化学检测技术在电力设备带电检测中的应用

李 臻，龚尚昆，万 涛

(国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南长沙410007)

化学检测技术在电力设备带电检测中的应用

李 臻，龚尚昆，万 涛

(国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南长沙410007)

介绍了电力设备带电检测中常用的化学成分检测技术，包括油中溶解气体分析技术，腐蚀性硫及铜离子检测技术及SF6分解产物检测技术。并对化学检测方法的发展方向进行了展望。

油中溶解气体；腐蚀性硫；铜离子；SF6分解产物

作为一种有效的带电检测方法，化学成分检测在电力设备的带电检测中发挥着愈来愈大的作用。其分析的快速性、准确性及实用性为电网的稳定运行和故障诊断提供了坚实的保障。常用的化学成分检测技术包括绝缘油成分分析技术和SF6气体状态检测技术。绝缘油成分分析技术指的是通过对于油中组分的成分分析来对绝缘油的性能进行状态评价与故障诊断，包括油中溶解气体分析技术，腐蚀性硫及铜离子检测技术等。而SF6气体状态检测技术则指的是通过分析SF6气体状态来对设备进行状态评价与故障诊断，主要指SF6分解产物检测。

1 油中溶解气体分析技术

油中溶解气体分析技术具有分析速度快、分析结果准确、分析效果出色及便于在线监测等优点。而且油中溶解气体分析一般不需要设备停电，并对设备早期缺陷的检测非常灵敏且有效，因此该方法已被作为国家标准及行业标准在全国推广实施。

1.1 油中溶解气体检测技术

1.1.1 离线检测方法

离线检测方法按照工作原理分为气相色谱法、光声光谱法及红外光谱法等。①气相色谱法利用混合气体中各物质在两相间分配系数的差别，当溶质在两相间发生相对移动时，不同分配系数的组分在色谱柱中的移动速度不同，从而使各组分得到分离。气相色谱法具有分析速度快、分析结果准确、分析效果出色、灵敏度高及适用范围广的优点。②而光声光谱技术的原理基于光声效应，光声效应是指气体分子吸收能量后被激发到高能态，处于高能态的分子跃迁回低能态时会释放一定量的热量，使气体温度上升，进而产生压力波。压力波的强度与气体的浓度正相关，故可通过检测不同压力波的强度来检测不同的气体组分。光声光谱法不消耗被测气体、检测灵敏度高、检测速度快且检测范围宽，且便于开发在线监测装置。③红外光谱法指利用不同物质对不同波长红外光的选择性吸收来进行分析的方法。红外光谱法具有无需气体分离、需要样气少、可定量分析、检测时间短的优点。

1.1.2 在线监测方法

离线检测方法无法及时检测发展较快的故障，故在线监测方法成为国内外研究的热点。在线监测要求仪器可靠性高，能长期稳定运行，原则上不允许出现误报警〔1〕。在线监测设备尽可能在靠近油流动处安装，使变压器内部因故障产生的气体尽快达到检测器而被检测。在线监测要求有一定的自动化程序。在线监测技术引入了多种智能算法，如灰色聚类分析、BP神经、粒子群算法等。王福忠等〔2〕基于人工免疫与模糊C均值聚类结合的电力变压器故障诊断算法，通过分析变压器油中溶解气体来实现变压器的故障诊断。

常用的在线监测方法为气相色谱法和光声光谱技术。多种气体的在线监测能够真实地反映油中溶解气体的实时状况，为故障的诊断提供有力的保障。

1.2 基于油中溶解气体检测技术的故障诊断

油中溶解气体组分特征取决于故障发生的部位、绝缘材料、故障发生类型及能量。因此，可通过分析溶解气体组分特征对故障进行诊断，如表1所示〔3〕。此外，还可通过计算气体的相对含量来诊断变压器的故障。比如基于[CH4]/[H2]、[C2H4]/[C2H6]、[C2H2]/[C2H4]的质量分数之比的三比值法〔4〕。该方法消除了油体积效应的影响，可靠地诊断故障状态。

表1 特征气体与变压器异常现象的关系

2 腐蚀性硫及铜离子检测技术

变压器铜绕组的腐蚀通常是由于变压器油中的腐蚀性硫导致，腐蚀性硫与铜反应生成能溶于变压器油的配合物，然后迁移到绕组绝缘纸上分解产生硫化亚铜，这样会增加绝缘纸的导电性和介损，从而在线匝间绝缘纸上产生过热区域，导致绕组之间绝缘击穿〔5〕。而随着铜的腐蚀，油中铜离子的含量也明显上升。万涛等〔6〕通过研究硫化物在铜片表面的腐蚀过程发现，油中的铜离子与铜片表面硫含量的增长密切相关，铜片表面硫腐蚀和氧腐蚀存在竞争关系。根据铜含量的变化能够有效监测变压器铜腐蚀状态。溶解在油中的铜会使变压器油中T501消耗加速，油的氧化安定性下降迅速，这是造成油加速老化的重要原因〔7〕。

