紅外光譜法在SF6電氣設備硅絕緣受損潛伏性故障診斷中的應用

楊　韌，汪金星，雷永乾，高　超，張萬軍，楊鼎革

(1.國網陜西省電力公司電力科學研究院，陜西　西安　710054；2.中國廣州分析測試中心，廣東　廣州　510070)

?

紅外光譜法在SF6電氣設備硅絕緣受損潛伏性故障診斷中的應用

楊韌1*，汪金星1，雷永乾2，高超1，張萬軍1，楊鼎革1

(1.國網陜西省電力公司電力科學研究院，陜西西安710054；2.中國廣州分析測試中心，廣東廣州510070)

利用紅外光譜法對SF6設備故障氣體中的SiF4進行定性、定量檢測，該方法的線性范圍為10～500 μL/L，檢出限為1 μL/L，此方法可以較理想地判斷出設備內含硅元素絕緣材料的受損情況。應用于現場SF6氣體絕緣開關類設備的潛伏性故障診斷，驗證了分解產物SiF4對設備內部工況診斷的有效性。

高壓絕緣設備；紅外光譜分析；SF6氣體分解產物；SiF4檢測

SF6氣體絕緣強度高，具有優良的滅弧性能，因此在電氣設備中得到了廣泛應用[1]，當設備內存在缺陷或發生事故后，會有多種SF6氣體分解產物生成。SF6電氣設備在開斷時產生電弧，導致部分SF6氣體分解，正常情況下溫度降低后，分解物又還原成SF6氣體[2-3]。隨著運行年限的增長或本身的缺陷，當設備發生放電、過熱等故障時，金屬材料、固體絕緣材料、空氣等與SF6氣體發生反應，生成含硫或含氟化合物。研究表明，分解產物的組分以及含量與設備的潛伏性故障存在直接關系[4]。對SF6氣體分解產物的組分進行及時測定和分析，可有效反映SF6電氣設備內部的運行情況[5]。SiF4是SF6氣體的分解產物之一，并具有良好的指向性。目前運行電壓等級為126 kV的SF6電氣設備中，大多數采用硅填充的絕緣材料。當設備內絕緣材料局部產生放電或過熱時，生成的SF6氣體分解物與硅材料反應生成SiF4[6]，此過程伴有含硫化合物生成。因此對SiF4含量進行檢測可以判斷出設備內硅絕緣材料的受損情況，了解設備內部運行工況。

目前SF6氣體分解產物的檢測方法主要有氣相色譜法、紅外光譜法、檢測管法和電化學傳感器法，其中紅外光譜分析法對SO2，SOF2，SF4,CO等氣體均有較好的檢測效果[7]。然而對SF6的重要分解產物SiF4進行檢測時，由于SiF4性質活潑，傳統的檢測手段(如電化學分析法、氣相色譜法、氣質聯用等)存在一定的局限性，目前尚無較好的解決辦法[8]。紅外光譜法是常用的無損檢測方法，檢測環境為常溫常壓，分析速度快、重現性好，可以很好地保持樣品的真實性[9-11]。本文采用傅立葉紅外光譜法對分解產物SiF4進行了研究并成功用于現場設備的故障診斷。

1　實驗部分

1.1傅立葉紅外光譜法對SiF4的檢測原理

通過對SF6氣體分解產物的標準樣品進行分析，尋找該物質在混合氣中的特征吸收譜帶，制作出標準曲線。根據實驗研究和理論推導，正常狀況下，設備內部運行條件不會生成SiF4，SiF4來源于含有SiO2填充物的絕緣材料與SF6氣體分解物HF的反應。因此，檢測和分析SiF4可有效判斷設備內絕緣材料的受損情況。SiF4的主要生成途徑如下：

SF6氣體分解:

SF6→S+SF2+SF4+F

(1)

SF6+O2→SO2+SOF2+F

(2)

HF分解產物來源:

SF4+H2O→SOF2+HF

(3)

SOF2+H2O→SO2+HF

(4)

SiF4分解產物來源:

SiO2+HF→SiF4+H2O

(5)

