基于光學(xué)方法的六氟化硫電氣設(shè)備分解產(chǎn)物檢測(cè)技術(shù)研究

陳曦(沈陽(yáng)計(jì)量測(cè)試院，遼寧 沈陽(yáng) 110179)

0 引言

隨著激光技術(shù)的發(fā)展，基于光學(xué)過(guò)程的氣體合成技術(shù)在醫(yī)學(xué)、化學(xué)、環(huán)境分析、半導(dǎo)體材料等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。然而，光學(xué)檢測(cè)技術(shù)在能源領(lǐng)域的應(yīng)用才剛剛開(kāi)始，特別是用于SF6分解產(chǎn)物的檢測(cè)。使用壽命長(zhǎng)，抗污染能力強(qiáng)，高可靠性和簡(jiǎn)單的在線監(jiān)測(cè)使基于光學(xué)程序的SF6絕緣電器器件分解產(chǎn)物檢測(cè)逐漸成為研究熱點(diǎn)，在現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上將三種方法用于識(shí)別特征成分，即光聲光譜法，文章研究了紅外吸收光譜和紫外吸收光譜，今后將對(duì)SF6分解產(chǎn)物的檢測(cè)和分析方法進(jìn)行研究。

1 SF分解產(chǎn)物不同檢測(cè)方法的比較分析

1.1 常用分析方法

電力設(shè)備中，引入新的氣體雜質(zhì)，改變?cè)O(shè)備的工作狀態(tài)和吸附飽和度，氣體分離產(chǎn)品在設(shè)備中的作用是對(duì)氣體分解機(jī)理的深入了解和檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，最關(guān)注的分解產(chǎn)物是H2S，CO。常用的檢測(cè)方法有：光學(xué)方法、氣相色譜法、氦離子分析法、紅外光譜法、比色管法等，不同過(guò)程的化學(xué)原理和開(kāi)關(guān)原理不同，測(cè)試設(shè)備上經(jīng)常出現(xiàn)多傳感器集成的情況。分析中的差異和錯(cuò)誤很容易導(dǎo)致對(duì)電氣設(shè)備的誤判，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

1.2 氣敏傳感器的選型

分析SF6分解物，主要利用氣敏元件檢測(cè)氣體的組成和濃度，這對(duì)分析的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性要求很高。光學(xué)方法使用光學(xué)傳感器，氣相色譜法集成了半導(dǎo)體氣體傳感器(如TCD)和接觸燃燒或火焰光度氣體傳感器(如FID和FPD)，氦離子分析法采用電解液，電解液性質(zhì)的變化是由氣體傳感器吸附被測(cè)氣體離子引起的。FTIR是一種利用紅外光學(xué)氣體探測(cè)傳感器，通過(guò)紅外區(qū)域內(nèi)氣體的吸收峰來(lái)判斷氣體性質(zhì)的方法。由于變電站現(xiàn)場(chǎng)背景光的存在，使得紅外光譜分析技術(shù)的應(yīng)用不夠理想，而聚合物氣體傳感設(shè)備、光聲光譜分析技術(shù)和 GC/MS技術(shù)成本較高，限制了紅外光譜分析技術(shù)的廣泛應(yīng)用。目前, SF6分解的應(yīng)用方法主要有光學(xué)方法和氣相色譜法。光學(xué)方法傳感器原理簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好，靈敏度和耐腐蝕性也滿足檢測(cè)技術(shù)的要求；便攜性好，能在惡劣和極端條件下工作，檢測(cè)成本低，標(biāo)定和維護(hù)工作量小，它可以連續(xù)在線監(jiān)測(cè)。大多數(shù)光學(xué)方法儀器的響應(yīng)時(shí)間小于40 s，檢測(cè)范圍大于(0～2×10-4)。不確定度滿足SO2+SOF2的技術(shù)要求，色譜法檢測(cè)時(shí)間慢，容易引起誤差，影響對(duì)設(shè)備狀態(tài)的判斷，不能形成在線監(jiān)測(cè)手段[1]。

