GIS局部放电的SF6分解物的检测方法

GIS局部放电的SF6分解物的检测方法

莫亦骅, 张周胜

(上海电力学院 电气工程学院, 上海200090)

摘要:SF6分解物检测技术在检测局部放电方面,具有抗干扰能力强、精度高、可在线监测等优点,具有良好应用前景.从检测原理到检测手段,介绍了SF6分解物检测的各种方法,着重对各种方法的优缺点进行了归纳和横向比较,并对存在的一些关键问题进行了分析与讨论.

关键词：气体绝缘组合电器; 局部放电; SF6分解物

收稿日期：2014-09-24

作者简介：通讯莫亦骅(1990-)，男， 在读硕士，浙江绍兴人.主要研究方向为SF6气体分解物的光声光谱分析系统.E-mail:saiyaer_myh@163.com.

基金项目：上海绿色能源并网工程技术研究中心项目(13DZ2251900).

中图分类号：TM855;TM595文献标志码： A

GISPartialDischargeDetectionMethodsofSF6Decomposition Products

MOYihua,ZHANGZhousheng

(School of Electrical Engineering, Shanghai University of Electric Power, Shanghai200090, China)

Abstract:SF6 decomposition detection technology,in terms of detecting partial discharge(PD),has strong anti-interference ability,high precision,and can realize online monitoring and other advantages,and thus owns a good application prospect.Various kinds of SF6 decomposition detection methods are introduced,which are based on detection principle.Detection means and the advantages and disadvantages of detection methods are summarized.At the same time,some key problems of the method are analyzed and discussed.

Keywords:GIS;partialdischarge;sixsulfurfluoridedecompositionproducts

随着我国输变电系统的电压等级越来越高,电力传输和变电容量越来越大,这对电气设备提出了更高的要求.气体绝缘组合电器(GIS)因其占地面积小、可靠性高的优点,在高压超高压特高压电网被广泛使用.因此,研究GIS的故障报警诊断就显得尤为重要.

局部放电作为一种故障隐患,现有的检测方法有脉冲电流法、超声波法、光测法、超/特高频法等,但都有其弊端.脉冲电流法、超声波法和光测法的抗干扰能力弱,精度不高,且超声波法与光测法不能标定放电量.虽然超高频法具有抗干扰能力强的优点,但其模式识别和放电量标定方面都存在问题.相比之下,六氟化硫(SF6)分解物检测法具有直接、受环境影响小、抗干扰能力强、灵敏度高等特点.该方法的检测对象直接来自于GIS气室内部,检测结果可以直接反应该时间节点下GIS的工作状态.此外,不同于基于电磁物理信号的检测法,SF6分解物检测法的抗干扰能力强,可以跟踪组分含量和产气率差别,还可以判断出故障类型和严重程度,与高灵敏度的传感器相连,进行精准测量.

国外对SF6分解物检测法的研究最早要追溯到19世纪,SCHUMB等人进行了局部放电(PD)下SF6的分解研究,在一个玻璃容器中放置电极,进行PD分解.放电电流为50~200 μA,持续200 h,发现分解物为SF4，SF2，S2F2.[1]BARTAKOVA用针板极产生PD进行实验,检测到分解产物为SF4,S2F10,SOF2,SO2.同时，BRUNT Vant等人制作了小电流的高度局部化的不锈钢针板电极模型,用以产生PD,并用气相色谱质谱仪进行分析,得出PD下SO2F2，SOF2，SOF4是SF6分解生成最多的氟氧化物.CHU测量了SOF2与SO2F2的产气率,发现两者的含量接近.KWSUMOTO则在PD分解物中检测到了HF.国内相关的研究起步较晚,1994年姚唯建等人提出将气体分析法用作检测SF6电气设备,并进行了实验研究,认为若分解物中检测出CF4,基本可以确定为固体绝缘存在问题.中国电力科学研究院自2006年起牵头承担了国家电网公司立项的多个SF6气体分解产物检测方面的科技项目,[2]并在国网内部设备隐患排查中成功实现多起设备潜在性故障预判.重庆大学的唐炬等人[3]对4种GIS典型绝缘缺陷进行了大量的局部放电试验，基于实验结果选取了特征气体,并对其组分含量比值范围进行了编码,以此检测GIS内部绝缘故障.