在上述反應式中，SF6在高溫電弧作用下生成大量的S和F的單原子及其離子狀態[12]；在高溫條件下SF6與O2反應，產生SO2，SOF2和F；F與設備內的含碳物質或金屬作用生成相應的氟化物；生成的部分氟化物與H2O反應產生HF；HF作用于含有SiO2的絕緣材料生成SiF4。

1.2儀器與試樣

1.2.1儀器Bruker FT-IR TENSOR 27紅外光譜儀，配有10 cm長的防腐氣體池，用高純氮氣對氣體池進行吹掃，并用真空泵進行樣品的置換，防止外界空氣對樣品產生干擾，提高紅外檢測的可靠性。在氣體池閥門上配有電子壓力表，以顯示池內樣品的壓力。采用雙角鏡耦合、動鏡扭擺式干涉儀，其優點在于靜鏡和動鏡均采用立體角鏡，保證入射光線與出射光線的絕對平行，避免外界震動的干擾，發生光線的偏移。MCT檢測器由寬帶頻的半導體碲化鎘和半金屬化合物碲化汞混合制成。

1.2.2試樣標準樣品Ⅰ：純四氟化硅(99%)；標準樣品Ⅱ：采用純六氟化硫(99.999%，SF6)和氦氣(99.9%)為底氣，配制不同濃度的四氟化硅氣體。樣品配制采用靜態配氣法，樣品容器是底部裝有壓力表的750 mL特制鋼瓶，內部有聚四氟乙烯涂層，防止樣品發生反應。根據理想氣體狀態方程計算出配制不同樣品濃度所需標準樣品的體積。用微量注射器分別取1，2 mL的純SiF4，加入抽真空的樣品瓶，再分別加入純SF6和He，控制瓶中壓力為0.3 MPa。可得氦氣為底氣的樣品濃度為1 000 μL/L；再將500 μL/L以SF6為底氣的樣品分步稀釋得濃度分別為5，10，20，50，100，200 μL/L的樣品。

1.3檢測條件

掃描范圍為4 500～500 cm-1，分辨率為0.5 cm-1，檢出限為1 μL/L，掃描次數為100次，樣品在密封氣體池中壓力為0.1～0.105 MPa。

2　結果與討論

2.1定性分析

采用上述方法對純SF6氣體、以He為底氣的SiF4標準氣、以SF6為底氣的SiF4標準氣以及試樣進行分析(圖1)。對比發現，試樣與標準氣的吸收峰位置、形狀和峰的相對強度均相同，即以SF6為底氣的標準氣中明顯存在SiF4。可以確定波數1 000～1 040 cm-1處是SiF4的紅外特征吸收譜帶，且峰形窄便于區分。

SF6氣體分解物(如SO2，HF,H2S,CO2和礦物油等)一般均在百萬分之一數量級，其各自的紅外吸收譜帶位置遠離SiF4吸收位置。SO2吸收譜帶位置在1 375 cm-1附近分布范圍為80 cm-1；HF吸收譜帶位置在4 150 cm-1附近分布范圍為100 cm-1；H2S吸收譜帶位置在3 793 cm-1附近；CO2吸收譜帶位置在1 375 cm-1附近分布范圍為100 cm-1；礦物油吸收譜帶位置在2 980 cm-1附近。可以看出幾種氣體的吸收譜帶互不重疊，且從圖1中可以看出SiF4吸收譜帶窄，故其紅外譜圖不會受其它氣體的影響。

2.2定量分析

由于儀器分辨率較高，以SF6氣體為背景的SiF4標樣，濃度在10 μL/L以上時，吸收峰形較好，吸光度-濃度關系不偏離Beer定律[13]。SiF4特征吸收峰強度高，無明顯干擾峰，所以采用外標法對其進行定量分析。將不同濃度的上述樣品通入池中，經掃描分析得到圖譜部分放大(圖2)，不同濃度的SiF4紅外吸收峰強度不同，但吸收峰均在1 031 cm-1處達到最強，將此處峰高值作為分析峰值[14]。根據配制樣品的分析結果，峰高中包含SF6氣體的吸收峰高，故標準曲線截距不為零，得SiF4濃度的標準曲線方程為y=0.000 98x+0.112 49(r2=0.998 8)。方法的標準曲線線性較好，線性范圍為10～500 μL/L，可以滿足定量要求。

