基于光学方法的六氟化硫电气设备分解产物检测技术研究

陈曦(沈阳计量测试院，辽宁 沈阳 110179)

0 引言

随着激光技术的发展，基于光学过程的气体合成技术在医学、化学、环境分析、半导体材料等领域得到了广泛的应用。然而，光学检测技术在能源领域的应用才刚刚开始，特别是用于SF6分解产物的检测。使用寿命长，抗污染能力强，高可靠性和简单的在线监测使基于光学程序的SF6绝缘电器器件分解产物检测逐渐成为研究热点，在现有研究成果的基础上将三种方法用于识别特征成分，即光声光谱法，文章研究了红外吸收光谱和紫外吸收光谱，今后将对SF6分解产物的检测和分析方法进行研究。

1 SF分解产物不同检测方法的比较分析

1.1 常用分析方法

电力设备中，引入新的气体杂质，改变设备的工作状态和吸附饱和度，气体分离产品在设备中的作用是对气体分解机理的深入了解和检测技术的发展，最关注的分解产物是H2S，CO。常用的检测方法有：光学方法、气相色谱法、氦离子分析法、红外光谱法、比色管法等，不同过程的化学原理和开关原理不同，测试设备上经常出现多传感器集成的情况。分析中的差异和错误很容易导致对电气设备的误判，造成巨大的经济损失。

1.2 气敏传感器的选型

分析SF6分解物，主要利用气敏元件检测气体的组成和浓度，这对分析的稳定性和准确性要求很高。光学方法使用光学传感器，气相色谱法集成了半导体气体传感器(如TCD)和接触燃烧或火焰光度气体传感器(如FID和FPD)，氦离子分析法采用电解液，电解液性质的变化是由气体传感器吸附被测气体离子引起的。FTIR是一种利用红外光学气体探测传感器，通过红外区域内气体的吸收峰来判断气体性质的方法。由于变电站现场背景光的存在，使得红外光谱分析技术的应用不够理想，而聚合物气体传感设备、光声光谱分析技术和 GC/MS技术成本较高，限制了红外光谱分析技术的广泛应用。目前, SF6分解的应用方法主要有光学方法和气相色谱法。光学方法传感器原理简单，稳定性好，灵敏度和耐腐蚀性也满足检测技术的要求；便携性好，能在恶劣和极端条件下工作，检测成本低，标定和维护工作量小，它可以连续在线监测。大多数光学方法仪器的响应时间小于40 s，检测范围大于(0～2×10-4)。不确定度满足SO2+SOF2的技术要求，色谱法检测时间慢，容易引起误差，影响对设备状态的判断，不能形成在线监测手段[1]。

1.3 光学方法检测技术应用

光学方法的主要研究内容是电能与化学能的相互转换，其中电能主要通过电极电位和电动势的变化来反映。在电能方面，感应电极和负电极是传感器电极的两部分。两个电极之间用电解液膜隔开，整个电极和电解液用塑料外壳密封。气体通过预留的小孔进入传感电极，电阻电路在插头一端之外，传感器另一端的电极通过插头与装置相连。在以往的应用案例中，光学方法主要应用于故障定位、故障检测等类似领域，由于其便携、快速、稳定、准确的特点，设备隐患正在调查之中。2007年以来，深圳供电局有限公司全面开展了分解产物便携式光学方法检测。除完成预防性试验规定试验周期下分解产物的光学方法现场检测外，2007年至2020年，利用光学方法检测技术完成110个项目，共有20余起千伏SF6电气设备突发故障调查与诊断案例，其中光学方法现场检测成功发现潜在故障3例，突发故障定位10余例，辅助其他专业检测10余例。

2 光学方法检测技术的偏差分析

2.1 光学方法影响因素与数据分析

在光学方法检测的应用中，发现了数据分析失真和漂移的问题，尤其是在分解产物中，H2S、CO浓度检测误差最为明显。2011年，某变电站220 kV GIS设备充SF6气体分解产物CO＞4×10-4超标，为保证设备运行，停机后打开设备盖检查，但未见异常。后来的操作也处于正常状态，最初被认为是误判，造成了一定的经济损失。类似的情况也存在SO2含量检测过高，H2S含量检测过低，导致对电气设备状态的误判。从光学方法的长期应用来看，在SF6分解产物的检测中，SO2含量的检测容易与H2S和CO的检测相互作用。为了提高光学方法测试仪的测量范围、方便性和经济性，设计了三电极或四电极传感器。从应用角度看，由于温度的影响，容易产生交叉干扰和零点漂移[2]。