1.3 光學(xué)方法檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用

光學(xué)方法的主要研究?jī)?nèi)容是電能與化學(xué)能的相互轉(zhuǎn)換，其中電能主要通過(guò)電極電位和電動(dòng)勢(shì)的變化來(lái)反映。在電能方面，感應(yīng)電極和負(fù)電極是傳感器電極的兩部分。兩個(gè)電極之間用電解液膜隔開(kāi)，整個(gè)電極和電解液用塑料外殼密封。氣體通過(guò)預(yù)留的小孔進(jìn)入傳感電極，電阻電路在插頭一端之外，傳感器另一端的電極通過(guò)插頭與裝置相連。在以往的應(yīng)用案例中，光學(xué)方法主要應(yīng)用于故障定位、故障檢測(cè)等類似領(lǐng)域，由于其便攜、快速、穩(wěn)定、準(zhǔn)確的特點(diǎn)，設(shè)備隱患正在調(diào)查之中。2007年以來(lái)，深圳供電局有限公司全面開(kāi)展了分解產(chǎn)物便攜式光學(xué)方法檢測(cè)。除完成預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)定試驗(yàn)周期下分解產(chǎn)物的光學(xué)方法現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)外，2007年至2020年，利用光學(xué)方法檢測(cè)技術(shù)完成110個(gè)項(xiàng)目，共有20余起千伏SF6電氣設(shè)備突發(fā)故障調(diào)查與診斷案例，其中光學(xué)方法現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)成功發(fā)現(xiàn)潛在故障3例，突發(fā)故障定位10余例，輔助其他專業(yè)檢測(cè)10余例。

2 光學(xué)方法檢測(cè)技術(shù)的偏差分析

2.1 光學(xué)方法影響因素與數(shù)據(jù)分析

在光學(xué)方法檢測(cè)的應(yīng)用中，發(fā)現(xiàn)了數(shù)據(jù)分析失真和漂移的問(wèn)題，尤其是在分解產(chǎn)物中，H2S、CO濃度檢測(cè)誤差最為明顯。2011年，某變電站220 kV GIS設(shè)備充SF6氣體分解產(chǎn)物CO＞4×10-4超標(biāo)，為保證設(shè)備運(yùn)行，停機(jī)后打開(kāi)設(shè)備蓋檢查，但未見(jiàn)異常。后來(lái)的操作也處于正常狀態(tài)，最初被認(rèn)為是誤判，造成了一定的經(jīng)濟(jì)損失。類似的情況也存在SO2含量檢測(cè)過(guò)高，H2S含量檢測(cè)過(guò)低，導(dǎo)致對(duì)電氣設(shè)備狀態(tài)的誤判。從光學(xué)方法的長(zhǎng)期應(yīng)用來(lái)看，在SF6分解產(chǎn)物的檢測(cè)中，SO2含量的檢測(cè)容易與H2S和CO的檢測(cè)相互作用。為了提高光學(xué)方法測(cè)試儀的測(cè)量范圍、方便性和經(jīng)濟(jì)性，設(shè)計(jì)了三電極或四電極傳感器。從應(yīng)用角度看，由于溫度的影響，容易產(chǎn)生交叉干擾和零點(diǎn)漂移[2]。

測(cè)試環(huán)境和測(cè)試樣品，氣體流量傳感器的測(cè)試時(shí)間一般在15 min以上，傳感器中的時(shí)間芯片對(duì)實(shí)際測(cè)試時(shí)間的準(zhǔn)確測(cè)量有一定誤差。溫濕度會(huì)影響光學(xué)傳感器的測(cè)量精度，當(dāng)溫度指數(shù)上升時(shí)，基線信號(hào)隨著溫度的變化而變化，這會(huì)導(dǎo)致測(cè)試數(shù)據(jù)不一致，這是因?yàn)楸粶y(cè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)或非純氣體樣品的變化。分析了目前現(xiàn)場(chǎng)使用的三種光學(xué)方法測(cè)試儀器的測(cè)試數(shù)據(jù)，配置了不同濃度的SO2和標(biāo)準(zhǔn)氣體，分析了測(cè)試性能，產(chǎn)生了偏差或誤差規(guī)律，為應(yīng)用判斷提供參考[3]。

2.2 光學(xué)方法的修正

在上述實(shí)驗(yàn)中，不同光學(xué)方法傳感器在相同的氣源、相同的環(huán)境和操作條件下，其線性度基本相同。為了減小誤差，以SO2和H2S為例，將線性補(bǔ)償后的光學(xué)方法傳感器在載氣下用標(biāo)準(zhǔn)氣體標(biāo)定，盡可能減小誤差。光學(xué)方法在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)分解產(chǎn)物時(shí)，需要區(qū)分低濃度和高濃度條件下的偏差。

同一氣源，不同光學(xué)方法傳感器性能比較。為了確定光學(xué)方法檢測(cè)分解產(chǎn)物時(shí)的交叉干擾，選擇了能同時(shí)檢測(cè)SO2、H2S和CO濃度的光學(xué)方法檢測(cè)器。同一標(biāo)準(zhǔn)氣源，溫度24 ℃，試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)SO2、H2S、CO濃度高于標(biāo)準(zhǔn)氣源，SO2、CO含量的檢測(cè)存在干擾，導(dǎo)致分解含量的檢測(cè)和電氣設(shè)備狀態(tài)的分析存在一定的誤差。這種交叉干擾可以從兩個(gè)方面進(jìn)行分析。大多數(shù)三電極及以下光學(xué)方法傳感器和部分四電極傳感器的設(shè)計(jì)不合理，溫度引起的零點(diǎn)漂移削弱了檢測(cè)性能，溫度基線的變化嚴(yán)重影響了CO氣體的檢測(cè)精度，對(duì)CO氣體的檢測(cè)存在干擾。通常傳感器的溫度可以通過(guò)輔助電極調(diào)節(jié)，也可以通過(guò)使用不同的周期性加熱電壓來(lái)調(diào)節(jié)。