2.3重復性分析

為驗證定量分析的可靠性，測定了不同濃度值(20,50,100 μL/L)的樣品，每一樣品平行測定5次，濃度為20 μL/L時，測試結果最高值為17.3 μL/L，最低值為16.1 μL/L，平均值為16.7 μL/L；濃度為50 μL/L時，測試結果最高值為48.7 μL/L，最低值為45.5 μL/L，平均值為47.2 μL/L；濃度為100 μL/L時，測試結果最高值為109.3 μL/L，最低值為104.9 μL/L，平均值為107.7 μL/L。計算得出誤差分別為0.165，0.056，0.077；相對標準偏差(RSD)為2.8%，3.0%，1.8%，說明該方法有良好的重現性[15]，可滿足對SiF4分析要求。

2.4可靠性驗證

采用氟離子選擇電極法對紅外光譜法的可靠性加以驗證，按照DL/T918-2005《六氟化硫氣體中可水解氟化物含量測定法》檢測，分別測定了不同濃度值(0，20，50，100 μL/L)的樣品，根據SiF4與堿反應轉化率，計算得出其濃度誤差范圍在15%以內。驗證了紅外光譜法對SiF4檢測的有效性。

2.5樣品分析

對某變電站運行的110 kV GIS斷路器母線刀閘氣室進行現場檢測時，發現有分解物異常，采用本法對樣品進行分析。通過與相鄰氣室的數據對比，并綜合考慮現場設備運行情況，認定其為故障氣室。由于SF6氣體吸收強度高，不易觀察分解物的吸收峰情況，對結果(圖3)中波數1 050～1 000 cm-1段SiF4吸收位置進行放大。

圖3結果顯示，在故障樣品中發現含有SiF4的吸收峰，并有含硫的分解物生成，由反應方程(1)～(5)推出SiF4的生成過程。說明有含硅元素的絕緣材料受損，將SiF4的吸收峰值帶入標準曲線方程進行計算，得出濃度值為48.5 μL/L，結合設備現場運行情況，推斷設備內部絕緣材料存在異常發熱潛伏性故障。將樣品返廠解體印證，發現盆式絕緣子有局部受熱現象，推測原因為該盆子填料采用SiO2，由于制造工藝及制作材料欠佳，隨著運行時間的延長，在大電流開斷時，盆式絕緣子受異常電弧侵蝕，SiO2填料與SF6氣體分解發生反應，導致其性能下降，發生了零部件的燒蝕。

3　結　論

本文通過對SF6中SiF4氣體的分析，建立了紅外光譜對實際故障氣樣品進行檢測的方法，其檢測結果很好地反映了設備內部的故障情況，說明采用此方法可實現對SiF4氣體的定量分析。研究表明，現場設備由于長時間運行及內部故障作用，SF6內部及其與周圍環境發生著復雜的反應過程，不同的故障會有不同的表現形式和分解產物生成。SiF4的存在及其含量變化，可以反映出設備內含硅元素絕緣部件的受損程度。本方法可有效地檢測出設備內部此類型的潛伏性故障，對設備運行工況的判斷具有重要意義。

[1]Yang Y,Li J,Wang M,Wang Y,Yang Q.LowTemperatureandSpecialtyGases(楊彥，李健，王蔓，王藝，楊青.低溫與特氣),2006,24(2):8-9.

[2]Zhang X X,Yao Y,Tang J,Sun C X,Wan L Y.HighVoltageEngineering(張曉星，姚堯，唐焗，孫才新，萬凌云.高電壓技術),2008,34(4):664-669，747.

[3]Zhang L Y,Du L M.ElectricPowerEquipmentinSF6GasTechnicalQuestionsandAnswers.Beijing:China Electric Power Press(張利燕，杜黎明.電力設備用SF6氣體技術問答.北京：中國電力出版社),2011:7.

