气体绝缘全封闭组合电器（Gas Insulated Switchgear，GIS）占地面积和空间体积小、维护率低、运行可靠，其金属壳内的SF₆气体具有良好的高绝缘耐受能力以及优异的灭弧能力，因此在电力系统中得到广泛应用^[1]。

根据《华东分部交流特高压资产GIS设备运行状况评估》^[2]，GIS设备运行故障发生在相对湿度40%~80% 的次数占全部绝缘故障的78.96%。这是由于阴雨天气前通常伴随高温高湿环境，外部温度变化导致开关内外部的水分压差变大，水分侵入开关密封时存在缺陷的漏点。水分对特高压GIS设备的绝缘影响分为两种：一种是水分达到饱和后以液态水雾形式存在于GIS内部，当温度下降时，水分子易在绝缘件表面凝结，出现凝露现象导致闪络，在电弧作用下过量的水分会对SF₆气体的分解物产生很大影响，水分和酸性杂质在一起时产生的HF等酸性强腐蚀物质会使设备绝缘材料的绝缘性能进一步下降，设备绝缘性能被永久性破坏，从而导致设备机械操作失灵；另一种则是在一定温度和气压下，水分含量未达到饱和湿度时以水蒸气形式存在，水蒸气也会对SF₆气体绝缘性能造成一定影响^[3]。大部分故障都是由微量水分（以下简称“微水”）进入GIS引起的，因此有必要对气态水分子影响SF₆气体绝缘性能的程度进行研究。

近年来，关于微水对SF₆气体绝缘性能的影响，国内外学者开展了相应的实验研究。文献[4]从微观方面和能量角度，对SF₆气体放电分解机理进行了研究，研究表明：在微水微氧作用下，SF₆气体放电分解产物除HF外、其他产物的耐电强度均低于SF₆气体。文献[5]发现在交流电压、低体积分数条件下，SF₆气体平均局部放电量和总体放电量都随水分体积分数的增大呈现先下降后上升的趋势。文献[6]研究了气压、水分对正直流电晕脉冲特性的影响，发现随着水分含量升高，流注脉冲幅值不断减小。文献[7]研究发现：在空气间隙击穿前出现流注、辉光和先导放电时，交流击穿电压随水分增大而降低；凝露对放电电压的影响也较大，当湿度较高且球表面出现凝露时，间隙放电电压会严重降低。在最新的国家标准GB/T 8905—2012《六氟化硫电气设备中气体管理和检验导则》^[8]中，规定环境温度为20 ℃时，灭弧气室中水分体积分数≤300 μL/L，非灭弧气室中水分体积分数≤500 μL/L。但电力行业现行标准DL/T 603—2017^[9]和IEEE Std c37.122.5—2013^[10]规定的断路器气室中水分体积分数限值各不相同，且规定限值的有效依据尚不明确。文献[11]研究发现在工频电压下，环境温度变化范围越大时，微水对绝缘材料闪络电压的影响越显著，并建议在温差较大地区，SF₆气体绝缘设备中水分体积分数限值调整为200 μL/L（20 ℃）。

因此，本文搭建了气体放电实验平台，对不同微水体积分数、不同气压、不同电极间隙距离下SF₆气体工频击穿特性进行实验研究，在此基础上分析了不同微水体积分数对SF₆气体工频绝缘性能影响的规律，通过实验验证文献[8]国家标准中规定的水分体积分数限值是否合理，为GIS设备的绝缘设计以及微水含量控制指标的制定提供基础数据支撑。

为研究不同微水含量对SF₆气体工频击穿特性的影响，搭建了气体放电实验平台，如图 1所示。其中：实验气室为自主研发的模拟GIS开关结构的可观测压力容器；GIS模型内可承受最高气压为0.7 MPa，短时工频耐受电压为230 kV；高压变压器额定容量为120 kVA，最大输出电压为120 kV；保护电阻值为5 kΩ；阻容分压器额定电压为120 kV，电容值为300 pF，分压比为1 000∶1；Tektronix示波器带宽为1 GHz，采样率为5 GS/s，用于记录放电波形和数据；实验所用SF₆气体体积分数>99.999%，气体中所含水分体积分数约为1.8 μL/L。