为解决此种问题，国网湖南省电力公司电力科学研究院〔8〕自主开发了腐蚀性硫脱除吸附剂和吸附处理装置，并在湖南省推广。结果表明，现场处理效果良好，能够有效脱除腐蚀性硫、铜离子等有害物质，处理后的油品电气性能和变压器本体绝缘电阻大幅提升，且对油质无不良影响。

腐蚀性硫的检测也有多种方法。目前，腐蚀性硫最常用的定性检测方法是铜片试验法，具有很高的检出率，ASTM，IEC，ISO，GB等标准都采用此方法。国内外的研究人员同样研究了多种硫含量的定量测定方法，譬如电感耦合等离子体法(ICP)、库伦滴定法(ASTM D3120)等〔9〕测定变压器油中总硫含量。而铜离子的检测则多采用电感耦合等离子体法(ICP)和油料光谱法。

3 SF6分解产物检测技术

SF6气体绝缘设备在制造、安装或运行时可能出现各种缺陷，进而发生放电(包括电弧放电、火花放电、局部放电等)或过热故障，使得SF6气体发生分解，降低设备的绝缘性能，同时危及运行检修人员人身安全〔10〕。

近年来，针对SF6气体绝缘设备的故障诊断技术有了很大发展，如脉冲电流法、超声波法、特高频(Ultra High Frequency，简称UHF)法和气体分析法等检测技术已大量应用于生产实际中。与其他方法相比，SF6气体分析法不受电磁及噪声干扰的影响，且可通过分析分解产物各组分的含量及产气速率来判断出故障的类型、严重程度及发展趋势。故SF6气体分析法成为了国内外SF6气体绝缘设备诊断的研究热点。

常用的SF6分解组分检测方法包括检测管法、红外光谱法、化学传感器法、气相色谱法及光声光谱法等。①检测管法具有携带方便、操作简便等优点。但其容易受到温度、湿度和存放时间的影响，且对于大部分SF6分解组分还没有对应的检测管，故该方法只能作为一种辅助检测方法。②红外光谱法具有无需气体分离、需要样气少、可定量分析、检测时间短的优点，故可进行在线监测。然而，SF6及其部分分解气体的吸收峰十分接近，存在交叉干扰现象，且吸收峰的强度与物质的含量不是严格的线性关系，不易准确定量。③化学传感器法具有检测速度快、效率高、操作简便、便于实现自动在线检测及诊断等突出优点。但是，电化学传感器法只能检测到SO2，H2S，CO和HF，而对SO2F2，SOF2，SF4，SOF4和CF4等则无法检测。此外，各组分的响应信号可能出现交叉干扰，导致测试结果不够准确。④气相色谱法灵敏度高、定量准确、易于自动化。但检测时间较长，难以做到连续在线监测，且不适于现场在线监测应用。虽然便携式的气相色谱仪现在已经得到广泛的利用，但由于检测的组分太少，且检测时间过长、分离容易受到温度影响等原因使检测结果不理想。⑤光声光谱法不消耗被测气体、检测灵敏度高、检测速度快且检测范围宽，且便于开发在线监测装置。唐炬等〔11〕研制了SF6分解组分检测的光声装置，采用模拟电场的仿真手段来设计光声池，并优化了光声池的结构参数。测试结果表明，光声信号响应与被测气体组分的含量具有良好线性关系，对比测试表明，气体的变化趋势与气相色谱仪结果具有良好的一致性。

4 存在问题及展望

随着检测手段的日趋完善、检测精度日益提高，化学检测技术在电网设备的带电检测中的应用愈发广泛。然而，依然存在一定的问题亟待解决。

4.1 油中溶解气体分析技术

油中溶解气体分析技术及其故障诊断方法已较为成熟，并被广泛应用。不过，由于离线检测方式需要将油样取回后在实验室进行分析检测，而油样运输过程中的振动会使得油中气体浓度及相对含量发生变化，导致其结果出现一定偏差。

而在线监测技术还不成熟，其稳定性与可靠性仍需进一步发展与完善。油色谱在线监测设备普遍存在故障判据过于简单化、绝对化等缺陷。因而，在线监测技术的主要研究方向应着眼于以下方面:①多种气体的在线监测能够真实地反映油中溶解气体的实时状况，为故障的诊断提供有力的保障。目前常规的在线色谱基本能满足要求，不足的是测试周期长，设备维护困难等问题，因此目前重点发展方向应为开发能快速、准确和稳定的测试多种油中溶解气体的在线监测技术。②故障诊断方法智能化。应结合多种数学方法，研究可准确、快速设备潜伏性故障的智能化故障诊断方法，如小波分析、神经网络等。③数据库大型化。应加强对于历史检测数据的积累、分析及总结，建立大型、快速、实时的数据库。