1局部放电的SF6分解物检测原理

GIS缺陷故障分为内部故障和外部故障两种.常见故障主要来自于GIS内部,例如气体泄露、水分含量高、盆式绝缘子受损等.其中，引起PD的又以绝缘缺陷最为常见.常见的绝缘缺陷有金属突出物、自由导电微粒、绝缘子表面污秽和绝缘子气隙等，这些常见的缺陷会引起局部放电、火花放电、设备过热等故障.[4]

研究SF6气体分解物的最终目的之一是判断GIS内部是否发生故障,以及对故障的放电类型进行识别.而SF6气体在不同放电环境下,其分解产物也是不同的,如表1所示.[5]

表1　 GIS常见故障及 SF 6主要分解物

根据表1中分解物之间组分的差异,或者特征气体的含量、产气速率的差异都可以进行故障缺陷的识别.[5-8]若能够实现在线监测,则理论上可以实时监测GIS内部SF6气体的状况,及时预警和报警,降低GIS的维修费用,更好地保护GIS.

在PD环境下,SF6气体的分解环境更为复杂,由于放电强度低于电弧放电、火花放电,其分解物含量也较低,体积分数通常都在10-6数量级.而且SF6能与GIS气室内微水微氧反应,生成一系列产物.研究表明，很多环境因素会影响SF6的分解情况，[4]比如电极材料、放电能量等.另外，不同GIS缺陷引起的局部放电,在分解产物组分、产气速率、含量等方面也会存在差异,这就要求在PD环境下检测分解物的设备要足够灵敏精确,技术手段要足够科学先进.

2检测方法的选取与分析

SF6气体分解物的含量较低,且很多组分不是常见物,因此对其进行定量检测有一定难度.国内外有多种方法用以检测SF6分解物,[9-13]每种方法都具有其优势,同时也存在局限性.

2.1　电化学传感器法

电化学传感器是通过传感器电极与被测气体发生反应,产生与气体浓度成正比的电信号的原理来工作的.气体首先通过毛管型微孔被传感器捕获,然后经憎水屏障,到达传感电极表面.针对被测气体而设计的电极材料可催化气体与电极反应.连接电极间的电阻会产生电流,该电流与被测气体体积分数成正比.测量该电流或相应的电压信号便可确定气体的体积分数.相比于其他方法,电化学传感器法具有响应速度快、操作简单等优点,但也存在缺陷,例如交叉干扰、零漂及温漂、寿命不长等,因而在实际应用时须定期校准检测仪器.目前,现场应用较多的传感器主要为SO2气体传感器、H2S气体传感器、CO气体传感器和HF气体传感器,但HF缺乏标准气体,其定性和定量存在一定的困难.

2.2　化学检测管法

化学检测管法是检测人员从高压电气设备中直接获得一定量的SF6气体,分别通过SO2和HF检测管.这些分解产物会在检测管中产生化学反应,改变试剂颜色,检测人员可根据变色柱的长短,定量地读出SF6气体中SO2和HF的浓度.这种方法检测简便、量程范围大、快速经济、携带方便，在现场检测中应用较广.但由于检测精度低,存在交叉干扰,笔者推荐用于粗测,以初步估测气体含量范围.

论专利独占被许可人的诉权 ..................................张 轶 01.19

2.3　气相色谱法

气相色谱法(GC)是IEC60480—2004和GB/T18867—2002共同推荐的检测方法，[9]也是目前国内外用于SF6放电分解气体组分检测的常用方法.当分解物气体作为样品送入进样器后,被载气携带进入色谱柱.由于样品中各组分在色谱柱中的流动相(气相)和固定相(液相或固相)间分配或吸附系数的差异,在载气的作用下,各个组分在两相间反复多次自由分配,使其在色谱柱中得以分离,然后通过接在柱后面的检测器依据组分的理化特性,将各个组分按顺序检测出来.气相色谱仪可以同时检测体积分数低至10-6级的CF4，SF6，SO2F2，SOF2，SO2，H2O等气体.气相色谱法具有检测组分多、检测灵敏度高等优点,目前主要用于实验室分析.