气室内采用球-板电极，模拟实际工况下设备中常见的稍不均匀电场。电极材料为黄铜，球电极直径为20 mm，板电极直径为80 mm、厚度为10 mm、边缘倒角为3 mm。通过COMSOL有限元仿真软件静电模块进行球-板电极电场、电势分布仿真，设置球-板电极间隙距离d为2 mm，球电极端子边界条件的电压幅值为70 kV，板电极接地，仿真结果如图 2所示。

f为电场不均匀度，用于表征电场的不均匀性，计算公式为

$ f=\frac{E_{\max }}{E_{\text {ave }}} $

(1)

$ E_{\text {ave }}=\frac{U}{d} $

(2)

式中：E_max，E_ave——电极之间最大、平均电场强度；

U——施加电压值。

结合有限元仿真，通过式（1）、式（2）计算得到的球-板电极电场不均匀度如表 1所示。

液态水分在真空状态下易气化，当气室内水分未达到饱和时，水分子以气态形式存在，在气室腔体下方充放气接口旁单独安装微水注入端口、微动阀、抽真空接口，以及SF₆密度继电器和DMT143露点变送器。通过微量进样器向气室内注入水分，使用微动阀控制所需的微水体积分数，微水传感器通过RS485与计算机连接后实时测量微水体积分数。

为了进一步研究微水体积分数增大时SF₆气体工频绝缘性能下降的程度，定义相对工频绝缘强度K_AC量化分析微水体积分数变化对GIS实验气室内SF₆气体工频绝缘性能的影响，其计算式为

$ K_{\mathrm{AC}}=\frac{U_i}{U_0} $

(3)

式中：U_i——不同微水体积分数下SF₆气体工频击穿电压，i为微水体积分数；

U₀——相同气压下干燥时SF₆气体工频击穿电压。

根据标准^[8-9]规定的SF₆气体绝缘设备中微水含量控制指标，本文将微水体积分数分别设置为0、300、500、800、1 000、1 500、1 800、2 000 μL/L。根据电力行业标准DL/T 506—2018《六氟化硫电气设备中气体湿度测量方法》^[12]附录C的表C3，将SF₆气体体积分数测量值折算至15 ℃时的体积分数值。

实验前的准备工作如下：首先，用无水酒精对气室腔体内壁以及各部件进行清洁，等待其干燥；然后，检查气室腔体气密性，确认腔体气密性良好后，将其反复抽真空并充入干燥CO₂气体静置1 h，重复3次，使气室内部实际微水体积分数保持最低值；最后，在微水系统内部达到真空状态时，通过进样口精确注入一定量液态水分。考虑气室腔体内壁以及绝缘材料对微水的吸附作用，气室内的实际微水体积分数会有一定程度的下降，在一定时间后微水体积分数达到相对稳定。每组实验过程中，保持气室内温度为15 ℃，向真空气室内注入一定量的液态水后等待2 h左右，调节微动阀，当气室内的微水体积分数达到目标值后充入SF₆气体，使其与水蒸气充分混合均匀，待气室内的微水体积分数相对稳定后进行工频击穿特性实验。

实验过程中，根据高电压试验技术标准^[13]，采用连续升压法控制电压幅值。首先，预估SF₆气体工频击穿电压U_b，在（0~75%）U_b范围内以每秒5%U_b的速率均匀升压，超过75%U_b后以每秒3%U_b的速率均匀升压直至球-板电极间隙击穿，使用分压器和示波器记录放电电压，其峰值即为SF₆气体工频击穿电压。每次放电后间隔5 min，保证SF₆气体有充足的绝缘自恢复时间，每组实验连续进行5次，取平均值作为实验结果。