测试环境和测试样品，气体流量传感器的测试时间一般在15 min以上，传感器中的时间芯片对实际测试时间的准确测量有一定误差。温湿度会影响光学传感器的测量精度，当温度指数上升时，基线信号随着温度的变化而变化，这会导致测试数据不一致，这是因为被测设备运行状态或非纯气体样品的变化。分析了目前现场使用的三种光学方法测试仪器的测试数据，配置了不同浓度的SO2和标准气体，分析了测试性能，产生了偏差或误差规律，为应用判断提供参考[3]。

2.2 光学方法的修正

在上述实验中，不同光学方法传感器在相同的气源、相同的环境和操作条件下，其线性度基本相同。为了减小误差，以SO2和H2S为例，将线性补偿后的光学方法传感器在载气下用标准气体标定，尽可能减小误差。光学方法在现场检测分解产物时，需要区分低浓度和高浓度条件下的偏差。

同一气源，不同光学方法传感器性能比较。为了确定光学方法检测分解产物时的交叉干扰，选择了能同时检测SO2、H2S和CO浓度的光学方法检测器。同一标准气源，温度24 ℃，试验结果表明，当SO2、H2S、CO浓度高于标准气源，SO2、CO含量的检测存在干扰，导致分解含量的检测和电气设备状态的分析存在一定的误差。这种交叉干扰可以从两个方面进行分析。大多数三电极及以下光学方法传感器和部分四电极传感器的设计不合理，温度引起的零点漂移削弱了检测性能，温度基线的变化严重影响了CO气体的检测精度，对CO气体的检测存在干扰。通常传感器的温度可以通过辅助电极调节，也可以通过使用不同的周期性加热电压来调节。

检测环境和实验气体是影响光学方法准确度的重要因素。现场检测的及时性和有效性对电气设备的判断至关重要。开关气室测试分析：根据预防性试验规程，SO2≤3 L/L，H2S≤2 L/L，判断设备存在故障，但综合分析某变电所开关气室运行状况正常，光学方法引起的轻微偏差方法可能导致误判；测试设备3偏差大，确认温度传感器灵敏且有零点漂移。测试设备会造成电态误判，测试人员需要加强光学方法传感器的状态判断和操作维护[4]。

2.3 气相色谱法应用特点

气相色谱仪涉及的检测器很多，安捷伦7890a或6890a色谱仪主要用于电气设备分解产物的气相色谱仪。以这类仪器为例，检测器包括：火焰光度检测器、热导检测器、电子俘获检测器、火焰离子化检测器，每个检测器根据不同的原理选择和分析不同种类的物质；除了检测器外，还需要参比材料，分解产物种类繁多，许多稀有、难构、不稳定，色谱分析能力有限；色谱柱也是气相色谱的关键组成部分，色谱柱种类繁多，而Porapak是按照国际标准Q(USA)柱选择的，在应用中，色谱法还涉及到气路转换等问题的限制。

3 基于光学方法的SF6分解产物检测技术研究现状

13个国家，如德国和美国，已经开发了通用型傅里叶红外光谱仪。电负性气体的红外吸收强度大，在检测SF6气体分解产物时，容易吸收分解成分的吸收峰较多。通过对重庆大学SF6组分红外光谱的分析，得到了SO2F2，SO2，CF4三个组分的红外吸收峰，并对其与电气设备故障的关系进行了研究，提出了用波动理论提取频率峰值的方法。通过对SF6分解产物的红外吸收特性，如H2S，HF，CO2等进行了分析。利用差分光谱吸收技术，南京航空航天大学研究了SO2F2，SO2，CF4等三种气体的传感器，但检测方案较少[5]。

4 结语

对SF6分解物的检测是评价SF6绝缘电气设备状态的重要方法，关于SF6的分解机理，国内外已有很多研究，但尚未得出明确的结论。虽然光学方法方法被广泛地用于检测分解产物，但是SF6分解产物的光学检测技术由于其具有横向断裂、传感器寿命长等优点而成为研究的热点。为了促进SF6绝缘电气设备分解检测技术的发展，应从以下四个方面入手：(1)SF6分解产物的生成规律；(2)SF6分解产物的产生特点；(3)SF6气体和杂质的吸附作用；(4)SF6气体和杂质的吸附作用。在此基础上，深入研究了基于光学方法的分解产物检测技术，光谱分辨率技术，光谱检测技术，可靠性技术和光学故障检测技术