三类常用PD柔性UHF天线传感器基底材料均不会对纯SF6气体成分造成影响。
2)PI柔性UHF天线传感器基底会与SF6故障气体中的SOF2发生反应,导致SOF2含量明显减少。
3)PET在110℃纯SF6环境下会发生轻微氧化,PI和PDMS则保持稳定。在混合故障气体的环境下,三种PD柔性UHF天线传感器基底表面均有含氟化合物的生成,但PDMS表面含氟化合物含量最少。
4)研制PD柔性UHF天线传感器时宜选用PDMS材料作为基底。
参考文献
[1] 周倩, 柯锟, 张晓星, 等. 基于SF6混合气体绝缘性能的设备补气策略研究[J]. 电力工程技术, 2021, 40(4): 175-181. Zhou Qian, Ke Kun, Zhang Xiaoxing, et al. Air supply strategy of equipment based on SF6 mixed gas insulation performance[J]. Electric Power Engineering Technology, 2021, 40(4): 175-181.
[2] 卓然, 柯锟, 张跃, 等. 准均匀电场下C5F10O/干燥空气与C5F10O/N2的绝缘特性[J]. 电力工程技术, 2021, 40(3): 159-165. Zhuo Ran, Ke Kun, Zhang Yue, et al. Insulation characteristics of C5F10O/Air and C5F10O/N2 under quasi-uniform electric field[J]. Electric Power Engineering Technology, 2021, 40(3): 159-165.
[3] 宋辉, 代杰杰, 李喆, 等. 运行条件下GIS局部放电严重程度评估方法[J]. 中国电机工程学报, 2019, 39(4): 1231-1241. Song Hui, Dai Jiejie, Li Zhe, et al. An assessment method of partial discharge severity for GIS in service[J]. Proceedings of the CSEE, 2019, 39(4): 1231-1241.
[4] 张晓星, 孟凡生, 任江波, 等. 硼掺杂单壁碳纳米管检测SF6气体局部放电仿真[J]. 高电压技术, 2011, 37(7): 1689-1694. Zhang Xiaoxing, Meng Fansheng, Ren Jiangbo, et al. Simulation on the B-doped single-walled carbon nanotubes detecting the partial discharge of SF6[J]. High Voltage Engineering, 2011, 37(7): 1689-1694.
[5] Li Junhao, Han Xutao, Liu Zehui, et al. A novel GIS partial discharge detection sensor with integrated optical and UHF methods[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2018, 33(4): 2047-2049.
[6] 宋思蒙, 钱勇, 王辉, 等. 基于方向梯度直方图属性空间的局部放电模式识别改进算法[J]. 电工技术学报, 2021, 36(10): 2153-2160. Song Simeng, Qian Yong, Wang Hui, et al. Improved algorithm for partial discharge pattern recognition based on histogram of oriented gradient attribute spacefull text replacement[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(10): 2153-2160.
[7] 张晓星, 张戬, 肖淞. 大型变压器外置式特高频局部放电传感器设计[J]. 高电压技术, 2019, 45(2): 499-504. Zhang Xiaoxing, Zhang Jian, Xiao Song. Design of external ultra-high frequency partial discharge sensor for large transformer[J]. High Voltage Engineering, 2019, 45(2): 499-504.
[8] 覃剑, 王昌长, 邵伟民. 特高频在电力设备局部放电在线监测中的应用[J]. 电网技术, 1997, 21(6): 33-36. Qin Jian, Wang Changchang, Shao Weimin. Applying UHF to partial discharge on-line monitoring of electric power apparatus[J]. Power System Technology, 1997, 21(6): 33-36.
[9] 唐炬, 魏钢, 孙才新, 等. GIS局部放电检测用超宽频带振子天线传感器研究[J]. 高电压技术, 2004, 30(3): 29-31, 42. Tang Ju, Wei Gang, Sun Caixin, et al. Research on the dipole antenna sensor with broandband for partial discharge detection in GIS[J]. High Voltage Engineering, 2004, 30(3): 29-31, 42.
[10] 王亮, 郑书生, 李成榕, 等. GIS浇注孔传播内部局部放电UHF电磁波的特性[J]. 电网技术, 2014, 38(1): 241-247. Wang Liang, Zheng Shusheng, Li Chengrong, et al. Distribution of electric field strength and spectral characteristic of UHF signal of partial discharge inside GIS at resin sprue of metal ring[J]. Power System Technology, 2014, 38(1): 241-247.