设置电极间隙距离d为2 mm，气压分别为0.4、0.5、0.6 MPa时，SF₆气体工频击穿电压与微水体积分数的关系如图 3所示。

由图 3可知，不同气压下SF₆气体工频击穿电压随微水体积分数的变化趋势基本一致。当微水体积分数较小时，SF₆气体工频击穿电压随气室内微水体积分数增大而略微增大；当微水体积分数超过500 μL/L时，SF₆气体工频击穿电压随气室内微水体积分数增大而不断减小。

当气压和电极间隙距离不变时，气室内微水体积分数变化会影响SF₆气体的工频绝缘性能。气室内水分子的电负性和绝缘性能远远弱于SF₆气体分子。在工频电压作用下，当气室内微水体积分数较小时，由于水分子也具有一定的电负性，容易被SF₆⁻离子捕获，促使水分子中的H和F之间成键，发生水和反应形成水化簇合物，其相比于SF₆气体水化簇合物分子对电子的吸引力更强，因此SF₆气体工频击穿电压会有上升现象。当气室内微水体积分数较大时，SF₆气体工频击穿电压呈下降趋势：一方面是由于水分子电离能较小，更易电离产生大量自由电子，从而促进SF₆气体的放电发展过程；另一方面是由于相较于SF₆气体分子，水分子吸收电子的能力较弱，在放电发展过程中初始电子形成后，因为水分的存在，使SF₆气体抑制碰撞电离发展过程的能力减弱，更易形成和发展流注放电。

相同条件下，SF₆气体相对工频绝缘强度与微水体积分数的关系如图 4所示。

由图 4可知，在稍不均匀电场中，气室内存在的微水在一定程度上减弱了SF₆气体相对工频绝缘强度，且微水体积分数越大，对SF₆气体相对工频绝缘强度的影响越大。气压为0.4 MPa时，SF₆气体相对工频绝缘强度在微水体积分数超过1 000 μL/L后显著下降，微水体积分数为2 000 μL/L时SF₆气体相对工频绝缘强度仅为干燥时的88.8%；气压分别为0.5、0.6 MPa时，SF₆气体相对工频绝缘强度在微水体积分数超过800 μL/L后明显下降，0.6 MPa气压下微水体积分数为2 000 μL/L时SF₆气体相对工频绝缘强度仅为干燥时的84.5%。

当气压为0.4、0.6 MPa时，微水体积分数为500 μL/L时，SF₆气体相对工频绝缘强度分别相比于干燥时增加了1.8%、0.8%，这是由于水分子具有一定的电负性，气室内微水体积分数在500 μL/L以内时，气室内气压较低，随着气室内微水体积分数增大，不同气压条件下的SF₆气体相对工频绝缘强度均略微增大，气压越低时该现象越明显。由于少量水分子会吸附部分自由电子形成负离子，SF₆气体吸收电子数量将下降，而负离子质量较大，迁移速度慢，在一定程度上抑制球-板电板间隙中的碰撞电离现象，使得SF₆气体的绝缘性能略微增强。当气室内气压和微水体积分数继续增大时，水分子相比于SF₆气体分子更易电离，且其抑制间隙击穿的作用逐渐减弱，故SF₆气体相对工频绝缘强度随微水体积分数增大而不断降低。

在稍不均匀电场中，设置电极间隙距离d为2 mm，不同微水体积分数下SF₆气体工频击穿电压与气压的关系如图 5所示。

由图 5可知，不同微水体积分数下SF₆气体工频击穿电压均随气压升高而增大。当微水体积分数低于800 μL/L时，SF₆气体工频击穿电压随气压升高呈线性关系；当微水体积分数超过1 000 μL/L时，SF₆气体工频击穿电压随气压升高呈弱饱和增长趋势。

微水体积分数低于800 μL/L时，GIS体积恒定，气室内温度、电极间隙均保持不变，与低气压时相比，气室内SF₆气体分子较为稀疏，分子间隔较大。当流注放电发生时，虽然自由电子碰撞时的平均自由程大，自由电子碰撞间可累计的动能较大，但碰撞次数较少。随着气室内气压增大，气体碰撞电离过程中自由电子的平均自由行程不断减小，且由于碰撞次数增多，自由电子不易积累能量，间隙中低能电子随之增多，使SF₆气体分子附着截面大。随着气体分子密度的增加，其吸附自由电子的能力也随之增强，进一步削弱了碰撞电离过程，使放电受到抑制，因此SF₆气体工频击穿电压随气压升高而不断增大。