檢測(cè)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)氣體是影響光學(xué)方法準(zhǔn)確度的重要因素?，F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的及時(shí)性和有效性對(duì)電氣設(shè)備的判斷至關(guān)重要。開(kāi)關(guān)氣室測(cè)試分析：根據(jù)預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程，SO2≤3 L/L，H2S≤2 L/L，判斷設(shè)備存在故障，但綜合分析某變電所開(kāi)關(guān)氣室運(yùn)行狀況正常，光學(xué)方法引起的輕微偏差方法可能導(dǎo)致誤判；測(cè)試設(shè)備3偏差大，確認(rèn)溫度傳感器靈敏且有零點(diǎn)漂移。測(cè)試設(shè)備會(huì)造成電態(tài)誤判，測(cè)試人員需要加強(qiáng)光學(xué)方法傳感器的狀態(tài)判斷和操作維護(hù)[4]。

2.3 氣相色譜法應(yīng)用特點(diǎn)

氣相色譜儀涉及的檢測(cè)器很多，安捷倫7890a或6890a色譜儀主要用于電氣設(shè)備分解產(chǎn)物的氣相色譜儀。以這類儀器為例，檢測(cè)器包括：火焰光度檢測(cè)器、熱導(dǎo)檢測(cè)器、電子俘獲檢測(cè)器、火焰離子化檢測(cè)器，每個(gè)檢測(cè)器根據(jù)不同的原理選擇和分析不同種類的物質(zhì)；除了檢測(cè)器外，還需要參比材料，分解產(chǎn)物種類繁多，許多稀有、難構(gòu)、不穩(wěn)定，色譜分析能力有限；色譜柱也是氣相色譜的關(guān)鍵組成部分，色譜柱種類繁多，而Porapak是按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)Q(USA)柱選擇的，在應(yīng)用中，色譜法還涉及到氣路轉(zhuǎn)換等問(wèn)題的限制。

3 基于光學(xué)方法的SF6分解產(chǎn)物檢測(cè)技術(shù)研究現(xiàn)狀

13個(gè)國(guó)家，如德國(guó)和美國(guó)，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了通用型傅里葉紅外光譜儀。電負(fù)性氣體的紅外吸收強(qiáng)度大，在檢測(cè)SF6氣體分解產(chǎn)物時(shí)，容易吸收分解成分的吸收峰較多。通過(guò)對(duì)重慶大學(xué)SF6組分紅外光譜的分析，得到了SO2F2，SO2，CF4三個(gè)組分的紅外吸收峰，并對(duì)其與電氣設(shè)備故障的關(guān)系進(jìn)行了研究，提出了用波動(dòng)理論提取頻率峰值的方法。通過(guò)對(duì)SF6分解產(chǎn)物的紅外吸收特性，如H2S，HF，CO2等進(jìn)行了分析。利用差分光譜吸收技術(shù)，南京航空航天大學(xué)研究了SO2F2，SO2，CF4等三種氣體的傳感器，但檢測(cè)方案較少[5]。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)SF6分解物的檢測(cè)是評(píng)價(jià)SF6絕緣電氣設(shè)備狀態(tài)的重要方法，關(guān)于SF6的分解機(jī)理，國(guó)內(nèi)外已有很多研究，但尚未得出明確的結(jié)論。雖然光學(xué)方法方法被廣泛地用于檢測(cè)分解產(chǎn)物，但是SF6分解產(chǎn)物的光學(xué)檢測(cè)技術(shù)由于其具有橫向斷裂、傳感器壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)而成為研究的熱點(diǎn)。為了促進(jìn)SF6絕緣電氣設(shè)備分解檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)從以下四個(gè)方面入手：(1)SF6分解產(chǎn)物的生成規(guī)律；(2)SF6分解產(chǎn)物的產(chǎn)生特點(diǎn)；(3)SF6氣體和雜質(zhì)的吸附作用；(4)SF6氣體和雜質(zhì)的吸附作用。在此基礎(chǔ)上，深入研究了基于光學(xué)方法的分解產(chǎn)物檢測(cè)技術(shù)，光譜分辨率技術(shù)，光譜檢測(cè)技術(shù)，可靠性技術(shù)和光學(xué)故障檢測(cè)技術(shù)