[4]Yang R,Wu S F,Xue J,Jian Y F,Chen J H,Sun Z H,Xiu S X.HighVoltageApparatus(楊韌，吳水峰，薛軍，菅永峰，陳江韓，孫志恒，修士新.高壓電器),2013,49(6):17-21.

[5]Yan X L,Wang C Y,Yang R,Ji Y S,Su Z X,Yao Q.PowerSystemTechnology(顏湘蓮，王承玉，楊韌，季嚴松，蘇鎮西，姚強.電網技術),2011,35(12):118-123.

[6]Yan X L,Wang C Y,Song G,Ji Y S,Yang R,Zhang X,Chen H L,Su Z X,Lu G,Yao Q,Liu H M.HighVoltageApparatus(顏湘蓮，王承玉，宋杲，季嚴松，楊韌，張翔，陳海倫，蘇鎮西，盧鋼，姚強，劉漢梅.高壓電器),2013,49(6):1-9.

[7]Yun Y X,Zhang X X,Zhao X X,Yao J X,Jiang J Y.HighVoltageEngineering(云玉新，張曉星，趙笑笑，姚金霞，蔣佳音.高電壓技術),2013,39(11):2650-2655.

[8]Tang A J,Wei D J,Gao S S,Guan X Y.Inorg.Chem.Ind.(唐安江，韋德舉，高珊珊，關星宇.無機鹽工業),2010,42(12):57-59.

[9]Weng S F.FourierTransformInfraredSpectroscopy.2nded.Beijing:Chemical Industry Press(翁詩甫.傅里葉變換紅外光譜分析.2版.北京：化學工業出版社),2013,(3):92.

[10]Wuhan University.AnalyticalChemistry-PartⅡ.FifthEd.Beijing:Higher Education Press(武漢大學.分析化學-下冊，第五版，北京：高等教育出版社)，2011:279-280.

[11]Liang X F.SichuanChem.Ind.(梁曉鋒.四川化工),2011,14(2):34-36.

[12]Ji Y S,Yan X L,Wang C Y,Song G,Liu H M,Li X Y,Cheng P,Li Y C.HighVoltageApparatus(季嚴松，顏湘蓮，王承玉，宋杲，劉漢梅，李向陽，程鵬，李玉春.高壓電器),2013,49(6):22-23.

[13]Cheng D H.JournalofSichuanTeachersCollege(程定海.四川師范學報),1998,19(3):296-299.

[14]Sun L P,Shao L M,Wang W P.Chin.J.Spectrosc.Lab.(孫利平，邵利民，汪婉萍.光譜實驗室),2012,29(2):681-685.

[15]Tan H,He J L,Song G L,Luo Y,Zhao H B,Xiao F,Luo L,Guo P R,Li N,Mu D H.J.Instrum.Anal.(譚紅，何錦林，宋光林，羅艷，趙紅波，肖飛，羅林，郭鵬然，李娜，牟德海.分析測試學報),2012,31(10):1325-1329.

Application of Infrared Spectroscopy Method in Diagnosis on Potential Fault of Damaged Silicon Insulator in SF6Electrical Equipment

YANG Ren1*,WANG Jin-xing1,LEI Yong-qian2,GAO Chao1，ZHANG Wan-jun1，YANG Ding-ge1

(1.State Grid Shaanxi Electric Power Research Institute,Xi'an710054,China；2.China National Analytical Center(Guangzhou),Guangzhou510070,China)

SiF4was qualitatively and quantitatively analyzed by Fourier transferred infrared spectroscopy.The linear range for the method was 10-500 μL/L,and the detection limit was 1 μL/L.The method was applied in the potential fault diagnosis of SF6gas insulated switch,and the effectiveness of the SiF4in the diagnosis of the internal conditions in the equipment was verified.

high voltage insulation equipment；Fourier infrared spectroscopic analysis；SF6decomposition product;SiF4detection

2016-01-12；

2016-02-03

楊韌，高級工程師，研究方向：高壓電器，Tel：029-89698407，E-mail：yangren1970@263.net

10.3969/j.issn.1004-4957.2016.08.024

O657.33；S219.033

A

1004-4957(2016)08-1058-04