当微水体积分数上升至1 000 μL/L以上时，随着气压升高，SF₆气体工频击穿电压的上升率逐渐降低，微水体积分数越大，上升率越小。SF₆气体具有强电负性，随着气体密度增大，SF₆气体捕获的电子随之增多，但微水体积分数增大的同时，也会削弱SF₆气体的工频绝缘性能，使得SF₆气体工频击穿电压上升率逐渐减小。

不同微水体积分数下，SF₆气体相对工频绝缘强度与气压的关系如图 6所示。

由图 6可知：在微水体积分数为300 μL/L时，由于水分子也有一定的电负性，其存在使得SF₆气体相对工频绝缘强度相比于干燥条件下略微增大；当微水体积分数不超过500 μL/L时，随着气压升高，SF₆气体相对工频绝缘强度几乎不受影响；当微水体积分数超过500 μL//L后，随着微水体积分数继续增大，SF₆气体相对工频绝缘强度下降明显，当气压由0.4 MPa升高至0.6 MPa时，微水体积分数为800、1 000、2 000 μL/L时的SF₆气体相对工频绝缘强度分别下降了2%、5%、6%。这一现象说明微水体积分数增大对气室内SF₆气体工频绝缘性能的影响越明显，其原因是由于水分子增多对SF₆气体电弧分解物的复合起阻碍作用，导致SF₆气体分解量增加而复合量减少，削弱了SF₆气体吸附电子的能力，其绝缘性能也呈下降趋势。

气压为0.4 MPa时，不同微水体积分数下，SF₆气体工频击穿电压与电极间隙距离的关系如图 7所示。

由图 7可知，当电极间隙距离从2 mm增至4 mm时，电场不均匀度随之增加，微水体积分数为0、800、2 000 μL/L对应的SF₆气体工频击穿电压幅值分别升高了13.4、11.2、9.4 kV；电极间隙距离从4 mm增至6 mm时，微水体积分数为0、800、2 000 μL/L对应的SF₆气体工频击穿电压幅值分别升高了13.8、12.6、8.8 kV。在电场不均匀度较低的稍不均匀电场中，相同微水体积分数条件下，SF₆气体工频击穿电压随电极间隙距离的增大近似线性增加，且相同电极间隙距离增加量的情况下，微水体积分数的变化对SF₆气体工频击穿电压的影响较小。

本文基于GIS结构搭建了气体放电实验平台，通过实验研究了在稍不均匀电场中，工频电压下微水对SF₆气体绝缘性能的影响，所得结论如下。

（1）随着微水体积分数的增加，在气压和电极间隙距离相同的条件下，SF₆气体工频击穿电压随微水体积分数变化的趋势基本一致，SF₆气体工频击穿电压随微水体积分数增大而降低。

（2）气压范围在0.4~0.6 MPa时，当微水体积分数超过800 μL/L后，随着微水体积分数继续增大，SF₆气体工频击穿电压下降较为明显。0.6 MPa气压下微水体积分数为2 000 μL/L时的SF₆气体相对工频绝缘强度仅为干燥时的84.5%。相同电极间隙距离下，气压越高，微水体积分数增大对气室内SF₆气体工频绝缘性能的影响越明显，SF₆气体工频击穿电压上升率随微水体积分数增大而减小。

（3）在相同气压下，随着电极间隙距离的增大，微水体积分数增大对SF₆气体工频绝缘性能的影响更大。

（4）在工频电压下，设备运行温度为15 ℃时，较为合理的气体绝缘设备微水体积分数限值设置，建议在0.4 MPa时小于450 μL/L，在0.5、0.6 MPa时小于250 μL/L。