氣體絕緣電力設(shè)備中SF6氣體分解物的檢測技術(shù)研究

閆大慶

（北京兆維電子（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，北京 100015）

隨著我國電力需求的快速增長，電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行的要求也在不斷地提高。高電壓大容量的SF6氣體絕緣電力設(shè)備作為電能傳輸和分配的核心設(shè)備，技術(shù)含量高且投資大，其可靠性直接影響到電力系統(tǒng)的穩(wěn)定。因此，高壓、特高壓變電站中的六氟化硫（SF6）氣體絕緣電力設(shè)備有著舉足輕重的地位。以往的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)研究表明，SF6氣體分解物的種類、含量等信息與SF6氣體絕緣電氣設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)關(guān)系密切相關(guān)。因此，可以通過SF6氣體分解物來對設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測和故障診斷。通常，SF6氣體分解物的含量在ppm量級，需要高靈敏度的氣體檢測技術(shù)來進(jìn)行測量。本文對目前常見的幾種高靈敏度的氣體檢測手段進(jìn)行了分析、對比和總結(jié)。

1 氣體檢測技術(shù)分析

1.1 氣相色譜法

氣相色譜法(Gas Chromatography, GC)是利用混合物中不同物質(zhì)在固定相和流動相分配系數(shù)的差別，使混合物中的物質(zhì)組分經(jīng)過反復(fù)多次的吸附和脫附的分配過程，使不同物質(zhì)組分從色譜柱流出的時(shí)間不同而以達(dá)到分離的目的。氣相色譜具有高分離效率和高靈敏等顯著特點(diǎn)，是分離復(fù)雜混合組分的有效手段。氣相色譜法是SF6氣體分解物分析中最常用的方法，也是國際標(biāo)準(zhǔn)IEC 60480-2004和國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 8905-2012中推薦的檢測方法，標(biāo)準(zhǔn)中推薦的氣相色譜的方法可以檢測SF6、SO2F2、SOF2、CF4、CO2、H2O 以及 SO2等組分。

氣相色譜系統(tǒng)主要由氣路系統(tǒng)（載氣以及流量控制等）、進(jìn)樣系統(tǒng)、分離系統(tǒng)（色譜柱和柱溫箱等）以及檢測器和記錄系統(tǒng)等幾部分構(gòu)成。

氣路系統(tǒng)主要包括載氣、載氣凈化、載氣流量控制等部分，目的是為了提供穩(wěn)定的具有一定流量的載氣。載氣通常是一些高純度的惰性氣體，要求不與分析物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并不被固定相吸附，常見的載氣包括氮?dú)狻⒑狻錃獾鹊取＿M(jìn)樣系統(tǒng)主要包括進(jìn)樣器和汽化室，分析物通過進(jìn)樣器進(jìn)入汽化室并汽化，之后隨載氣進(jìn)入分離系統(tǒng)（色譜柱）。分離系統(tǒng)一般主要指色譜柱和柱溫箱，前者是完成混合物樣品分離的場所，后者為前者提供所需要重要的分離條件——溫度。分離系統(tǒng)是氣相色譜系統(tǒng)的核心部件。檢測器是氣相色譜系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，它主要負(fù)責(zé)將一定濃度的分析物的化學(xué)表征轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號響應(yīng)。常用的檢測器包括熱導(dǎo)檢測器(TCD)，氫火焰離子化檢測器(FID)，氦離子化檢測器(HID)，質(zhì)譜檢測器(MSD)，電子捕獲檢測器(ECD)，脈沖放電氦離子化檢測器(PDHID)，氮磷檢測器(NPD)和火焰光度檢測器(FPD)等，其中TCD和FID為一般氣相色譜系統(tǒng)中最常見檢測器，IEC60480-2004即推薦TCD和FID兩種檢測器用于檢測SF6氣體分解物。另外，由于SF6氣體分解物中大多數(shù)為含硫化合物，因此對硫化物響應(yīng)極其靈敏的FPD也可以作為SF6氣體分解物的氣相色譜檢測器。一定濃度的化合物經(jīng)過檢測器后形成的電信號會被記錄系統(tǒng)描繪形成色譜圖。

以往氣相色譜儀多為實(shí)驗(yàn)室的檢測分析儀器，基本不具備便攜性。因此，通常需要電力檢修人員將在變電站采集的樣品帶回化驗(yàn)室進(jìn)行分析。樣品在保存和運(yùn)輸?shù)倪^程中，有些分解氣體組分會發(fā)生變化，導(dǎo)致氣體含量改變從而不能準(zhǔn)確地反映氣體絕緣電氣設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。近年來，便攜式的氣相色譜儀問世，很大程度上提高了其便攜性。然而便攜性能的提升常常是通過部分檢測靈敏度換取的，目前便攜式氣相色譜儀的檢測精度通常比實(shí)驗(yàn)室的氣相色譜儀有一定差距。

1.2 化學(xué)檢測管法

化學(xué)檢測管法的基本原理是使待測氣體通過裝有特定化學(xué)試劑及顯色物質(zhì)的玻璃管，待測氣體與檢測管中物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)使檢測管中物質(zhì)顏色變化，而后根據(jù)顏色變化的深淺和顯色部分的延伸長度來確定待測組分的含量。

