基于光學方法的六氟化硫電氣設備分解產物檢測技術研究

陳曦(沈陽計量測試院，遼寧 沈陽 110179)

0 引言

隨著激光技術的發展，基于光學過程的氣體合成技術在醫學、化學、環境分析、半導體材料等領域得到了廣泛的應用。然而，光學檢測技術在能源領域的應用才剛剛開始，特別是用于SF6分解產物的檢測。使用壽命長，抗污染能力強，高可靠性和簡單的在線監測使基于光學程序的SF6絕緣電器器件分解產物檢測逐漸成為研究熱點，在現有研究成果的基礎上將三種方法用于識別特征成分，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SF6分解產物的檢測和分析方法進行研究。

1 SF分解產物不同檢測方法的比較分析

1.1 常用分析方法

電力設備中，引入新的氣體雜質，改變設備的工作狀態和吸附飽和度，氣體分離產品在設備中的作用是對氣體分解機理的深入了解和檢測技術的發展，最關注的分解產物是H2S，CO。常用的檢測方法有：光學方法、氣相色譜法、氦離子分析法、紅外光譜法、比色管法等，不同過程的化學原理和開關原理不同，測試設備上經常出現多傳感器集成的情況。分析中的差異和錯誤很容易導致對電氣設備的誤判，造成巨大的經濟損失。

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氣體的組成和濃度，這對分析的穩定性和準確性要求很高。光學方法使用光學傳感器，氣相色譜法集成了半導體氣體傳感器(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，電解液性質的變化是由氣體傳感器吸附被測氣體離子引起的。FTIR是一種利用紅外光學氣體探測傳感器，通過紅外區域內氣體的吸收峰來判斷氣體性質的方法。由于變電站現場背景光的存在，使得紅外光譜分析技術的應用不夠理想，而聚合物氣體傳感設備、光聲光譜分析技術和 GC/MS技術成本較高，限制了紅外光譜分析技術的廣泛應用。目前, SF6分解的應用方法主要有光學方法和氣相色譜法。光學方法傳感器原理簡單，穩定性好，靈敏度和耐腐蝕性也滿足檢測技術的要求；便攜性好，能在惡劣和極端條件下工作，檢測成本低，標定和維護工作量小，它可以連續在線監測。大多數光學方法儀器的響應時間小于40 s，檢測范圍大于(0～2×10-4)。不確定度滿足SO2+SOF2的技術要求，色譜法檢測時間慢，容易引起誤差，影響對設備狀態的判斷，不能形成在線監測手段[1]。

1.3 光學方法檢測技術應用

光學方法的主要研究內容是電能與化學能的相互轉換，其中電能主要通過電極電位和電動勢的變化來反映。在電能方面，感應電極和負電極是傳感器電極的兩部分。兩個電極之間用電解液膜隔開，整個電極和電解液用塑料外殼密封。氣體通過預留的小孔進入傳感電極，電阻電路在插頭一端之外，傳感器另一端的電極通過插頭與裝置相連。在以往的應用案例中，光學方法主要應用于故障定位、故障檢測等類似領域，由于其便攜、快速、穩定、準確的特點，設備隱患正在調查之中。2007年以來，深圳供電局有限公司全面開展了分解產物便攜式光學方法檢測。除完成預防性試驗規定試驗周期下分解產物的光學方法現場檢測外，2007年至2020年，利用光學方法檢測技術完成110個項目，共有20余起千伏SF6電氣設備突發故障調查與診斷案例，其中光學方法現場檢測成功發現潛在故障3例，突發故障定位10余例，輔助其他專業檢測10余例。

2 光學方法檢測技術的偏差分析

2.1 光學方法影響因素與數據分析

在光學方法檢測的應用中，發現了數據分析失真和漂移的問題，尤其是在分解產物中，H2S、CO濃度檢測誤差最為明顯。2011年，某變電站220 kV GIS設備充SF6氣體分解產物CO＞4×10-4超標，為保證設備運行，停機后打開設備蓋檢查，但未見異常。后來的操作也處于正常狀態，最初被認為是誤判，造成了一定的經濟損失。類似的情況也存在SO2含量檢測過高，H2S含量檢測過低，導致對電氣設備狀態的誤判。從光學方法的長期應用來看，在SF6分解產物的檢測中，SO2含量的檢測容易與H2S和CO的檢測相互作用。為了提高光學方法測試儀的測量范圍、方便性和經濟性，設計了三電極或四電極傳感器。從應用角度看，由于溫度的影響，容易產生交叉干擾和零點漂移[2]。