而便携式色谱虽可用于现场检测,但其本身存在取样和分析过程中可能混入水分、氧气导致一些组分水解、氧化的问题，且对SO2F2和SO2的检测比较困难,不能检测HF和局部放电主要成分之一的SOF4.同时，气相色谱检测法中色谱进样的特性决定了其检测时间较长,不能进行连续在线监测.此外，温度对色谱柱分离效果的影响很大,而且色谱柱使用一段时间后需要清洗的特点决定了气相色谱技术对环境的要求较高,不适用于现场在线监测.

2.4　红外光谱法

红外光谱法[14]是基于不同材料物质会选择性地吸收红外光的电磁辐射原理,用于分析各种可吸收红外光的化合物的定量和定性的方法.目前,它是一种被广泛应用于研究表征物质的化学组成，以及在分子层次上的结构、分子间相互作用的重要方法.对红外光谱进行分析,可以对物质进行定性分析,根据红外光谱上的峰位置、吸收强度，还可对各个物质进行定量分析.红外光谱法的检测精度高,但需要非常敏感和适当的调整工具,购买和维护费用昂贵，不适合现场检测使用.

2.5　光声光谱法

光声光谱法[15-17]是20世纪70年代初发展起来的一种基于光声效应的光谱技术.该方法可以通过检测气体对于光的吸收量而得到气体的体积分数.具体来说，就是气体分子吸收入射光光能被激发到高能态,然后释放热能退激,气体表现为温度上升.当气体体积不变,气压上升时,将入射光调制成光强周期性变化,则气温和气压也会随之发生周期性变化.当调制频率在声频范围内时,气压便会产生周期性变化的声信号,其强度与气体浓度有关,此时便可定量检测气体浓度.实验器材光声光谱仪具有很高的灵敏度,量级一般在10-9~10-11级,由光源、调制器、光声池、声敏元件和信号处理系统组成.其系统组成如图1所示.

图1　光声光谱检测系统示意

光声气体传感器在微量气体探测方面具有灵敏度高、检测范围广、响应快、可在线监测等优点.使用光声光谱法对气体进行检测时,因其测量的是气体分子吸收光能的大小,在较弱的吸收处也能够获得足够的灵敏度,故其特征吸收谱线的选择可以大大放宽,这在很大程度上减少了吸收谱线重叠而带来的交叉吸收干扰.这些优点使得该方法在医疗诊断、食品制造、污染监测、火灾预报方面得到了广泛的应用.

2.6　分析与讨论

虽然SF6分解物检测方法已有很多,但就目前这些检测手段来说,仍有很多问题需要解决.例如如何提高检测精度和灵敏度，设备的精度和灵敏度差,将会导致较大的系统误差,降低测量结果的可信度;对于检测SF6气体分解物的最终目的来说，还需要配套一个识别系统，即在检测出特征气体成分、含量,以及产气速率后,需要经过科学算法(如模糊算法、神经网络算法等)来判断是何原因引起的何种甚至几种潜在故障,而有些故障是交叉存在的,这就要求算法足够科学且面面俱到.另外，目前还没有SF6气体分解产物组分含量以及判断SF6电气设备放电故障类型或绝缘缺陷类型的依据标准,高校企业科研单位大都只是在实验室环境下开展相关的研究.换句话说,即还没有建立起优良可靠的监测分析系统,这使得上述方法无法在现场大量使用.

3结语

SF6气体分解物检测已成为本领域的前沿科学问题和研究热点,一些具有科研实力的国家和科研单位已对GIS中SF6气体分解物检测进行了相当多的研究,并取得了一定成果.本文着重分析了分解物检测原理,对于几种主流分解物检测方法进行了分析和比较,发现其各具优缺点.气相色谱法目前使用最广,红外光谱法较为精准,而光声光谱法正以其无可比拟的出色性能迅速发展中.同时，本文也指出了分解物检测方面存在的一些困难,并进行了讨论和分析.不难看出,深入了解GIS中SF6气体分解特性,及时研究有效的检测手段并将其投运,对保障我国电力安全、提高电力水平具有重要的现实意义.

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(编辑白林雪)

DOI：10.3969/j.issn.1006-4729.2015.04.012