4.2 腐蚀性硫及铜离子检测技术

针对腐蚀性硫的检测，依然缺乏可快速、准确地测定油中腐蚀性硫的方法及仪器。目前所采用的方法操作过程复杂，实验条件要求较高，测试结果存在较大的误差。因此，亟需开发可准确定量检测腐蚀性硫的方法及仪器。此外，关于腐蚀性硫的反应机理仍然有很多方面值得进行研究，包括不同种类腐蚀性硫的腐蚀机理、不同含量腐蚀性硫的影响及腐蚀过程的影响因素及控制等。包括:①相对于实验室条件，在电场的作用下，硫对铜导线的腐蚀情况更为复杂。因此，电老化条件下对变压器油中腐蚀性硫的研究将成为未来研究的热点。②油中氧气浓度对Cu2S生成的影响尚不明确。氧气是否参与Cu2S的生成尚无统一结论。其次，油中氧气浓度不同，可能会影响Cu2S在绝缘纸表面的附着情况，但该说法缺乏合理的实验模型对其进行证明。③关于含有腐蚀性硫的变压器油的回收与处理将会是未来研究的热点与重点。

4.3 SF6分解产物检测技术

SF6作为绝缘气体用于高压电器设备的使用历史不长，人们运用现代技术对它的研究较短，目前已取得一定的成果，但同样还有很多问题值得进一步研究与探索。①关于SF6分解机理的研究依然未成熟，且SF6分解产物的含量与缺陷之间的关联，还缺乏准确的判断方法及标准。因此，如何建立SF6放电分解产物与绝缘缺陷类型之间的关系以及提取识别不同缺陷的分解气体特征量是目前亟待解决的课题。还可从计算化学的角度来阐述SF6的分解过程，并进一步从微观角度理解故障发生过程，指导故障类型判断。②由于分解气体的成份复杂、种类多、含量小、稳定性差，对于SF6气体分解产物的检测方法依然还未完善，尤其是缺乏可靠、稳定的在线检测系统。针对此种情况，应着力开发应用高精度检测仪器，如气质联用色谱，氦离子化检测器色谱仪，加强对分解产物的精确分析。③吸附剂的存在会吸附因故障产生的分解产物组分，导致实际的分解产物组分含量变低，掩盖了SF6电气设备早期绝缘缺陷的严重程度，增加了误判率。因此，需结合吸附剂位置、气压、温度、水分等，深入研究吸附剂吸附硫化物、碳化物等分解产物的特性，获取其吸附的原理与动力学过程，以提高故障判断的准确性与客观性。

5 结论

随着电网技术的不断发展，化学检测方法因其快速性、准确性及实用性的优势，必将为电网的稳定运行和故障诊断提供了坚实的保障。而新技术与新方法的不断涌现，也会使化学检测方法在带电检测中发挥愈来愈大的作用。

〔1〕贾瑞君.关于变压器油中溶解气体在线监测的综述〔J〕.变压器，2002，39(增刊1):39-45.

〔2〕王福忠，邵淑敏，董鹏飞.变压器油中气体组分含量在线监测与故障诊断〔J〕.河南理工大学学报(自然科学版)，2015，34(3):379-383.

〔3〕左新宇，付强.变压器油中溶解气体在线监测方法及故障判断综述〔J〕.广东电力，2011，24(2):10-14.

〔4〕郑朝晖.油中溶解气体气相色谱法诊断变压器内部故障〔J〕.华北电力技术，2003(8):34-37.

〔5〕Scatiggio F.，Tumiatti V.，Maina R.，et al.Corrosive sulfur induced failures in oil-filled electrical power transformers and shunt reactors〔J〕.IEEE Transactions on Power Delivery，2009，24(3): 1 240-1 248.

〔6〕万涛，钱晖，冯兵，等.利用铜离子质量分数监测变压器中硫腐蚀状态的研究〔J〕.高电压技术，2013，39(5):1 128-1 134.

〔7〕廖瑞金，周旋，杨丽君，等.铜对变压器油热老化影响的试验分析〔J〕.高电压技术，2013，39(5):1 128-1 134.

〔8〕Wan T.，Feng B.，Zhou Z.，et al.Removal of corrosive sulfur from insulating oil with adsorption method〔J〕.IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，2015，22(6):3 321-3 326.

〔9〕Standard test method for trace quantities of sulfur in light liquid petroleum hydrocarbons by oxidative microcoulometry:ASTM D 3120—2006〔S〕.

〔10〕Chen X.，Ren M.，Peng H.，et al.An analysis on affecting factors of SF6gas decomposition in GIS equipment〔J〕.Power System and Clean Energy，2010，(7):34-38.

〔11〕唐炬，朱黎明，刘帆，等.应用光声技术的SF6分解组分检测装置研制〔J〕.高电压技术，2011，37(6):1 313-1 320.

Application of chemical detection technology in electric power equipment live working inspection

LI Zhen，GONG Shangkun，WAN Tao
(State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China)

In this paper，the chemical composition detection technology is introduced，including the dissolved gas analysis technology，the corrosive sulfur and copper ion detection technology，the detection technology of SF6decomposition products. And the development direction of chemical detection method is prospected.

dissolved gas in the oil；corrosive sulfur；copper ion；SF6decomposition products

TM855.1

B

1008-0198(2016)02-0020-03

10.3969/j.issn.1008-0198.2016.02.004

2015-12-28 改回日期:2016-02-24