測試環境和測試樣品，氣體流量傳感器的測試時間一般在15 min以上，傳感器中的時間芯片對實際測試時間的準確測量有一定誤差。溫濕度會影響光學傳感器的測量精度，當溫度指數上升時，基線信號隨著溫度的變化而變化，這會導致測試數據不一致，這是因為被測設備運行狀態或非純氣體樣品的變化。分析了目前現場使用的三種光學方法測試儀器的測試數據，配置了不同濃度的SO2和標準氣體，分析了測試性能，產生了偏差或誤差規律，為應用判斷提供參考[3]。

2.2 光學方法的修正

在上述實驗中，不同光學方法傳感器在相同的氣源、相同的環境和操作條件下，其線性度基本相同。為了減小誤差，以SO2和H2S為例，將線性補償后的光學方法傳感器在載氣下用標準氣體標定，盡可能減小誤差。光學方法在現場檢測分解產物時，需要區分低濃度和高濃度條件下的偏差。

同一氣源，不同光學方法傳感器性能比較。為了確定光學方法檢測分解產物時的交叉干擾，選擇了能同時檢測SO2、H2S和CO濃度的光學方法檢測器。同一標準氣源，溫度24 ℃，試驗結果表明，當SO2、H2S、CO濃度高于標準氣源，SO2、CO含量的檢測存在干擾，導致分解含量的檢測和電氣設備狀態的分析存在一定的誤差。這種交叉干擾可以從兩個方面進行分析。大多數三電極及以下光學方法傳感器和部分四電極傳感器的設計不合理，溫度引起的零點漂移削弱了檢測性能，溫度基線的變化嚴重影響了CO氣體的檢測精度，對CO氣體的檢測存在干擾。通常傳感器的溫度可以通過輔助電極調節，也可以通過使用不同的周期性加熱電壓來調節。

檢測環境和實驗氣體是影響光學方法準確度的重要因素。現場檢測的及時性和有效性對電氣設備的判斷至關重要。開關氣室測試分析：根據預防性試驗規程，SO2≤3 L/L，H2S≤2 L/L，判斷設備存在故障，但綜合分析某變電所開關氣室運行狀況正常，光學方法引起的輕微偏差方法可能導致誤判；測試設備3偏差大，確認溫度傳感器靈敏且有零點漂移。測試設備會造成電態誤判，測試人員需要加強光學方法傳感器的狀態判斷和操作維護[4]。

2.3 氣相色譜法應用特點

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

3 基于光學方法的SF6分解產物檢測技術研究現狀

13個國家，如德國和美國，已經開發了通用型傅里葉紅外光譜儀。電負性氣體的紅外吸收強度大，在檢測SF6氣體分解產物時，容易吸收分解成分的吸收峰較多。通過對重慶大學SF6組分紅外光譜的分析，得到了SO2F2，SO2，CF4三個組分的紅外吸收峰，并對其與電氣設備故障的關系進行了研究，提出了用波動理論提取頻率峰值的方法。通過對SF6分解產物的紅外吸收特性，如H2S，HF，CO2等進行了分析。利用差分光譜吸收技術，南京航空航天大學研究了SO2F2，SO2，CF4等三種氣體的傳感器，但檢測方案較少[5]。

4 結語

對SF6分解物的檢測是評價SF6絕緣電氣設備狀態的重要方法，關于SF6的分解機理，國內外已有很多研究，但尚未得出明確的結論。雖然光學方法方法被廣泛地用于檢測分解產物，但是SF6分解產物的光學檢測技術由于其具有橫向斷裂、傳感器壽命長等優點而成為研究的熱點。為了促進SF6絕緣電氣設備分解檢測技術的發展，應從以下四個方面入手：(1)SF6分解產物的生成規律；(2)SF6分解產物的產生特點；(3)SF6氣體和雜質的吸附作用；(4)SF6氣體和雜質的吸附作用。在此基礎上，深入研究了基于光學方法的分解產物檢測技術，光譜分辨率技術，光譜檢測技術，可靠性技術和光學故障檢測技術