[11] 卢启付, 郑书生, 李兴旺, 等. GIS金属法兰孔特高频信号传播特性研究与外置式发射天线开发[J]. 电网技术, 2013, 37(8): 2303-2309. Lu Qifu, Zheng Shusheng, Li Xingwang, et al. Study on propagation characteristics of UHF signal via hole of GIS mental flange and development of external radiating antenna[J]. Power System Technology, 2013, 37(8): 2303-2309.
[12] 谭巧, 唐炬, 曾福平. 检测气体绝缘组合电器局部放电的四频段微带单极子特高频天线设计[J]. 电工技术学报, 2016, 31(10): 127-135, 144. Tan Qiao, Tang Ju, Zeng Fuping. Design of fourfold-band micro-strip monopole antenna for partial discharge detection in gas insulated switchgear[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2016, 31(10): 127-135, 144.
[13] 鲍连伟, 李剑, 薛武, 等. 采用遗传算法优化局部放电超高频Hilbert分形天线[J]. 高电压技术, 2015, 41(12): 3959-3966. Bao Lianwei, Li Jian, Xue Wu, et al. Application of genetic algorithms in optimization of partial discharge ultra-high frequency fractal Hilbert antenna[J]. High Voltage Engineering, 2015, 41(12): 3959-3966.
[14] 周文俊, 刘宇舜, 李鹏飞, 等. 基于特高频法检测电气设备局部放电的改进Vivaldi天线[J]. 电工技术学报, 2017, 32(12): 259-267. Zhou Wenjun, Liu Yushun, Li Pengfei, et al. Modified Vivaldi antenna applied to detect partial discharge in electrical equipment based on ultra-high frequency method[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2017, 32(12): 259-267.
[15] 汲胜昌, 王圆圆, 李军浩, 等. GIS局部放电检测用特高频天线研究现状及发展[J]. 高压电器, 2015, 51(4): 163-172, 177. Ji Shengchang, Wang Yuanyuan, Li Junhao, et al. Review of UHF antenna for detecting partial discharge in GIS[J]. High Voltage Apparatus, 2015, 51(4): 163-172, 177.
[16] 张国治, 陈康, 李晓涵, 等. GIS PD检测柔性内置小型化阿基米德螺旋天线传感器[J]. 高电压技术, 2022, 48(6): 2244-2254. Zhang Guozhi, Chen Kang, Li Xiaohan, et al. Flexible built-in miniature Archimedes spiral antenna sensor for PD detection in GIS[J]. High Voltage Engineering, 2022, 48(6): 2244-2254.
[17] 张国治, 韩景琦, 刘健犇, 等. GIS局部放电检测天线本体和巴伦共面柔性小型化特高频天线传感器研究[J]. 电工技术学报, 2023, 38(4): 1064-1075. Zhang Guozhi, Han Jingqi, Liu Jianben, et al. Research on gas insulated switchgear PD detection antenna body and balun coplanar flexible miniaturized ultra-high frequency antenna sensor[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2023, 38(4): 1064-1075.
[18] 张国治, 张硕, 张晓星, 等. 新型GIS局部放电柔性内置阿基米德螺旋天线研究[J/OL]. 高压电器, 2022: 1-10. https://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1127. TM.20220130.1459.002.html. Zhang Guozhi, Zhang Shuo, Zhang Xiaoxing, et al. Research on a new type of GIS partial discharge flexible built-in Archimedes spiral antenna[J/OL]. High Voltage Apparatus, 2022: 1-10. https://kns. cnki.net/kcms/detail/61.1127.TM.20220130.1459.002. html.
[19] Zhang Hanting, Zhang Guozhi, Zhang Xiaoxing, et al. PD flexible built-in high-sensitivity elliptical monopole antenna sensor[J]. Sensors, 2022, 22(13): 4982.
[20] Zhang Guozhi, Tian Jinwen, Zhang Xiaoxing, et al. A flexible planarized biconical antenna for partial discharge detection in gas-insulated switchgear[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2022, 21(12): 2432-2436.
[21] 程林, 李亚龙, 张晓星, 等. 三元乙丙橡胶与C5F10O/CO2混合气体的相容性研究[J]. 高电压技术, 2021, 47(5): 1771-1779. Cheng Lin, Li Yalong, Zhang Xiaoxing, et al. Study on the compatibility of EPDM and C5F10O/CO2 gas mixture[J]. High Voltage Engineering, 2021, 47(5): 1771-1779.