上世紀(jì)70年代末80年代初，國外研究者成功研制了高靈敏度的HF等氣體分解物的化學(xué)檢測管——檢測極限小于0.1ppm，之后形成產(chǎn)品開始在變電站中推廣使用。我國在1994年也研制出可以檢測SF6中SO2和HF的化學(xué)檢測管。化學(xué)檢測管法最大的優(yōu)點(diǎn)就是檢測簡便，便攜性極佳，靈敏度較高，且價(jià)格低廉。然而由于化學(xué)檢測管通常只能檢測SO2、HF和CO等少數(shù)幾個(gè)氣體組分，對其余大多數(shù)重要的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的分解氣體組分，如SO2F2和CF4則無能為力。而且化學(xué)檢測管在檢測過程中容易受到溫度、濕度、進(jìn)樣速率等多個(gè)因素的影響，因此該方法在實(shí)際工程應(yīng)用中受到了很大的限制，通常只作為輔助的檢測手段，或者現(xiàn)場快速簡易檢測中使用。

1.3 傅里葉變換紅外吸收光譜法

傅里葉變換紅外吸收光譜法（Fourier Transform Infrared spectrometer,FTIR)是基于氣體分子對紅外輻射的選擇性吸收來實(shí)現(xiàn)氣體樣品的定性、定量分析。FTIR系統(tǒng)主要由紅外光源、樣品室、Michelson干涉儀、檢測器和記錄儀等構(gòu)成，其中Michelson干涉儀是FTIR的核心部件。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

當(dāng)紅外光透射過氣體樣品時(shí)，氣體分子會有選擇性地吸收紅外光，而形成透射率（或吸光度）隨波數(shù)（或波長）變化的紅外吸收光譜。當(dāng)吸收光程與吸光系數(shù)一定時(shí)，吸光度與氣體組分濃度成正比，這是FTIR定量分析的理論基礎(chǔ)。

FTIR具有覆蓋氣體種類多、無需分離氣體樣品和響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。但是，F(xiàn)TIR也有很多不足之處，比如：SF6氣體分解物組分間不可避免的紅外吸收光譜重疊會導(dǎo)致FTIR在檢測時(shí)受到嚴(yán)重的交叉干擾，進(jìn)而影響定性定量分析；FTIR容易受到周圍環(huán)境（溫度等因素）的影響，引入額外的測量誤差；FTIR通常需要樣品的量很大，這給實(shí)驗(yàn)室分析帶來了較大的困難。

圖1 FTIR檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖

1.4 氣敏傳感器法

氣敏傳感器是利用被測氣體組分的氣敏特性將氣體濃度量轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的電信號響應(yīng)。目前，用于檢測SF6氣體分解物的商品化氣敏傳感器多以電化學(xué)原理為基礎(chǔ)，檢測氣體組分的種類主要是SOF2+SO2、HF、H2S和CO幾種氣體，而對其他重要的組分如SO2F2、SF4、SOF4、CO2和CF4等則無能為力，氣體的檢測種類十分有限。

近年來，用于檢測SF6氣體分解物的碳納米管氣敏傳感器由于靈敏度高、響應(yīng)速度快等突出的優(yōu)點(diǎn)正逐漸引起了眾多研究者的關(guān)注。氣敏傳感器法檢測SF6氣體分解物具有操作簡單和檢測時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。但其不足之處也很明顯：氣體組分之間交叉干擾十分嚴(yán)重，選擇性差；長期運(yùn)行容易出現(xiàn)較為嚴(yán)重的零點(diǎn)漂移現(xiàn)象，使得測量結(jié)果偏差較大；氣敏傳感器使用壽命通常較短。

1.5 離子遷移譜技術(shù)

離子遷移譜技術(shù)(Ion Mobility Spectrometry, IMS)是在上世紀(jì)70年代初發(fā)展起來的一種新的氣體分離和檢測手段。該技術(shù)是基于氣相中不同的氣體離子在電場中遷移速度的差異來對化學(xué)離子物質(zhì)進(jìn)行表征的一種分析技術(shù)。在基于分解氣體的SF6氣體絕緣開關(guān)設(shè)備的監(jiān)測中，IMS主要是通過測定SF6分解氣體的總含量來監(jiān)測的SF6的純度，進(jìn)而對氣體絕緣開關(guān)的性能惡化情況進(jìn)行監(jiān)測和預(yù)警。IMS對SF6分解氣體進(jìn)行檢測的過程中，由于SF6的離子和分解氣體的離子都在SF6的環(huán)境中，IMS的分辨率會有所下降，但可以通過離子遷移譜上主要離子峰的位移來鑒定氣體組成的變化。

2 結(jié)語

目前，在電力行業(yè)中氣相色譜法在SF6氣體分解物的檢測中最為廣泛，但是氣相色譜的檢測靈敏度一般，便攜性較差；傅里葉變換紅外光譜技術(shù)靈敏度較高，可定性定量進(jìn)行分析，但是價(jià)格昂貴而且多用于化驗(yàn)室，難以進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)用；檢測管和氣敏傳感器便攜性能非常好，精度較高，廣泛應(yīng)用與現(xiàn)場的氣體分解無快速檢測，但是在使用過程中容易出現(xiàn)零點(diǎn)漂移現(xiàn)象，即長期穩(wěn)定性差。綜上所述，幾種檢測技術(shù)手段各有所長，需要根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況進(jìn)行選擇和應(yīng)用。