[22] 李涵, 郑哲宇, 袁瑞君, 等. 气体绝缘设备中气固材料的相容性[J]. 电工技术学报, 2020, 35(11): 2460-2468. Li Han, Zheng Zheyu, Yuan Ruijun, et al. Compatibility between gas and solid materials in gas insulated equipment[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(11): 2460-2468.
[23] 兰佳琪, 田双双, 李晓涵, 等. C6F12O/N2混合气体与密封材料丁腈橡胶的相容性研究[J]. 电工技术学报, 2022, 37(5): 1285-1293, 1304. Lan Jiaqi, Tian Shuangshuang, Li Xiaohan, et al. Compatibility between C6F12O/N2 gas mixture and sealing material nitrile butadiene rubber[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2022, 37(5): 1285-1293, 1304.
[24] 郑哲宇, 李涵, 周文俊, 等. 环保绝缘气体C3F7CN与密封材料三元乙丙橡胶的相容性研究[J]. 高电压技术, 2020, 46(1): 335-341. Zheng Zheyu, Li Han, Zhou Wenjun, et al. Compatibility of eco-friendly insulating medium C3F7CN and sealing material EPDM[J]. High Voltage Engineering, 2020, 46(1): 335-341.
[25] 袁瑞君, 李涵, 郑哲宇, 等. 气体绝缘输电线路用C3F7CN/CO2混合气体与环氧树脂相容性试验[J]. 电工技术学报, 2020, 35(1): 70-79. Yuan Ruijun, Li Han, Zheng Zheyu, et al. Experiment on the compatibility between C3F7CN/CO2 gas mixture and epoxy resin used in gas insulated transmission line[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(1): 70-79.
[26] 吴鹏, 叶凡超, 李祎, 等. C4F7N/CO2/O2与三元乙丙橡胶的相容性及相互作用机理研究[J]. 电工技术学报, 2022, 37(13): 3393-3403. Wu Peng, Ye Fanchao, Li Yi, et al. Compatibility and interaction mechanism between C4F7N/CO2/O2 and EPDM[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2022, 37(13): 3393-3403.
[27] 李祎, 张晓星, 傅明利, 等. 环保绝缘气体C4F7N研究及应用进展Ⅱ:相容性、安全性及设备研发[J]. 电工技术学报, 2021, 36(21): 4567-4579. Li Yi, Zhang Xiaoxing, Fu Mingli, et al. Research and application progress of eco-friendly gas insulating medium C4F7N, part Ⅱ: material compatibility, safety and equipment development[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(21): 4567-4579.
[28] Trajkovikj J, Zürcher J F, Skrivervik A K. PDMS, a robust casing for flexible W-BAN antennas[EurAAP corner][J]. IEEE Antennas and Propagation Magazine, 2013, 55(5): 287-297.
[29] Lin C P, Chang C H, Cheng Y T, et al. Development of a flexible SU-8/PDMS-based antenna[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2011, 10: 1108-1111.
[30] 张晓星, 袁子安, 田双双, 等. C6F12O/N2混合气体与环氧树脂相容性研究[J]. 高压电器, 2021, 57(3): 97-103. Zhang Xiaoxing, Yuan Zian, Tian Shuangshuang, et al. Study on compatibility of C6F12O/N2 gas mixture with epoxy resin[J]. High Voltage Apparatus, 2021, 57(3): 97-103.
[31] 国家质量监督检验检疫总局, 中国国家标准化管理委员会. 高压交流开关设备和控制设备标准的共用技术要求: GB/T 11022—2020[S]. 北京: 中国标准出版社, 2021.
[32] 国家能源局. 气体绝缘金属封闭开关设备技术条件: DL/T 617—2019[S]. 北京: 中国电力出版社, 2020.
[33] 袁瑞君. 环保绝缘气体C4F7N/CO2与环氧树脂的相容性研究[D]. 武汉: 武汉大学, 2021.
[34] 任晓龙. 不同绝缘缺陷下放电量与SF6分解组分关联特性研究[D]. 重庆: 重庆大学, 2012.
[35] 朱怡霖. 局部放电下SF6分解特性的研究[D]. 长沙:长沙理工大学, 2013.
[36] 潘建宇. 局部过热状态下六氟化硫气体的分解特性[D]. 重庆: 重庆大学, 2014.
[37] 黄秀娟. 涉及有机固体绝缘材料时六氟化硫局部过热分解产物研究[D]. 重庆: 重庆大学, 2015.
[38] International Electrotechnical Commission. Specifications for the re-use of sulphur hexafluoride (SF6) and its mixtures in electrical equipment: IEC 60480: 2019[S]. IEC, 2019.
[39] 田双双, 兰佳琪, 饶夏锦, 等. C6F12O/N2混合气体与密封橡胶材料在不同温度下的相容性研究[J]. 高电压技术, 2022, 48(11): 4275-4286. Tian Shuangshuang, Lan Jiaqi, Rao Xiajin, et al. Study on compatibility between C6F12O/N2 gas mixture and sealing rubber material at different temperatures[J]. High Voltage Engineering, 2022, 48(11): 4275-4286.
[40] Muniz-Miranda M, Muniz-Miranda F, Caporali S. SERS and DFT study of copper surfaces coated with corrosion inhibitor[J]. Beilstein Journal of Nanote-chnology, 2014, 5: 2489-2497.
Abstract At present, rigid base ultra high frequency (UHF) antenna sensors are widely used for the detection of partial discharge (PD) from insulation defects in gas-insulated switchgear (GIS) in substations, but there are problems with rigid base UHF antenna sensors such as destruction of the internal electric field distribution of the equipment and complex installation.The flexible substrate UHF antenna sensor can effectively avoid the above problems.However, it is not clear whether the flexible substrate of the built-in flexible UHF antenna sensor is compatible with SF6 and SF6 fault decomposition gas, and which flexible substrate of the built-in flexible UHF antenna sensor is more compatible with SF6 and SF6 fault decomposition gas.Therefore, this paper investigates the compatibility of SF6 and SF6 fault decomposition gas with three common PD flexible UHF antenna sensor substrates: polyimide (PI), polyethylene terephthalate (PET) and polydimethylsiloxane (PDMS).
By building an experimental platform for the compatibility of SF6 gas and SF6 fault decomposition gas with the substrate of PD flexible UHF antenna sensor, this paper carried out an experimental study on the compatibility of various commonly-used PD flexible UHF antenna sensor substrate materials with SF6 and SF6 fault decomposition gas combined with the actual operating temperature range of GIS. Fourier transform infrared spectrometer (FTIR) and gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS) were used to analyze the changes of gas composition before and after the experiments. And scanning electron microscope (SEM) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) were used to analyze the changes in the surface and elements of the PD flexible UHF antenna sensor substrate before and after the experiments.
The results are as follows: first, according to the results of FTIR and GC-MS tests, the pure SF6 gas doesn’t react with the three PD flexible UHF antenna sensor substrates. However, the three PD flexible UHF antenna sensor substrates do react with SOF2 in the SF6 fault decomposition gas, among which the PI material reacts most strongly with SOF2. Second, the SEM and XPS tests show that in the PET material, the absorption peaks of C=O and O—C—O bonds in the pure SF6 environment at 110℃ are higher than those of C=O and O—C—O bonds in the pure SF6 environment at 30℃ and 70℃, while C=O and O—C—O bonds are also detected in the PET material under the vacuum condition at 110℃; all three PD flexible UHF antenna sensor substrates generates fluorinated compounds on the surface under the SF6 fault decomposition gas environment, but on the surface of PDMS material, the peak intensities of Metal—F and C—F bonds were much lower than those of Metal—F and C—F bonds on the surface of PI and PET materials.
From the above results, it can be concluded that all three commonly used PD flexible UHF antenna sensor substrate materials, PI, PET and PDMS, do not affect the SF6 gas composition; the commonly used PI flexible UHF antenna sensor substrate react with SOF2 in SF6 fault decomposition gas, resulting in a significant reduction of SOF2 content; PET is be slightly oxidized under pure SF6 maximum allowable operating temperature of 110°C. Two PD flexible UHF antenna sensor (PI and PET) generate more fluorinated compounds. Therefore, PDMS substrate should be adopted in the development of flexible UHF antenna sensor. The results of this research provide basic reference data for the design and application of GIS flexible built-in UHF antenna sensors.
keywords:Flexible UHF antenna, gas-insulated switchgear (GIS), flexible base, compatibility
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.222358
中图分类号:TM213
国家自然科学基金项目(52107144)和湖北省教育厅科技项目(Q20211401)资助。
收稿日期 2022-12-23
改稿日期 2023-01-03
张国治 男,1990年生,博士,副教授,研究方向为电气设备在线监测和状态评估等。E-mail:980064212@qq.com
张晓星 男,1972年生,教授,博士生导师,研究方向为高压电气设备绝缘在线监测与状态评估、新型传感技术和环保型气体绝缘材料等。E-mail:xiaoxing.zhang@outlook.com(通信作者)
(编辑 李冰)